Entwicklung eines In-vitro-Resistenztests für den Erreger des Schwarzrostes (Puccinia graminis ssp. graminicola) an Deutschem Weidelgras (Lolium perenne L.) und molekulare Charakterisierung eines dominanten Resistenzgens

Abstract

Schwarzrost, verursacht durch Puccinia graminis ssp. graminicola, ist zunehmend ein Problem in der Grassamenproduktion Deutschlands. Höhere Sommertemperaturen und mildere Winter haben die Ausbreitung und Befallsstärke von Schwarzrost in Vermehrungsbeständen in den letzten Jahren stark ansteigen lassen. Schwarzrostinfektionen, die zu hohen Ertragsausfällen und zu verminderter Qualität des Erntegutes führen, sind auf Grund fehlender resistenter Sorten nur durch kostenintensive prophylaktische Fungizidmaßnahmen zu verhindern. Der damit sinkende Deckungsbeitrag der Grassamenproduktion veranlasst viele Landwirte, auf den Anbau anderer Kulturarten auszuweichen. Auf Grund der Witterungsabhängigkeit der Schwarzrostepidemien und damit einhergehender saisonaler Unterschiede im Infektionsdruck ist es nicht in jedem Jahr möglich, auf Schwarzrostresistenz im Feld zu bonitieren. Daher sollte eine effiziente Möglichkeit der witterungsunabhängigen Selektion zur Entwicklung resistenter Sorten gefunden werden. Ein Blattsegmenttest für Schwarzrostresistenz bei Lolium perenne wurde entwickelt, der einfach in der Anwendung ist und die Möglichkeit einer sicheren und kostengünstigen Schwarzrostbonitur auch außerhalb der Saison bietet. Seine Ergebnisse waren in hohem Maße reproduzierbar und zeigten trotz erschwerter Datenerfassung im Feldversuch erste Hinweise auf eine gute Übereinstimmung mit den Feldbonituren. Geprüft wurden 340 Prüfglieder einer im Blattsegmenttest für Schwarzrostresistenz 1:1 aufspaltenden Familie über zwei Jahre an drei Orten mit jeweils zwei Wiederholungen. Auf Grundlage des Tests konnte eine monogene, dominant ausgeprägte Vererbung der Resistenz für Schwarzrost innerhalb der Familie nachgewiesen werden. Dem zugrunde liegenden Resistenzgen wurde die Bezeichnung LpPg1 gegeben. Die breite Wirksamkeit der LpPg1-vermittelten Resistenz gegenüber unterschiedlichen Schwarzrost-Inokuli ist ein erster Hinweis auf eine gute Beständigkeit und damit lange Nutzungsdauer der Resistenz. Durch molekulare Analysen mit 82 Resistenzgenanalogern (RGA) und 162 Simple Sequenz Repeats (SSR) konnten drei mit LpPg1 gekoppelte SSR-Marker detektiert werden, darunter zwei flankierende Marker, die in Abständen von 2,6 und 6,7 cM zum Resistenzgen kartieren. Diese flankierenden Marker zeigen gemeinsam weniger als 1 % Rekombination zum Resistenzgen und bieten so die Möglichkeit einer effizienten Marker-gestützten-Selektion innerhalb von Rückkreuzungs- oder Pyramidisierungsprogrammen. Zudem weisen die mit dem Resistenzgen gekoppelten Marker auf eine Lage des Resistenzgens auf LG 4 nach Hirta et al. 2006 hin.Stem rust caused by Puccinia graminis ssp. graminicola is a dramatic problem for grass seed production in many areas of the world. Higher temperatures in summer and mild winters as a consequence of the climatic change lead to an increased occurrence of stem rust in the field over the last years. Infections lead to yield reduction and reduced seed quality. In Germany, resistant varieties are failing and treatments with fungicides are difficult and expensive. The reduced benefit of grass seed production makes the cultivation of other crops more and more attractive. The amount of stem rust infection depends on the climatic conditions in spring and summer, therefore an evaluation of stem rust in field trials is not always possible. A detached-leaf test for resistance of Lolium perenne to stem rust has been developed, which is easy to use and gives the opportunity of a stem-rust evaluation independent of environment and climatic conditions. Its results indicate a high robustness of the test and show, despite difficult evaluation in the field trials, good correlations to the field results. Field trials with 340 single plants of a population showing 1:1 segregation in the leaf segment test for stem rust resistance were carried out over two years on three locations with two replications. Using the leaf segment test, the monogenic, dominantly inherited resistance to stem rust in Lolium perenne LpPg1 was found and characterised. Correlation coefficients obtained for infestation scores in independent tests and with plants of varying age indicated satisfactory robustness of the test procedure and stage-independency of the resistance. Reaction to different inoculi of the pathogen indicated a broad effectiveness of the resistance. Analysis with 82 genomic resistance gene analogs (RGA) and 162 simple sequence repeat (SSR) markers identified three markers which are linked to the resistance gene LpPg1. Two flanking markers were mapped 2.6 and 6.7 cM to the resistance gene and may be used for marker assisted selection (MAS) in backcrossing and pyramiding programs. Besides that, the correlated markers give a first indication for the position of LpPg1 on linkage group 4 (Hirta et al. 2006)