Partial resistance to leaf rust in a collection of ancient Spanish barleys

A collection of 569 Spanish barley accessions was screened for resistance to leaf rust (Puccinia hordei Otth) in the field at Cordoba during the 2000-2001 season. The level of resistance ranged from very low to very high. In 14% of the accessions the relative AUDPC (L94 = 100%) was lower than 10%. Selected accessions that were most resistant in the field, were tested in the seedling stage under controlled conditions. Macroscopic components of resistance indicated that six lines had a high level of partial resistance close to check cv. Vada and one line a similar level of partial resistance. Histological studies indicated that the resistance was based on a high percentage of early aborted colonies and reduction in colony size without plant cell necrosis. Three of the selected lines showed high percentage of plant cell necrosis associated with established colonies, which indicates a combination of prehaustorial resistance with late acting incomplete posthaustorial resistance. Although the new barley varieties already incorporate some partial resistance, new sources of partial resistance like these are needed to improve durability of the resistance

Characterization of Lr46, a gene conferring partial resistance to wheat leaf rust

Components of resistance conferred by the Lr46 gene, reported as causing "slow rusting" resistance to leaf rust in wheat, were studied and compared with the effects of Lr34 and genes for quantitative resistance in cv. Akabozu. Lr34 is a gene that confers non-hypersensitive type of resistance. The effect of Lr46 resembles that of Lr34 and other wheats reported with partial resistance. At macroscopic level, Lr46 produced a longer latency period than observed on the susceptible recurrent parent Lalbahadur, and a reduction of the infection frequency not associated with hypersensitivity. Microscopically, Lr46 increased the percentage of early aborted infection units not associated with host cell necrosis and decreased the colony size. The effect of Lr46 is comparable to that of Lr34 in adult plant stage, but in seedling stage its effect is weaker than that of Lr34

Search for partial resistance to leaf rust in a collection of ancient Spanish wheats

A collection of 917 accessions of Spanish durum and bread wheat was screened for resistance to leaf rust (Puccinia triticina) under field conditions at three locations. Resistance levels ranged from very low to very high, high susceptibility being most frequent. Relative disease severity (referred to the most susceptible accession = 100 %) was lower than 20 % in about 6 % of the accessions in each location. In the collection most of the lines (84 %)displayed a susceptible infection type. A final selection of seven accessions (one of them durum) displaying low severity level in the field and high infection type in a growth chamber was chosen for further studies. High levels of partial resistant with longer latency period and high percentage of early aborted colonies without necrosis were found. They might be used in breeding programmes

Studies on the histology of partial resistance in barley to leafrust, Puccinia hordei

