Detection and validation of disease resistance QTL in wheat

Abstract

Powdery mildew (PM), Fusarium head blight (FHB) and Septoria leaf blotch (SNB) are devastating wheat diseases. Breeding of disease resistant varieties is an economical and environmentally friendly approach and is given high priority in the Norwegian wheat breeding program at Graminor Breeding AS. Resistance breeding is a challenging task. For some diseases, major resistance genes have been detected and utilised in breeding, but when commercial varieties carrying major genes are grown in large areas, the resistance can be overcome by the pathogen after a few years of cultivation. For these diseases, the search and utilisation of quantitative resistance genes is a more durable solution. For other diseases, the resistance mechanisms have been found to be mainly polygenic and quantitative. Utilisation of quantitative resistance genes, and combining several of these quantitative loci, is a solution for breeding of more resistance varieties against these diseases. In this study, two SNP Chips were utilised; the Illumina 90K SNP Chip and the Affymetrix 35K SNP Chip. The recombinant inbred line (RIL) populations Shangahi3/Catbird (SHA3/CBRD) x Naxos and Soru#1 x Naxos, and a spring wheat association mapping panel consisting of 123 lines were genotyped with the Illumina 90K SNP Chip. An association mapping panel consisting of 299 spring wheat lines and RIL population Soru#1 x Naxos were genotyped with the Affymetrix 35K SNP Chip. For the SHA3/CBRD x Naxos population, linkage maps containing both SNP, SSR and DArT markers were developed. For the Soru#1xNaxos population, two sets of linkage maps were developed; one set with Illumina 90K SNP markers and SSR markers, and a second set contained Illumina 90K and Affymetrix SNP markers in addition to SSR markers. In paper I, we utilised the two RIL populations, SHA3/CBRD x Naxos and Soru#1 x Naxos, that both segregate for PM. These RIL populations had been evaluated for PM in several environments in Norway and China. The previous QTL mapping study had detected a major QTL for PM resistance on chromosome 1AS contributed by Naxos. That study was performed with SSR and DArT markers. With the saturation of the SHA3/CBRD x Naxos map with SNP markers and the SNP genotyping of Soru#1 x Naxos we could more precisely map and validate this 1AS QTL. Further work is now in progress to fine-map this 1AS QTL. Paper II focused on SNB. We used the RIL population SHA3/CBRD which segregates for SNB. This population had previously been evaluated for adult plant resistance to SNB in field trials. Seedling resistance were tested in the greenhouse with inoculation of P. nodorum isolates and infiltrations with isolates and necrotrophic effectors. With the use of a more saturated marker map in the SHA3/CBRD x Naxos population we could map the Snn3 locus on chromosome 5BS in SHA3/CBRD and detect QTL for sensitivity to SnTox3 in this locus both in adult plants and in seedlings. In paper III, we utilised the 299 association mapping panel genotyped with the Affymetrix 35K SNP Chip. FHB was evaluated in several environments in spawn inoculated fields, and DON measurements was performed by GC-MC. Anther extrusion (AE), plant height (PH) and days to heading (DH) of the lines in the collection were also evaluated in field trials. Eight QTL were detected that were significant in three or more testing environments consistent for both FHB and DON. Of these eight QTL, seven coincided with AE. Evaluation of the mapping panel displayed a clear positive effect on resistance when combining several resistance alleles. The results also provided an overview of which of the detected QTL were present in different lines in the mapping panel and which QTL was less and more utilised in the different parts of the wheat collection.

