Untersuchungen zur Genetik der Resistenz der Sonnenblume (Helianthus annuus) gegen den Erreger der Verticillium-Welke (V. dahliae)

Abstract

Die Verticillium-Welke der Sonnenblume ist eine bodenbürtige Krankheit, die das Gefäßsystem der Pflanze besiedelt und den Blattapparat durch Nekrosen ertragsrelevant schädigt. Nach langen Jahren einer effizienten Kontrolle der Krankheit durch die Nutzung resistenter Sorten hat sie in den letzten Jahren weltweit erneut an Bedeutung gewonnen, da neue Pathotypen die bisher genutzten Resistenzen überwinden können. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, in diversem für den Anbau in Deutschland geeignetem Zuchtmaterial neue Resistenzquellen gegen die hiesige Verticillium-Population zu identifizieren. Dazu wurden Artkreuzungen von verschiedenen Wildarten der Gattung Helianthus sowie deutsche und amerikanische Inzuchtlinien auf ihre Reaktion gegen die Verticillium-Welke evaluiert. Des Weiteren wurde die Vererbung der ermittelten Resistenzen anhand von Spaltungsanaly¬sen der F2-Nachkommenschaften bestimmt. Die dazu durchgeführten Resistenztests erfolgten sowohl bei natürlichen Infektionsbedingungen im Feld als auch mittels künstlicher Inokula¬tion der Wurzeln in der kontrollierten Umwelt des Folien- bzw. Gewächshauses. Dabei wurde die Verticillium-Reaktion anhand der durch den Pilz induzierten Blattnekrosen und der Präsenz der Überdauerungsorgane im Stängel ermittelt, um neben absolut wirkenden Resistenzen auch eventuell tolerante Reaktionen der Sonnenblume zu identifizieren. Der Blattparameter stellte ein relativ umweltrobustes Merkmal zur Darstellung der Verticillium-Anfälligkeit dar. Demgegenüber wurde die Besiedlung des Stängels stärker durch Ein¬flüsse der Witterung (Nässe vs. Trockenheit), der Umwelt (natürlich vs. kontrolliert) und des Genotyps (frühreif vs. spätreif) beeinflusst. Insofern sind für die korrekte Erhebung des Stän¬gelparameters ein geeigneter Standort und eine stadienspezifische Bonitur des Merkmals notwendig. Im Feld wurden die Ergebnisse zudem durch eine ungleichmäßige Durchseu¬chung und eine zu geringe Inokulumstärke beeinflusst. Spaltungsanalysen können daher im Feld nur bei optimalen Bedingungen durchgeführt werden. Insofern ist eine korrekte Evaluierung der Verticillium-Welke nur dann möglich, wenn zum einen Umwelteinwirkungen minimiert sind, zum anderen ein hoher Infektionsdruck für eine sichere Merkmalsexpression gewährleistet ist. Diese Bedingungen sind in Deutschland nicht vorhanden, so dass Verfahren mit künstlicher Infektion herangezogen werden müssen. Diese haben den Vorteil, einen höheren und gleichmäßigeren Befall aller Genotypen zu ermöglichen, ohne dass der Versuchsfehler einen signifikanten Einfluss ausübt. Die Reaktionen der Genotypen waren daher eindeutiger als im Feld. Allerdings besteht die Möglichkeit einer Überexprimierung der Reaktion, so dass Feldresistenzen oder tolerante Reaktionen nur bedingt evaluiert werden können. Zehn der 17 untersuchten Linien wiesen eine Resistenz gegen die Verticillium-Welke auf. Diese war für die Hälfte der Genotypen durch dominante Gene bestimmt, deren Wirksamkeit sich jedoch voneinander unterschied. So konnte eine die Besiedlung nahezu ausschließende monogene Resistenz (V) beschrieben werden neben solchen, die die Besiedlung tolerierten, ohne starke Blattnekrosen zu zeigen (Vm). Die spezifische Pathogenese der Erreger und sein durch den Lebensraum im Xylem bedingter nur indirekter Kontakt zum Wirt sind als Ursachen für diese Beobachtungen anzuführen. Daher bestimmten nicht nur die Hauptgene selbst, sondern auch modifizierende Faktoren die Besiedlungsstärke und damit die Effizienz der Re¬sistenz gegen die Verticillium-Welke.Die übrigen fünf resistenten Linien verfügten über ein rezessives Resistenzgen, das allerdings nur eine Feldtoleranz bedingte und eine stärkere Besiedlung des Stängels nicht immer auszuschließen vermochte. Die Spaltung in der F2-Nachkommenschaft einer Kreuzung zweier Li¬nien mit rezessiven Resistenzen legte zudem nahe, dass sich das aus der Wildart H. giganteus stammende rezessive Gen von dem der H. annuus-Inzuchtlinie unterscheidet. Die verschiedenen Resistenzgene und insbesondere die, die eine Toleranz vermitteln, sind geeignet, im Rahmen von Strategien zur nachhaltigen Nutzung der Verticillium-Resistenz eingesetzt zu werden. Gerade die Gene mit partieller Wirkung können in Kombination mit absolut wirkenden Resistenzen als quantitatives Element die Lebensdauer der Resistenzen verlängern oder bei alternierender Nutzung die weitere Entwicklung neuer Pathotypen verlangsamen.Basierend auf den Ergebnissen wird ein zweistufiges Selektionsverfahren vorgeschlagen, das in erster Linie Genotypen mit deutlichen, den Ertrag beeinträchtigenden Blattsymptomen eliminiert und in einem zweiten Schritt in den verbleibenden Linien gegen eine starke Besiedlung des Stängels selektiert. Das sollte nicht nur kostengünstig, sondern dürfte auch praktikabel sein. Insbesondere ermöglicht die mehrstufige Selektion eine Identifizierung unterschiedlicher