Identification of resistance sources and characterization of resistance factors in Brassica species to Verticillium longisporum

Abstract

Die zunehmende Anbaufläche von Raps hat insbesondere in Ländern Nordeuropas zu einem verstärkten Auftreten von Verticillium longisporum, dem Erreger der so genannten Verticillium-Welke an Brassica-Arten, geführt. Ein viel versprechender Ansatz zur Bekämpfung dieses Pilzes im Rahmen eines integrierten Pflanzenschutzes ist der Anbau resistenter Sorten. Bislang wurde die Resistenzzüchtung sowohl im Winter- als auch Sommerraps allerdings erheblich durch das Fehlen einer ausreichenden Toleranz bzw. Resistenz im vorhandenen Zuchtmaterial erschwert. Vor diesem Hintergrund war es das Ziel dieser Arbeit, Resistenzquellen in verschiedenen Brassica-Arten zu identifizieren und mögliche Resistenzfaktoren zu charakterisieren, um die Resistenz von Winterraps gegenüber V. longisporum langfristig zu verbessern. Verschiedene Brassica-Arten, darunter B. oleracea- und B. rapa- (syn. campestris) Varietäten sowie Raps- und resynthetisierte Genotypen, wurden im Gewächshaus wie auch unter Feldbedingungen hinsichtlich ihrer Resistenzeigenschaften getestet. So sollten resistente oder zumindest teilresistente Genotypen identifiziert werden, die in künftigen Zuchtprogrammen Anwendung finden können. Obwohl zwischen den Ergebnissen aus den Gewächshaus- Untersuchungen und den Beobachtungsprüfungen im Freiland nur eine geringe Gesamtkorrelation bestand, erwies sich die Kombination beider Verfahren als geeignet, um robuste Resistenzquellen zu identifizieren. Um Mechanismen zu charakterisieren, die zu dem Resistenzphänotypen von Brassica-Arten gegenüber V. longisporum beitragen und für Rapszüchter potentiell nutzbar sind, wurden grundsätzlich zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen sollte versucht werden, effiziente Resistenzfaktoren in Inokulationen mit virulenten Isolaten von V. longisporum gegenüber wirtsheterologen Stämmen von V. dahliae zu charakterisieren. So wurde die Interaktion von V. longisporum bzw. V. dahliae mit Raps im Bereich der Wurzeln und im vaskulären System des Sprosses mit Hilfe der Confocalen Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) unter Verwendung sowohl GFP-markierter Stämme als auch konventioneller Fluoreszenzfarbstoffe analysiert. Diese Untersuchungen lieferten neue Informationen zur Frühphase in der Wirt- und Nichtwirt- Pathogen- Interaktion. Real- time PCR- Untersuchungen im Verlauf der Pathogenese zeigten, dass V. dahliae nicht in der Lage war, sich systemisch in den Spross auszubreiten, obwohl Infektionen der Wurzeln stattfanden. Des Weiteren wurde Screeningmaterial mit vorhandenen Resistenzunterschieden zur differentiellen Charakterisierung von Resistenzmechanismen herangezogen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden Mechanismen identifiziert, die in Kraft treten, nachdem das Pathogen in die Pflanze eingedrungen ist. So wurde V. longisporum bei der Interaktion mit einem resistenten Wirt auf den unteren Bereich des Stängels begrenzt, eine akropetale Ausbreitung in den Spross war nicht möglich. Histologische Untersuchungen der wirtspezifischen Interaktion führten zu der Identifikation folgender unspezifischer Abwehrmechanismen: Bildung von Thyllen und/oder vaskulärer Gele, Akkumulation von Phenolen im Xylemparenchym und verstärkte Lignifizierung der Zellwände des Xylems und des Xylemparenchyms. Die Beteiligung von phenolischen Stoffen während der Abwehr konnte durch quantitative biochemische Analysen bestätigt werden. Bei der Ausprägung aller genannten Prozesse zeigte sich ein positiver Zusammenhang zwischen dem Resistenzniveau des betrac hteten Genotyps und der Stärke der Reaktion (Gefäßverschluss) bzw. dem Gehalt der betrachteten Komponenten. Bei der hier beschriebenen Resistenz von Brassica spp. handelt es sich somit um eine quantitative Ausbreitungsresistenz. Sowohl in dem resistenten Kohl- Genotypen als auch der resistenten Raps- Akzession traten Abwehrreaktionen am stärksten im Hypokotyl zutage und schienen auf den gleichen Mechanismen zu beruhen; dies stützt die Annahme, das Resistenzmerkmale von B. oleracea auf B. napus im Laufe interspezifischer Hybidisierungen zwischen B. rapa und B. oleracea übertragen worden sind.