Analyzing resistance to ergot caused by Claviceps purpurea [Fr.] Tul. and alkaloid contamination in winter rye (Secale cereale L.)

Abstract

Ergot caused by Claviceps purpurea [Fr.] Tul. is one of the oldest well-known plant diseases leading already in medieval times to severe epidemic outbreaks. After the occurrence of honeydew, the characteristic ergot bodies called sclerotia are formed on the ear. These are containing toxic ergot alkaloids (EAs). Strict limits are set within the European Union. Rye (Secale cereale L.) as cross-pollinating crop is particularly vulnerable to ergot since the competitive situation of fungal spores and pollen during flowering. Nevertheless, even today the threat is real as agricultural practice is changing and screening studies revealed EAs in samples of the whole cereal value chain frequently. The aims were to establish a harmonized method to test ergot resistance and EA contamination in winter rye, to clarify major significant factors and their relevance and to reveal the suitability of one commercial ELISA test. Further, effort was paid to examine the covariation of ergot amount and EA content considering different factors because of prospective legislative changes. Genotypes showed significant variation for ergot severity and pollen-fertility restoration after natural infection as well as artificial inoculation whereas a high positive correlation could be found between both treatments. Additionally, variances of environment, general combining ability (GCA), specific combining ability (SCA), and interactions were significant. Although male pollen-fertility restoration was of utmost importance, the female component was also significant. This illustrates that apart from promising selection of high restoration ability the maternal restorability could be exploited in future breeding programs especially when a high pollen amount is already reached. A large-scale calibration study was performed to clarify the covariation of ergot severity, EA content (HPLC, ELISA) considering genotypes, locations, countries, years, and isolates. EA profile was rather stable across country-specific isolates although large differences regarding the EA content were detected. The moderate covariation between ergot severity and EA content (HPLC) indicates that a reliable prediction of the EA content based on ergot severity is not possible what can also not be explained by grouping effects of the factors. Further, EAs seem not to act as virulence factor in the infection process since EA content showed no relationship to disease severity. Additionally, the missing correlation of ELISA and HPLC leads to the conclusion that the ELISA is not an appropriate tool what can be used safely to screen samples regarding ergot in the daily life. The genetic variation of male-sterile CMS-single crosses was analysed in a special design without pollen in field and greenhouse to identify resistance mechanisms and to clarify whether ergot can be reduced in the female flower. At this, comparison of needle and spray inoculation revealed medium to high correlations illustrating that both methods were suitable for this research. Significant environment and genotype by environment interaction variances were detected. So, testing across several environments is necessary also without pollen. Further, small but significant genotypic variation and identification of one more ergot-resilient candidate revealed that selection of female lines could be promising to further reduce ergot. The EA content was lower for less susceptible genotypes. Thus, EA content can be considerably reduced by breeding. A strong positive correlation could be found for ergot severity and EA content when analysing 15 factorial single crosses. The male pollen-fertility restoration was also here the most relevant component but the female component contributed an obviously higher proportion for the EA content than for ergot severity. In conclusion, this thesis demonstrate that implementing of a high and environmental stable male fertility restoration ability via exotic Rf genes can effectively reduce ergot although also the female restorability enables great opportunities. The unpredictable covariation between ergot amount and EA content illustrates that both traits have to be assessed, in particular the EA content by a valid HPLC approach to guarantee food and feed safety.

