Genetic studies of the wheat-Parastagonospora nodorum pathosystem

Abstract

Septoria nodorum blotch (SNB) caused by the necrotrophic fungus Parastagonospora nodorum is the major wheat leaf blotch disease in Norway. It reduces both yield and grain quality by causing symptoms on wheat leaves and glumes, and can cause yield losses up to 30% under warm and humid conditions. To date, complete resistance to SNB is not available. As the resistance to both SNB leaf blotch and glume blotch are quantitatively inherited but controlled by different genetic mechanisms, breeding for SNB resistance is quite challenging. In the past decades, research progress has been made on understanding the interactions at the seedling stage between wheat sensitivity loci (Snn) and the corresponding necrotrophic effectors produced by P. nodorum. However, even though some NE-Snn interactions have been found to contribute to adult plant leaf blotch susceptibilities, correlations between SNB seedling resistance and adult plant resistance are generally low. In order to investigate the P. nodorum-wheat pathosystem and ultilize the knowledge to improve SNB resistance, knowledge of both the local P. nodorum pathogen population and host resistance is required. Stage 1: Norwegian P. nodorum genetic diversity: In the first stage of this PhD project, I investigated the genetic diversity of the Norwegian P. nodorum population and compared the allele frequencies of the three well-known P. nodorum NE genes (SnToxA, SnTox1 and SnTox3) with other European populations. We found that the Norwegian P. nodorum population underwent random mating and had high level of genetic variation while no evidence was observed for population subdivisions. In addition, all three NE genes were common in the Norwegian P. nodorum population. However, significantly higher SnToxA allele frequency was found compared to other European P. nodorum populations and we hypothesized that this was due to the local adaptation to the high frequency of the corresponding sensitivity gene Tsn1 in Norwegian spring wheat cultivars. This work suggests that the P. nodorum population in Norway has high evolutionary potential and can therefore rapidly adapt to local host cultivars. Stage 2: Genetic mapping of P. nodorum resistance/susceptibility using a UK-adapted MAGIC population: genetic studies were conducted to detect SNB resistance associated quantitative trait loci (QTL) at both the seedling stage and the adult plant stage for leaf blotch and for glume blotch. In agreement with previous studies, we found that seedling leaf resistance poorly correlated with adult plant resistance , which may be due to different NEs being expressed by isolates used in greenhouse testing in comparison to isolates in the natural population. One robust field QTL on chromosome 2A, termed QSnb.niab-2A.3, was detected for glume blotch resistance in one year and for leaf blotch resistance across years, locations and inoculation methods using the UK adapted multiparent advanced generation intercross (MAGIC) population (‘NIAB Elite MAGIC’). However, haplotype analysis revealed that the QTL detected for leaf blotch and glume blotch could be caused by closely located but different genes or gene clusters. In addition , QSnb.niab-2A.3 was also identified by culture filtrate infiltration of one P. nodorum isolate which lacked SnToxA, SnTox1 and SnTox3, but possessed uncharacterised effector(s) in its culture filtrate. These results indicate that QSnb.niab-2A.3 might associate to a novel SNB NE-Snn interaction. Stage 3: Genetic mapping of P. nodorum resistance/susceptibility using a German-adapted MAGIC population. The QTL QSnb.niab-2A.3 was validated for adult plant leaf blotch using another winter wheat MAGIC population adapted to German agronomic conditions (‘BMWpop’), suggesting the potential value of applying marker assisted selection (MAS) for this QTL to improve SNB resistance in European winter wheat germplasm . In addition, one robust QTL on chromosome 5A was identified across years private to ‘BMWpop’. Additive effects were detected when stacking beneficial alleles from both QTL on 2A and 5A. It is beneficial to survey larger numbers of varieties for sources of resistance/susceptibility, and MAGIC populations represent an efficient way of doing this. Stage 4: SNB association mapping: to complement the QTL mapping undertaken in MAGIC, genome wide association scans (GWAS) for SNB resistance was also conducted using association mapping panels consisting of Nordic winter (102) and spring wheat (296) accessions genotyped with 35 K Axiom array. GWAS confirmed that some of the previously reported NE sensitivity l oci (Tsn1, Snn1, Snn2 and Snn3) contributed to SNB leaf blotch susceptibility at the adult plant stage. In addition, haplotype analysis found a QTL on chromosome 2A, different to QSnb.niab-2A.3 identified in the UK MAGIC population, showing consistent effect on SNB resistance across seven of the nine years under study. However, the resistant haplotype was rare in both Norwegian winter wheat and spring wheat lines and was only found in lines with German or CIMMYT origin. Integrating this resistant allele in Norwegian wheat germplasm would help to improve the SNB resistance in Norway.

