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Doctoral Thesis
2005
QTL mapping of resistance to Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) De Bary in sunflower (Helianthus annuus L.)
QTL mapping of resistance to Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) De Bary in sunflower (Helianthus annuus L.)
Abstract (English)
Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary is one of the most important pathogens of sunflower. Three different disease symptoms can be caused by S. sclerotiorum: Sclerotinia wilt, midstalk- and head rot. An improvement of the resistance against S. sclerotiorum would contribute to yield security and thus increase the profitability of sunflower cultivation. We investigated resistance to midstalk rot with respect to the prospects of marker-assisted selection (MAS). The bjectives were to (1) identify quantitative trait loci (QTL) involved in resistance against Sclerotinia sclerotiorum, (2) map their position in the genome, (3) characterize their gene effects, and (4) estimate their consistency across generations of the cross NDBLOSsel x CM625. Two sunflower lines with high resistance level to S. sclerotiorum and different genetic origins (NDBLOSsel and TUB-5-3234) were used as parents. They were crossed with a highly susceptible line CM625 to develop two mapping populations. A modified leaf test was used for the evaluation of midstalk-rot resistance. Three resistance traits and two morphological traits were measured. Disease resistance of 354 F3 families of the population NDBLOSsel x CM625 was screened in field trials with two different sowing times in 1999. A total 317 recombinant inbred lines (RIL) derived from F3 families were tested in 2002/2003. The 434 F3 families of cross CM625 x TUB-5-3234 were screened in 2000/2001. The field trials were conducted by using generalized lattice designs with three replications and five infected plants per replication. Highly significant genetic variation between F3 families and RIL was observed for the resistance traits in all field trials. Heritabilities ( ) were highest for stem lesion and lowest for leaf lesion for all three experiments. The resistance traits were moderately correlated with each other. For the construction of the genetic map of population NDBLOSsel x CM625, 352 F2 individuals were analyzed with 117 SSR marker loci. On the basis of results from the QTL mapping in F3 families, 41 markers were selected and genotyped in 248 RIL. A "selective genotyping" (SG) approach was used for population CM625 x TUB-5-3234. Based on the results measured in F3 families for stem lesion, the SSR genotype at 72 marker loci was determined for the 60 most resistant and 60 most susceptible F2 individuals. For QTL mapping and estimation, the method of the "composite interval of mapping" was used. For stem lesion in the population NDBLOSsel x CM625, eight QTL were detected explaining 33.7% of the genetic variance ( ). The QTL on LG8 explained 36.7% of the phenotypic variance (R2adj). All other QTL for this trait explained between 3.3 and 6.0% of R2adj. Nine QTL were detected for leaf lesion. The proportion of the phenotypic variance explained by individual QTL ranged from 3.4 to 11.3%. All detected QTL for leaf lesion explained 25.3% of the genetic variance in cross validation. For speed of fungal growth, 6 QTL were detected, which explained from 4.6 to 10.2% R2adj. Cross validation explained 24.4% of. Most QTL showed additive gene action. QTL occurring consistently across generations can be recommended for MAS and therefore, the QTL results between RIL and F3 families of population NDBLOSsel x CM625 were compared. One common QTL was identified for leaf lesion, two for stem lesion and three for speed of fungal growth. In population CM625 x TUB-5-3234, four QTL for stem lesion, three QTL for leaf lesion and three QTL for speed of fungal growth were identified. Owing to the SG approach we conjecture that not all QTL were found. The comparison of QTL results between two F3 populations showed two common QTL for stem lesion on LG4 and LG8. The QTL on LG4 originated from the susceptible parent CM625. The QTL on LG8 probably corresponds to the QTL with the largest effect determined in the population NDBLOSsel x CM625.
Regarding MAS, our results indicate that two QTL detected for stem lesion and speed of fungal growth in population NDBLOSsel x CM625 are promising. They were consistent across environments, and showed no adverse correlation to leaf morphology in trials with the RIL. In mapping population CM625  TUB-5-3234, it remained unclear whether TUB-5-3234 can contribute new alleles with sufficiently large effects for resistance that were not identified in line NDBLOSsel and would be useful in MAS. The genomic region on LG10 should be analyzed in more detail with respect to its importance for resistance in multiple plant parts (head and stalk) and to verify its association with leaf morphology. Resistance breeding of sunflower against S. sclerotiorum is difficult due to the complex inheritance of the trait. This study showed that both the resistance source NDBLOSsel and the identified markers are promising in improving resistance by MAS. For a broader resistance against S. sclerotiorum, it is necessary to detect new resistance genes from different sources to pyramide them in elite lines.
