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Identification of seedling resistance against leaf rust using innovative phenotyping methods
Get PDFPuccinia triticina als Auslöser des Braunrosts, ist eines der wichtigsten pilzlichen Pathogene des Weizens. Effektive Resistenzen können vor Ertragsverlusten und verringerter Qualität schützen. Mehr als 80 Braunrostresistenzgene (Lr-Gene) sind bekannt, die meisten sind vertikale Resistenzgene und sind infolge des Auftretens virulenter Braunrostrassen gefährdet, ihre Wirksamkeit zu verlieren. Daher fokussieren sich Züchtungsaktivitäten auf quantitative Resistenzgene wie z. B. Lr34 und Lr46. In einer F2 Population, die aus dem resistenten Elter Pavon F76, der Lr46 im Adultpflanzenstadium ausprägt, und der anfälligen Linie Thatcher entstanden ist, wurden bereits im Keimpflanzenstadium wirksame Resistenz-QTLs in Regionen, in denen keine bekannten Resistenzgene zu erwarten sind, nachgewiesen. Mit Hilfe innovativer Phänotypisierungsmethoden, z. B. mikroskopischen Beobachtungen und der Zählung der Uredosporen, konnten drei QTL auf den Chromosomen 2B, 4D und 7D nachgewiesen werden. Diese Resistenz-QTL erklären mehr als 11 % der phänotypischen Varianz. Von Markern innerhalb der QTL können nun KASP Marker abgeleitet werden, die für eine markergestützte Züchtung geeignet sind. Die Ergebnisse der Studie zeigen erneut, dass die Mendelschen Gesetze nicht nur auf phänotypische Merkmale anwendbar sind. Sie gelten ebenso für die Vererbung der unterschiedlichen Allele, die durch Marker nachweisbar sind und sind somit essentiell für die Markerselektion und die markergestützte Züchtung.Puccinia triticina, as the causal agent of leaf rust, is one of the most important fungal diseases of wheat. Effective resistance can prevent yield losses and reduced quality. More than 80 leaf rust resistance (Lr genes) genes are known, most of which are vertical resistance genes vulnerable to breakdown by virulent races of leaf rust. Therefore, breeding activities are focused on quantitative resistance genes, e.g., Lr34 and Lr46. In an F2 population derived from the partially resistant cultivar Pavon F76, carrying Lr46 at the adult plant stage, and the susceptible spring wheat variety Thatcher, seedling resistance QTLs could be detected, independent of the expected chromosomal regions for already known Lr genes. Using innovative phenotyping methods, e.g., microscopic evaluation and counting of uredospore pustules, three QTLs were detected on chromosomes 2B, 4D and 7D. These resistance QTLs explained more than 11% of the phenotypic variance. KASP markers can be derived from markers within the QTL peaks and are available for marker-assisted selection. The study proves again that Mendelian rules do not only describe the inheritance of phenotype. They also apply to the inheritance of the marker alleles and are therefore essential for marker selection and marker-assisted breeding
On the search for the vernalization locus in caraway (Carum carvi) using genotyping by sequencing data
Get PDFKümmel (Carum carvi) kann in zweijährige und einjährige Blühtypen unterteilt werden. Zweijährige benötigen einen Kältereiz für die Blühinduktion, während Einjährige keinen Vernalisationsbedarf haben. Aufgrund der besseren Integration in die Fruchtfolge und der geringeren Produktionskosten wird der Anbau Einjähriger als vorteilhaft angesehen. Die verfügbaren einjährigen Sorten weisen jedoch ein unzureichendes Ertragspotential und einen zu geringen Ätherischölgehalt auf. Der zweijährige Genpool enthält wertvolle genetische Diversität, die durch Kreuzungen auf den einjährigen Genpool übertragen werden kann. Laut Literatur zeigen F1-Pflanzen aus Kreuzungen zwischen ein- und zweijährigen Blühtypen ein uniform einjähriges Blühverhalten. Resultierende F2-Populationen zeigen ein Mendelsches 3:1-Verhältnis zwischen einjährigen und zweijährigen Blühtypen. Dies deutet auf eine monogenetische Vererbung der Vernalisation beim Kümmel mit dominanter Einjährigkeit hin.