Mutterkorn, verursacht durch Claviceps purpurea [Fr.] Tul., ist eine der ältesten bekannten Pflanzenkrankheiten, welche bereits im Mittelalter zu schweren epidemischen Ausbrüchen geführt hat. Nach Auftreten vom Honigtau werden die charakteristischen Mutterkörner, auch Sklerotien genannt, an der Ähre gebildet. Diese enthalten toxische Mutterkornalkaloide (engl.: ergot alkaloids, EAs). Strenge gesetzliche Vorschriften gelten innerhalb der Europäischen Union. Roggen (Secale cereale L.) ist als Fremdbefruchter aufgrund der Konkurrenzsituation von Pilzsporen und Pollen während der Blüte besonders anfällig gegenüber Mutterkorn. Dennoch ist die Gefahr auch heute vorhanden, da sich die landwirtschaftliche Praxis ändert und Screening-Studien EAs in Proben der gesamten Wertschöpfungskette von Getreide wiederholt nachwiesen. Die Ziele waren eine harmonisierte Methode zur Testung der Mutterkornresistenz und Alkaloid-Kontamination in Winterroggen zu etablieren, wichtige Einflussfaktoren und deren Interkation aufzuklären und die Eignung eines kommerziellen ELISA Tests zu prüfen. Zusätzlich soll der Zusammenhang zwischen Mutterkorngehalt und Alkaloid-Gehalt, ermittelt mit der HPLC, unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren aufgrund zukünftiger Gesetzesänderungen untersucht werden. Die Genotypen zeigten sowohl unter natürlicher Infektion als auch künstlichen Inokulation eine signifikante Variation hinsichtlich Mutterkornanteil und Pollenfertilitäts-Restauration, wobei die beiden Verfahren eine starke, positive Korrelation zeigten. Zudem waren die Varianzen von Umwelt, generelle Kombinationseignung (GCA), spezifische Kombinationseignung und die Interaktionen signifikant. Obwohl die männliche Pollenfertilitäts-Restauration von höchster Wichtigkeit war, war auch die weibliche Komponente signifikant. Dies zeigt, dass neben der vielversprechenden Selektion auf hohe Restaurationsfähigkeit auch die weibliche Seite in zukünftigen Züchtungsprogrammen genutzt werden kann, vor allem, wenn bereits eine hohe Pollenmenge erreicht ist. Eine groß angelegte Kalibrierungsstudie wurde durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Mutterkornanteil, Alkaloid-Gehalt (HPLC, ELISA) unter Berücksichtigung von Genotypen, Standorten, Ländern, Jahren und Isolaten zu klären. Das Alkaloid-Profil war über die länder-spezifischen Isolate relativ stabil obwohl große Unterschiede hinsichtlich des Alkaloid-Gehalts auftraten. Der mittlere Zusammenhang zwischen Mutterkornanteil und Alkaloid-Gehalt (HPLC), weist darauf hin, dass eine zuverlässige Vorhersage des Alkaloid-Gehalts auf Basis des Mutterkornanteils nicht möglich ist, was auch nicht durch Gruppierungs-Effekte der Faktoren erklärt werden. Des Weiteren scheinen Mutterkorn-Alkaloide nicht als Virulenzfaktoren im Infektionsprozess zu agieren, da der Alkaloid-Gehalt keine Beziehung zum Schweregrad der Krankheit aufwies. Ergänzend führt die fehlende Korrelation von ELISA und HPLC zu der Schlussfolgerung, dass der ELISA keine zuverlässige Methode darstellt, um Proben im Alltag sicher hinsichtlich von Mutterkorn zu prüfen. Die genetische Variation von männlich sterilen CMS-Einfachkreuzungen wurde in einem speziellen Versuchsaufbau für Pollenisolierung im Feld und Gewächshaus analysiert, um Resistenzmechanismen zu identifizieren und zu untersuchen, ob Mutterkorn durch die weibliche Blüte reduziert werden kann. Hierbei deckte ein Vergleich von Nadel- und Sprühinokulation mittlere bis hohe Korrelationen auf, was zeigt, dass beide Methoden für diese Forschung geeignet sind. Signifikante Umwelt- und Genotyp-Umwelt-Interaktions-Varianz wurden ermittelt. Somit ist auch unter Pollenisolierung eine Prüfung über mehrere Umwelten notwendig. Außerdem zeigten kleine, aber signifikante genotypische Variation und das Auffinden eines widerstandsfähigeren Kandidaten gegenüber Mutterkorn, dass die Selektion von weiblichen Linien vielversprechend ist, um Mutterkorn weiter zu reduzieren. Der Alkaloid-Gehalt war für weniger anfällige Genotypen niedriger, was bedeutet, dass der Alkaloid-Gehalt durch Züchtung deutlich reduziert werden kann. Die Analyse der 15 faktoriellen Einfachkreuzungen ergab eine starke, positive Korrelation für den Mutterkornanteil und Alkaloid-Gehalt. Die männliche Fertilitäts-Restauration war auch hier die maßgebliche Komponente, aber der Beitrag der signifikanten, weiblichen Seite hatte einen deutlich höheren Anteil für den Alkaloid-Gehalt als für den Mutterkornanteil. Zusammenfassend zeigt diese Doktorarbeit, dass Mutterkorn durch Einbringung einer hohen und umweltstabilen männlichen Fertilitätsrestauration durch exotische Restorergene effektiv reduziert werden kann, obwohl auch die weibliche Restaurierbarkeit große Chancen eröffnet. Der unberechenbare Zusammenhang zwischen Mutterkornanteil und Alkaloid-Gehalt zeigt, dass beide Merkmale erfasst werden müssen, insbesondere der Alkaloid-Gehalt durch eine valide HPLC-basierte Methode, um die Sicherheit von Nahrungs- und Futtermitteln zu garantieren.