Microscopic and Molecular Characterization of the Prehaustorial Resistance against Wheat Leaf Rust (Puccinia triticina) in Einkorn (Triticum monococcum)

Puccinia triticina f. sp. tritici (Eriks.), the causal agent of leaf rust, causes substantial yield losses in wheat production. In wheat many major leaf rust resistance genes have been overcome by virulent races. In contrast, the prehaustorial resistance (phr) against wheat leaf rust detected in the diploid wheat Einkorn (Triticum monoccocum var. monococcum) accession PI272560 confers race-independent resistance against isolates virulent on accessions harbouring resistance genes located on the A-genome of Triticum aestivum. Phr in PI272560 leads to abortion of fungal development during the formation of haustorial mother cells and to increased hydrogen peroxide concentration in comparison to the susceptible accession 36554 (Triticum boeoticum ssp. thaoudar var. reuteri). Increased peroxidase and endochitinase activity was detected in PI272560 within 6 hours after inoculation (hai). Comparative transcriptome profiling using Massive Analysis of cDNA Ends (MACE) in infected and non-infected leaves detected 14220 differentially expressed tags in PI272560 and 15472 in accession 36554. Of these 2908 and 3004, respectively, could be assigned to Gene Ontology (GO) categories of which 463 were detected in both accessions and 311 were differentially expressed between the accessions. In accordance with the concept of nonhost resistance in PI272560, genes with similarity to peroxidases, chitinases, β-1,3-glucanases and other pathogenesis-related genes were up-regulated within the first 8 hai, whereas up-regulation of such genes was delayed in 36554. Moreover, a Phosphoribulokinase gene contributing to nonhost resistance in rice against stripe rust was exclusively expressed in the resistant accession PI272560. Gene expression underpinned physiological and phenotypic observations at the site of infection and are in accordance with the concept of nonhost resistance

Erfassung genetischer Unterschiede des Weizens bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendophytisch wachsenden Pilzen und deren Auswirkungen auf die Stresstoleranz

Weizen (Triticum aestivum) ist eine der bedeutendsten Kulturpflanzen für die menschliche Ernährung. Die Notwendigkeit sowohl unter veränderten Klimabedingungen mit häufiger auftretenden abiotischen und biotischen Stresssituationen als auch auf Grenzstandorten langfristig stabile Erträge zu erzielen, führt im konventionellen und insbesondere im ökologischen Landbau zu einem Bedarf an Weizengenotypen mit verbesserter abiotischer und biotischer Stresstoleranz. Neben der Verbesserung der Stresstoleranz per se, stellt die Nutzung der Mykorrhiza eine Möglichkeit zur Verbesserung der Stresstoleranz dar. Das Ziel des Vorhabens war es daher genetische Unterschiede des Brotweizens (Triticum aestivum) bezüglich der Fähigkeit zur Symbiose mit wurzelendopytisch wachsensen Pilzen zu identifizieren, um damit die Grundlagen zu schaffen, entsprechende Unterschiede zukünftig züchterisch nutzbar zu machen. Desweiteren sollten die Auswirkungen der Mykorrhizierung auf die Biomasse- und Kornertragsbildung unter biotischen und abiotischen Stressbedingungen wie Pathogenbefall, Trockenstress oder Phosphormangel, welche verstärkt unter ökologischen Produktionsbedingungen auftreten, sowie entsprechende Wechselwirkungen erfasst und mittels assoziationsgenetischer Studien molekulare Marker für diese Parameter identifiziert werden. Das Projekt leistete damit einen Beitrag zur Anpassung von Kulturpflanzen an den Klimawandel. Zu diesem Zweck wurden in den Versuchsjahren 2011, 2012, 2013 und 2014 an 103 Weizengenotypen Gewächshausversuche zur Mykorrhizierbarkeit, sowie der Ermittlung von Trockenstress- und Phosphormangeltoleranz (30 Genotypen) angelegt. Zudem wurden in den Versuchsjahren 2012/13 und 2013/14 Feldversuche zur Mykorrhizierung von Weizengenotypen unter Freilandbedingungen, sowie ein Freilandversuch zur Bestimmung der Krankheitsanfälligkeit von Weizen gegenüber Blumeria graminis und Puccinia triticina nach Mykorrhizierung durchgeführt. Parallel dazu erfolgte eine Genotypisierung mittels 90k iSelect Chip. Somit konnte eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) zur Identifikation von QTL, die an Trockenstresstoleranz und Mykorrhizierung beteiligt sind, durchgeführt werden. Alle untersuchten Genotypen konnten erfolgreich durch Mykorrhizapilze besiedelt werden, wobei die Art Glomus intraradices der Hauptbesiedler war. Es konnte gezeigt werden, dass eine breite genotypische Variation für das Merkmal Mykorrhizierung existiert, sowohl unter Normal-, Trockenstress- als auch Phosphormangelbedingungen. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Mykorrhizierung bei der Mehrheit der untersuchten Genotypen zu Ertragssteigerungen unter Mangelbedingungen führte, jedoch auch Genotypen auftraten, die mit Ertragsreduktion unter bestimmten Umweltbedingungen reagierten. Es wurde keine Korrelation zwischen der Intensität der Besiedlung und dem Ertragseffekt beobachtet. Vielmehr war der Effekt der Mykorrhizierung auf den Ertrag von den Faktoren Genotyp und Umwelt abhängig. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Mykorrhizierung von Weizen unter Feldbedingungen in geringem Maß möglich war und auch hier genotypische Unterschiede in der Intensität der Besiedlung auftraten. Es konnten jedoch keine signifikanten Ertragsunterschiede zwischen der mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Variante ermittelt werden. Nach der künstlichen Inokulation von Weizen mit Blumeria graminis und Puccinia triticina unter Freilandbedingungen konnte nur temporär ein Effekt der Mykorrhizierung auf die Krankheitsanfälligkeit festgestellt werden. Anhand der durchgeführten Assoziationsstudie wurden signifikante Marker- Merkmalsassoziationen für die Mykorrhizierung bzw. die Trockenstresstoleranz ermittelt