Molecular mapping of resistance and aggressiveness in the cereal/Fusarium head blight pathosystem

Abstract

Fusarium head blight (FHB) is one of the most destructive fungal diseases in small-grain cereals worldwide causing significant yield losses and contamination of grain with mycotoxins e.g., deoxynivalenol (DON). This renders the grain unsuitable for human consumption and animal feeding. Exploring the genetic mechanism of FHB resistance is considered the key tool for modern cereal breeding activities. Triticale, the intergeneric hybrid between wheat and rye, is an important cereal crop in Poland and Germany. Resistance breeding using genetic mapping to identify quantitative-trait loci (QTL) associated with FHB resistance represents the best strategy for controlling the disease. In parallel, understanding the mechanism of aggressiveness and DON production of F. graminearum will be a significant contribution to improve FHB management. The objectives of the present work were (1) identification of QTL related to FHB resistance in triticale, together with the analysis of the correlation of FHB severity with other related traits such as plant height and heading stage, (2) correlation between DON production and FHB severity, (3) mapping of dwarfing gene Ddw1 in triticale and studying its effect on FHB resistance, plant height and heading stage, (4) detection of SNPs in candidate genes associated with aggressiveness and DON production of a large Fusarium graminearum population in bread wheat. To study the genetic architecture of FHB resistance in triticale, five doubled-haploid (DH) triticale populations with 120 to 200 progenies were successfully tested under field conditions by inoculation with Fusarium culmorum (FC46) in multiple environments. All genotypes were evaluated for FHB resistance, plant height and heading stage. DArT markers were used to genotype triticale populations. Significant genotypic variances (P<0.001) were observed for FHB severity in all populations combined with high heritability. Twenty-two QTLs for FHB resistance in triticale were reported with two to five QTL per population, thus confirming the quantitative inheritance of FHB resistance in triticale. The most prominent (R2 &#8805; 35%) QTLs were located on chromosomes 6A, 3B, 4R, and 5R. QTLs for plant height and heading stage were also detected in our work, some of them were overlapping with QTLs for FHB resistance. Correlation between FHB severity, DON content and Fusarium damaged kernels (FDK) in triticale was studied in the population Lasko x Alamo. Significant genotypic variance was detected for all traits. However, low correlation between FHB severity and DON content (r=0.31) was found. Interestingly, correlation between FHB severity and FDK rating was considerably higher (r=0.57). For FHB severity, two QTLs were detected in this population. A QTL located on chromosome 2A with minor effect for FHB severity was also a common QTL for DON content and FDK rating and explained &#8805;34% of genotypic variance for these two traits. A second QTL on chromosome 5R was a major QTL but it has no effect on DON content or FDK rating. For analyzing the rye dwarfing gene Ddw1 derived from the father Pigmej, 199 (DH) progenies were genotyped with DArT markers and in addition with conserved ortholog set (COS) markers linked to the Ddw1 locus in rye. QTL analyses detected three, four, and six QTLs for FHB severity, plant height and heading stage, respectively. Two specific markers tightly linked with Ddw1 on rye chromosome 5R explained 48, 77, and 71 % of genotypic variation for FHB severity, plant height, and heading stage, respectively. This is strong evidence, that we indeed detected the rye gene Ddw1 in this triticale population. Another objective was to highlight the association between quantitative variation of aggressiveness and DON production of 152 F. graminearum isolates with single nucleotide polymorphism (SNP) markers in seven candidate genes. One to three significant SNPs (P < 0.01 using cross-validation) were associated to FHB severity in four genes (i.e., Gmpk1, Mgv1, TRI6, and Erf2). For DON content, just one significant SNP was detected in the gene Mgv1 explaining 6.5% of the total genotypic variance. In conclusion, wide genetic variation in FHB resistance in triticale has been observed in five populations. QTL mapping analyses revealed twenty-two QTLs for FHB resistance derived from wheat and rye genomes. QTLs located on the rye genome were reported here for the first time and they are a new source for FHB resistance in triticale. In parallel, analysis of the diversity of four pathogenicity genes in F. graminearum is an important first step in inferring the genetic network of pathogenicity in this fungal pathogen.

Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) zählen weltweit zu den bedeutendsten pilzlichen Krankheitserregern im Getreide, wobei eine Infektion erhebliche Ertragsverluste verursachen kann und zu einer Anreicherung von Mykotoxinen, wie z.B. Deoxynivalenol (DON), im Erntegut führen kann. Dies bedeutet, dass das Erntegut dann für die menschliche oder tierische Ernährung ungeeignet ist. Die Untersuchung der genetischen Grundlagen der Fusarium-Resistenz stellt eine wichtige Aufgabe in der modernen Getreidezüchtung dar. Triticale, eine Kreuzung aus Weizen und Roggen, ist eine bedeutende Getreideart in Frankreich, Polen und Deutschland. Die genetische Kartierung zur Identifizierung von so genannten quantitative trait loci (QTL) die mit Fusarium-Resistenz assoziiert sind, stellen eine wichtige VoraussetzungKontrolle dieser Getreidekrankheit. Gleichzeitig kann das Verständnis von Mechanismen, welche die Aggressivität und die DON-Produktion von F. graminearum steuern, zur Kontrolle von FHB beitragen. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren (1) die Identifikation von QTL, die mit Fusarium-Resistenz assoziiert sind, die Analyse von Korrelationen zwischen FHB-Resistenz und weiteren Merkmalen wie z.B. Wuchshöhe oder Ährenschieben, (2) die Untersuchung der Korrelation zwischen DON-Produktion und FHB-Resistenz, (3) die Kartierung des Verzwergungsgens Ddw1 in Triticale und die Untersuchung zum Effekt dieses Gens auf FHBResistenz, Wuchshöhe und Ährenschieben, (4) die Detektion von SNPs in Kandidatengenen, die mit Aggressivität und DON-Produktion in einer großen F. graminearum-Population in Winterweizen assoziiert sind.Zur Untersuchung der genetischen Architektur der Fusarium-Resistenz in Triticale wurden fünf doppelhaploide (DH) Triticale-Populationen mit je 120 bis 200 Nachkommen in mehreren Umwelten unter Feldbedingungen erfolgreich mit Fusarium culmorum (FC46) inokuliert. Alle Genotypen wurden für Fusarium-Resistenz, Wuchshöhe und Ährenschieben bonitiert. Die Triticale-Populationen wurden mit DArT Markern genotypisiert. Es wurden signifikante genetische Varianzen (P <0.001) und hohe Heritabilitäten für Fusarium-Resistenz in allen Populationen beobachtet. Es wurden insgesamt 24 QTL für Fusarium-Resistenz in Triticale gefunden, von denen zwei bis fünf QTL je Populationen kartiert wurden, was die quantitative Vererbung von Fusarium-Resistenz in Triticale bestätigt. Die wichtigsten QTL (R2 &#8805; 35%) waren auf den Chromosomen 6A, 3B, 4R und 5R lokalisiert. Außerdem wurden QTLs für Wuchshöhe und Ährenschieben in dieser Studie gefunden, wobei manche dieser QTL überlappend mit QTL für Fusarium-Resistenz waren. Die Korrelationen zwischen FHB-Anfälligkeit, DON-Gehalt und Fusarium-infizierte-Körnern (FDK, Fusarium damaged kernels) wurden in der Triticale-Population Lasko x Alamo untersucht. Es wurden signifikante genotypische Varianzen für alle Merkmale gefunden. Trotzdem konnte nur eine geringe Korrelation zwischen Fusarium-Resistenz und DON-Gehalt (r=0.31) festgestellt werden. Interessanter-weise war die Korrelation zwischen Fusarium-Resistenz und der FDK-Bonitur erheblich höher (r=0.57). Es wurden zwei QTL für Fusarium-Resistenz in dieser Population gefunden. Ein QTL auf Chromosom 2A hatte einen geringen Effekt auf die Fusarium-Resistenz, erklärte aber DON-Gehalt und FDK je 34% der genotypischen Varianz. Ein weiterer QTL auf Chromosom 5R war ein Haupt-QTL aber hatte keinen Effekt auf den DON-Gehalt oder FDK.Zur Analyse des Roggen-Verzwergungsgens Ddw1, welches vom Vater Pigmej stammte, wurden 199 DH-Nachkommen mit DArT-Markern und zusätzliche mit COS (conserved ortholog set) Markern genotypisiert, welche mit dem Ddw1-Locus in Roggen gekoppelt sind. Durch die QTL-Analyse wurden drei QTL für Fusarium-Resistenz, vier QTL für Wuchshöhe und sechs QTL für Ährenschieben gefunden. Zwei Marker, die eng mit Ddw1 auf dem Roggenchromosom 5R gekoppelt waren, erklärten für Fusarium-Resistenz, Wuchshöhe und Ährenschieben jeweils 48, 77 bzw. 71 % der genotypischen Varianz. Dies ist Hinweis, dass wir das Roggengen Ddw1 in dieser Triticale-Population nachweisen konnten. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Untersuchung zur Assoziation zwischen SNP (conserved ortholog set)- Markern in sieben Kandidatengenen und der Aggressivität sowie DON-Produktion von 152 F.graminearum Isolaten. Ein bis drei signifikante SNPs (P < 0.01, kreuzvalidiert) waren mit Fusarium-Resistenz in vier Genen assoziiert (Gmpk1, Mgv1, TRI6, und Erf2). Für den DONGehalt wurde jedoch nur ein signifikanter SNP im Gen Mgv1 identifiziert, welcher 6,5 % der genotypischen Varianz erklärte. Zusammenfassend haben wir eine große genetische Variation für FHB-Resistenz in fünf Triticale-Populationen gefunden. Durch die QTL-Kartierung konnten 24 QTLs für Fusarium-Resistenz gefunden werden. Die in dieser Studie auf dem Roggen-Genom detektierten QTLs für Fusarium-Resistenz wurden hier zum ersten Mal b berichtet. Diese stellen eine neue Quelle für Fusarium-Resistenz in Triticale dar. Zusätzlich legt unsere Analyse von vier Pathogenitätsgenen in F. graminearum eine erste Grundlage zur Untersuchung der quantitativ vererbten Aggressivität dieses pilzlichen Erregers.