Abstract (German)
Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary ist einer der bedeutendsten Schaderreger der Sonnenblume, der Ertragsverluste bis zu 100% verursachen kann. Durch S. sclerotiorum können drei verschiedene Krankheitssymptome hervorgerufen werden: Wurzelwelke, Stängelfäule und Korbfäule. Eine Verbesserung der Resistenz gegenüber S. sclerotiorum würde die Ertragssicherheit und damit die Wirtschaftlichkeit des Sonnenblumenanbaus erhöhen. Frühere Arbeiten lieferten Hinweise, dass die Resistenz polygen vererbt wird. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde die Resistenz der Sonnenblume gegenüber der Stängelfäule untersucht. Im Vordergrund stand hierbei die Frage nach den Aussichten für eine markergestützte Selektion. Die Ziele der Arbeit waren: (1) die an der Ausprägung der Resistenz gegen Sclerotinia beteiligten QTL (quantitative trait loci) zu identifizieren, (2) deren Lage im Genom zu kartieren, (3) deren Genwirkungweise zu charakterisieren, und (4) deren Stabilität über Generationen zu prüfen.
Zur Ermittlung der Resistenz gegen die Stängelfäule wurde ein modifizierter Blatt-Test benutzt, bei dem die Blätter mit Myzel infiziert und mit befeuchteten Plastiktüten umschlossen wurden. Die drei Resistenzmerkmale Blattläsion, Stängelläsion und Wachstumsgeschwindigkeit des Pilzes sowie die beiden morphologischen Merkmale Blattlänge und Gesamtblattlänge mit Stiel wurden erfasst. Als Ausgangsmaterial dienten zwei weitgehend resistente Sonnenblumenlinien (NDBLOSsel und TUB-5-3234), die mit einer hochanfälligen Linie (CM625) gekreuzt wurden, um zwei spaltende Kartierungspopulationen zu erzeugen. Die Krankheitsresistenz wurde 1999 in Feldversuchen mit unterschiedlichen Aussaatzeiten für 354 F3-Familien der Population NDBLOSsel × CM625 geprüft. In den Jahren 2002 und 2003 wurden 317 rekombinante Inzuchtlinien (RIL) dieser Population´untersucht. Die 434 F3-Familien der Population CM625 × TUB-5-3234 wurden 2000 und 2001 geprüft. Die Versuche wurden auf Flächen der Versuchstation Eckartsweier als generalisierte Gitteranlagen mit 3 Wiederholungen und 5 inokulierten Pflanzen je Wiederholung angelegt.
Bei allen Feldversuchen wurden hochsignifikante genetische Unterschiede zwischen
den Familien bzw. Linien für die Resistenzmerkmale ermittelt. Die höchste Heritabilität ( 2 ?h ) wurde für das Merkmal Stängelläsion (0,79 bis 0,89), die niedrigste für die Blattläsion (0,51 bis 0,55) geschätzt. Die Resistenzmerkmale waren signifikant miteinander korreliert, die Korrelationen lagen jedoch in einem mittleren Bereich. Zur Erstellung der genetischen Karte in der Population NDBLOSsel × CM625 wurden 352 F2-Individuen mit 117 SSR (Simple Sequence Repeat) Markerloci analysiert. Anhand der Ergebnisse aus der QTL-Kartierung der F3 Familien wurden 41 Markerloci selektiert. Mit diesen wurde der Genotyp für 248 RIL bestimmt. In der Population CM625 × TUB-5-3234 wurde die Methode des ?Selektive Genotyping? (SG) angewendet. Die Selektion der F2- Individuen wurde aufgrund der Ergebnisse für die Stängelläsion der F3-Familien durchgeführt. Für die 60 resistentesten und die 60 anfälligsten F2-Individuen wurde der SSRGenotyp
an 72 Markerloci bestimmt. Die Länge der SSR-Kopplungskarte für die Kreuzung
NDBLOSsel × CM625 betrug 961,9 centiMorgan (cM) bei einer durchschnittlichen