In de gerst (Hordeum vulgare) - dwergroest (Puccinia hordei) relatie zijn twee typen van resistentie te onderscheiden, namelijk overgevoeligheidsresistentie en partiële resistentie. Deze typen kunnen beschouwd worden als voorbeelden van Van der Plank's verticale en horizontale resistentie respectievelijk. Laatstgenoemd type is vermoedelijk beduidend duurzamer dan de overgevoeligheidsresistentie, maar over het mechanisme dat aan partioble resistentie ten grondslag ligt is nog maar zeer weinig bekend.Partiële resistentie (PR) wordt gekenmerkt door een verminderde epidemie opbouw in het veld ondanks een vatbaar reactietype tussen waard en pathogeen. uit macroscopisch onderzoek is gebleken dat een lange ontwikkelingsduur van de schimmel, een lage infectiedichtheid en een lage sporenproduktie per urediosorus de belangrijkste componenten van PR zijn.Onderzoek naar de histologische achtergrond van de lage infectiedichtheid in partieel resistente genotypen vormt het onderwerp van de eerste twee artikelen van dit proefschrift. In de laatste drie artikelen wordt door middel van histologisch onderzoek PR vergeleken met overgevoeligheidsresistentie en met de niet-waard reactie.Het eerste artikel betreft een onderzoek naar de appressorium vorming door P.hordei op zaailingen van de zeer vatbare gerstlijn L94 en van 11 gerstlijnen die een matig tot hoog niveau van PR bezaten. De 11 weinig vathare gerstlijnen uit deze studie bleken niet reproduceerbaar te verschillen van L94 in het aantal door appressoria bezette huidmondjes per vierkante centimeter bladoppervlak. Dit wijst erop dat infectiedichtheidsverschillen ten gevolge van PR veroorzaakt worden door mechanismen die werken na de appressoriumvorming. Het bleek dat zelfs op de niet-waardsoort tarwe, waarop P. hordei g een symptomen veroorzaakt, niet minder appressoria werden gevormd dan op L94. Gerst en tarwe hebben een soortgelijke epidermisstructuur welke waarschijnlijk de stimuli verschaft die de schimmel in staat stellen de huidmondjes te vinden en er appressoria op te vormen. Op een sla genotype trad geen appressoriumvorming op. op deze niet-waardsoort, met een epidermisstructuur die sterk verschilt van die van Gramineae, onthreken waarschijnlijk de stimuli die de schimmel in staat stellen huidmondjes te vinden.In een onderzoek beschreven in het tweede artikel werd gebruik gemaakt van fluorescentie microscopie om de ontwikkeling van P.hordei in zaailingen van partieel resistentie gerstlijnen te bestuderen. Het bleek dat de infectiedichtheidsverschillen tussen de partieel resistente genotypen en de zeer vathare L94 berusten op verschillen in frequentie van "vroege abortie" van P.hordei kolonies. Deze vorm van abortie trad op wanneer 66n tot zes haustoriummoedercellen waren gevormd. Vroege abortie in partieel resistente lijnen ging slechts zelden samen met necrose van mesophyl cellen in de waard. Er werd aangetoond dat ook verschillen in aggressiviteit tussen dwergroest isolaten hoofdzakelijk berusten op verschillen in frequentie van vroege abortie. Het feit dat een hoge frequentie van vroege abortie werd gevonden in verscheidene niet verwante gerstgenotypen wijst erop dat het mechanisme dat aan PR ten grondslag ligt, deel uitmaakt van een algemeen in gerst voorkomend systeem.Het effect van genen voor PR werd vervolgens bestudeerd bij aanen afwezigheid van genen voor overgevoeligheid (derde artikel). Het bleek dat de vroege abortie ten gevolge van PR niet alleen optrad bij afwezigheid van een overgevoeligheidsreactie maar ook bij overgevoeligheid ten gevolge van het resistentiegen Pa7. Ook het vertragende effect van PR genen op de schimmelgroei bleef merkbaar bij aanwezigheid van Pa7. Wanneer een overgevoeligheidsreactie ten gevolge van het Pa3 gen optrad, waren de effecten van PR genen minder duidelijk waarneembaar. De reactie van Pa3 is veel eerder in het infectieproces waarneembaar dan die van Pa7. Pa3 veroorzaakt evenals PR genen abortie van een belangrijk deel van de kolonies direct na de vorming van 66n tot zes haustoriummoedercellen. Een belangrijk verschil tussen de vroege abortie door PR genen en het Pa3 gen is dat de abortie in het laatste geval geassocieerd is met necrose van waardcellen.Het onderzoek beschreven in het vierde artikel toonde aan dat er een grote overeenkomst bestaat in histologie van de PR reactie en de niet-waard reactie bij dwergroest en bruine roest in gerst en tarwe. Beide reacties werden gekarakteriseerd door een hoge frequentie van vroege abortie met weinig of geen necrose van mesophylcellen. Bij P. hordei op tarwe en P. recondita secalis op gerst bestond de niet-waard reactie uit een vroege abortie van vrijwel alle kolonies. P. recondita tritici was, ondanks een hoge frequentie van vroege abortie, in staat tot reproductie te komen op vier gerstlijnen met een zeer laag niveau van PR tegen P. hordei , maar niet op vier lijnen met een hoog niveau van PR. Mogelijk gaat een laag niveau van PR tegen P. hordei samen met een minder effectieve nietwaard reactie tegen P. recondita tritici .Onderzoek naar de haustoriumvorming door P.hordei in vathare, partieel resistente en overgevoelige gerst zaailingen en de nietwaardsoort tarwe (vijfde artikel) bevestigde de overeenkomst tussen de PR en niet-waard reacties. Bij beide afweersystemen bleek vroege abortie geassocieerd te zijn met een mislukken van de haustoriumvorming zonder necrose van de mesophylcel. De vroege abortie met necrose ten gevolge van het Pa3 overgevoeligheidsgen bleek op te treden kort na de vorming van het eerste haustorium.Uit de studies kan geconcludeerd worden dat PR en overgevoeligheidsresistentie essentieel verschillende afweersystemen zijn. PR is, evenals de niet-waard reactie, voornamelijk een llpre-haustorium incompatibiliteitll, overgevoeligheidsresistentie een "post-haustorium incompatibiliteit". Men neemt wel aan dat overgevoeligheidsgenen werken binnen een systeem dat gesuperponeerd is op een basis resistentie-pathogeniteitssysteem. De niet-waard reactie zou berusten op een niet-herkenningsreactie in dit basis systeem. De resultaten van het onderzoek waarop dit proefschrift is gebaseerd wijzen erop dat PR genen behoren tot het basis resistentie-pathogeniteitssysteem.</p