quantitativer und qualitativer Resistenztypen und somit die Auslese stabil resistenter Sonnenblumenlinien. Verticillium wilt of sunflower caused by Verticillium dahliae is a soilborne disease which is invading the vascular system of the plants and causing yield relevant necrotic damages of the leave tissue. After a long lasting control of the disease using resistant varieties, Verticillium wilt has become again a threat to the worldwide sunflower production, when new pathotypes were arising which are able to overcome the actual resistance genes. Therefore, the objective of the presented study is to identify new sources of resistance and tolerance against the German population of V. dahliae using diverse sunflower germplasm which is suitable to be integrated in breed¬ing programs for the German and Central European market.Interspecific hybrids based on different Helianthus wild species as well as German and American inbred lines were tested for their reaction against Verticillium wilt. The inheritance of the identified resistances was established in evaluating the segregation in F2-progenies. The resistance tests were carried out in the field under natural infection as well as in controlled experiments in a greenhouse using an artificial root dip inoculation technique. The reaction to the Verticillium pathogen was determined in evaluating leave necrosis and the presence of resting structures in the stem tissue. In this way tolerant reactions as well as absolute resistances of the sunflower germplasm should be detectable. The leaf parameter was showing to be a relative robust character for the evaluation of susceptibility to Verticillium wilt. On the other hand a more pronounced modification of the stem colonization was found based on environment (esp. weather, wet vs. dry), infection (natural vs. artifi¬cial) and genotype (early vs. late). Therefore, the correct evaluation of stem colonization re¬quires an appropriate test location and a maturity-specific rating of the character. More¬over, an unequal infestation of the field and a lower inoculum density of the soil are affecting the results obtained in the field. Therefore, segregation studies can be conducted only in the field when optimal infection conditions are available. Insofar a correct evaluation of Verticillium wilt reactions is only feasible, when environmental impacts are minimized and a high infection pressure is guaranteed to assure the correct expression of the disease reaction. These conditions are not available in Germany, so that artifi¬cial infection methods are required. Their advantage is related to a more pronounced and uni¬form infection of all genotypes, without increasing significantly the experimental error. The disease reactions of the tested sunflower genotypes were much more distinct than in the field. However, the possibility of an over-expression of the reaction can not be excluded, so that the evaluation of more tolerant reactions is limited. Ten of the 17 evaluated sunflower lines were possessing a resistance or tolerance against Verticillium wilt. For half of these genotypes dominant genes were identified, although their effi¬ciency was not equivalent. A monogenic resistance (V) which was nearly excluding the colo¬nization of the vascular tissue could be found. Another monogenic type (Vm) was tolerating the colonization without showing significant leave symptoms. This reaction is related to the specific pathogenesis of Verticillium spp. and the more indirect contact to the host as the fungus is restricted to the vascular system. Here a modifying factor or the genetic background is influencing the resistant expression of the major gene and therefore the amount of colonization.The other five resistant lines were characterized by a recessive resistance gene resulting in a field tolerance which was not excluding a more pronounced colonization of the stem tissue. More¬over the segregation in the F2-progenies of a hybrid based on two lines with recessive resis¬tances was indicating that the recessive gene of the wild species H. giganteus was different from that identified in a H. annuus inbred line. The different resistance genes and especially those which were resulting in a tolerant reaction are suitable to be used in strategies for a sustainable utilization of Verticillium resistances. When combined with monogenic resistances especially genes with partial effect are able to prolong the life time of resistance or when used in alternation to slow down the development of new Verticillium pathotypes.Based on the results a two-step selection procedure against Verticillium wilt in sunflower is proposed, which is eliminating primarily genotypes with significant yield relevant leaf symptoms. A second selection step in the remaining lines based on heavily infested stems is fol¬lowing. This approach should be a feasible solution which is not only cost sensitive and easily to integrate into breeding processes but should allow the identification of distinct types of quantitative and qualitative resistances too.