Molecular and phenotypic diversity in populations of Fusarium culmorum on cereal hosts

Abstract

Fusarium head blight is one of the most devastating diseases of cereals globally and responsible for large harvest losses, not only due to the reduction in productivity but also due to the contamination of the grain with mycotoxins. The major causal agent worldwide is Fusarium graminearum; in Europe also other Fusarium species, among them Fusarium culmorum (FC) play an important role. The interaction between Fusarium species and cereals has been categorized as quantitative according to previous phenotypic and genetic observations. We studied the molecular and phenotypic diversity of natural populations of FC and how they interact with four cereals (bread wheat, durum wheat, triticale, rye) as host. Specifically, we sought (i) to understand the interaction between host and isolate, and between isolate and environment using the variance partition approach offered by mixed models applied to analyze multi-environmental studies; (ii) to identify or validate the association of Fusarium genes previously assigned as candidates using field aggressiveness and deoxynivalenol (DON) production; and (iii) to compare the application and results of the candidate gene association mapping approach applied to the same population of FC isolates but with different phenotypic data obtained from inoculation in different hosts-bread wheat and rye. Phenotyping was based on multi-environmental field experiments where each plot of the host plant was artificially inoculated with spores of the respective isolate in accordance with the experimental design. Aggressiveness was visually quantified as the percentage of spikelets with symptoms per plot and was repeatedly evaluated over time. The content of the mycotoxin deoxynivalenol (DON) in the harvested grain was evaluated by double enzyme linked immunosorbent assays (ELISA). Genes previously reported in the literature as related to aggressiveness were selected for sequencing. Using the available F. graminearum genome sequence, specific primers were constructed to amplify and sequence the most variable regions of the respective genes. The partitioning of the phenotypic variance using mixed models, for a subpopulation of 38 FC isolates in four cereal hosts, allowed to disaggregate the magnitude of the genotypic and environmental variance, and the environmental variance in turn into its different components. The genotypic variance was significant, but was exceeded by the magnitude of the environmental variance and its interactions with genotype, showing that the role of plasticity in the pathosystem of Fusarium culmorum and its cereal hosts is highly important. In contrast, the variance associated with the host factor and the interactions with host were not significant, confirmed by high values of genetic correlation amogn host. This result supports the categorization of the cereal/Fusarium culmorum interaction as unspecific and quantitatively inherited also from the view of the pathogen. For the present study, plasticity was understood as the changes in the phenotype of the pathogen that could be attributed to changes induced by the environment. Our data revealed the year as factor with the highest influence on plasticity, meaning that the isolates with high performance values under humid conditions did not exhibit the same high values under dry conditions. Because the environmental conditions are erratic between the years, the lack of a constant selection pressure in the same direction reduces the probability of achieving a speciation event per environment. The phenotypic data of the DON content in harvested grain showed a high correlation with the aggressiveness data. An association mapping study with 17 candidate genes for aggressiveness using a population of 100 isolates of FC inoculated on bread wheat revealed the significant association of the HOG1 gene, explaining 10.29% of the genetic variance of aggressiveness and 6.05% of the genetic variance corresponding to the accumulation of DON in mature grain. HOG1 is a kinase-like protein involved in the communication within the oxidative metabolism of the fungus. In a similar study using the same population of FC isolates and the same candidate genes but rye as host, the gene CUT showed a significant association with aggressiveness, explaining 16.05% of the genetic variance. The CUT gene encodes a cutinase protein, belonging to the secretome and involved in the process of unleashing the membranes and cuticles of the host plant. Taken together, our results suggest that i) field trials of breeding for resistance to FC in cereals should be carried out in several years to properly account for the genotype-by-year interaction; ii) despite the fact that molecular communication may present some type of host specificity the high plasticity guarantees that the effects on the phenotype are very similar among the cereal hosts; and iii) the high genetic correlation of aggressiveness for different cereals invites to involve non-cereal crops in the rotation plans focused on Fusarium disease management.

