Genetics of resistance to ear diseases and mycotoxin accumulation in the pathosystems maize/Fusarium and wheat/Fusarium

Abstract

Infection of ears of maize with Fusarium graminearum (FG) reduces yield and, more important, contaminate the harvest with mycotoxins. F. verticillioides (FV) is an economically important cause of ear rot. Among other mycotoxins, FV produces the fumonisins (FUM) and FG produces deoxynivalenol (DON) and zearalenone (ZEA). All three mycotoxins are harmful to humans and animals. Therefore, the European Union released legally enforceable limits. One alternative to reduce ear rot severity and mycotoxin concentrations is breeding and growing varieties resistant to Fusarium infections. However, few is known about breeding parameters for resistance to Fusarium infections and mycotoxin accumulation in European maize breeding material. The main objective of this thesis was to draw conclusions for breeding of resistance to ear rot and mycotoxin accumulation with special attention on three European maize maturity groups. We investigated methodical aspects like (1) the comparison of natural and artificial inoculation to evaluate ear rot resistance and (2) the necessity of separate testing of FV and FG. Furthermore, quantitative-genetic parameters like heritabilities and correlations were estimated to draw conclusions about (3a) genetic variation in line and testcross performance and the relationships (3b) between ear rot severity and mycotoxin concentrations in lines and testcrosses and (3c) between line and testcross performance. Three maturity groups (early, mid-late, late) each comprising about 150 maize inbred lines were evaluated for ear rot resistance to FV. The same genotypes of the early maturity group were additionally evaluated for resistance to FG in separate, but adjacent trials. Field evaluation was conducted in two to six environments with silk channel inoculation and natural infection, respectively. In the late maturity group kernel inoculation was conducted additionally. Out of the 150 lines, 50 to 60 lines per maturity group were crossed with two unrelated testers of the opposite heterotic group. The concentrations of toxins FUM, DON and ZEA of the chosen lines and their testcrosses were analyzed by immunotests. Despite significant genotypic differences among the inbred lines after inoculation or natural infections, inoculation was found to be superior due to easier visual differentiation and increased accuracy. Therefore, inoculation should be conducted. In the late maturity group silk channel inoculation (simulating infection over the silks) and kernel inoculation (simulating secondary infection after wounding) were appropriate since both caused similar ear rot severity. However, both inoculation methods should be tested separately due to only moderate correlations between them. In the early maturity group resistance to FG or FV should be tested separately due to moderate correlations. Significant genotypic variances in large sets and subsets of lines and also in testcrosses revealed that there is genetic variation in all maturity groups and also within heterotic groups. In the flint group less lines were resistant to FV and FG than in dents indicating that resistance needs improvement, i.e. by introgression of resistance alleles followed by recurrent selection. Significant genotype x environment interactions may complicate selection and, therefore, multi-environmental trials are required for an accurate selection. High genotypic correlations between ear rot rating and mycotoxin concentrations were found among lines and testcrosses. The cost efficient indirect selection for mycotoxin concentrations based on ear rot rating could increase response to selection by testing more genotypes and/or in more test environments assuming a fixed budget. This should increase selection intensity and/or heritability. Moderate genotypic correlations between line and testcross performance were. One moderately to highly susceptible tester is sufficient due to high genotypic correlations between testcrosses of different testers. Both indicates a mainly additive gene action, but also non-additive gene action may play a role in some crosses. Selection for testcross performance based on line performance was less effective when calculating relative efficiencies. Different scenarios have been identified: (1) In Central Europe mainly resistance to ear rot in lines needs to be tested to ensure high seed quality, whereas resistance in testcrosses is not important due to low natural infection. (2) In Southern Europe, where high natural infections occur regularly, parallel selection for resistance to ear rot in lines and testcrosses is important. One susceptible tester should be used for creation of testcrosses. For selection in lines all parental lines should be inoculated but only lines selected out of testcrosses for agronomic traits would be rated afterwards saving resources. This is feasible due to later harvest date of lines than of testcrosses.