Nach Kreuzungen zwischen ein- und zweijährigen Blühtypen kann das rezessive Allel für die zweijährige Blüte über mehrere Generationen im Zuchtmaterial verbleiben. Daher wäre ein genetischer Marker, der mit dem Vernalisations-Locus assoziiert ist, vorteilhaft, um das rezessive Allel in einem Selektionsschritt zu entfernen. Um Marker zu identifizieren, die mit dem Vernalisations-Locus assoziiert sind, wurden Genotyping by Sequencing (GBS)-Daten zu 70 zweijährigen und 67 einjährigen Blühtypen genutzt. Case-Control-Studien und populationsgenetische Studien wurden durchgeführt. Insgesamt wurden 60 gemeinsame Marker gefunden, die signifikant mit dem Vernalisationsbedarf assoziiert waren. Für 19 Marker wurden diagnostische Marker entwickelt. Diese könnten in Zukunft genutzt werden, um rezessive Allele in segregierenden Populationen zu detektieren.Caraway (Carum carvi) can be divided into biennial and annual flowering types. Biennials require a cold stimulus for initiation of flowering, whereas annuals lack any vernalization requirement. Cultivation of annuals is considered advantageous due to better integration into crop rotation and reduced production costs. However, available annual varieties lack a sufficient yield potential and essential oil content. Valuable genetic diversity exists within the biennial genepool, which can be transferred to the annual genepool by crossbreeding. According to literature, F1 plants from crosses between annual and biennial flowering types uniformly show annual flowering. Resulting F2 populations show a Mendelian 3:1 ratio between annual and biennial flowering types. This indicates a monogenetic inheritance of vernalization requirement in caraway with dominant annual flowering.
After crossbreeding annual and biennial flowering types, the recessive allele for biennial flowering can remain within the breeding material over multiple generations. Thus, a genetic marker associated with the vernalization locus would be beneficial to remove the recessive allele in one selection step. To identify markers associated with vernalization requirement, we used genotyping by sequencing (GBS) data of 70 biennial and 67 annual flowering types. We conducted case-control studies and population differentiation-based tests. In total, 60 common markers were found that were significantly associated with vernalization requirement. Out of these, we developed 19 diagnostic markers. In future, these diagnostic markers might be used to detect recessive alleles in segregating populations
NIRS for vicine and convicine content of faba bean seed allowed GWAS to prepare for marker-assisted adjustment of seed quality of German winter faba beans
Get PDFDie antinutritiven Inhaltsstoffe Vicin und Convicin (V, C) in Samen von Winterackerbohnen wurden einer GWAS unterzogen. V-, C- und V + C-Werte von 189 Inzuchtlinien (fünf Umwelten) wurden mittels NIRS ermittelt. In diesen Linien kommt das starke „vc-“-Allel (VC1-Locus) nicht vor. Labor-Resultate von 646 Proben führten zu unserer NIRS-Kalibration, die gut für V und V + C tauglich war allerdings nicht tauglich für C. Die Erblichkeit war hoch für V und V + C (0,911; 0,868) und niedriger für C (0,737). Von den 2542 kartierten SNPs waren 47 signifikant mit V und einer mit V + C assoziiert. Vier SNPs, die nahe beim VC1-Lokus kartierten, waren für V signifikant. Anscheinend trugen nicht-„vc-“-Allele an diesem Locus zur V-Variation bei. Markergestützte Züchtung in diesem Genpool kann die V + C-Gehalt auf etwa 0,44 % reduzieren, im Vergleich zur aktuell niedrigsten Linie mit 0,55 %. Weitere Forschung wird zeigen, wie diese Ergebnisse der Agronomie und Züchtung dienlich sein werden.GWAS was applied to the antinutritive compounds vicine and convicine (V, C) in winter faba bean. V, C and V + C data for 189 inbred lines (five environments) were predicted by NIRS. These lines do not carry the strong “vc-“ allele (locus VC1). Lab data for 646 samples enabled our NIRS calibration, which performed well for V and V + C yet poor for C. Heritability was high (0.911; 0.868) for V and V + C and lower for C (0.737). From the 2542 mapped SNPs, 47 were significantly associated with V and one with V + C. Four SNPs mapped near to the VC1 locus and were significant for V. Seemingly, non-“vc-“ alleles at that locus contributed to V variation. Marker-assisted breeding with this germplasm can reduce the V + C content to about 0.44%, compared to the current lowest line with 0.55%. Further research will show inasmuch this can serve agronomy and breeding
Reducing initial aphid infestation by use of coloured mulch foils and newly developed biodegradable spray-films