Fusarium ist weltweit eine der verheerendsten Krankheiten von Getreide und verantwortlich für große Ernteverluste, nicht nur aufgrund der verminderten Produktivität, sondern auch wegen der Kontamination des Getreides mit Mykotoxinen. Der weltweit wichtigste Erreger ist Fusarium graminearum; in Europa spielen aber auch andere Fusarienarten, darunter Fusarium culmorum (FC), eine wichtige Rolle. Die Interaktion zwischen Fusarium spp. und Getreide wurde aufgrund früherer phänotypischer und genetischer Beobachtungen als quantitativ eingeordnet. Wir untersuchten die molekulare und phänotypische Vielfalt der natürlichen FC-Populationen und ihre Interaktion mit verschiedenen Getreidearten (Brotweizen, Durumweizen, Triticale, Roggen) als Wirt. Insbesondere untersuchten wir (i) die Interaktion zwischen Wirtsart und Isolat sowie zwischen Isolat und Umweltfaktoren mit Hilfe von gemischten Modellen; (ii) den Einfluss von Fusarium-Genen, die zuvor als Kandidatengene bekannt waren, auf die Aggressivität und die Produktion von Deoxynivalenol (DON) bei Weizen im Feldversuch an zwei Orten und zwei Jahren und (iii) die Anwendung und Ergebnisse der Kandidatengen-Assoziationskartierung mit Hilfe derselben FC-Population im Vergleich von Brotweizen und Roggen. Die Phänotypisierung basierte auf Feldexperimenten in mehreren Umwelten mit künstlicher Infektion der Wirtsarten durch Sporen des jeweiligen Isolates.Die Aggressivität wurde visuell als Prozentsatz der symptomtragenden Ährchen je Parzelle mehrfach im Infektionsverlauf quantifiziert. Der Gehalt des Mykotoxins Deoxynivelanol (DON) im geernteten Getreide wurde mit Hilfe eines, enzyme-linked immunosorbent assays’ (ELISA) bewertet. Für die Sequenzierung wurden Gene ausgewählt, die zuvor in der Literatur in Zusammenhang mit Aggressivität beschrieben wurden. Unter Verwendung der verfügbaren Genomsequenz von F. graminearum wurden spezifische Primer entworfen, um die Regionen der jeweiligen Gene mit der höchsten Variabilität zu amplifizieren und zu sequenzieren. Die Schätzung der phänotypischen Varianz unter Verwendung gemischter Modelle für eine Subpopulation von 38 FC-Isolaten in vier Getreidearten erlaubte es, die genotypische und umweltbedingte Varianz - und die umweltbedingte Varianz wiederum in ihre verschiedenen Komponenten - aufzuteilen. Die genotypische Varianz war signifikant, wurde jedoch von der Größe der Umweltvarianz und ihren Wechselwirkungen mit dem Genotyp übertroffen, was zeigt, dass die Rolle der Plastizität im Pathosystem von Fusarium culmorum und seinen Getreidewirten von großer Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu waren die mit der Wirtsart assoziierte Varianz und die Interaktionen mit der Wirtsart nicht signifikant, was durch hohe Werte der genetischen Korrelation zwischen den Wirtsarten bestätigt wurde. Dieses Ergebnis unterstützt die Einordnung der Interaktion zwischen Getreide und Fusarium culmorum als unspezifisch und quantitativ vererbt auch von Seiten des Pathogens. Für die vorliegende Studie wurde Plastizität als die Veränderung des Pathogen-Phänotyps verstanden, welche auf umweltbedingte Veränderungen zurückgeführt werden konnte. Unsere Daten zeigten, dass der Faktor Jahr den höchsten Einfluss auf die Plastizität hatte, was bedeutet, dass die Isolate mit hoher Leistung unter feuchten Bedingungen nicht die gleiche hohe Leistung unter trockenen Bedingungen aufwiesen. Da die Umweltbedingungen in den einzelnen Jahren schwanken, macht das Fehlen eines konstanten Selektionsdrucks in eine gleichbleibende Richtung eine spezifische Anpassung an die jeweilige Umwelt unwahrscheinlich. Die phänotypischen Daten des DON-Gehalts im Erntegut wiesen eine hohe Korrelation mit den Aggressivitätsdaten auf. Eine Assoziationskartierung mit 17 Kandidatengenen für Aggressivität unter Verwendung einer Population von 100 FC-Isolaten, mit denen Brotweizen inokuliert wurde, zeigte einen signifikanten Einfluss des HOG1-Gens, welches 10,29% der genetischen Varianz für Aggressivität und 6,05% der genetischen Varianz für die Akkumulation von DON in reifem Getreide ausmachte. HOG1 ist ein Kinase-ähnliches Protein, das an der Kommunikation innerhalb des oxidativen Metabolismus des Pilzes beteiligt ist. In einer ähnlichen Studie mit der gleichen Population von FC-Isolaten und den gleichen Kandidatengenen, aber mit Roggen als Wirt, zeigte das Gen CUT eine signifikante Assoziation mit Aggressivität, was 16,05% der genetischen Varianz erklärte. Das CUT-Gen kodiert ein Cutinase-Protein, welches zum Sekretom des Pilzes gehört und am Prozess der Durchdringung der Membranen und der Kutikula der Wirtspflanze beteiligt ist. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse, dass i) Feldversuche zur Züchtung von Resistenz gegen FC bei Getreide in mehreren Jahren durchgeführt werden sollten, um die Genotyp-Jahr-Interaktion angemessen zu berücksichtigen; ii) obwohl die molekulare Kommunikation auch eine gewisse Wirtsspezifität aufweisen kann, stellt die hohe Plastizität von F. culmorum jedoch sicher, dass alle geprüften Getreidearten ähnlich betroffen sind; iii) die hohe genetische Korrelation der Aggressivität für verschiedene Getreidearten dazu führen sollte, Nicht-Getreidepflanzen in die Fruchtfolgepläne einzubeziehen, um Fusarien-Erkrankungen besser zu kontrollieren.