Increased grain yield and improved grain quality through better resistance to leaf blotch diseases in wheat and barley

WP1 - Karakterisering av patogenpopulasjonene: Etableringen av isolatsamlinger for både Parastagonospora nodorum (som forårsaker hveteaksprikk) og Drechslera teres (som forårsaker byggbrunflekk) ble fullført tidlig i 2015. Totalt har det blitt samlet inn 428 isolater av P. nodorum og 404 isolater av D. teres som nå er forsvarlig lagret ved -80C på NIBIO Plantehelse. Om lag 150 isolater av P. nodorum har blitt undersøkt for krysningstype (mating type), og 65 isolater er testet for kjente effektorgener. Resultatene fra denne testingen viser at de norske isolatene av P. nodorum produserer ToxA, Tox2 og Tox3. Frekvensen av ToxA-produserende isolat er mye høyere enn tidligere undersøkte europeiske populasjoner av dette patogenet, og indikerer at denne effektoren kan gi den lokale patogenpopulasjonen et konkurransefortrinn på de hvetesortene som dyrkes i Norge. Hele samlingen av 404 D. teres isolater ble ddRAG (Double Digest Restriction Associated DNA) sekvensert på Ion Torrent-plattformen ved tidligere Skog og Landskap på Ås høsten 2015. Disse ddRAG-dataene er våren 2017 blitt brukt til å studere genetiske diversitet og populasjonsstruktur i patogenpopulasjonen. Resultatene har i korthet vist at den norske populasjonen av D. teres har en stor grad av genetisk diversitet, at seksuell rekombinasjon er vanlig, og at den er raskt i stand til å tilpasse seg og utvikle virulens overfor resistensgener i byggsortene som dyrkes. WP2 - Verktøy for resistensforedling: Det ble i 2013, 2014, 2015 og 2016 gjennomført resistenstesting i felt av store sortssamlinger av bygg og hvete og relevante kartleggingspopulasjoner for å framskaffe data til genetiske studier i prosjektet. De fire sesongene har vært forskjellige med hensyn til vær og naturlige forhold for sykdomsutvikling. Vi har likevel fått gode data fra alle årene takket være veletablert testingsmetodikk med utstrøing av halmsmitte på bakken kombinert med dusjvanning for å skape optimale forhold for sykdomsutvikling. Det er gjennomført inokuleringsforsøk i veksthus med enkeltisolat på småplantestadiet for begge sykdommene, og det meste av dette arbeidet ble avsluttet våren 2016. For hveteaksprikk har vi oppdatert de genetiske kartene i kartleggingspopulasjonen SHA3/CBRD x Naxos med SNP markører fra Illumina 90K chipen. Basert på fire år med feltdata, inokulering og infiltrering med fire enkeltisolat på småplantestadiet og testing for effektor-sensitivitet har vi avdekket at Tox3-senstivitet kan forklare en stor andel av variasjonen i feltresistens mot hveteaksprikk. Dette er første gang at denne interaksjonen er vist å ha effekt under naturlig smitte i feltforsøk. Disse resultatene ble publisert våren 2017. Vi har også et assosiasjonskartleggingspanel av norsk vårhvete (MASBASIS) som er blitt genotypet med den samme 90K chipen, testet i feltforsøk og i inokulerings- og infiltreringsforsøk på småplanter. Feltdata for de mest aktuelle vårhvetesortene viser at Zebra, Mirakel, Demonstrant og Krabat er mest resistente mens Bjarne og Seniorita har vist høyest mottakelighet. Assosiasjonskartleggingen viser at sensitivitet for Tox3 og ToxA er utbredt i det norske foredlingsmaterialet, og at sensitivitet mot disse effektorene medfører økt mottakelighet i felt. Et manuskript som beskriver effektor-sensitiviteter i det norske vårhvetematerialet og deres betydning for resistens i felt er ble sendt til publisering våren 2017. Assosiasjonskartleggingen på det samme materialet er også sluttført våren 2017, og et manuskript er nesten klart til innsending. Prosjektet har også fremskaffet data for resistens mot hveteaksprikk i flere andre populasjoner som vil bli brukt videre i nye prosjekter. Når det gjelder byggbrunflekk, er BYGGBASIS-samlingen og Arve x Lavrans populasjonen blitt genotypet med en 9K SNP chip fra Illumina og testet i henholdsvis fire og tre år i felt. Testingen har vist at Tiril, Tyra og Iver er de mest mottakelig av dagens byggsorter, mens Marigold og Fairytale er blant de mest resistente. QTL kartleggingen i Arve x Lavrans basert på feltdata og inokulering av småplanter har avdekket fire QTL for resistens mot byggbrunflekk på kromosomene 4H, 5H, 6H og 7H. Assosiasjonskartleggingen i BYGGBASIS viste at resistensen mot byggbrunflekk i det norske byggforedlingsmaterialet er basert på mange gener med relativt små til moderate effekter, og at mange gener må kombineres for å oppnå tilstrekkelig resistens i felt. Begge studiene ble våren 2017 godkjent for publisering i anerkjente tidsskrift. For både hvetekasprikk og byggbrunflekk har vi identifisert nært koblede SNP-markører til me mest lovende QTL-ene, og disse er våren 2017 blitt validert på KASP-plattformene ved NMBU og Graminor.

The government has an ambitious goal to increase the Norwegian food production with 20% by 2030, and increasing the yields of wheat and barley will be crucial in order to achieve this. Locally adapted cultivars that can maintain yield and quality under th e prevailing climatic conditions and production environments are needed. Recent years have been challenging due to serious problems with leaf blotch diseases like Stagonospora nodorum blotch (SNB) in wheat and net blotch in barley resulting in grain shriv elling and reduction in yields. Progress from resistance breeding has been slow and the genetics of resistance in Norwegian wheat and barley is poorly understood. The recent discovery of necrotrophic effectors (NEs) produced by leaf blotch pathogens and their role in host susceptibility has revolutionized the understanding of host-pathogen interactions and is enabling more effective resistance breeding. This project will link Graminor and the research groups at UMB and Bioforsk with the world's leading e xpertise on leaf blotch diseases in cereals. It will develop the necessary tools to breed high-yielding wheat and barley cultivars with improved resistance by utilizing molecular marker data and national competence built up through the wheat genome sequen cing project. Along with this, the project will build up necessary plant pathology competence at Graminor through the training of a PhD student that will work closely with the breeding programs. The project is organized in two work packages with WP1 focu sing on characterization of the Norwegian pathogen populations and determination of the roles of NEs in host susceptibility. WP2 will utilize this information to develop tools for identification and elimination of host sensitivity alleles. Important deliv erables to the Graminor wheat and barley breeding programs are improved testing methodology, in-depth knowledge about resistance and NE sensitivity in the Norwegian wheat and barley and validated marker assays.