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

Die durch Barley Yellow Mosaic Virus (BaYMV) und Barley Mild Mosaic Virus (BaMMV) verursachte Gelbmosaikvirose der Gerste und die durch das Barley Yellow Dwarf Virus (BYDV) sowie das Cereal Yellow Dwarf Virus (CYDV) verursachte viröse Gelbverzwergung können bei anfälligen Gerstensorten zu erheblichen Ertragsverlusten führen. Dabei sind für beide Krankheiten chemische Bekämpfungsmaßnahmen weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll, so dass der Anbau toleranter/resistenter Sorten das wirksamste Mittel darstellt, um Ertragsverluste zu vermeiden. Hierfür stehen der Gerstenzüchtung gegenüber beiden Krankheitserregern verschiedene Resistenzgene zur Verfügung, wobei Ryd3 75% der phänotypischen Varianz der Toleranz gegenüber BYDV-PAV und BYDV-MAV erklärt, während rym11 gegen alle europäischen Erreger der Gelbmosaikvirose Resistenz verleiht.Um sowohl die Struktur der beiden Gene und ihren Resistenzmechanismus aufzuklären, als auch in Zukunft ein zielgerichteteres Einbringen der Resistenzgene in Elitematerial zu gewährleisten, war es Ziel dieser Arbeit die Grundlagen für die Isolierung dieser Gene zu schaffen. Da keine Informationen über das Genprodukt selbst vorlagen, wurde hierfür die Strategie der kartengestützten Genisolierung gewählt. Dabei mussten beide Gene aufgrund ihrer unmittelbaren Nähe zum centromerischen Bereich von Chromosom 4H bzw. 6H möglichst hochauflösend kartiert werden.Für Ryd3 wurden 3.210 F2 Pflanzen einer Kreuzung des anfälligen Elters `L94 QTL3´ mit dem resistenten Elter `L94´ mit den co-dominanten flankierenden Markern GMS006 und GBM1063 analysiert. Von 31 getesteten öffentlichen Markern kartierten 10 Marker in dem 7,31 cM großen Intervall von GMS006 – GBM1063 und sieben Marker co-segregierten mit Ryd3. Für das auf 2,44 cM eingekürzte Markerintervall GBS0655 - WBE201 zeigten 121 RILs ein Rekombinationsereignis und die phänotypische Analyse der Toleranz (t) versus Anfälligkeit (s) gegenüber BYDV ergab die erwartete 1t:1s Aufspaltung (58r : 63s; Chi²(1t:1s) = 0,207) eines Hauptgenes.Ein Sequenzabgleich mit dem Reisgenom identifizierte auf Reischromosom Os02 eine syntäne Region von 19 Mb, und weitere Marker wurden unter Nutzung einer weitgehenden Makrokollinearität zu Reis, Brachypodium und Sorghum aus öffentlichen EST Sequenzen und Sequenzen aus dem Genome Zipper entwickelt. Von 15 informativen Gersten Unigenes co-segregierten U35_02578_540-712 und U35_16315_345-563 mit Ryd3. Ein weiterer co-segregierender Marker konnte mit dem DArT Marker bPb-3722 mittels Bulked Segregant Analysis (BSA) identifiziert werden.Eine diagnostische Testung der identifizierten Marker auf 33 Genotypen, bestehend aus Ryd2 und Ryd3 Donoren sowie anfälligen Linien zeigte, dass kein einzelner Marker in der Lage ist, zwischen Ryd2 und Ryd3 Donoren zu unterscheiden, dies aber mit einer Kombination der Marker GBMS0107 und GBMS0135 möglich ist. Für rym11 wurden 5.102 F2 Pflanzen einer Kreuzung der anfälligen Sorte `Naturel´ mit dem resistenten Elter `W757/112´ bzw. `W757/612´ mit den co-dominanten flankierenden Markern HVM03 und HVM68 analysiert. Von 82 getesteten öffentlichen Markern kartierten 18 Marker in dem 10,72 cM großen Intervall von HVM03 und HVM68.Für das auf 1,87 cM eingekürzte Markerintervall GBS0887 - GBS0506 zeigten 100 RILs ein Rekombinationsereignis und die phänotypische Analyse der Resistenz (r) versus Anfälligkeit (s) gegen BaMMV ergab die erwartete 1r:1s Aufspaltung (52r : 48s; Chi²(1t:1s) = 0,163).Eine hochkonservierte Kollinearität mit Reischromosom Os03 konnte für eine Syntänie basierte Markerabsättigung genutzt und nach Verankerung der genetischen Karte von rym11 mit demn Genome Zipper automatisiert werden. Neben der Markerentwicklung aus 17 informativen Unigenes wurden aus Sequenzinformationen aus dem Genome Zipper 70 sequencetaggedsite (STS) Marker entwickelt und die Marker U32_3699A und sel.1167 kartiert. In einem letzten Schritt der Markerabsättigung wurden aus acht informativen Contigs der Gerstensorte `Morex´ Marker abgeleitet, und die Marker C_1030750_B und C_1012894_B grenzten das gentragende Interval auf 0,074 cM ein, während C_205243_B und C_205243_E1f&4730r mit rym11 co-segregierten. Der Polymorphismus des Markers C_205243_E1f&4730r beruht auf einer 1.375 bp großen Deletion, die bei den resistenten Eltern `W757-112´ und `W757-612´ zu einem Funtionsverlust des Gerstengens HvPDIL5-1 führt, damit eine erfolgreiche Infektion mit BaYMV und BaMMV ausschließt und somit Resistenz vermittelt.Barley yellow mosaic virus disease, caused by Barley yellow mosaic virus (BaYMV) and Barley mild mosaic virus (BaMMV), as well as Barley yellow dwarf disease which is caused by Barley yellow dwarf virus (BYDV) and Cereal yellow dwarf virus (CYDV) lead to severe yield losses in susceptible cultivars. For both diseases chemical control is neither economically nor ecologically reasonable, so rendering the cultivation of tolerant/resistant varieties is the most effective way to prevent yield losses. In barley several resistance genes are available for resistance breeding against both virus diseases, with Ryd3 explaining 75 % of the phenotypic variance regarding tolerance against BYDV-PAV and BYDV-MAV, while rym11 confers resistance against all European agents of Barley yellow mosaic virus disease.In order to get detailed information on the structure and the underlying resistance mechanism of both genes as well as providing a better targeted introgression of the resistance genes into elite material, the aim of this study was to isolate these genes. Since no information about the gene product was available, a mapped based cloning strategy was applied. Because of the gene´s proximity to the cenromere of barley chromosome 4H and 6H, respectively, the genes had to be mapped at high resolution. For Ryd3 3,210 F2-plants of a cross between the susceptible line `L94-QTL3´ with the resistant line `L94´ were analysed with the co-dominant flanking markers GMS006 and GBM1063. Out of a set of 31 public markers, 10 markers mapped in the 7.31 cM interval of GMS006 – GBM1063 and 7 markers co-segregated with Ryd3. For the shortened marker-interval GBS0655 – WBE201 121 RILs showed a recombination event and the phenotypical analysis for tolerance (t) vs. susceptibility (s) against BYDV was consistent with the expected 1r:1s ratio for a major gene (58t vs. 63s; Chi2(1t:1s) = 0.207).A sequence comparison with the rice genome identified a syntenic region of 19 Mb on rice chromosome Os02 and further marker were developed by exploitation of a widely existing macrocollinearity to rice, Brachypodium and sorghum from public EST sequences and from the Genome Zipper. Out of 15 barley ESTs the unigenes U35_02578_540-712 and U35_16315_345-563 co-segregated with Ryd3. With DArT-marker bPb-3722 another co-segregating marker was identified by means of a bulked segregant analysis (BSA). A test of the diagnostic value of the developed markers on a panel of 33 barley genotypes consisting of known Ryd2 and Ryd3 donors as well as susceptible cultivars showed that no single marker alone could consistently discriminate Ryd3 from non-Ryd3 genotypes, but the combination of the markers GBMS0107 and GBMS0135 could. For rym11 5,102 F2-plants of a cross between the susceptible cv. `Naturel´ with the resistant lines `W757/612´ and `W757/112´ were analysed with the co-dominant flanking markers HVM03 and HVM68. Out of a set of 82 public markers 18 markers mapped in the 10.72 cM interval of HVM03 – HVM68. For the shortened marker interval GBS0887 – GBS0506 100 RILs had a recombination event and the phenotypical analysis for resistance (r) vs. susceptibility (s) against BaMMV was consistent with the expected 1r:1s ratio (52r vs. 48s; Chi2( (1t:1s) = 0.163). A well preserved collinearity with rice chromosome Os03 was exploited for a synteny based marker saturation approach and could be automated after anchoring the genetic map of rym11 with the Genome Zipper. Besides marker development out of 17 informative unigenes additional 70 sequence-tagged-site (STS) markers were developed out of sequence information from the Genome Zipper and the markers U32_3699A and sel.1167 could be mapped. In the last step of marker saturation markers were developed out of 8 informative contigs of the cultivar `Morex´ and the markers C_1030750_B and C_1012894_B shortened the gene carrying interval to 0,074 cM, whereas the markers C_205243_B and C_205243_E1f&4730r were co-segregating with rym11. The polymorphism of marker C_205243_E1f&4730r is based on a 1,375 bp large deletion which causes in the resistant parents `W757-112´ und `W757-612´ a loss of function of the barley gene HvPDIL5-1 so denying BaYMV and BaMMV a host factor

