Mapping of quantitative-trait loci (QTL) for adult-plant resistance to Septoria tritici in five wheat populations (Triticum aestivum L.)

Abstract

Septoria tritici blotch (STB), caused by Septoria tritici (teleomorph Mycosphaerella graminicola), is one of the most important diseases in wheat varieties worldwide, responsible for severe damage of the leaves causing yield losses between 30 and 40 %. Control of STB includes crop rotation, soil tillage, fungicide application, and cultivation of resistant varieties. Profit-making wheat growers are forced to apply narrow crop rotations under reduced tillage. Some fungicides including widely-used strobilurins are no longer effective due to mutations in the highly variable pathogen population of S. tritici. Therefore, resistance breeding using genetic mapping to identify quantitative-trait loci (QTL) associated with STB resistance provides a promising strategy for controlling the disease. The main goal of this study was to detect chromosomal regions for quantitative adult-plant resistance of winter wheat to STB. Besides this, we analyzed the genetic diversity of 24 European varieties after inoculation with four different isolates of S. tritici. Multienvironmental field trials inoculated with S. tritici were applied to test isolates and varieties and to phenotype mapping populations. In detail, the objectives were to (1) compare natural infection and inoculation, (2) evaluate genotypic variation of adult-plant resistance to STB in European varieties, (3) analyze genotype x environment (G x E) interaction, (4) evaluate and analyze phenotypic data including STB severity, heading date (HED), and plant height (PLH) of five mapping populations, (5) construct genetic linkage maps of these populations using AFLP, DArT, and SSR markers, (6) determine number, positions, and genetic effects of QTL for evaluated traits, and (7) reveal QTL regions for multiple-disease resistance within mapping populations using QTL meta-analysis. In all trials, inoculation with one to four preselected isolates was performed and STB severity was visually scored plotwise as percentage coverage of flag leaves with lesions bearing pycnidia. 24 winter wheat varieties were chosen with maximal differentiation in resistance to STB and evaluated across three years including nine environments. Five mapping populations, Florett/Biscay, Tuareg/Biscay, History/Rubens, Arina/Forno, and Solitär/Bussard, each comprising a cross of a resistant and a susceptible variety, with population sizes ranging from 81 to 316, were phenotyped across four to six environments. In parallel, 221 to 491 polymorphic genetic markers were assigned to linkage groups covering 1,314 to 3,305 cM of the genome. Based on these linkage maps, the number, positions, and genetic effects of QTL could be determined by composite interval mapping. Furthermore, raw data of different experiments evaluated for resistance to two other pathogens, Fusarium head blight and Stagnospora glume blotch, were used to reveal multiple-disease resistance QTL within Arina/Forno and History/Rubens populations by the software package PLABMQTL. Results of inoculated field trials coincided with not inoculated trials showing natural infection (r = 0.84 to 0.99, P < 0.01), thus inoculation method was accurate to evaluate STB severity in the field. Genotypic variation between 24 varieties ranged from 8 % (Solitär) to 63 % (Rubens) flag leaf area infected. In the analysis of variance, genotypic variance had highest impact followed by G x E interaction (P < 0.01). Therefore, environmental stability of varieties should be a major breeding goal. The varieties Solitär, History, and Florett were most stable, as revealed by a regression approach. In contrast, disease symptoms of Biscay ranged from 19 to 