Get PDFA newly invented biodegradable sprayable film based on renewable raw materials was modified in colour to reduce the landing and settlement of alate aphids (Macrosiphum euphorbiae, Nasonovia ribisnigri) on iceberg lettuce (Lactuca sativa L., var. crispa). The sprayable films were compared with green and black conventional PE-foils and the cultivation on bare soil. In field trials, migration and host settlement of insect pests were investigated with special consideration of colour contrasts and light reflection. The lettuce was evaluated for alate aphid infestation at the time of initial infestation and at the time of harvest. The aim was to reduce the initial infestation number with alate individuals and to minimize the demand for additional intervening measurements for plant protection. The black-grey spray film led to reduced numbers of aphids at initial infestation date. Evaluation at harvest time shows the need of secondary measurements for reliable pest control. The quality of the lettuce heads was not negatively affected by the spray treatment.Eine neu entwickelte, biologisch abbaubare, sprühfähige Folie auf Basis nachwachsender Rohstoffe wurde farblich modifiziert, um den Zuflug und die Ansiedlung von Blattläusen (Macrosiphum euphorbiae, Nasonovia ribisnigri) auf Eisbergsalat (Lactuca sativa, var. crispa) zu reduzieren. Die sprühfähigen Folien wurden mit grünen und schwarzen konventionellen PE-Folien und dem Anbau auf Boden verglichen. In Feldversuchen wurden der Zuflug und die Ansiedlung von Schadinsekten unter besonderer Berücksichtigung von Farbkontrasten und Lichtreflexion untersucht. Der Salat wurde auf den Befall mit Blattläusen zum Zeitpunkt des Erstbefalls und zum Zeitpunkt der Ernte untersucht. Ziel war es, den Erstbefall mit Blattläusen zu reduzieren und den Bedarf an zusätzlichen Maßnahmen zum Pflanzenschutz zu minimieren. Der schwarzgraue Sprühfilm führte zu einer reduzierten Anzahl von Blattläusen zum Zeitpunkt des Erstbefalls. Die Auswertung zum Erntezeitpunkt zeigt die Notwendigkeit von zusätzlichen Maßnahmen für eine zuverlässige Schädlingsbekämpfung. Die Qualität der Salatköpfe wurde durch die Sprühfolien nicht negativ beeinflusst
Attract, confuse, repel: Basics of visual perception and possibilities of optical manipulation of insect pests
Get PDFDie optische Manipulation von Schadinsekten stellt mit weiteren präventiven Maßnahmen eine Grundlage für integrierte Systeme zum Pflanzenschutz dar. Mittels der Manipulation der visuellen Wahrnehmung wird Insekten das Auffinden ihrer Wirte erschwert und somit die Zuflugsrate gesenkt. Besonders bei Insekten mit hohen Reproduktionsraten kann aber schon der verminderte Befallszuflug einen großen Einfluss auf die Einhaltung späterer Schadschwellen haben. Die Grundlage hierfür liegt in der visuellen Ökologie von Insekten und ihrer visuellen Wahrnehmung und dem daraus folgenden Verhalten. Die aus dieser Wahrnehmung hervorgehenden Ansätze zur optischen Manipulation reichen von der Nutzung von Kontrasteffekten, über farbige Fallen, bis zur Verwendung von repellent wirkenden Materialien. Durch die Entwicklungen im Bereich Leuchtdioden ist es zudem möglich schmalbandiges Licht für die optische Manipulation zu nutzen. Aktuelle Methoden der optischen Manipulation und ihre Anwendungsmöglichkeiten werden anhand von Beispielen beschrieben.The optical manipulation of insect pests, together with other preventive measures, forms the basis for integrated crop protection systems. The manipulation of the visual perception makes it more difficult for insects to find their hosts and thus reduces the infestation rate. Particularly in the case of insects with high reproduction rates, the reduction in initial infestation can already be decisive for keeping below later damage thresholds. The basis for this lies in the visual ecology of insects and their visual perception and subsequent behaviour. The approaches to optical manipulation that emerge from this perception range from the use of contrast effects to coloured traps and the use of repellent materials. Developments in the field of light-emitting diodes have also made it possible to use narrow-band light for optical manipulation. Current methods of optical manipulation and their possible applications are described using examples
Arthropods as vectors of esca-related pathogens: Transmission efficiency of ants and earwigs and the potential of earwig feces as inoculum source in vineyards
