Effects of non-adapted quantitative trait loci (QTL) for Fusarium head blight resistance on European winter wheat and Fusarium isolates

Abstract

Fusarium head blight (FHB), caused by Fusarium graminearum and F. culmorum, is a devastating disease responsible for tremendous damage in wheat fields and contamination of grain with mycotoxins deoxynivalenol (DON) and nivalenol (NIV), rendering the harvest unsafe for human and animal consumption. The variability of Fusarium populations is high and changes in aggressiveness, chemotypes or species within and among Fusarium populations are known. Stable FHB resistance combined with high yield is one main target in wheat breeding programs. Mapping studies detected several quantitative trait loci (QTL) for FHB resistance in non-adapted sources, such as Sumai3 from China. The two most important and commonly used major QTL are located on chromosome 3BS (Fhb1) und 5A (Qfhs.ifa-5A). However, negative side effects of non-adapted resistance sources introgressed in elite winter wheat material are feared in Europe. Furthermore, the stability of the QTL effect against changing Fusarium populations is unknown. The objectives of this research were to analyze whether (1) the QTL Fhb1 and Qfhs.ifa-5A introgressed from a non-adapted resistance source into two winter wheat varieties have possible side effects on agronomic and quality performance, (2) 3-ADON and 15-ADON chemotypes are significantly different in their aggressiveness and DON production, (3) competition among Fusarium isolates in mixtures exists, and if so, how the resistant host will influence this competition. In conclusion, both resistance QTL are effective and stable in elite spring and winter wheat backgrounds. For improvement of FHB resistance both QTL are valuable, but Qfhs.ifa-5A would suffice for European breeding programs. Due to chemotype shifts, 3-ADON isolates could pose a greater risk to food safety than 15-ADON but breeding and use of highly resistant lines can reduce the risks associated with DON in wheat. Accordingly, resistant spring wheat lines were less affected by the tested Fusarium isolates and mixtures and, therefore, confirmed a high stability of these QTL. Directed selection of highly aggressive isolates due to the resistance QTL seems to be unlikely in the short term.

In Europa verursachen Ährenfusariosen hohe Ertrags- und Qualitätsverluste. Die Hauptpathogene im Weizen sind Fusarium graminearum und F. culmorum. Diese kontaminieren das Erntegut mit den von ihnen produzierten Mykotoxinen Deoxynivalenol (DON) und Nivalenol (NIV). Die genetische Variabilität der Pilze ist groß, so dass immer wieder Veränderungen in ihrer Aggressivität auftreten. Es gibt sowohl Verschiebungen zwischen Arten und zwischen Chemotypen als auch innerhalb von Populationen. Ein großes Ziel der Pflanzenzüchtung ist es daher ertragreichen Sorten mit stabiler Resistenz zu etablieren. Bisher konnten in verschiedenen Kartierungspopulationen quantitative vererbte Genorte (quantitative trait loci, QTL) für die Fusarium-Resistenz gefunden werden. Eine Resistenzquelle ist die chinesische Weizensorte Sumai3, welche zwei weit verbreitete major QTL auf den Chromosomen 3BS (Fhb1) und 5A (Qfhs.ifa-5A) trägt. Bei einer Einkreuzung dieser QTL in Elitematerial werden jedoch negative Nebeneffekte aufgrund der nicht adaptierten Quelle befürchtet. Des Weiteren ist die Stabilität dieser QTL gegenüber sich verändernden Fusarium-Populationen nicht bekannt. Die Ziele dieser Studie waren (1) die Analyse möglicher Nebeneffekte der zwei QTL Fhb1 und Qfhs.ifa-5A auf agronomische Eigenschaften und Qualitätsparameter, da die QTL aus nicht adaptierten Resistenzquellen in zwei Elite-Winterweizensorten eingekreuzt wurden, (2) die Messung der Aggressivität und der DON-Produktion von 3-acetyldeoxynivalenol (3-ADON) im Vergleich zu 15-ADON Chemotypen, und (3) die Modellierung des Wettbewerbs zwischen Fusarium-Isolaten in Mischungen in Abhängigkeit von unterschiedlich resistenten Wirtsgenotypen. Beide Resistenz-QTL waren im Elite-Sommer- und Winterweizenhintergrund effektiv und stabil. Zur Verbesserung der Fusarium-Resistenz sind beide QTL sinnvoll einsetzbar. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz von Qfhs.ifa-5A in europäischen Zuchtprogrammen vorteilhaftesten wäre. Durch die Veränderung innerhalb der Chemotypenzusammensetzung von Fusarium-Populationen könnten 3-ADON-Isolate ein höheres Risiko für die Nahrungsmittelsicherheit bedeuten als 15-ADON-Isolate. Die Züchtung und der Anbau von hochresistenten Sorten kann dieses Risiko, das mit erhöhten DON-Werten im Erntegut verbunden wäre, verringern. Die resistenten Sommerweizenlinien waren weniger mit den getesteten Fusarium-Isolaten und -Mischungen infiziert als die anfälligen, was die Stabilität der QTL bestätigt. Eine gerichtete Selektion von hoch aggressiven Isolaten durch den Anbau von Sorten mit Resistenz-QTL ist zumindest kurzfristig unwahrscheinlich.