Verbesserung der BYDV-Toleranz der Gerste durch Pyramidisierung von Toleranzallelen

ZusammenfassungDas durch Blattläuse übertragene Gerstengelbverzwergungsvirus (Barley yellow dwarf virus, BYDV) ist ein wichtiges Pathogen im Getreideanbau, dessen wirtschaftliche Bedeutung infolge der prognostizierten Klimaerwärmung in Mitteleuropa in den nächsten Jahrzehnten weiter zunehmen wird. In der Praxis wird derzeit die Virusverbreitung hauptsächlich durch die chemische Bekämpfung der Vektoren und einen nicht zu frühen Aussaattermin der Herbstkultur beeinflusst. In der Gerstenzüchtung wurde bisher das Resistenzgen Ryd2 genutzt. Inzwischen sind weitere toleranzbedingende Loci wie Ryd3 und ein QTL (Quantitative trait locus) auf Chromosom 2H identifiziert worden. Ziel der Arbeiten ist es, Erkenntnisse darüber zu gewinnen, ob durch eine markergestützte Kombination der Toleranzallele dieser Loci das Toleranzniveau der Gerste gegenüber BYDV erhöht werden kann. Hierzu wurden aus Kreuzungen von toleranten Elternlinien Populationen von doppelhaploiden (DH) Linien erstellt, die zunächst mit bekannten PCR-Markern für die entsprechenden Loci genotypisiert wurden. Nach Inokulation mit dem Virusisolat BYDV-PAV wurden die DH-Linien in Feldversuchen phänotypisch charakterisiert, d.h. deren Virusbefall (DAS-ELISA), sowie Wuchs- und Ertragsparameter bestimmt. Die Kombination von Ryd2 und Ryd3 führte zu einer signifikanten Verringerung des Virusgehaltes in den Pflanzen im Vergleich zu den genotypisch anfälligen Linien (ryd2/ryd3) und solchen mit den entsprechenden einzelnen positiven Allelen. Ebenso konnte zum Teil für diese Kombination (Ryd2/Ryd3) im ersten Versuchsjahr eine höhere Leistung im relativen Kornertrag pro Pflanze gegenüber den anderen Genotypen nachgewiesen werden. Der QTL auf Chromosom 2H zeigte hingegen nur eine vergleichsweise geringe Toleranzwirkung.Stichwörter: Gerstengelbverzwergung, BYDV, Gerste, Toleranz, Resistenz, Ryd2, Ryd3, QTL, Pyramidisierung, molekulare Marker Abstract The aphid-transmitted Barley yellow dwarf virus (BYDV) is an important pathogen in cereals. Due to the predicted global warming the importance of this virus will increase in the future. In cereal growing systems this virus is mainly combated by spraying insecticides and by a later sowing date in autumn. In barley breeding the gene Ryd2 was mainly used, but in the meantime additional sources of tolerance were identified, like the gene Ryd3 and a QTL on chromosome 2H. The aim of this work is the combination of the tolerance alleles of these three loci by marker assisted selection to improve the level of tolerance against BYDV in barley. To achieve this, doubled haploid (DH) lines out of a cross of tolerant parental lines were genotyped by specific PCR markers with regard to the above mentioned loci. Furthermore, DH lines were investigated in field tests after inoculation with BYDV-PAV to characterize virus attack, growth and yield parameters. The combination of Ryd2 and Ryd3 results in a significantly decreased virus attack compared to all other allele combinations. In spring barley this combination leads to a significantly increased relative grain yield.Keywords: Barley yellow dwarf virus, barley, tolerance, resistance, pyramiding, molecular marker, aphi