Get PDFThe spread of Grapevine trunk diseases (GTDs) such as esca concerns wine growers worldwide. Besides rain-splash and air currents, arthropods may play an additional role in the dissemination of esca-related pathogens such as Phaeomoniella chlamydospora (Pch) and Phaeoacremonium minimum (Pmm). The present study confirms that black garden ants (Lasius niger L., Formicidae: Formicinae) and European earwigs (Forficula auricularia L., Dermaptera: Forficulidae) can, under artificial conditions, efficiently transmit spores of Pch and Pmm to healthy grapevine cuttings, causing new infections. The potential of earwig feces as inoculum source in vineyards is additionally discussed. Spores of Pch and Pmm retained germination ability after earwig gut passage, and infectious feces successfully infected wounded grapevine cuttings under artificial conditions. However, molecular detection frequencies of esca-related pathogens in earwig feces collected from the field were very low. With this, the risk of earwig feces as inoculum source for esca-related pathogens is probably only marginal. However, arthropods carrying esca-related spores on their exoskeletons, such as ants and earwigs, might contribute to the overall spread of esca in vineyards. The invasion of GTDs during the phase of pruning wound susceptibility, either by arthropod vectors or by airborne spores, can efficiently be prevented by adequate pruning wound protection
Cytological and molecular studies on the resistance locus Rpv12 against downy mildew of grapevine (Plasmopara viticola)
No full textPlasmopara viticola, das Phytopathogen welches den Falschen Mehltau der Rebe verursacht, kann zu erheblichen Ernteverlusten im Weinbau führen, weshalb zur Vorbeugung eines Befalls große Mengen von Spritzmitteln ausgebracht werden müssen. Um diese Umwelt- und Finanzbelastung zu reduzieren, ist die Identifikation von Resistenz-vermittelnden genomischen Sequenzen essenziell, um die gezielte Züchtung widerstandsfähiger Rebsorten zu verbessern. Bis heute konnten über zwanzig solcher Resistenzloci allein für P. viticola identifiziert werden, ihre detaillierte Funktion und das assoziierte Resistenz-vermittelnde Gen wurden bis heute aber nur selten aufgeklärt. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnte die mikroskopische Darstellung der Infektion von P. viticola in Rpv12-tragenden Genotypen detailliert dokumentiert werden. Hierfür wurden die Genotypen `Afus Ali´ und `Italia´ als anfällige Referenzsorten verwendet, `Kunbarat´ (Rpv12, Rcg1) und `Kunleany´ (Rpv12) als ursprüngliche Rückkreuzungen der Rpv12-tragenden Vitis amurensis, wurden im Vergleich zu Genotypen die im Rpv12-Locus homozygot sind, analysiert. Ergänzend wurden die Genotypen 65-153-18 (Rpv12, Rcg1), 2004-043-0021 (Rpv1/Run1, Rpv3.1, Ren3, Ren9) und 2014-099-0003 (Rpv12, Rcg1, Ren3, Ren9) mitgeführt. Die Verwandtschaft der Genotypen wurde mittels SSR-Marker-Analyse überprüft. Dabei zeigte sich, dass `Kunbarat´, der bisher als Kreuzungsprodukt aus `Italia´ und 28/19 geführt wurde, eigentlich ein Kreuzungsprodukt aus `Afus Ali´ und 28/19 ist und somit Vollgeschwister mit `Kunleany´ ist. Auch konnte eine Fehlannahme in der Nachkommenschaft von `Kunbarat´ geklärt werden. `Petra´ ist Nachkomme von `Savagnin blanc´ und nicht `Pinot Noir´. Mittels unterschiedlicher Färbemethoden für die Mikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei der Rpv12-vermittelnden Resistenz um eine Post-Penetrations-Resistenz handelt. Diese basiert vor allem auf einer schnellen hypersensitiven Reaktion unter Freisetzung von H2O2. Dies zeigt sich durch eine übermäßige Ausprägung von Haustorien von P. viticola in resistenten Genotypen aber auch durch eine nahezu vollständige Inhibierung des Myzelwachstums bei Genotypen, die im Rpv12-Locus homozygot sind. Eine Kallose- oder anderweitige Zellwandverstärkung auf mikroskopischer Ebene konnte nicht dokumentiert werden. Es konnte jedoch eine Verstärkung der Resistenz durch Homozygotie im Rpv12-Locus beobachtet werden. Auch ließ sich ein additiver Effekt bei den homozygoten Genotypen Hozy01 (Rpv12 homozygot), Hozy10 (Rpv3.1 und Rpv12 homozygot) nachweisen. Durch eine Kooperation mit dem Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation konnten verschiedene CAPS-Marker auf über zweihundert Rpv12-tragenden Genotypen getestet werden, wovon einer als potenziell Resistenz-assoziiert bewertet werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Kooperation mit dem Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld und dem Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Genomzentrum Köln der Max-Planck-Gesellschaft, wurde unter Nutzung von Trio Binning ein nach Haplotypen differenziertes de novo-Assembly des Genotyps 2014-099-0003 (Rpv12, Rcg1, Ren3, Ren9) durchgeführt. Dadurch konnte der Rpv12-Locus, der durch Venuti et al. (2013) identifiziert wurde, zwischen den SSR-Markern UDV-350 und UDV-370 um etwa 366 kb reduziert werden. Die Anzahl potenzieller Resistenzgene auf Basis von NLR-Motiven wurde dadurch von zwölf (PN40024) auf vier reduziert. Durch RNA-Seq eines nicht-inokulierten Blattes gelang es auf zwei der vier Kandidatengene je zwei Transkripte mit getrennter Teilfunktion der NLRs zu identifizieren, was zur Hypothese des differenziellen Splicings führte.
