Identification and mapping of resistance genes against soil-borne viruses in barley (Hordeum vulgare L.) and wheat (Triticum aestivum L.)

Abstract

Eine der bedeutendsten Viruskrankheiten im europäischen Wintergerstenanbau ist die bodenbürtige Gelbmosaikvirose, die durch einen Erregerkomplex, bestehend aus Barley Mild Mosaic Virus (BaMMV), Barley Yellow Mosaic Virus (BaYMV) und BaYMV-2, verursacht wird. Zudem sind Wheat Spindle Streak Mosaic Virus (WSSMV) und Soil-borne Cereal Mosaic Virus in den letzten Jahren im europäischen Raum verstärkt an Winterweizen aufgetreten. Aufgrund der vektoriellen Übertragung dieser Viren durch den bodenbürtigen Pilz Polymyxa graminis ist eine chemische Bekämpfung weder effektiv noch ökonomisch. Die einzige effiziente Bekämpfungsmöglichkeit besteht somit im Anbau resistenter Sorten. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, molekulare Marker für Resistenzgene der Gerste gegen die Gelbmosaikvirose zu identifizieren, indem genetische Ressourcen mit Hilfe PCR-basierter Marker im Hinblick auf bekannte Resistenzgene analysiert sowie spaltende DH-Populationen auf neue Resistenzen untersucht wurden. Bezüglich Weizen zielte das Projekt auf die Identifikation von resistenten bzw. toleranten Sorten gegenüber SBCMV ab, gefolgt von einer molekularen Genotypisierung des bearbeiteten Weizenmaterials als Grundlage für ein gezieltes Resistenzzüchtungsprogramm. Nachdem 120 exotische Gerstenherkünfte mittels des SSR-Markers Bmac0029 auf die Resistenzgene rym4/rym5 analysiert wurden, zeigten sieben Genotypen eine von rym4/rym5 unabhängige Resistenz gegen BaYMV und BaMMV in Feldversuchen. Diese exotischen Gersten stellen nach weiteren Allelietests mit Resistenzdonoren wertvolles Ausgangsmaterial für eine Erweiterung der genetischen Basis gegenüber BaYMV/BaMMV dar. Um für eine zielgerichtete Selektion molekulare Marker für Resistenzgene gegen die Gelbmosaikvirose zu entwickeln, wurden sieben verschiedene DH-Populationen genotypisiert. Hierbei konnte der BaMMV Resistenzlocus von CI 3517 auf dem langen Arm von Chromosom 4H kartiert werden, genau wie das Resistenzgen rym13 der Sorte Taihoku A . Des Weiteren wurde das Resistenzgen rym12 von Muju covered 2 ebenfalls auf dem langen Arm von Chromosom 4H kartiert. Darüber hinaus wurden die Resistenzgene der japanischen Varietäten Chikurin Ibaraki 1 und Shimane Omugi auf Chromosom 6H kartiert. Im Hinblick auf deren Lokalisation auf Chromosom 6H kann vermutet werden, dass es sich um identische Resistenzloci handelt. Um dies bestätigen zu können, sind weitere Allelietests notwendig. Zur Identifikation resistenter Weizengenotypen gegenüber dem Soil-borne Cereal Mosaic Virus (SBCMV) wurden 1146 Sorten und Akzessionen unterschiedlicher Züchter in Feldversuchen in Frankreich getestet, von denen 64 potentielle Kreuzungspartner auf molekularer Ebene unter Verwendung von 40 Mikrosatelliten und 30 EcoRI+3/MseI+3 AFLP-Primerkombinationen charakterisiert wurden. Innerhalb des Sortimentes wurde anhand der SSR-Daten eine genetische Diversität (DI) von DI=0,57 ermittelt und die genetische Ähnlichkeit (GS) umfasste einen Bereich von GS=0,19-0,86 (Mittelwert GS=0,49). Basierend auf den AFLP-Analysen wurde eine genetische Diversität von H =0,52 ermittelt und die genetische Ähnlichkeit wurde mit GS=0,50-0,97 (Mittel GS=0,74) bestimmt. Im Hinblick auf die genetische Diversität differenziert nach der Herkunft (Züchterhäuser) der jeweiligen Akzessionen, konnte für das dänische (H =0,443) und deutsche Sortiment (H =0,439) eine ähnlich große genetische Diversität beobachtet werden. Dagegen war die Diversität innerhalb der Akzessionen aus Frankreich mit H =0,524 deutlich größer. Die hier präsentierten Ergebnisse der genetischen Diversität von Zuchtmaterial der Gerste und des Weizens verschiedener europäischer Züchter verdeutlichen das große Potenzial für zukünftige Züchtungsprogramme. Des Weiteren ermöglicht die Entwicklung von molekularen Markern für verschiedene Virusresistenzgene die Identifizierung und Bestätigung der chromosomalen Lokalisation und die indirekte marker-gestützte Selektion auf diese Resistenzen ( Smart Breeding ). Barley yellow