Europäisches Rassen-Monitoring und Pathogenesestudien zur Turcicum-Blattdürre (Exserohilum turcicum) an Mais (Zea mays L.)

European monitoring of physiological races and studies on pathogenesis of Northern Corn Leaf Blight (Exserohilum turcicum) on maize (Zea mays L.).

by Hendrik Hanekamp
Doctoral thesis
Date of Examination:2016-04-25
Date of issue:2018-05-28
Advisor:Prof. Dr. Andreas von Tiedemann
Referee:Prof. Dr. Heiko C. Becker
Referee:Prof. Dr. Petr Karlovsky
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6892

 

 

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Abstract

English

In the last few years, the importance of Exserohilum turcicum, the causal agent of Northern Corn Leaf Blight (NCLB), has increased in European maize growing regions. The infestation of maize leafs by NCLB reduces the photosynthetically active leaf surface area and thereby leads to considerable yield losses. To ensure high and stable yields therefore, the use of resistant cultivars is the most effective method. The efficiency of monogenic resistances however is restricted, as virulent races of the pathogen which overcome the resistance keep emerging. One of the aims of this work was to determine the regional efficacy of NCLB re-sistance genes (R-genes) through race monitoring so as to recommend resistant cultivars to specific regions and provide relevant information that can be used in resistance breeding. Infested maize leaf samples were collected from 168 different locations of 10 European countries over the years 2011 and 2012. From these samples, 559 single spore isolates were successfully obtained and their virulence characteristics were thoroughly described. For the race classification, the disease reaction was assessed on a differential set of 5 near isogenic inbred lines: B37-Ht0 (with no Ht gene), B37- Ht1, B37- Ht2, B37- Ht3 and B37- HtN. For each tested R-gene, at least one corresponding virulent isolate was found. In total 12 different races were characterized. Of which, the four dominant races were race 0 (which made up 45% and is avirulent to all the tested R-genes), race 1 (22%), race 3 (15%) and race 3N (14%). The remaining 8 races (13, 123, 23, 2, 23N, 12, 1N and 13N) represented a cumulated two years percentage of 4%. The cumulative two years average proportion of the 3 most dominant races (1, 3 and 3N) was 52%. Interestingly, in the northern and coastal regions of France, Belgium and the Netherlands which are known for their intense maize cultivation, race 0 was predominant making up over 75%. In the Upper Rhine Valley, char-acterized by higher temperatures and long tradition of maize cultivation, 48 and 26% of the isolates were found to be virulent on Ht1 and Ht3, respectively. In the northern and southern regions of Germany, again with a history of intensive maize cultivation, the dominant race was race 0 directly followed by race 3. In the Inn valley in southeast Germany, 44% of the tested isolates were virulent on Ht3. In maize cultivation regions of Czech Republic and Poland, 37% of the isolates were virulent on Ht1. Isolates collected in south west France showed virulence frequencies of 45% for Ht3 and 38% for HtN. The unique characteristic of this region, in contrast to the other regions considered in this study, was the high virulence frequency on HtN mainly due to race 3N which had a virulence percentage of 38%. In southeast France, especially in the Rhône-Alpes region, the virulence frequency for Ht1 is higher than 50%. The region Steiermark in southern Austria is characterized by an intensive and long tradition of maize cultivation. The percentage of virulent isolates for Ht1 in this re-gion was higher than 83%, indicating that the Ht1 gene is no longer effective in the region. More importantly, the highest proportion of the highly complex race 123 was identified in this region. The maize cultivation region in north Italy was characterized by a high virulence frequency (60%) for Ht3. The present study revealed that the European E. turcicum population is characterized by regional very high virulence frequencies particularly against Ht1 and Ht3 in the southern regions where intensive maize cultivation have been practiced for long period of time. It is thus not worthwhile to use these R-genes in these areas. In the northern coastal regions however, Ht1 can probably deliver a medium-term protection against NCLB. Nevertheless, in order to prevent widespread E. turcicum epidemics and further slowdown the emergence of new virulent races, it is advisable to continuously use resistant cultivars that possess a combination of quantitative and qualitative resistance traits. Like in the colder coastal regions of northern Europe, an extended cultivation of maize is being take place in the warmer regions of southern Europe. Accordingly, the effect of tem-perature on the efficiency of the R-genes was also a point of interest of this work. Hence, climate chamber experiments were conducted using a differential set of near isogenic lines derived from B37. The results showed that the efficiency of two R-genes, namely Ht2 and Ht3, was reduced at temperatures below 20°C and 15°C, respectively. Furthermore, it was found that the race 123 appeared to be less virulent against the R-genes Ht2 and Ht3 at temperatures above 25°C. In addition to the temperature effect, the potential role of genetic background was evident. Due to their temperature sensitivity for example, the utilization of Ht2 in early ripening cultivars in the cooler northern regions seems to be not helpful. This study further addressed histological aspects of the compatible and incompatible inter-actions between E. turcicum and Maize. Efficient parameters (1. Xylem penetration efficien-cy, 2. Xylem colonization efficiency, 3. Mesophyll colonization efficiency ) that help to com-pare fungal colonization processes at different stages of infection were established. Using this method, it was found that the xylem wall was the crucial resistance barrier in the incom-patible interactions of all the tested Ht genes. The complete prevention of xylem penetra-tions was not observed in any of the tested genotypes with Ht genes. In contrast to the oth-er tested Ht genes, the HtN gene, in the compatible interactions, was characterized by a delayed xylem penetration and mesophyll colonization instead of a total loss of function of the R-gene.
Keywords: Setosphaeria turcica; R-genes; Virulence; Maize; Exserohilum turcicum

