Phenotypic assessment and genetic mapping of genes conferring resistance to leaf scald (Rhynchosporium commune) in barley (Hordeum vulgare)

Abstract

Leaf scald, caused by the fungal pathogen Rhynchosporium commune, is still one of the major diseases in barley growing regions around the globe. The main control strategy today is the application of pesticides. A more sustainable alternative is the use of resistant cultivars. This requires the successful integration of known resistance genes into the elite barley gene pool, as well as the identification of new resistance genes to ensure sufficient variability for resistance management. A prerequisite for any breeding program are tightly linked markers for successful selection of resistant progeny and to avoid linkage drag of undesirable traits.Populations derived from three barley accessions of Spanish origin (SBCC145, SBCC154, CIho3515) were assessed for scald resistance in the greenhouse and field. Genetic maps were constructed to locate the resistance loci and identify markers tightly linked to these loci. SBCC145 and SBCC154 were selected from the Spanish Barley Core Collection for their outstanding resistance against several isolates of R. commune. Genetic markers HVM0027 and STSagtc17 showed strong linkage with the observed resistance, giving reason to the assumption that scald resistance gene Rrs1 might be present in both accessions. Subsequently both populations were genotype with the Illumina GoldenGate 1,536 SNP Assay and a QTL analysis was conducted. The analysis revealed a major QTL on the long arm of chromosome 3H very close to the centromere in both populations, confirming the Rrs1 locus. A panel of differential isolates indicated that the allele present in both SBCC145 and SBCC154 is Rrs1Rh4. Rrs1Rh4 was mapped as a binary trait and included in a consensus map of both populations. Flanking markers are 11_0010 proximally and 11_0823 distally with 1.2 and 0.9 cM distance respectively.CIho3515 has been well known for its reported consistently excellent performance in resistance tests elsewhere as well as in experiments conducted at the LfL. Many hypotheses had been postulated as to the resistance loci present in this accession. However an attempt to positively identify and map these loci has never been made. Assessment with five different R. commune isolates revealed two independent major resistance loci. SSR marker HVM0027 again showed strong linkage with the observed resistance, and a QTL analysis confirmed the presence of an Rrs1 allele in CIho3515. The differential reaction to R. commune isolate Rhy174 revealed that this allele of Rrs1 is different from the one present in SBCC145 and SBCC154. To avoid any confusion the designation Rrs1CIho3515 was selected. The second resistance locus present in CIho3515 was located on chromosome arm 6HS. The QTL for this resistance gene were located towards the distal end of the chromosome arm, refuting the initial assumption that CIho3515 might be carrying an allele of Rrs13. So far only QTL had been reported in this area. The apparently new resistance gene was therefore denominated Rrs18. The population derived from CIho3515 was assessed in the field as well. Subsequent MAS revealed that both loci are sufficiently effective in the field to keep the infection level below the threshold for pesticide application. The MAS also confirmed that 11_0205 and scsnp07305 are suitable markers for Rrs1CIho3515 and Rrs18, respectively.In total, two different alleles of the Rrs1 resistance gene, Rrs1Rh4 and Rrs1CIho3515, as well as a new scald resistance locus, Rrs18, have been identified in this work. In addition markers are presented making these genes accessible for practical breeding. From a scientific point of view this work presents sound basis to further investigate the complex nature of the Rrs1 locus, and to pinpoint the location of the newly identified locus Rrs18 in barley. Die Blattfleckenkrankheit, verursacht durch das Pilzpathogen Rhynchosporium commune, ist weltweit eine der bedeutendsten Krankheiten im