Pyramiding of Ryd2 and Ryd3 conferring tolerance to a German isolate of Barley yellow dwarf virus-PAV (BYDV-PAV-ASL-1) leads to quantitative resistance against this isolate

Barley yellow dwarf virus (BYDV) is an economically important pathogen of barley, which may become even more important due to global warming. In barley, several loci conferring tolerance to BYDV-PAV-ASL-1 are known, e.g. Ryd2, Ryd3 and a quantitative trait locus (QTL) on chromosome 2H. The aim of the present study was to get information whether the level of tolerance against this isolate of BYDV in barley can be improved by combining these loci. Therefore, a winter and a spring barley population of doubled haploid (DH) lines were genotyped by molecular markers for the presence of the susceptibility or the resistance encoding allele at respective loci (Ryd2, Ryd3, QTL on chromosome 2H) and were tested for their level of BYDV-tolerance after inoculation with viruliferous (BYDV-PAV-ASL-1) aphids in field trials. In DH-lines carrying the combination Ryd2 and Ryd3, a significant reduction of the virus titre was detected as compared to lines carrying only one of these genes. Furthermore, spring barley DH-lines with this allele combination also showed a significantly higher relative grain yield as compared to lines carrying only Ryd2 or Ryd3. The QTL on chromosome 2H had only a small effect on the level of tolerance in those lines carrying only Ryd2, or Ryd3 or a combination of both, but the effect in comparison to lines carrying no tolerance allele was significant. Overall, these results show that the combination of Ryd2 and Ryd3 leads to quantitative resistance against BYDV-PAV instead of tolerance

The phenotypic expression of QTLs for partial resistance to barley leaf rust during plant development

Partial resistance is generally considered to be a durable form of resistance. In barley, Rphq2, Rphq3 and Rphq4 have been identified as consistent quantitative trait loci (QTLs) for partial resistance to the barley leaf rust pathogen Puccinia hordei. These QTLs have been incorporated separately into the susceptible L94 and the partially resistant Vada barley genetic backgrounds to obtain two sets of near isogenic lines (NILs). Previous studies have shown that these QTLs are not effective at conferring disease resistance in all stages of plant development. In the present study, the two sets of QTL–NILs and the two recurrent parents, L94 and Vada, were evaluated for resistance to P. hordei isolate 1.2.1 simultaneously under greenhouse conditions from the first leaf to the flag leaf stage. Effect of the QTLs on resistance was measured by development rate of the pathogen, expressed as latency period (LP). The data show that Rphq2 prolongs LP at the seedling stage (the first and second leaf stages) but has almost no effect on disease resistance in adult plants. Rphq4 showed no effect on LP until the third leaf stage, whereas Rphq3 is consistently effective at prolonging LP from the first leaf to the flag leaf. The changes in the effectiveness of Rphq2 and Rphq4 happen at the barley tillering stage (the third to fourth leaf stages). These results indicate that multiple disease evaluations of a single plant by repeated inoculations of the fourth leaf to the flag leaf should be conducted to precisely estimate the effect of Rphq4. The present study confirms and describes in detail the plant development-dependent effectiveness of partial resistance genes and, consequently, will enable a more precise evaluation of partial resistance regulation during barley developmen

Dissection of the Barley 2L1.0 region carrying the ‘Laevigatum’ quantitative resistance gene to leaf rust using Near-Isogenic lines (NIL) and subNIL

