Resistance studies and genetic characterization of the barley : Pyrenophora teres pathosystem

Abstract

Net blotch is a major barley disease in Norway caused by the necrotrophic fungus Pyrenophora teres, which can cause yield losses of up to 40% under conducive conditions. Two forms of this pathogen, P. teres f. teres (Ptt) and P. teres f. maculata (Ptm), can be distinguished by the symptoms they cause upon infection. At present, net blotch resistance in Norwegian cultivars is insufficient and resistance sources in the Norwegian germplasm are poorly characterized. Therefore, the structure and biology of the Norwegian net blotch population was characterized in order to develop strategies to improve resistance breeding. In addition, a study was conducted to detect quantitative trait loci (QTL) associated with resistance in two mapping populations representing the germplasm most relevant to Norwegian barley breeding. A collection of 339 single-conidia isolates from different regions in Norway were genotyped-by-sequencing using ddRADseq on the Ion Torrent platform and 4252 single nucleotide polymorphism (SNP) markers were used to characterize the genetic structure of the population. PCR-based assays showed that 95.9% of the isolates were Ptt while only 2.4% were Ptm, indicating that Ptt is the predominant form in Norway today. The mating type ratio was not significantly deviating from 1:1 and all isolates constituted distinct multilocus haplotypes, indicating a predominantly sexual reproduction. Index of association tests, however, suggested a predominantly clonal reproduction, which indicates that the population may have a mixed reproduction system. Analysis of genetic variation suggests that gene flow may occur between regions and within time periods of up to five years. Indications of adaptation to host cultivars underline the potential of rapid adaptation in the pathogen. Resistance to three Norwegian Ptt isolates was assessed in a segregating biparental cross of the Norwegian cultivars Arve and Lavrans and an association mapping panel consisting of 209 mostly Nordic barley lines, including landraces, breeding lines and currently grown cultivars. Inoculation experiments were performed on seedlings in the greenhouse and on adult plants in the field. In the biparental population, a set of 589 SNP markers was used to map a major QTL on chromosome 5H that was stable in all environments and explained up to 48% and 55% of the phenotypic variation in seedlings and adult plants, respectively. Eight additional QTL explained up to 17% in seedlings and 15% in adult plants, and one of them was isolate-specific. Most resistance alleles originated from the more resistant parent Lavrans. Association mapping in 209 Nordic barley lines genotyped with 5669 SNPs revealed 43 significant marker-trait associations corresponding to 15 QTL, each explaining less than 15% of the phenotypic variation. QTL on 3H and 6H were consistently found to be significant both in seedlings and in adult plants. These are promising candidates for breeding programs using marker-assisted selection strategies. This work suggests that Ptt is a high-risk pathogen with a high evolutionary potential that can adapt to changing environmental conditions such as new host resistance quickly. The most successful breeding strategy is likely to be pyramiding different quantitative resistance genes in elite cultivars combined with a number of major resistance genes to achieve durable resistance against this genetically diverse fungus. A number of stable seedling and adult resistance loci have been identified and markers associated with these loci are available for marker-assisted selection. Since the correlation between seedling and adult resistance was between r = 0.35 and 0.49 in this study, seedling phenotyping is not a recommended method to predict adult field resistance.

Byggbrunflekk forårsaket av Pyrenophora teres er en av de viktigste sykdommene på bygg i Norge, og kan gi avlingstap på opptil 40%. Det finnes to former av patogenet, P. teres f. teres (Ptt) og P. teres f. maculata (Ptm), som kan skilles basert på symptomene de forårsaker på plantene (nettflekk og ovalflekk). Resistensen i dagens norske byggsorter er utilstrekkelig og resistenskilder i norsk foredlingsmateriale er dårlig karakterisert. Strukturen og de biologiske egenskapene til den norske byggbrunflekkpopulasjonen ble derfor undersøkt for å utvikle strategier for bedre resistensforedling. I tillegg ble det utført genetiske studier for å identifisere QTL (quantitative trait loci) for resistens i to kartleggingspopulasjoner som representerer relevante genetiske materialer for norsk byggforedling. En samling av 339 enkeltisolater fra forskjellige regioner i Norge ble genotypet ved sekvensering (ddRADseq) på Ion Torrent-plattformen og 4252 SNP (single nucleotide polymorphism)-markører ble brukt til å karakterisere populasjonens genetiske struktur. PCRbaserte analyser viste at 95.9% av isolatene var Ptt mens bare 2.4% var Ptm, noe som indikerer at Ptt er den dominerende formen i Norge i dag. Krysningstypene var ikke signifikant avvikende fra 1:1, og alle isolatene utgjorde forskjellige multilokus-haplotyper, hvilket indikerer en overveiende seksuell reproduksjon. Indeks for assosiasjonstester indikerte imidlertid en overvekt av klonformering, noe som antyder at populasjonen kan ha et blandet reproduksjonssystem. Analyse av genetisk variasjon viser at genflyt kan forekomme mellom regioner og innenfor tidsperioder på opptil fem år. Indikasjoner på tilpasning til ulike byggsorter understreker potensialet for rask tilpasning i patogenet. Resistens mot tre norske Ptt-isolater ble undersøkt i en spaltende krysningspopulasjon fra de norske byggsortene Arve og Lavrans og i en assosiasjonskartleggingspopulasjon av 209 for det meste nordiske bygglinjer, inkludert landsorter, foredlingslinjer, historiske og dagens sorter. Inokuleringsforsøk ble utført på småplanter i veksthus og på voksne planter i felt. I Arve x Lavrans-populasjonen ble et sett med 589 SNP markører brukt til å kartlegge et hoved-QTL på kromosom 5H som var stabilt i alle miljøer og forklarte opptil 48% og 55% av den fenotypiske variasjonen i henholdsvis småplanter og voksne planter. Ytterligere åtte QTL forklarte opptil 17% av variasjonen i småplanter og 15% i voksne planter, og et av dem var isolatspesifikt. De fleste resistensalleler stammer fra den mer resistente foreldresorten Lavrans. Assosiasjonskartlegging i 209 nordiske bygglinjer genotypet med 5669 SNP’er viste 35 signifikante markør-resistens-assosiasjoner, som tilsvarer 13 QTL. Hver av dem forklarer mindre enn 15% av den fenotypiske variasjonen. QTL på 3H og 6H var signifikante både i småplanter og i voksne planter. Disse er lovende kandidater for markørbasert seleksjon i foredlingsprogrammer. Dette arbeidet viser at Ptt er et høyrisikopatogen med et høyt evolusjonært potensial som raskt kan tilpasse seg endrede miljøforhold som ny vertsresistens. Den beste foredlingsstrategien er sannsynligvis pyramidisering av forskjellige kvantitative resistensgener i samme sort kombinert med resistensgener med stor effekt for å oppnå varig resistens mot denne genetisk mangfoldige soppen. Flere QTL i småplanter og voksne planter ble identifisert, og markører assosiert med disse er tilgjengelige for markørbasert seleksjon. Siden korrelasjonen mellom småplanteresistens og resistens i voksne planter var mellom r = 0.35 og 0.49 i denne undersøkelsen, anbefales ikke resistenstesting av småplanter som en metode for å forutsi feltresistens i voksne planter.