German

Hintergrund der vorliegenden Arbeit war die seit einigen Jahren zunehmende Bedeutung des pilzlichen Blattdürreerregers Exserohilum turcicum in intensiven Maisanbauregionen. Der Blattbefall durch die Turcicum-Blattdürre reduziert die photosynthetisch aktive Blattfläche und führt somit zu Ertragsverlusten. Als effektivste Maßnahme zur Ertragssicherung werden resistente Sorten mit Hilfe monogen wirkender Resistenzen (Ht1, Ht2, Ht3 und HtN) gezüchtet und im praktischen Anbau verwendet. Die Wirksamkeit monogener Resistenzen ist durch die Entstehung virulenter Rassen limitiert. Ein Ziel der Arbeit war es, durch ein Rassen-Monitoring die regionale Wirksamkeit der Resistenzgene zu beurteilen. Auf Basis der gewonnenen Informationen könnten die Nutzung der Resistenzgene in der Sortenzüchtung angepasst und konkrete regionale Sortenempfehlungen ausgesprochen werden. Als Grundlage der Untersuchungen wurden in den Jahren 2011 und 2012 aus zehn europäischen Ländern von 168 Orten befallene Blattproben gesammelt. Insgesamt konnten von diesen Blattproben 559 Einsporisolate gewonnen und deren Virulenz-Eigenschaften charakterisiert werden. Die Rassenbestimmung wurde anhand der Befallsreaktionen nach Ganzpflanzeninokulation an einem Differentialsortiment bestehend aus nah-isogenen Inzuchtlinien durchgeführt. Es wurden die Linien B37 (ohne Resistenzgen), B37-Ht1, B37-Ht2, B37-Ht3 und B37-HtN verwendet. Für jedes der untersuchten Resistenzgene konnten virulente Isolate nachgewiesen werden. Insgesamt wurden zwölf verschiedene Rassen charakterisiert. Die vier häufigsten Rassen in beiden Probenahmejahren waren Rasse 0 mit 45%, die sich avirulent auf den untersuchten Resistenzgenen verhält, Rasse 1 (22%), Rasse 3 (15%) und Rasse 3N mit einem Anteil von 14%. Die Rassen 13, 23, 123, 2, 23N, 12, 1N und 13N hatten im Durchschnitt beider Jahre einen kumulierten Anteil von 4%. Der kumulierte Anteil der drei dominierenden Rassen 1, 3 und 3N lag im Mittel der beiden Jahre 2011 und 2012 bei 52%. In den nördlichen Küstenregionen Frankreichs, Belgiens und den Niederlanden dominierten avirulente Isolate der Rasse 0 mit einem Anteil von über 75%. In der Oberrheinregion waren 48% der charakterisierten Isolate virulent auf Ht1 und 26% virulent auf Ht3. Sowohl in norddeutschen als auch in süddeutschen Maisanbaugebieten dominierte die Rasse 0. In der Region Niederbayern waren 44% der untersuchten Isolate virulent auf Ht3. In den Maisanbaugebieten von Tschechien und Polen lag der Anteil virulenter Isolate für Ht1 bei 37%. Die Virulenzfrequenzen der intensiven Maisanbauregion im südwestlichen Frankreich lagen bei 45% für Ht3 und 38% für HtN. Der hohe Anteil virulenter Isolate für das Resistenzgen HtN und die Dominanz der Rasse 3N mit einem Anteil von 38% stellte ein Alleinstellungsmerkmal für die Region Südwestfrankreich dar. Die Region Steiermark im südlichen Österreich ist durch langjährigen intensiven Maisanbau gekennzeichnet. Der Anteil virulenter Isolate für Ht1 lag