Partial resistance to leaf rust (Puccinia hordei G. H. Otth) in barley is a quantitative resistance that is not based on hypersensitivity. This resistance hampers haustorium formation, resulting in a long latency period in greenhouse tests. The three most consistent quantitative trait loci (QTL) uncovered in the L94 × ‘Vada’ mapping population were introgressed by marker-assisted backcrossing into the susceptible L94 background to obtain near-isogenic lines (NIL). We also developed the reciprocal Vada-NIL for the susceptibility alleles of those QTL. The QTL Rphq2 affected latency period of P. hordei more than the QTL Rphq3 and Rphq4. The NIL confirmed the contribution of Rphq2 to partial resistance by prolonging the latency period by 28 h on L94-Rphq2 and shortening the latency period by 23 h on Vada-rphq2. On the basis of flanking restriction fragment length polymorphism-based markers, Rphq2 appeared to be located near the telomeric end of the long arm of chromosome 2H, in a physical region of high recombination, making it the target QTL for map-based cloning. Microscopic observations on the NIL confirmed the nonhypersensitive nature of the resistance conferred by Rphq2. A high-resolution genetic map of the Rphq2 region was constructed using a population of 38 subNIL with overlapping L94 introgressions in Vada background across the region. Rphq2 mapped approximately 2 centimorgans (cM) proximal from the MlLa locus. By bulked segregant analysis and use of synteny with rice, we developed additional markers and fine-mapped Rphq2 to a genetic interval of 0.11 cM that corresponds to a stretch of sequence of, at most, 70 kb in rice. Analysis of this rice sequence revealed predicted genes encoding two proteins with unknown function, retrotransposon proteins, peroxidase proteins, and a protein similar to a mitogen-activated protein kinase kinase kinase (MAP3K). Possible homologs of those peroxidases and MAP3K in barley are candidates for the gene that contributes to partial resistance to P. hordei

Evidence of isolate-specificity in non-hypersensitive resistance in spring wheat (Triticum aestivum) to wheat leaf rust

Isolate-specific aspect of non-hypersensitive resistance in wheat to wheat leaf rust was studied at seedling stage in the green house. Isolate-specific response of non-hypersensitive resistance was assessed from latency period (LP) and infection frequency (IF) of two single-pustule isolates of Puccinia triticina in 26 spring wheat cultivars/lines. Small but significant cultivar x isolate interactions were observed for LP and IF in seedlings of host genotypes. Isolate specific effect for LP at seedling stage was consistent and reproduced in a repeated experiment; however, the interaction for IF was inconsistent and was not reproducible. The inconsistency in cultivar x isolate interaction may be due to some non-genetic origin. The result suggested that a gene-for-gene relationship could exist between non-hypersensitive resistance genes in the host and genes in pathogen

High resolution mapping of a novel late blight resistance gene Rpi-avll, from the wild Bolivian species Solanum avilesii

Both Mexico and South America are rich in Solanum species that might be valuable sources of resistance (R) genes to late blight (Phytophthora infestans). Here, we focus on an R gene present in the diploid Bolivian species S. avilesii. The genotype carrying the R gene was resistant to eight out of 10 Phytophthora isolates of various provenances. The identification of a resistant phenotype and the generation of a segregating population allowed the mapping of a single dominant R gene, Rpi-avl1, which is located in an R gene cluster on chromosome 11. This R gene cluster is considered as an R gene “hot spot”, containing R genes to at least five different pathogens. High resolution mapping of the Rpi-avl1 gene revealed a marker co-segregating in 3890 F1 individuals, which may be used for marker assisted selection in breeding programs and for further cloning of Rpi-avl

Importance of the secondary genepool in barley genetics and breeding. II. Disease resistance, agronomic performance and quality

In this second paper on the use of secondary genepools in barley improvement, we describe the characterisation of leaf rust resistant recombinant lines (RLs) derived from Hordeum vulgare × H. bulbosum crosses. Twelve RLs were inoculated with leaf rust and the early stages of disease development were observed. Several RLs showed complete resistance to the pathogen, but others had a high level of partial resistance, which may be durable. Some of these RLs and others were tested in yield trials to determine the effects of introgressed chromatin from H. bulbosum on yield and quality. We conclude that there are no major adverse effects that cannot be overcome through normal breeding technique