Infektionen der Kolben von Mais mit Fusarium graminearum (FG) führen zu Ertragsverlusten und, viel wichtiger, zu einer Kontaminierung der Ernte mit Mykotoxinen. Zusätzlich ist F. verticillioides (FV) ein ökonomisch wichtiger Erreger der Kolbenfäule. FV produziert, neben anderen Mykotoxinen, die Gruppe der Fumonisine (FUM) und FG Deoxynivalenol (DON) und Zearalenon (ZEA). Diese Toxine sind für Mensch und Tier gesundheitsschädigend, weshalb die EU Höchstmengen hierfür festgelegt hat. Eine Alternative zur Toxinverringerung bietet die Züchtung Fusarium-resistenter Sorten. Jedoch ist bisher wenig über züchterische Parameter für Kolbenfäuleresistenz in europäischem Zuchtmaterial bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, Schlussfolgerungen für die Züchtung der Resistenz gegen Kolbenfäule und Mykotoxinbelastung zu ziehen. Hierzu wurden (1) künstliche Inokulation und natürliche Infektion verglichen und (2) untersucht, ob getrenntes Testen der Resistenz gegen FV und FG nötig ist. Außerdem wurden quantitativ-genetische Parameter wie Heritabilitäten und Korrelationen geschätzt, um Schlussfolgerungen bezüglich (3a) der genetischen Variation in Linien und Testkreuzungen, sowie den Beziehungen (3b) zwischen Bonitur und Toxinkonzentrationen und (3c) zwischen per se und Testkreuzungsleistung ziehen zu können. Drei Reifegruppen (früh, mittelspät, spät) mit jeweils 150 Inzuchtlinien wurden auf Kolbenfäuleresistenz nach Inokulation mit FV untersucht. In der frühen Reifegruppe wurden zusätzlich die gleichen Genotypen in getrennten, aber benachbarten Versuchen auf ihre Resistenz gegen FG untersucht. Die Untersuchungen fanden an zwei bis sechs Umwelten statt, wobei mit Narbenfadenkanalinokulation bzw. natürlicher Infektion infestiert wurde. In der späten Reifegruppe wurde zusätzlich die Korninokulation angewendet. Aus den 150 Linien wurden 50 ? 60 Linien pro Reifegruppe mit zwei unverwandten Testern der jeweilig anderen heterotischen Gruppe gekreuzt. Mit Immunotests wurden die FUM-, DON- und ZEA-Konzentrationen der ausgewählten Linien als auch deren Testkreuzungen analysiert. Trotz signifikanter genotypischer Unterschiede zwischen den Linien nach Inokulation oder natürlicher Infektion, war die Inokulation überlegen, da die visuelle Differenzierung einfacher und die Präzision höher war. Deshalb sollte inokuliert werden. In der späten Reifegruppe waren sowohl Narbenfadenkanal- (simuliert Infektion über die Narbenfäden) als auch Korn-Inokulation (simuliert Sekundärinfektion nach Verwundung) geeignet, einen ähnlich hohen Kolbenfäulebefall hervorzurufen. Dennoch sollten beide Methoden aufgrund nur moderater Korrelationen getrennt getestet werden. In der frühen Reifegruppe sollten Resistenzen gegen FG oder FV aufgrund moderater Korrelationen getrennt getestet werden. Signifikante genotypische Varianzen in großen und kleinen Populationen sowie deren Testkreuzungen weisen auf genetische Variation für alle Merkmale in allen Reife- und heterotischen Gruppen hin. Im Flintpool wurden weniger resistente Linien gefunden als im Dentpool, was auf eine geringere Resistenz hindeutet. Deshalb sollte der Flintpool via Introgression von Resistenzallelen aus anderem Zuchtmaterial verbessert werden. Aufgrund der signifikanten Genotyp x Umwelt-Interaktionen sollten Resistenztests in mehreren Umwelten durchgeführt werden, um eine akkurate Selektion zu sichern. Hohe genetische Korrelationen zwischen Bonitur und Toxinkonzentrationen wurden sowohl in den Linien als auch in den Testkreuzungen gefunden. Die kostengünstigere indirekte Selektion auf verringerte Toxinkonzentrationen anhand der Bonitur ist unter der Annahme eines fixen Budgets effizienter, da der Selektionserfolg der indirekten Selektion durch Testen von mehr Genotypen und in mehr Umwelten erhöht werden könnte. Moderate genetische Korrelationen zwischen Linien- und Testkreuzungsleistung wurden gefunden. Ein moderat bis hoch anfälliger Tester ist ausreichend für Topcrosstests, da die genetischen Korrelationen zwischen Testkreuzungen verschiedener Tester hoch waren. Beides weist auf eine überwiegend additive Vererbung hin, wobei aber auch eine nicht-additive Vererbung in manchen Kreuzungen eine Rolle spielen könnte. Die Selektion anhand der Linien für Testkreuzungsleistung ist nicht effektiv, da die relativen Effizienzen kleiner als eins waren. Unterschiedliche Szenarien für die Züchtung wurden festgestellt: (1) In Mitteleuropa ist hauptsächlich die Resistenz in den Linien wichtig, um eine hohe Saatgutqualität zu sichern, jedoch in den Testkreuzungen nicht, da hier nur eine geringe natürliche Infektion vorkommt. (2) In Südeuropa, wo regelmäßig eine hohe natürliche Infektion vorkommt, ist die Selektion auf Resistenz sowohl in den Linien als auch in den Testkreuzungen wichtig. Für die Selektion in den Linien sollten alle Elternlinien inokuliert werden. Allerdings werden nur die Linien bonitiert, welche zuvor anhand von Testkreuzungen für agronomische Merkmale wie Ertrag selektiert wurden.