Phänotypische und molekulare Analyse von Kreuzungsnachkommen auf Resistenz gegen Ährenfusariosen bei Triticale (x Triticosecale Wittmack)

Abstract

Fusarium head blight (FHB) is an epidemic disease of cereals but disease control still is insufficiently possible. Resistance breeding can be addressed as one approach to reduce the mycotoxin contents. Since 2006 the European Union had strict rules governing the values for Desoxinivalenol (DON) in food products. The extraordinary loads through mycotoxins in triticale, which are caused by FHB, lead to large reductions in grain yield and quality. Beyond the fact that it can cause health issues in animals, especially in pig feed, it may induce financial burdens for farming industries. Resistance against FHB is inherited quantitatively with mainly additive effects and therefore is only recorded by complex field experiments. Molecular markers accelerate resistance breeding and enable specific introgressions of favorable QTL. The main topic of this thesis is to show the application possibilities of molecular markers for the investigation of FHB resistance in triticale. In detail this study aims to analyze factors leading to a minimized mycotoxin accumulation in perennial field trials at several locations. Furthermore genetic maps of two different crossing populations were compiled and QTL mapping for ear appearance, plant height, DON content and FHB resistance was implemented. For all populations significant varieties had been displayed for all characteristics. The average values for FHB rate were between 8 and 43 % depending on year and location. The heritability?s showed high values for each population (h2 = 0.7 ? 0.82). The substantial genotype-environment-interaction pointed out the importance of field experiments. Furthermore no significant correlation was obtained between ear appearance and plant height. Due to the fact that the correlation factor between DON-content and FHB rate was very low (r = 0.32) to moderate (r = 0,65). Therefore no assumption about the DON-content subjected to the FHB rate could be made. The mapping of both populations LASKO x ALAMO and LASKO x TRIMESTER has been accomplished with SSR- and DArT-markers. The rate of polymorphism could be increased from 7 - 12 % respectively to 9 - 18 %. Genetic maps were constructed with length of 1.815 and 1.407 cM. They indicated 5.19 and 4.54 cM in their average marker distances. Throughout the QTL mapping several QTL were detected (6 QTL for ear appearance, 4 QTL for plant height, 1 QTL for DON-content and 4 QTL for FHB rate). These QTL explained 8 to 66 % of the phenotypical variance. In addition crossing populations of LASKO x TRIMESTER showed 2 QTL for ear appearance, 1 for plant height and 2 QTL for FHB resistance, which could explain 3 to 41 % of the phenotypical variance. This was also observed in several other QTL-surveys for wheat. Prospectively using molecular markers and genetically engineered methods will increase the research and development of resistant varieties and lead to a reduced mycotoxin accumulation. So far neither genetic maps nor any QTL studies for FHB resistance or DON-content in triticale have been published. Due to the fact that resistance is transmitted by several genes numerous artificial inoculations have to be carried out during breeding. Additive gene effects are useful to combine several resistance genes from different parents. Established methods in plant breeding such as recurrent selection, phenotypical and marker-based selection are successfully in use to reduce FHB- symptoms and to reduce the mycotoxin value but these methods have to be improved. The results of this thesis are promising for a superior resistance breeding in the future.