Hveteaksprikk (SNB) forårsaket av den nekrotrofe soppen Parastagonospora nodorum er den viktigste bladflekksjukdommen på hvete i Norge. Den forårsaker symptomer både på bladene og i aksene, og kan gi avlingstap på opptil 30% under varme og fuktige forhold. Fullstendig resistens mot hveteaksprikk er ikke tilgjengelig. Siden resistens mot symptomer på blad og aks blir kvantitativt nedarvet men kontrollert av forskjellige genetiske mekanismer, er det utfordrende å foredle resistens mot hveteaksprikk. I løpet av de siste tiårene har det blitt gjort store framskritt i forståelsen av samspillet mellom nekrotrofe effektorer (NEs) fra P. nodorum og korresponderende sensitivitets-gener (Snn) i hvete på småplantestadiet. Selv om disse interaksjonene viser noe effekt under feltforhold, er korrelasjonene mellom småplanteresistens og feltresistens generelt lav. Økt kunnskap om den norske P. nodorum-populasjonen og hvilke resistensgener som finnes i dagens sortsmateriale vil være til stor hjelp for framtidig resistensforedling og videre studier av patogen-vertsplante-samspill for denne sykdommen. Del 1: Genetiske studier av den norske P. nodorum-populasjonen. I den første delen av doktorgradsarbeidet studerte jeg den genetiske variasjonen i den norske P. nodorum-populasjonen og sammenlignet allelfrekvensene til de tre kjente P. nodorum NE-genene (SnToxA, SnTox1 og SnTox3) med andre europeiske populasjoner. Jeg fant at den norske P. nodorum-populasjonen gjennomgikk seksuell rekombinasjon og hadde høy genetisk variasjon, mens det ikke ble observert tegn til populasjonsstruktur. I tillegg var alle tre NE-gener vanlige i den norske P. nodorum- populasjonen. Imidlertid ble det funnet signifikant høyere frekvens av SnToxA i den norske P. nodorum-populasjonen, og vi antar at det skyldes lokal adaptasjon til den høye frekvensen av det korresponderende sensitivitetsgenet Tsn1 i de norske vårhvetesortene. Dette arbeidet antyder at P. nodorum- populasjonen i Norge har et høyt evolusjonspotensial og raskt kan tilpasse seg lokale sorter. Del 2: Kartlegging av resistens i en britisk MAGIC populasjon. I denne delen ble det utført studier for å kartlegge kvantitative gener (QTL) for resistens mot hveteaksprikk både på småplantestadiet og voksenplantestadiet. I samsvar med tidligere studier fant vi at småplanteresistens og feltresistens var dårlig korrelert, som antagelig skyldtes at forskjellige NE ble produsert av isolater som ble brukt i veksthus sammenlignet med den naturlige populasjonen i felt. Ett robust QTL for feltresistens, QSnb.niab-2A.3 på kromosom 2A ble avdekket i den britiske MAGIC-populasjonen ‘NIAB Elite MAGIC’ for resistens mot symptomer i aksene i ett år og resistens mot symptomer på bladene over år, steder og inokuleringsmetoder. Imidlertid avslørte haplotypeanalyser av dette QTL-et at resistensen mot symptomer på bladene og i aksene styres av koblede, men forskjellige gener. I tillegg ble QSnb.niab-2A.3 også identifisert ved å infiltrere kulturfiltrat av et isolat som produserer ukjente effektor. Det indikerer at den underliggende mekanismen til QSnb.niab-2A.3 kan være en ny NE-Snn-interaksjon. Del 3: Kartlegging av resistens i en tysk MAGIC populasjon. I denne studien ble QSnb.niab-2A.3 validert under feltforhold i en annen MAGIC populasjon basert på tyske høsthvetesorter, ‘BMWpop’. Dette QTL-et har derfor potensiale til å forbedre hveteaksprikkresistensen i europeisk høsthvete ved bruk av markørassistert seleksjon (MAS). I tillegg ble det avdekket et QTL på kromosom 5A som var robust over år, og spesifikt for ‘BMWpop’. Det ble videre vist additive effekter av å kombinere resistensallellene fra QTL-ene på 2A og 5A. Det er nyttig å inkludere genetiske variasjon fra flere sorter når man skal kartlegge resistens og MAGIC populasjoner representerer en effektiv måte å gjøre det på. Del 4: Assosiasjonskartlegging av hveteaksprikkresistens. Assosiasjonskartlegging ble gjennomført ved bruk av to paneler bestående av nordiske høsthvete (102)- og vårhvetelinjer (296) genotypet med 35K Axiom array. Dette arbeidet bekreftet at noen av de tidligere rapporterte sensitivitetsgenene (Tsn1, Snn1, Snn2, Snn3) bidro til mottagelighet for hveteaksprikk under feltforhold. I tillegg fant vi et QTL på kromosom 2A, forskjellig fra QSnb.niab-2A.3, som hadde konsistent effekt på hveteaksprikk i sju av de ni årene som ble studert. Den resistente haplotypen var imidlertid sjelden i både norsk høsthvete og vårhvete, og ble bare funnet i linjer med tysk eller CIMMYT-opprinnelse. Å integrere dette resistensallelet i norsk hvete vil være et nyttig bidrag til resistensforedlingen.