Auf Grundlage der nun zur Verfügung stehenden Sequenzen wurden neue SSR-Marker zur Identifikation des Rpv12-Locus entwickelt. Einen zusätzlichen Aspekt dieser Arbeit stellte die Entdeckung eines neuen möglichen Resistenzlocus-Trägers dar. Eine Kreuzung aus V. riparia und V. rupestris zeigte sich äußerst widerstandsfähig gegenüber P. viticola. Erste mikroskopische und molekularbiologische Studien zum Ausschluss möglicher bekannter Resistenzloci wurden durchgeführt und im Abgleich mit den entsprechenden Locus-assoziierten Referenzsorten keine Übereinstimmungen gefunden.Plasmopara viticola, causing downy mildew in grapevine, is responsible for considerable yield loss in viticulture. The reason why large amounts of fungicides are needed to prevent infestation. To reduce this environmental and financial burden, the identification of resistance-mediating genomic sequences, which enable the targeted breeding of resistant species, is essential. To date, more than twenty resistance loci have been identified against P. viticola, but their detailed function and the associated resistance-mediating gene have rarely been elucidated. We documented P. viticola infection in Rpv12-carrying genotypes in detail by microscopic imaging. For this purpose, the genotypes `Afus Ali´ and `Italia´ were used as susceptible reference cultivars, `Kunbarat´ (Rpv12, Rcg1) and `Kunleany´ (Rpv12) as original backcrosses of Rpv12-carrying Vitis amurensis, were analysed in comparison to genotypes homozygous in the Rpv12 locus. We included supplemental genotypes 65-153-18 (Rpv12, Rcg1), 2004-043-0021 (Rpv1/Run1, Rpv3.1, Ren3, Ren9), and 2014-099-0003 (Rpv12, Rcg1, Ren3, Ren9). We verified the lineage of these genotypes by SSR-Marker analysis. `Kunbarat´ was previously listed as a cross product of `Italia´ and 28/19. However, our analysis showed that it actually is a cross product of `Afus Ali´ and 28/19 and is therefore a full sibling of `Kunleany´. Another misconception in the progeny of `Kunbarat´ could be clarified: `Petra´ is a descendant of `Savagnin blanc´ and not `Pinot Noir´. Using different staining methods for microscopy, we showed that the Rpv12-mediated resistance is a post-penetration resistance. Primarily, this is based on a rapid hypersensitive response upon release of H2O2. This was confirmed by excessive expression of haustoria of P. viticola in resistant genotypes but also by almost complete inhibition of mycelial growth in genotypes homozygous in the Rpv12 locus. No callose or other cell wall enhancement could be documented as Rpv12-related at the microscopic level. We documented an enhancement of resistance by homozygosity in the Rpv12 locus. Furthermore, we demonstrated an additive effect in the homozygous genotypes Hozy01 (Rpv12 homozygous), Hozy10 (Rpv3.1 and Rpv12 homozygous). As part of a collaboration with the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, we tested various CAPS markers for over two hundred Rpv12-carrying genotypes, of which one can be evaluated as putative resistance-associated.
In another collaboration with the Center for Biotechnology (CeBiTec) of Bielefeld University and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Genome Center Cologne of the Max Planck Society, a de novo assembly of genotype 2014-099-0003 (Rpv12, Rcg1, Ren3, Ren9) differentiated by haplotype could be performed using trio binning. This reduced the Rpv12 locus identified by Venuti et al. (2013) between SSR markers UDV-350 and UDV-370 by approximately 366 kb. As well as the number of potential resistance genes based on NLR motifs was reduced from twelve (PN40024) to four. RNA-Seq of a non-inoculated leaf identified two transcripts each with separate partial function of NLRs on two of the four candidate genes, which lead to the hypothesis of differential splicing. Based on this sequences, new SSR markers were developed to identify the Rpv12 locus.
An additional aspect of this work was the discovery of a new potential resistance locus carrier. A crossbreed between V. riparia and V. rupestris proved to be highly resistant to P. viticola. Initial microscopic and molecular biological studies to exclude possible known resistance loci showed no matches with the corresponding locus-associated reference cultivars