mosaic virus (BaYMV) and Barley mild mosaic virus (BaMMV) have spread to the most winter barley growing areas in Europe and have become a serious threat to winter barley cultivation. Besides, an increasing spread of soil-borne viruses of wheat, i.e. Soil-borne cereal mosaic virus (SBCMV) and Wheat spindle streak mosaic virus (WSSMV), respectively, was observed in the last decade. Due to transmission of these viruses by the ubiquitous soil-borne fungus Polymyxa graminis chemical measures are neither efficient nor economically and environmentally acceptable to prevent high yield losses. The only way to ensure high crop yields in infested areas is breeding and cultivation of resistant cultivars. Therefore, the aim of the present study was to identify PCR-based markers for new resistance genes against BaYMV by analysing seven DH populations and to evaluate barley germplasm for new resistance donors by screening them with already known molecular markers. With respect to wheat the main objective was to identify sources of tolerance or resistance to SBCMV followed by marker-based genotyping of resistant and tolerant cultivars as the starting point of a breeding program. After screening 120 exotic barley germplasm by using the SSR marker Bmac0029 for the identification of rym4/rym5, seven genotypes were detected, which carry neither rym4 nor rym5 and showed complete resistance against BaYMV/BaMMV in field trials. Those barley accessions are potential candidates for detecting new resistance genes. By analysing different DH populations the resistance locus of barley stock CI 3517 was mapped on the long arm of chromosome 4H, just like the resistance gene rym13 of variety Taihoku A . The new closest linked marker E53M36 for rym13 was mapped at a distance of 1.0 cM and can be used for MAS in the future. Furthermore, rym12 of the resistant cultivar Muju covered 2 was localised by SSR markers on the long arm of chromosome 4H. However, closer molecular markers have to be developed for MAS. Using bulked segregant analysis (BSA) the resistance genes of Japanese varieties Chikurin Ibaraki 1 and Shimane Omugi were mapped on chromosome 6H. Regarding rym15 of Chikurin Ibaraki 1 the SSR markers Bmac0127 and Bmac0018 are closest linked with a distance of 1.0 cM. With respect to Shimane Omugi E40M54 is the closest marker mapping in a distance of 2.2 cM. Based on the mapped SSR markers it can be hypothesised that the locus conferring resistance in Shimane Omugi is the same as the resistance locus in Chikurin Ibaraki 1 . However, this has to be further proven by allelism tests. In addition, 64 wheat accessions derived from a set of 1,146 cultivars tested for resistance to SBCMV of three different breeding companies were analysed for genetic relatedness using SSR markers and EcoRI+3/MseI+3 AFLP primer combinations. The application of 40 genome covering microsatellites revealed a high level of genetic diversity (DI=0.57) and genetic similarity (GS) was estimated to range from GS=0.19 to GS=0.86, with an average of GS=0.49. The genetic diversity according to the Shannon-Weaver Index based on 30 AFLP primer combinations amounts to H =0.521, whereas genetic similarity was estimated to vary between 0.50 and 0.97, with an average of GS=0.74. Furthermore, genetic diversity was measured among the wheat lines of the different breeding companies revealing a similar level between the German (H =0.439) and the Danish materials (H =0.443). Regarding the varieties of the French breeding company, a much higher genetic diversity (H =0.524) was estimated, probably due to the incorporation of susceptible accessions and already released cultivars. The results on genetic diversity in the breeding materials of barley and wheat developed by different European breeding companies presented here allow conclusions on the potentials for future progress. Above that, the identification of molecular genetic markers for different virus resistance genes enables the confirmation of the chromosomal location of resistance genes and an indirect selection for these major-gene resistances based on the respective molecular markers ( Smart Breeding ).