Die Bekämpfung des Befalls von Triticale mit Ährenfusariosen ist bisher nur unzureichend möglich, daher verspricht man sich durch die Resistenzzüchtung erhebliche Verbesserungen hinsichtlich einer Verringerung des Mykotoxingehaltes. Seit 2006 bestehen vom Gesetzgeber europaweit strenge Grenzwerte für Deoxynivalenol (DON) in Lebensmitteln. Die Belastung durch Mykotoxine, die durch den Befall mit Ährenfusariosen verursacht werden, führen bei Triticale zusätzlich zu hohen Ertragsverlusten. Darüber hinaus verursacht es in der Fütterung erhebliche Gesundheitsprobleme der Tiere, insbesondere in der Schweinefütterung, und über die verringerte Futteraufnahme zu finanziellen Verlusten des Landwirts. Die Resistenz gegen Ährenfusariosen wird bei Triticale quantitativ mit einer überwiegend additiven Genwirkung vererbt und ist deshalb nur durch aufwändige Feldprüfungen sicher zu erfassen. Molekulare Marker beschleunigen den Zuchtgang und ermöglichen die gezielte Introgression von günstigen QTL. In dieser Doktorarbeit sollten deshalb durch den innovativen Einsatz molekularer Marker Möglichkeiten zur Erhöhung der Resistenz von Triticale gegenüber Ährenfusariosen untersucht werden. Ziele waren die Aufklärung der Mechanismen zur Vererbung von Resistenz mittels mehrortigen und mehrjährigen Feldversuchen, wie auch die Verringerung der Mykotoxinanhäufung, das Erstellen von genetischen Karten für zwei Kreuzungspopulationen und die Identifikation von QTL für die Merkmale Ährenschieben, Wuchshöhe, DON und Fusarium-Resistenz. Es zeigten sich in allen Populationen signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Genotypen für die genannten Merkmale. Die Ährenbefallswerte betrugen je nach Standort und Jahr im Mittel zwischen 8 und 43 %. Die Heritabilitäten waren relativ hoch (0,7 - 0,82). Die große Bedeutung der Genotyp-Ort-Interaktion zeigte, dass mehrortige und mehrjährige Prüfungen unbedingt erforderlich sind. Zwischen Ährenbefall und Wuchshöhe bzw. Ährenschieben (EC-Stadium) ergab sich kein bzw. nur ein mittlerer, jedoch signifikanter Zusammenhang. Die Korrelation zwischen DON-Gehalt und Ährenbefall lag zwischen r = 0,3 und r = 0,65. Diese Ergebnisse sind zu unpräzise, um eine zuverlässige Vorhersage des DON-Gehalts anhand des Ährenbefalls zu ermöglichen. Die Kartierung der Kreuzungspopulationen LASKO x ALAMO und LASKO x TRIMESTER wurde mit Hilfe von SSR- und DArT-Markern durchgeführt. Anhand der besseren Chromosomenabdeckung durch DArT-Marker ist der Polymorphiegrad von 7 bis 12 % auf 9 bis 18 % gestiegen. Es wurden genetische Karten mit Gesamtlängen von 1815 bzw. 1407 cM und durchschnittlichen Markerabständen von 5,19 und 4,54 cM erstellt. Bei der QTL-Analyse beider Populationen wurden in der Kreuzungspopulation LASKO x ALAMO für das Ährenschieben sechs QTL, für die Wuchshöhe vier QTL, für den DON-Gehalt ein QTL und für die Fusarium-Resistenz vier QTL detektiert. Diese erklärten 8 bis 66 % der phänotypischen Varianz. Für die Population der Kreuzung LASKO x TRIMESTER wurden jeweils zwei QTL für Ährenschieben, ein QTL für Wuchshöhe und zwei QTL für Fusarium-Resistenz gefunden, die 3 bis 41 % der phänotypischen Varianz erklärten. Andere QTL-Studien bei Weizenpopulationen zeigten ähnlich hohe Effekte. Der Einsatz molekularer Marker zur Erhöhung der Selektionseffizienz dürfte in naher Zukunft möglich sein, gentechnologische Methoden zur Fusariumresistenz und Toxinverminderung sind in der Entwicklung. Bei Triticale wurden bisher weder komplette genetische Karten publiziert, noch sind QTL-Studien zu Fusariumresistenz oder DON bekannt. Die Züchtung auf Resistenz gegen Ährenfusariosen ist aufwändig, da die Resistenz durch mehrere Gene vererbt wird und mehrfach im Züchtungsverlauf Resistenzprüfungen mit Inokulation erforderlich sind. Günstig ist die additive Genwirkungsweise, so dass sich unterschiedliche Resistenzgene von verschiedenen Eltern kombinieren lassen. Rekurrente Selektionsprogramme, phänotypische und markerbasierte Selektion sind bereits effektive Methoden in der Pflanzenzüchtung, um eine weitere Verbesserung der Resistenz gegen Ährenfusariosen zu züchten und die Mykotoxinbelastung von Triticale zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind für die weitere Nutzung in der Züchtung resistenter Sorten sehr vielversprechend.