Analyses of virulence of European isolates of clubroot(Plasmodiophora brassicae Wor.)and mapping of resistance genes in rapeseed (Brassica napus L.)

Abstract

Clubroot caused by the obligate biotrophic protist Plasmodiophora brassicae is a serious soil-borne disease of cruciferous crops including oilseed rape (Brassica napus L.) in Europe. Physiological specialisation of pathogen populations causes differences in pathogenicity, rendering breeding for resistance difficult. As the level of detailed information on the virulence of P. brassicae in Europe is limited, a monitoring survey in the main oilseed rape growing regions was conducted. Samples of infected plants were collected from fields in Germany, Denmark, France, Scotland, Austria, the Czech Republic and Poland. Subsequently, 48 isolates were characterised under greenhouse conditions by artificial inoculation on the European Clubroot Differential (ECD) series and the differential set of Somé et al. (1996) followed by optical rating of disease symptoms. Thereby, relevant differences in pathogenicity linked with the origin of the samples were found. In total, 33 different ECD triplet codes were detected of which classifications 16/14/31 , 16/31/31 and 17/31/31 were most common. Based on results obtained on the differentials of Somé et al. (1996) P1 is the prevalent pathotype on oilseed rape fields in the maritime region of Northern Europe whereas P3 was most frequently detected in the continental part of Europe. As breeding for resistance is the most powerful tool to control clubroot, broadening of the genetic basis of resistance in oilseed rape is needed. Therefore, clubroot resistances derived from two rutabaga (Brassica napus var. napobrassica) varieties, i.e., Invitation and Wilhelmsburger , were genetically mapped in doubled haploid (DH) populations of crosses to the susceptible oilseed rape (Brassica napus L.) cultivar Ladoga . The DH populations were analysed for resistance against two P. brassicae isolates showing different virulence patterns in the greenhouse. The segregation ratios indicated the effectiveness of one, two and three resistance genes, respectively, conferring resistance in these DH populations depending on the P. brassicae isolate used. Studies on F1 plants give hint to dominant resistance genes in both donor lines. Based on molecular marker studies, these loci were mapped on chromosomes A03, A05 and A08. Finally, closely linked SNP markers can be used in marker-assisted breeding programs for efficient incorporation of respective resistance genes in adapted cultivars. Die Kohlhernie, verursacht durch den bodenbürtigen Protisten Plasmodiophora brassicae, gewinnt im europäischen Rapsanbau zunehmend an Bedeutung. Die Rassenbildung ist bei diesem Pathogen stark ausgebildet und erschwert die Resistenzzüchtung. Da für die europäischen Rapsanbaugebiete bisher nur begrenzte Informationen über die dominierenden Rassen vorliegen, wurden in einem Monitoringverfahren 48 Kohlhernie-Populationen aus Deutschland, Dänemark, Frankreich, Schottland, Österreich, Tschechien und Polen mit zwei unterschiedlichen Differenzialsortimenten untersucht. Dabei kamen das European Clubroot Differential (ECD) sowie das französische Testsortiment nach Somé et al. (1996) zum Einsatz und es konnten deutliche Unterschiede in der Pathogenität entsprechend der Herkunft nachgewiesen werden. Mit dem ECD-Set wurden insgesamt 33 verschiedene Pathotypen detektiert, unter denen die Triplett-Codes 16/14/31 , 16/31/31 und 17/31/31 am häufigsten nachgewiesen wurden. Anhand des französischen Differentialsortiments lässt sich eine Häufung des Vorkommens des hoch virulenten Pathotyps P1 im nordeuropäischen Raum feststellen, während der Pathotyp P3 in den kontinental geprägten Regionen Europas dominiert. Da einerseits der Wirtspflanzenresistenz aufgrund des Fehlens alternativer Bekämpfungsmöglichkeiten, wie z.B. der Applikation von Fungiziden, eine herausragende Bedeutung zukommt und andererseits für den praktischen Anbau aktuell nur eine einzige rassenspezifische Resistenz in agronomisch anbauwürdigen Rapssorten zur Verfügung steht, ist eine Erweiterung der Basis der Resistenz gegenüber Plasmodiophora brassicae zwingend erforderlich. Aus diesem Grund wurden aus Kreuzungen der kohlhernieresistenten Steckrübensorten (Brassica napus ssp. napobrassica) Wilhelmsburger und Invitation mit der anfälligen Winterrapssorte (Brassica napus L.) Ladoga doppelhaploide Populationen erzeugt, welche in Gewächshaustests mit zwei differenzierenden, aber sich im Virulenzspektrum unterscheidenden Kohlhernieisolaten phänotypisiert wurden. Die beobachteten Spaltungsverhältnisse weisen auf das Vorhandensein von einem, zwei bzw. drei Resistenzgenen in Abhängigkeit des eingesetzten P. brassicae Isoltes hin. Anhand von F1-Studien konnte gezeigt werden, dass die Resistenz dominant vererbt wird. Mittels molekularer Marker wurden die Resistenzen auf den Chromosomen A03, A05 und A08 kartiert. Eng gekoppelte SNP-Marker können in markergestützten Selektionsverfahren genutzt werden, um diese Resistenzen effektiv in adaptierte Hochleistungsrapssorten einzulagern.