Incidence of virus diseases in maize fields in the Trakya region of Turkey

A survey on maize virus diseases was conducted in the Trakya region of Turkey by examining 32 496 and 46 871 plants in 2004 and 2005, respectively. Rates of symptomatic plants were estimated at 3.7 to 63.6%, depending on locations. Biological and serological test results revealed the presence of barley yellow dwarf virus-PAV (BYDV-PAV), maize dwarf mosaic virus (MDMV), sugarcane mosaic virus (SCMV), and Johnson grass mosaic virus (JGMV). One hundred forty-two samples were collected randomly from 6492 symptomatic plants in 2004. Seventy-two out of the 142 samples were infected with MDMV, two were infected with BYDV-PAV, 19 with MDMV and BYDV-PAV, two with MDMV, BYDV-PAV and SCMV, and only one sample contained the four viruses. In 2005, 100 other leaf samples were collected randomly from 11 739 symptomatic maize plants. Serological tests revealed that 50% of the samples were infected with MDMV and SCMV; however, five showed mixed infections of two or three combinations of tested viruses. Individual MDMV, SCMV, BYDV-PAV and JGMV infections were detected in five, three, two and four samples, respectively. Presence of MDMV was confirmed by Western blot analysis and IC-RT-PCR. SCMV was also detected by IC-RT-PCR. This is the first study reporting the detection of SCMV and JGMV on maize plants in Turkey.Une enquête sur les maladies virales du maïs a été menée dans la région de Trakya en Turquie avec l’examen, en 2004 et 2005, de respectivement 32 496 et 46 871 plantes. Selon l’endroit, le taux de plantes symptomatiques a varié entre 3,7 et 63,6 %. Les résultats de tests biologiques et sérologiques ont révélé la présence de la souche PAV du virus de la jaunisse nanisante de l’orge (BYDV-PAV), du virus de la mosaïque nanisante du maïs (MDMV), du virus de la mosaïque de la canne à sucre (SCMV) et du virus de la mosaïque du sorgho d’Alep (JGMV). En 2004, 142 échantillons foliaires ont été recueillis aléatoirement sur 6492 plantes présentant des symptômes. Soixante-douze des 142 échantillons étaient infectés par le MDMV, deux étaient infectés par le BYDV-PAV, 19 par le MDMV et le BYDV-PAV, deux par le MDMV, le BYDV-PAV et le SCMV, alors qu'un seul contenait les quatre virus. En 2005, 100 nouveaux échantillons foliaires ont été recueillis aléatoirement de 11 739 plants de maïs présentant des symptômes. Des tests sérologiques ont montré que 50 % des échantillons étaient infectés par le MDMV et le SCMV; cependant, cinq échantillons étaient infectés par des combinaisons de deux ou trois des virus testés. Des infections par un seul virus parmi le MDMV, le SCMV, le BYDV-PAV et le JGMV ont été respectivement détectées dans cinq, trois, deux et quatre échantillons. La présence du MDMV a été confirmée par buvardage Western et par immunocapture suivie de transcription inverse et réaction en chaîne de la polymérase (IC-RT-PCR). Le SCMV a aussi été détecté par IC-RT-PCR. La présente étude est la première à signaler, en Turquie, la présence du SCMV et du JGMV dans le maïs

Molekulare Charakterisierung einer Wildgerstenintrogression mit dem Gelbverzwergungsresistenzgen Ryd4Hb im Genom der Kulturgerste

Zusammenfassung Aus einer interspezifischen Kreuzung der Wintergerste Hordeum vulgare cv. 'Igri' mit der virusresistenten Wildgerste H. bulbosum wurden spaltende Kartierungspopulationen entwickelt, die eine 3HL-Introgression tragen, welche Resistenz gegenüber BYDV vermittelt. Die genetische Analyse einer BC2F4-Familie zeigte eine monohybride Aufspaltung der Resistenz mit dominanter Merkmalsausprägung. Es konnten bisher vier Gersten- Ankermarker und vier TC-Marker um das Resistenzgen Ryd4Hb kartiert werden. Zwei der aus den orthologen Bereichen des Reisgenoms abgeleiteten TC-Marker kosegregieren mit dem Resistenzgen Ryd4Hb. Stichwörter: Hordeum vulgare, Hordeum bulbosum, BYDV, Resistenz, Selektionsmarker   Abstract Interspecific crosses between winter barley H. vulgare cv. 'Igri' and a virus-resistant accession of the wild species H. bulbosum yielded mapping populations segregating with individuals resistant towards barley yellow dwarf virus. Genetic analysis of a BC2F4 family revealed a dominant inheritance of the resistance. GISH analysis indicated an Hb introgression on chromosome 3HL. Four 3HL barley anchor markers and four TC markers of the orthologous rice genome region, respectively, were mapped on either side of the resistance locus Ryd4Hb. Two of the TC markers cosegregated with the BYDV resistance. Keywords: Hordeum vulgare, Hordeum bulbosum, BYDV, resistance, selection marker

Hochauflösende Kartierung der Virusresistenzgene rym11 und Ryd3 in Gerste (Hordeum vulgare L.)