72 % within the three experimental years. Phenotypic data revealed significant (P < 0.01) genotypic differentiation for STB, HED, and PLH within all five mapping populations and between the parents. Entry-mean heritabilities (h²) ranged from 0.69 to 0.87 for STB, the only exception was Tuareg/Biscay (h² = 0.38). For HED (h² = 0.78 to 0.93) and PLH (h² = 0.92 to 0.98) heritabilities were high. All correlations between STB and HED (r = -0.18 to -0.33) as well as between STB and PLH (r = -0.13 to -0.45) were negative and moderate. The exception was History/Rubens which is segregating at the Rht-D1 locus showing considerably higher correlation between STB and PLH (r = -0.55, P < 0.01). The five mapping populations showed a wide and continuous distribution of mean STB severity averaged across three to six environments in field trials at adult-plant stage. In QTL analysis, one to nine, zero to nine, and four to eleven QTL were detected for STB, HED, and PLH, respectively, across five wheat populations using composite interval mapping. One to two major QTL for resistance to STB were detected consistently across environments in each population (QStb.lsa_fb-3B, QStb.lsa_fb-6D, QStb.lsa_tb-4B, QStb.lsa_tb-6B, QStb.lsa_hr-4D, QStb.lsa_hr-5B.1, QStb.lsa_af-3B, QStb.lsa_bs-7A) explaining more than 10 % of normalized adjusted phenotypic variance. Altogether, resistance QTL explained 14 to 55 % of adjusted phenotypic variance. Both parents contributed resistant alleles. Major QTL, however, were all from the resistant parent. QTL meta-analysis revealed each of four loci for multiple-disease resistance located on chromosomes 3B, 4B, 5B, and 6D in Arina/Forno, and on chromosomes 2B, 4D, 5B, and 7B in History/Rubens. The most effective meta QTL was on chromosome 4D in History/Rubens closely linked to Rht-D1. The resistance allele from History reduced disease severity by 9.8 % for STB and 6.3 % for FHB, thus explaining 47 % and 60 % of partial phenotypic variance. In general, European wheat varieties showed a wide range of genotypic variation for STB resistance useful for breeding. Although the influence of environment and G x E interaction was high, some resistant varieties which were stable across multiple environments were found (Solitär, History, Florett). Genomic regions associated with STB resistance were mapped across 13 out of 21 wheat chromosomes. Together with the continuous distribution of five segregating populations for flag leaf infection, it can be concluded that the adult-plant resistance to S. tritici was inherited quantitatively depending on several loci explaining part of phenotypic variance. QTL meta-analysis across three severe pathogens, including Fusarium head blight, Stagnospora glume blotch, and STB, within two populations revealed eight loci for multiple-disease resistance with closely linked markers applicable in resistance breeding. Combining detected major QTL as well as meta QTL in present breeding material by applying marker-assisted selection seems a promising approach to the breeding of varieties with improved resistance to Septoria tritici blotch, Fusarium head blight, and Stagnospora glume blotch.

Die Septoria-Blattdürre (Septoria tritici blotch, STB) des Weizens wird durch den Erreger Septoria tritici (teleomorph Mycosphaerella graminicola) verursacht. Die gefährliche Blattkrankheit hat in den Weizenanbaugebieten der gemäßigten Breiten weltweit große Bedeutung und führt zu Ertragsverlusten zwischen 30 und 40 %. Das Befallsrisiko kann durch Fruchtfolgegestaltung, Bodenbearbeitung, Fungizidapplikation und den Anbau resistenter Sorten verringert werden. Um Kosten zu reduzieren und das Betriebseinkommen zu steigern, sind Landwirte gezwungen, Weizen in engen Fruchtfolgen mit reduzierter Bodenbearbeitung anzubauen. Die als