Gerstenanbau. Die heutzutage vorherrschende Bekämpfungsstrategie ist der Einsatz von Pestiziden. Eine nachhaltige Alternative stellt der Anbau resistenter Sorten dar. Das erfordert die erfolgreiche Integration von bekannten Resistenzgenen in den Elite-Genpool, sowie die Identifikation neuer Resistenzquellen, um eine ausreichende Variabilität zum Zwecke des Resistenzmanagements zu gewährleisten. Eine Voraussetzung für solche Zuchtprogramme sind eng gekoppelte Marker, um eine sichere Selektion der resistenten Nachkommen zu gewährleisten und zugleich unerwünschte Eigenschaften leicht eliminieren zu können.Populationen basierend auf drei Gerstenakzessionen spanischer Herkunft (SBCC145, SBCC154, CIho3515) wurden im Gewächshaus und im Feld hinsichtlich ihrer Rhynchosporium-Resistenz geprüft. Genetische Karten wurden erstellt um die Resistenzquellen zu lokalisieren und eng gekoppelte Marker zu identifizieren.Die Akzessionen SBCC145 und SBCC154 stammen aus der Spanish Barley Core Collection und wurden wegen ihrer herausragenden Resistenz gegenüber verschiedenen R. commune-Isolaten ausgewählt. Die genetischen Marker HVM0027 und STSagtc17 zeigten eine starke Kopplung mit der beobachteten Resistenz, und gaben somit Anlass zu der Annahme, dass das Resistenzgen Rrs1 in beiden Akzessionen präsent sein könnte. Die Kartierung der Populationen mit dem Illumina GoldenGate 1,536 SNP Assay und eine nachfolgende QTL-Analyse ergaben einen bedeutenden QTL auf dem langen Arm von Chromosom 3H in der Nähe des Centromers, womit die Präsenz des Rrs1-Genlocus bestätigt wurde. Eine Auswahl differenzierender Isolate zeigte, dass es sich bei dem Rrs1-Allel in beiden Akzessionen um das Rrs1Rh4-Allel handelt. Rrs1Rh4 wurde als binäres Merkmal kartiert und in eine Konsensuskarte beider Populationen integriert. Flankierende Marker sind 11_0010 proximal mit 1,2 cM Abstand, und 11_0823 distal mit 0,9 cM Abstand.CIho3515 ist aus der Literatur sowie aus Experimenten an der LfL für seine konsistent hohe Resistenz gegenüber R. commune bekannt, Die vermutlich auf mehreren Resistenzloci beruht. Diese Loci wurden bislang jedoch noch nicht eindeutig identifiziert und kartiert. Eine Resistenzprüfung mit fünf verschiedenen R. commune-Isolaten ergab zwei voneinander unabhängige voll wirksame Resistenzgene. Der Marker HVM0027 zeigte auch in dieser Population eine enge Kopplung mit der beobachteten Resistenz, und eine QTL-Analyse bestätigte das Vorliegen eines Rrs1-Allels in CIho3515. Die unterschiedliche Reaktion gegenüber R. commune-Isolat Rhy174 zeigte, dass es sich bei diesem Rrs1-Allel nicht um dasselbe Allel wie in SBCC145 und SBCC154 handelt; um für Klarheit zu sorgen, wurde für das neue Allel die Bezeichnung Rrs1CIho3515 gewählt.Das zweite Resistenzgen von CIho3515 wurde auf Chromosomenarm 6HS lokalisiert. QTL für dieses Gen wurden am distalen Ende des Chromosomenarmes gefunden. Somit wurde die ursprüngliche Annahme, dass es sich um eine mit Rrs13 allelische Resistenz handeln könnte, widerlegt. In der betreffenden Region wurde bislang nur über QTL berichtet. Das offenbar neue Resistenzgen wurde daher mit der Bezeichnung Rrs18 versehen.Die auf CIho3515 basierende Population wurde außerdem im Feld geprüft. Eine darauf basierende markergestützte Selektion zeigte, dass beide Resistenzgene ausreichend effektiv sind, um den Befall mit der Blattfleckenkrankheit unter der Bekämpfungsschwelle zu halten. Dieser Ansatz bestätigte weiterhin die Eignung der gewählten Marker 11_0205 und scsnp07305 für die Selektion auf Rrs1CIho3515 und Rrs18.Zusammenfassend wurden in der vorliegenden Arbeit zwei verschiedene Allele der Rrs1-Gens, Rrs1Rh4 und Rrs1CIho3515, sowie ein neues Resistenzgen, Rrs18, gegen R. commune gefunden. Zusätzlich wurden Marker identifiziert, die diese Resistenzquellen für Zuchtprogramme verfügbar machen. Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus stellt diese Arbeit eine sehr gute Basis dar, um die komplexe Natur des Rrs1-Genkomplexes weiter zu analysieren, und die Position des neu gefundenen Resistenzgenes Rrs18 im Genom weiter einzugrenzen.