hier bei 83%, was einen Wirkungsverlust dieses Resistenzgens in der Region bedeutet. Darüber hinaus wurde in dieser Region der höchste Anteil der hochkomplexen Rasse 123 nachgewiesen. Die Maisanbauregion in der Po-Ebene Norditaliens war durch eine hohe Virulenzfrequenz von 60% für Ht3 gekennzeichnet. Die E. turcicum Populationen insbesondere in den südlichen Regionen mit intensivem Maisanbau sind durch zum Teil sehr hohe Virulenzfrequenzen für Ht1 und Ht3 gekennzeichnet. Eine Verwendung dieser monogenen Resistenzen erscheint daher in den entsprechenden Regionen als wenig sinnvoll. In den nördlichen Küstenregionen kann vor allem Ht1 mittelfristig einen Schutz vor der Turcicum-Blattdürre bieten. Für die Verhinderung großflächiger E. turcicum-Epidemien bietet eine Kombination aus dauerhafter quantitativer mit qualitativer Resistenz die einzige Möglichkeit, eine hohe Sortenresistenz zu erreichen. Vor dem Hintergrund des ausgedehnten Maisanbaus sowohl in wärmeren Regionen in Südeuropa als auch in kühlen küstennahen Regionen in Nordeuropa war der Einfluss der Temperatur auf die Wirksamkeit der Resistenzgene ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt dieses Projektes. Dazu wurden Klimakammerversuche mit dem Differentialsortiment aus nah-isogenen Linien des Genotyps B37 durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Resistenzgen Ht2 durch einen Wirksamkeitsverlust bei Temperaturen unter 20°C gekennzeichnet ist. Darüber hinaus zeigte das Resistenzgen Ht3 bei Temperaturen unter 15°C ebenfalls Wirksamkeitsverluste. Bei Temperaturen über 25°C war ein Virulenzverlust der untersuchten Rasse 123 gegenüber den Resistenzgenen Ht2 und Ht3 zu beobachten. Neben dem Einfluss der Temperatur konnte für das Resistenzgen Ht2 eine deutliche Interaktion mit dem jeweiligen genetischen Hintergrund aufgezeigt werden. Die Nutzung von Ht2 in frühreifen Sorten für die kühlen-nördlichen Anbauregionen erscheint aufgrund der Temperatursensitivität wenig sinnvoll. Im Rahmen vergleichender histologischer Untersuchungen von kompatiblen mit inkompatiblen Interaktionen zur Pathogenese von E. turcicum in Mais wurden im Zeitverlauf des Infektions- und Besiedlungsprozesses für jedes der vier Ht-Resistenzgene drei Parameter erfasst, nämlich 1. Xylem-Penetrations-Effizienz, 2. Xylem-Besiedlungs-Effizienz und 3. Mesophyll-Besiedlungs-Effizienz. Es konnte gezeigt werden, dass die Passage der Xylemwand in den inkompatiblen Interaktionen für jedes der untersuchten Ht-Gene die entscheidende Resistenz-Barriere im Rahmen der Pathogenese von E. turcicum darstellt. Eine vollständige Verhinderung der Xylem-Penetration wurde durch keines der untersuchten Ht-Gene bewirkt. In den kompatiblen Interaktionen war das Resistenzgen HtN im Vergleich zu den anderen Ht-Genen weniger durch einen vollständigen Wirkungsverlust als durch eine zeitliche Verzögerung der Xylem-Penetration und der Mesophyll-Besiedlung gekennzeichnet.
 
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