Fungizid weit verbreiteten Strobilurine haben aufgrund von Mutationen in der sehr anpassungsfähigen Pathogenpopulation von S. tritici ihre Wirkung verloren. Die Resistenzzüchtung liefert durch die Anwendung der genetischen Kartierung zur Lokalisierung quantitativ vererbter Resistenzloci (sog. QTL) einen vielversprechenden Ansatz zur Kontrolle der Septoria-Blattdürre bei Weizen. Im Vordergrund dieser Studie stand die Lokalisation chromosomaler Regionen für die quantitativ vererbte Adultpflanzenresistenz von Weizen gegen STB. Außerdem wurde die genetische Diversität von 24 europäischen Sorten nach Inokulation mit vier verschiedenen S. tritici-Isolaten untersucht. Es wurden Feldversuche in mehreren Umwelten mit ein bis vier ausgewählten S. tritici-Isolaten inokuliert, um Isolate und Sorten zu testen und um Kartierungspopulationen zu phänotypisieren. Diese Isolate wurden so ausgewählt, dass sie nur Adultpflanzenresistenz entdecken. Die Ziele waren im Einzelnen (1) den Krankheitsbefall bei natürlicher Infektion und nach Inokulation zu vergleichen, (2) die genetische Variation für Adultpflanzenresistenz gegen STB in europäischen Sorten zu untersuchen, (3) die Genotyp x Umwelt (G x U)-Interaktion zu analysieren, (4) die phänotypischen Merkmale STB-Befall, Ährenschieben (AES) und Wuchshöhe (WUH) von fünf Kartierungspopulationen zu erheben und varianzanalytisch auszuwerten, (5) genetische Kopplungskarten dieser Populationen mit AFLP, DArT und SSR Markern zu erstellen, (6) Anzahl, Position und die genetischen Effekte der QTL für die erhobenen Merkmale zu bestimmen und (7) Genomregionen für multiple Krankheitsresistenz innerhalb der Kartierungspopulationen mit Hilfe einer QTL Meta-Analyse zu entdecken. In allen Feldversuchen wurde nach der Inokulation der prozentuale Krankheitsbefall mit STB auf dem Fahnenblatt im Mittel über die Parzelle visuell erfasst. 24 Weizensorten, die sich in der Resistenz gegen STB unterscheiden, wurden über drei Jahre in neun Umwelten angebaut. Fünf Kartierungspopulationen, Florett/Biscay, Tuareg/Biscay, History/Rubens, Arina/Forno und Solitär/Bussard, jeweils Kreuzungen aus einer resistenten und einer anfälligen Sorte mit Populationsgrößen zwischen 81 und 316 Genotypen wurden in vier bis sechs Umwelten phänotypisiert. Parallel wurden je Population 221 bis 491 polymorphe Marker den einzelnen Kopplungsgruppen zugeordnet. Die entstandenen genetischen Karten hatten eine Genomabdeckung von 1.314 bis 3.305 cM. Auf der Grundlage dieser genetischen Karten konnten die Anzahl, die Positionen und die genetischen Effekte der QTL für die erhobenen Merkmale bestimmt werden. Hierzu wurde das Verfahren der Intervallkartierung unter Einbeziehung von Kofaktoren verwendet. Darüber hinaus wurden die ursprünglichen Daten aus anderen Feldexperimenten zur Untersuchung der Resistenz gegen zwei weitere bedeutende Krankheitserreger, Ährenfusarium und Spelzenbräune, verwendet, um QTL für multiple Krankheitsresistenz innerhalb der Populationen Arina/Forno und History/Rubens zu entdecken. Die Ergebnisse der inokulierten Parzellen stimmten gut mit den Boniturwerten in natürlich infizierten Parzellen überein (r = 0,84 bis 0,99, P < 0,01). Daraus lässt sich schließen, dass die eingesetzte Inokulationsmethodik geeignet war, um den Befall mit STB im Feld auch unter ungünstigen Bedingungen zu gewährleisten und eine ähnliche Differenzierung der Weizensorten wie in der Praxis zu ermöglichen. Zwischen den 24 Weizensorten variierte die infizierte Fahnenblattfläche von 8 % (Solitär) bis 63 % (Rubens) im Mittel über neun Umwelten. Die Varianzanalyse ergab einen hoch signifikanten (P < 0,01) Effekt des Genotyps und der G x U-Interaktion. Aus diesem Grund ist die Umweltstabilität der Sorten ein wichtiges Zuchtziel. In einem Regressionsansatz zeigten die Sorten