Zusammenfassung Zwei landwirtschaftlich bedeutende Resistenzgene der Gerste (Hordeum vulgare L.), - rym11, welches Resistenz gegen die Gelbmosaikvirose [Barley mild mosaic virus (BaMMV), Barley yellow mosaic virus (BaYMV)] bedingt, und Ryd3, das gegen die viröse Gelbverzwergung [Barley yellow dwarf virus (BYDV)] wirksam ist, sollen mittels hochauflösender Kartierungspopulationen von jeweils 5000 F2-Pflanzen kartiert und isoliert werden. Zu diesem Zweck werden die aus den Kartierungspopulationen entstandenen und für das jeweilige Zielintervall genetisch fixierten, segmental rekombinanten Inzuchtlinien (RIL) einer ausgiebigen Markeranalyse sowie einer wiederholten Virustestung sowohl im Gewächshaus als auch im Feld unterzogen. Für rym11 sind 5102, für Ryd3 3213 der F2-Pflanzen analysiert worden. Für beide Populationen liegen erste phänotypische Daten vor und mehrere mit dem jeweiligen Resistenzgen eng gekoppelte Marker konnten kartiert werden. Stichwörter: Gerste, Resistenz, Gelbmosaikvirose, viröse Gelbverzwergung, rym11, Ryd3, RIL, Kartierung   Abstract Two important resistance genes of barley (Hordeum vulgare L.) - rym11, which confers resistance against the Barley yellow mosaic virus complex [Barley mild mosaic virus (BaMMV), Barley yellow mosaic virus (BaYMV)] and Ryd3, which is effective against Barley yellow dwarf [Barley yellow dwarf virus (BYDV)] - are to be mapped at high resolution by analyzing 5000 F2-plants each as a prerequisite for isolating these genes via a map based cloning approach. For this purpose segmental recombinant inbreed lines (RIL), originated from the mapping populations and genetically fixed for the respective target interval, undergo an extensive marker analysis as well as repeated virus testing both in the greenhouse and in the field. For rym11 5102 and for Ryd3 3213 F2-plants have been analysed up to now. For both populations first phenotypic data is present and several closely linked markers could be mapped. Keywords: Barley, resistance, Barley yellow mosaic virus complex, Barley yellow dwarf, rym11, Ryd3, RIL, mappin

Thinopyrum-Arten als Donoren von Resistenzen gegen wichtige Pathogene im Winterweizen (Triticum aestivum L.)

Zusammenfassung In bekannten Kulturformen des Weizens (Triticum aestivum L.) werden immer seltener neue Resistenzen gegen wirtschaftlich bedeutende Krankheiterreger (Oculimacula spp, Fusarium culmorum, Puccina triticina und Barley yellow dwarf Virus) identifiziert. Die Identifikation von Resistenzgenen aus der Wildtypform Thinopyrum spp. und deren anschließende Nutzung in der Weizenzüchtung ist somit Ziel dieses Projekts. Für ein markergestütztes Rückkreuzungsprogramm stehen zwei Translokationslinien, PI583794 und PI611939, als Träger einer Thinopyrum- Introgession auf Chromosom 4D, sowie 3 Weizensorten (Boomer, Esket und Mirage) zur Verfügung. Für die phänotypische Charakterisierung wurden diese Linien auf ihre Resistenz gegen die genannten Erreger getestet. Parallel dazu erfolgte die genotypische Charakterisierung. Mit den spezifischen Primern STSJ15 und 2P1/2P2 konnte die Introgression nachgewiesen werden. Zur Bestimmung der Größe des Introgressionsfragments wurden ausgewählte Genotypen der BC1F1 und BC2F1mit polymorphen SSRs analysiert, um auf diese Weise Genotypen zu identifizieren, welche ein möglichst kleines Introgessionsfragment aufweisen, jedoch resistent sind. Stichwörter: Weizen (Triticum aestivum L.), Thinopyrum intermedium, Thinopyrum ponticum, Oculimacula spp, Fusarium culmorum, Puccina triticina, Barley yellow dwarf Virus, PI583794, PI611939, STSJ15, 2P1/2P2   Abstract In order to broaden the genetic base in Triticum aestivum against economically important pathogens (Oculimacula spp, Fusarium culmorum, Puccina triticina and Barley yellow dwarf virus) wheat translocation lines carrying a chromosomal segment derived from Thinopyrum spp are tested for resistance and analyzed by molecular techniques. Two introgression lines PI583794 and PI611939 as carriers of the Thinopyrum-fragment, as well as 3 wheat cultivars (Boomer, Esket and Mirage) are used for a marker-assisted back crossing program. For the phenotypic characterization, these lines were tested for resistance against these above mentioned pathogens. In addition to the genotypic characterization was carried out using Thinopyrum specific primers STSJ15 and 2P1/2P2 to identify the introgression.. To define the size of the introgressions-fragments selected genotypes of the BC1F1 and BC2F1 were tested with polymorphic microsatellites (SSRs) in order to identify those genotyes carrying only a small fragment of Thinopyrum spp. but still being resistant. Keywords: wheat (Triticum aestivum L.), Thinopyrum intermedium, Thinopyrum ponticum, Oculimacula spp, Fusarium culmorum, Puccina triticina, Barley yellow dwarf, PI583794; PI611939, STSJ15, 2P1/2P