Meldugg (PM), Fusarium head blight (FHB) og hveteaksprikk (SNB) er svært skadelige sykdommer i hvete. Å foredle hvetesorter med resistens mot disse sykdommene er en økonomisk og miljøvennlig tilnærming, og er gitt høy prioritet i det norske hveteforedlingsprogrammet ved Graminor AS. Å foredle sykdomsresistente sorter er utfordrende. For noen sykdommer har enkelte hovedgener blitt oppdaget og brukt i utviklingen av nye sorter. Når en sort med kun enkelt-gener mot en sykdom dyrkes kommersielt på store arealer blir denne resistensen ofte raskt brutt ned pga endring i patogenpopulasjonen. For slike sykdommer er det en bedre strategi å lete etter, og utnytte, flere gener med mindre resistens effekt enn hovedgenene som samlet vil kunne gi en god og mere varig resistens. For andre typer sykdommer er det ikke funnet hovedresistensgener, men kun gener med lavere grad av resistens enn hovedgenene og polygene resistensmekanismer hvor mange gener med liten grad av resistens samlet sett gir mer eller mindre resistente planter. I dette prosjektet ble to ulike SNP Chiper med sekvenser fra referanse genomsekvensen til IWGSC (International Wheat Genome Sequencing Consortium) brukt; Illumina 90K SNP Chipen og Affymetrix 35K SNP Chipen. De to RIL populasjonene Shanghai3/Catbird (SHA3/CBRD) x Naxos og Soru#1xNaxos, og en assosiasjonskartleggings-kolleksjon bestående av 123 vårhvete- linjer ble genotypet med Illumina 90K SNP Chipen. En assosiasjons-kartleggingskolleksjon bestående av 299 vårhvete-linjer og RIL populasjonen Soru#1 x Naxos ble genotypet med Affymetrix 35K SNP Chipen. For SHA3/CBRD x Naxos ble det laget koblingskart basert både på SNP, SSR og DArT markører. For Soru#1xNaxos ble det laget to ulike typer koblingskart; èn type koblingskart med Illumina 90K SNP markører og SSR markører, og en annen type med Illumina 90K SNP markører og Affymetrix 35K SNP markører i tillegg til SSR markører. I paper I ble de to RIL populasjonene SHA3/CBRD x Naxos og Soru#1 x Naxos benyttet. Begge populasjonene spalter for PM, og hadde blitt evaluert for PM i flere miljøer i Norge og Kina. En tidligere QTL kartleggingsstudie hadde detektert et QTL for PM på brødhvetekromosom 1AS fra Naxos. Denne studien var utført med SSR og DArT markører. Med nye koblingskart med mange fler markører både i SHA3/CBRD x Naxos og Soru#1 x Naxos krysningene klarte vi å kartlegge dette 1AS QTLet mer presist og videre validere det. Videre arbeid er nå i gang for å finkartlegge dette 1AS QTLet Paper II fokuserte på SNB. Vi brukte her RIL populasjonen SHA3/CBRD x Naxos, som spalter for SNB. Denne populasjonen hadde tidligere blitt evaluert for SNB i feltforsøk. Småplante- resistens ble testet i veksthus med inokulering av P. nodorum isolater og infiltrering med isolater og nekrotrofe effektorer. Ved å benytte det nye utviklede koblingskartet av SHA3/CBRD x Naxos med mange markører var det mulig å plassere Snn3 locuset på kromosom 5BS og detektere QTL for mottakelighet til SnTox3 i Snn3 locuset både på voksen- og småplantestadiet. Paper III benyttet et panel bestående av 299 vårhvete linjer. Dette panelet ble genotypet med Affymetrix 35K SNP Chipen. FHB ble evaluert i flere miljøer i smittefelt og DON nivå ble målt med GC-MS. AE, PH og DH ble også evaluert i de ulike linjene i ulike felt. Åtte QTL ble avdekket som var signifikante i tre eller flere miljøer for både FHB og DON. Av disses åtte, hadde syv sammenfallende posisjon som detekterte QTL for AE. Evaluering av hvetekolleksjonen viste en klar positiv effekt av å kombinere flere av de detekterte QTLene i studien. Resultatene fra studien ga også en oversikt over hvilke linjer i kolleksjonen som inneholdt hvilke av de åtte konsistente QTLene og hvilke QTL som var høyt og lavt utnyttet i de ulike delene av hvetekolleksjonen.