Toward integrated synchronously pumped optical parametric oscillators in silicon nitride

We present a tunable, hybrid waveguide-fiber optical parametric oscillator (OPO) synchronously pumped by an ultra-fast fiber laser exploiting four-wave mixing (FWM) generated in silicon nitride waveguides. Parametric oscillation results in a 35 dB enhancement of the idler spectral power density in comparison to spontaneous FWM, with the ability of wide wavelength tuning over 86 nm in the O-band. Measurements of the oscillation threshold and the efficiency of the feedback loop reveal how an integration of the OPO on a single silicon nitride chip can be accomplished at standard repetition rates of pump lasers in the order of 100 MHz

Mapping of the Rpv Resistance Gene against Downy Mildew in Pea (Pisum sativum L.)

Die Entwicklung von Sorten, welche eine Resistenz gegen den Erreger des Falschen Mehltaus (Peronospora viciae f. sp. pisi) aufweisen, hat für Erbsenzüchter einen hohen Stellenwert, da dieser Pilz deutliche Ertragsminderungen und Qualitätseinbußen verursachen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde eine spaltende Nachkommenschaft von 335 F2-Nachkommen einer Initialkreuzung zwischen der anfälligen Hochleistunssorte `Topaz´ und der resistenten Zuchtlinie `Gen. 27´ erstellt. Jeweils 10 F3-Nachkommen dieser 335 F2-Pflanzen wurden in der Klimakammer auf Resistenz gegen den Falschen Mehltau getestet um auf den Genotyp der ursprünglichen F2-Pflanze schließen zu können. Das Verhältnis von 94 homozygot resistenten, 161 heterozygot resistenten und 80 homozygot anfälligen F2-Pflanzen weicht nicht signifikant von einer 1:2:1-Spaltung ab, die für das Vorliegen eines dominanten Resistenzgens erwartet wird. Das Resis­tenzgen Rpv wurde auf Kopplungsgruppe 1 der Erbse kartiert. Diese Kopplungsgruppe wurde anschließend mit weiteren molekularen Markern, die in der Literatur beschrieben wurden, gesättigt. Der Marker AD147 wurde dabei als proximaler Marker mit der geringsten Distanz (4,4 cM) bestimmt, während in distaler Position AB28 eine Distanz von 18,8 cM aufwies. Durch Nutzung der Synthenie zum Medicago truncatula Chromosom 5 konnten keine enger gekoppelten Marker ermittelt werden. Der Nutzen der identifizierten Marker in unabhängigem Zuchtmaterial konnte jedoch demonstriert und auch die Basis für eine zukünftige Feinkartierung des Resis­tenzgens gelegt werden.Downy mildew causes severe yield and quality losses in pea (Pisum sativum L.). Therefore, the development of downy mildew resistant varieties is of high priority for pea breeders. Within this study in total 335 F3 families from a cross of the highly susceptible green pea variety `Topaz´ with the resistant breeding line `Gen. 27´ were tested for resistance behaviour against Peronospora viciae f. sp. pisi to determine the genotype of the corresponding F2 parental plants. The ratio 94:161:80 for homozygous resistant, heterozygous resistant and homozygous susceptible F2 plants was not significantly different from 1:2:1, expected for the effect of a single dominant resistance gene. The resistance gene Rpv was mapped to linkage group 1 of the pea genetic map. This linkage group was saturated by molecular markers available from lite­rature. The marker AD147 was identified as nearest proxi­mal flanking marker with 4.4 cM distance, and in distal position marker AB28 with 18.8 cM distance. Further marker saturation using the syntenic relationship of P. sativum and Medicago truncatula was not effective. The usefulness of the identified markers for marker assisted selection has been confirmed in independent pea breeding material and the results of this study should lay the basis for future fine mapping studies

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

Mitigating cross-phase modulation artifacts in femtosecond stimulated Raman scattering

In contrast to spontaneous Raman scattering, coherent Raman scattering techniques, such as femtosecond stimulated Raman scattering (FSRS), show advantages for many applications. Besides an enhanced signal strength, FSRS is free of a nonresonant background but is affected by cross-phase modulation (XPM). The resulting artifacts in FSRS become relevant for high pulse intensities (GW/cm2-regime) and ultrashort pulses (<2 ps), both necessary for super-resolution experiments. As the pulse duration is a crucial parameter for XPM as well as for FSRS, we present a setup in which we adjust the pulse duration across the relevant range (0.5–3 ps), in order to investigate the XPM influence on the spectra. Furthermore, we vary the peak intensity, the temporal overlap between the interacting pulses, and the nonlinear refractive index coefficient n2 of the sample, showing that a trade-off between all these quantities enables the measurement of unaffected FSRS spectra

Optical parametric amplification in silicon nitride waveguides for coherent Raman imaging

We present tunable waveguide-based optical parametric amplification by four-wave mixing (FWM) in silicon nitride waveguides, with the potential to be set up as an all-integrated device, for narrowband coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) imaging. Signal and idler pulses are generated via FWM with only 3 nJ pump pulse energy and stimulated by using only 4 mW of a continuous-wave seed source, resulting in a 35 dB enhancement of the idler spectral power density in comparison to spontaneous FWM. By using waveguides with different widths and tuning the wavelength of the signal wave seed, idler wavelengths covering the spectral region from 1.1 µm up to 1.6 µm can be generated. The versatility of the chip-based FWM light source is demonstrated by acquiring CARS images