Breeding for improved soybean-Bradyrhizobia symbiosis for cool growing conditions in Central Europe

Background In recent years soybean (Glycine max L.) has gained significant attention in Europe due to its ability to produce high quality protein for human and animal consumption. Under the climatic conditions prevalent in Central Europe, low temperature is the major factor limiting soybean growth and symbiotic nitrogen fixation

Targeted knockout of Eukaryotic Translation Initiation Factor 4E confers bymovirus resistance in winter barley

The Eukaryotic Translation Initiation Factor 4E (EIF4E) is a well-known susceptibility factor for potyvirus infections in many plant species. The barley yellow mosaic virus disease, caused by the bymoviruses Barley yellow mosaic virus (BaYMV) and Barley mild mosaic virus (BaMMV), can lead to yield losses of up to 50% in winter barley. In autumn, the roots of young barley plants are infected by the soil-borne plasmodiophoraceous parasite Polymyxa graminis L. that serves as viral vector. Upon viral establishment and systemic spreading into the upper parts of the plants, yellow mosaics occur as first symptoms on leaves. In the further course of plant development, the disease entails leaf necrosis and increased susceptibility to frost damage. Thanks to the rym4 and rym5 allelic variants of the HvEIF4E gene, more than two thirds of current European winter barley cultivars are resistant to BaYMV and BaMMV. However, several strains of BaYMV and BaMMV have already overcome rym4- and rym5-mediated resistance. Accordingly, new resistance-conferring alleles are needed for barley breeding. Therefore, we performed targeted mutagenesis of the EIF4E gene by Cas9 endonuclease in BaMMV/BaYMV-susceptible winter barley cv. “Igri”. Small insertions were generated, resulting in a shift of the translational reading frame, thereby causing the loss-of-function of EIF4E. The mutations occurred in the homozygous state already in the primary mutants. Their progeny proved invariably homozygous and fully resistant to mechanical inoculation with BaMMV. EIF4E knockout plants showed normal growth habit and produced grains, yet exhibited a yield penalty

Barley yellow dwarf virus Infection Leads to Higher Chemical Defense Signals and Lower Electrophysiological Reactions in Susceptible Compared to Tolerant Barley Genotypes

Barley yellow dwarf virus (BYDV) is a phloem limited virus that is persistently transmitted by aphids. Due to huge yield losses in agriculture, the virus is of high economic relevance. Since the control of the virus itself is not possible, tolerant barley genotypes are considered as the most effective approach to avoid yield losses. Although several genes and quantitative trait loci are known and used in barley breeding for virus tolerance, little is known about molecular and physiological backgrounds of this trait. Therefore, we compared the anatomy and early defence responses of a virus susceptible to those of a virus-tolerant cultivar. One of the very early defence responses is the transmission of electrophysiological reactions. Electrophysiological reactions to BYDV infection might differ between susceptible and tolerant cultivars, since BYDV causes disintegration of sieve elements in susceptible cultivars. The structure of vascular bundles, xylem vessels and sieve elements was examined using microscopy. All three were significantly decreased in size in infected susceptible plants where the virus causes disintegration of sieve elements. This could be associated with an uncontrolled ion exchange between the sieve-element lumen and apoplast. Further, a potential reduced electrophysiological isolation would negatively affect the propagation of electrophysiological reactions. To test the influence of BYDV infection on electrophysiological reactions, electropotential waves (EPWs) induced by leaf-tip burning were recorded using aphids as bioelectrodes. EPWs in infected susceptible plants disappeared already after 10 cm in contrast to those in healthy susceptible or infected tolerant or healthy tolerant plants. Another early plant defence reaction is an increase in reactive oxygen species (ROS). Using a fluorescent dye, we found a significant increase in ROS content in infected susceptible plants but not in infected tolerant plants. Similar results were found for the phytohormones abscisic acid and three jasmonates. Salicylic acid levels were generally higher after BYDV infection compared to uninfected plants. Heat stimulation caused an increase in jasmonates. By shedding light on the plant defence mechanisms against BYDV, this study, provides further knowledge for breeding viral tolerant plants