Intervalllänge von 9,6 cM. Die SSR-Kopplungskarte der Kreuzung CM625 × TUB-5-3234 hatte eine Gesamtlänge von 1005,2 cM mit einer durchschnittlichen Intervalllänge von 14,0 cm. Die genetischen Distanzen zwischen den Markerloci stimmten gut mit den bisher veröffentlichten SSR-Kopplungskarten der Sonnenblume überein. Zur Kartierung der QTL und Schätzung ihrer Einzeleffekte wurde die Methode des ?Composite Interval Mapping? angewendet. Für Stängelläsion wurden in der Kreuzung NDBLOSsel × CM625 acht QTL entdeckt, die in einer Kreuzvalidierung insgesamt 33,7% der genetischen Varianz ( TS p ~ ) erklärten. Ein QTL auf Kopplungsgruppe (LG) 8 erklärte 36,7% der phänotypischen Varianz (R2 adj), alle anderen QTL erklärten zwischen 3,3 und 6,0% von R2 adj. Für Blattläsion wurden insgesamt 9 QTL detektiert. Der Anteil der erklärten phänotypischen Varianz einzelner QTL reichte von 3,4 bis 11,3%. Alle detektierten QTL für die Blattläsion erklärten in einer Kreuzvalidierung 25,3% der genetischen Varianz. Für das Merkmal Geschwindigkeit des Pilzwachstums wurden 6 QTL detektiert, die von 4,6 bis 10,2% R2 adj erklärten. Die erklärte genotypische Varianz in einer Kreuzvalidierung betrug bei diesem Merkmal 24,4%. Die meisten QTL zeigten eine additive Genwirkungsweise. Für markergestützte Selektion können nur solche QTL empfohlen werden, die sich stabil über Generationen erweisen. Deshalb wurden die QTL-Ergebnisse zwischen den RIL und F3-Familien der Population NDBLOSsel × CM625 verglichen. Die Anzahl der gemeinsamen QTL betrug eins für Blattläsion, zwei für Stengelläsion und drei für Wachstumsgeschwindigkeit des Pilzes. Nach einer Senkung des LOD-Wertes auf 1,5 wurde für Stängelläsion ein weiterer gemeinsamer QTL für beide Generationen identifiziert. In der Kreuzung CM625 × TUB-5-3234 wurden vier QTL für Stängelläsion, drei QTL für Blattläsion und drei QTL für Wachstumsgeschwindigkeit des Pilzes gefunden. Da die Methode des ?Selective Genotyping? benutzt wurde, kann davon ausgegangen werden, dass nur die QTL mit den größten Effekten identifiziert wurden. Der Vergleich der QTL Ergebnisse zwischen den Kreuzungen NDBLOSsel × CM625 und CM625 × TUB-5-3234
ergab zwei gemeinsame QTL für Stängelläsion auf LG 8 und 4. Der gemeinsame QTL auf LG 4 stammte vom anfälligen Elter CM625. Der zweite gemeinsame QTL auf LG 8 entspricht wahrscheinlich dem in der Population NDBLOSsel × CM625 ermittelten QTL mit dem größten Effekt. In weitere Untersuchungen sollte dieser Genombereich detaillierter analysiert werden. Im Hinblick auf eine marker-gestützte Selektion zeigen unsere Ergebnisse, dass zwei QTL aussichtsreich sind. Diese wurden in der Population NDBLOSsel × CM625 auf LG 8 und 16 für die Merkmale Stengelläsion und Wachstumsgeschwindigkeit des Pilzes identifiziert. Diese zwei QTL erwiesen sich als stabil über alle Umwelten und zeigten in der Untersuchung der RIL keine störenden Korrelationen zu morphologischen Merkmalen. In der Population CM625 × TUB-5-3234 konnte nicht eindeutig geklärt werden, ob der resistente Elter TUB-5-3234 neue Resistenzallele mit hinreichend großen genetischen Effekten beisteuert, die nicht bereits in NDBLOSsel identifiziert wurden. Aufgrund seiner
Assoziation mit der Blattlänge müssen weitere Untersuchungen klären, ob der QTL auf LG 10 für marker-gestützte Selektion genutzt werden kann. Die Resistenzzüchtung bei der Sonnenblume gegen S. sclerotiorum ist aufgrund der
komplexen Vererbung dieses Merkmals schwierig. Diese Studie zeigt, dass die gefundenen Marker zusammen mit der Resistenzquelle NDBLOSsel für eine marker-gestützte Selektion eingesetzt werden können, um eine Verbesserung der Resistenz gegen die Stängelfäule zu erzielen. Um die Resistenz gegenüber S. sclerotiorum weiter zu erhöhen, ist es erforderlich, zusätzliche Resistenzgene zu finden und diese über eine Pyramidisierung in Elitelinien anzureichern.
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Notes
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2005-06-12
Supervisor
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Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Micic2005,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5031},
author = {Micic, Zeljko},
title = {QTL mapping of resistance to Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) De Bary in sunflower (Helianthus annuus L.)},
year = {2005},
school = {Universität Hohenheim},
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