Solitär, History und Florett die höchste Umweltstabilität. Im Gegensatz dazu schwankte der Befall der Sorte Biscay zwischen 19 und 72 % innerhalb der Umwelten über drei Versuchsjahre. Die varianzanalytische Auswertung der phänotypischen Daten ergab sowohl innerhalb der fünf Kartierungspopulationen als auch zwischen deren Eltern eine hoch signifikante (P < 0,01) genotypische Differenzierung für alle drei Merkmale STB, AES und WUH. Die Heritabiltät (h²) für STB lag zwischen 0,69 und 0,87, außer bei Tuareg/Biscay (h² = 0,38). Die Heritabilitäten für AES (h² = 0,78 bis 0,93) und WUH (h² = 0,92 bis 0,98) waren in allen Populationen sehr hoch. Die Korrelationen zwischen STB und AES (r = -0,18 bis -0,33) als auch zwischen STB und WUH (r = -0,13 bis -0,45) waren negativ und signifikant (P < 0,01), aber von geringer Bedeutung. Die einzige Ausnahme war die Population History/Rubens, die am für die Wuchshöhe relevanten Rht-D1-Locus aufspaltet und deshalb eine deutlich höhere signifikant negative Korrelation zwischen STB und WUH aufwies (r = -0,55, P < 0,01). Alle fünf Kartierungspopulationen zeigten im Adultpflanzenstadium eine breite und kontinuierliche Häufigkeitsverteilung der Befallsmittelwerte aus Feldversuchen in drei bis sechs Umwelten. In der QTL-Analyse wurden in den fünf Weizenpopulationen für die drei Merkmale STB, AES und WUH ein bis neun, null bis neun und vier bis elf QTL detektiert. Für die Resistenz gegen STB wurden in jeder Population ein bis zwei Major-QTL kartiert (QStb.lsa_fb-3B, QStb.lsa_fb-6D, QStb.lsa_tb-4B, QStb.lsa_tb-6B, QStb.lsa_hr-4D, QStb.lsa_hr-5B.1, QStb.lsa_af-3B, QStb.lsa_bs-7A), die jeweils mehr als 10 % der normalisierten adjustierten phänotypischen Varianz erklärten. Insgesamt erklärten alle 26 gefundenen Resistenz QTL zusammen 14 bis 55 % der adjustierten phänotypischen Varianz in den fünf Populationen. Resistenzallele stammten vom resistenten aber auch vom anfälligen Elter, während sie bei den gefundenen Major-QTL alle vom resistenten Elter kamen. Die abschließende Meta-Analyse entdeckte acht Loci für multiple Krankheitsresistenz, vier in Arina/Forno auf den Chromosomen 3B, 4B, 5B und 6D, sowie vier in History/Rubens auf den Chromosomen 2B, 4D, 5B und 7B. Den mit Abstand größten Effekt zeigte der Meta-QTL auf Chromosom 4D in History/Rubens, der eng gekoppelt ist mit Rht-D1. Die Resistenz von History reduziert sowohl den Fahnenblattbefall mit STB um 9,8 % als auch den Ährenbefall mit Fusarium um 6,3 % und erklärt damit jeweils 47 % bzw. 60 % der partiellen phänotypischen Varianz. Die Studie hat gezeigt, dass in europäischen Weizensorten eine für die Züchtung nutzbare, breite genetische Variation für die Resistenz gegen STB vorhanden ist. Obwohl der Einfluss der Umwelt als auch die G x U-Interaktion bedeutend waren, wurden einige resistente Sorten mit hoher Umweltstabilität gefunden (Solitär, History, Florett). Auf 13 von 21 Chromosomen des Weizens wurden QTL für die Resistenz gegen STB kartiert. Die kontinuierliche Häufigkeitsverteilung des Fahnenblattbefalls in allen fünf segregierenden Populationen zusammen mit der großen Anzahl von 26 gefundenen QTL lässt darauf schließen, dass die Adultpflanzenresistenz gegen S. tritici quantitativ vererbt wird. Die hier vorgestellte QTL-Meta-Analyse innerhalb zweier Kartierungspopulationen über die drei bedeutenden Pathogene Ährenfusarium, Spelzenbräune und STB konnte acht Loci mit eng gekoppelten Markern für multiple Krankheitsresistenz detektieren. Ein vielversprechender Ansatz in der Resistenzzüchtung ist die Anwendung der markergestützen Selektion. Dadurch ist es möglich sowohl die gefundenen Major-QTL als auch die Meta-QTL im Zuchtmaterial zu kombinieren und somit neue Sorten mit verbesserter Resistenz gegenüber Septoria-Blattdürre, Ährenfusarium und Spelzenbräune zu züchten.