An effector- and genomics-assisted pipeline for necrotrophic pathogen resistance breeding in wheat

EfectaWheat er et ERA-CAPS prosjekt med partnere fra Storbritannia, Tyskland, Danmark og Norge. Fokus er å utnytte genomikk og ny innsikt i nekrotrofe plantepatogene soppers samspill med vertsplantene til mer effektiv foredling av resistens mot bladflekksykdommer i høsthvete. Patogenpopulasjonene av hveteaksprikk (Parastagonospora nodorum), hvetebladprikk (Zymoseptoria tritici) og hvetebrunflekk (Pyrenophora tritici-repentis) har blitt sammenlignet ved å samle inn og analysere bladprøver fra høsthveteåkre i de fire landene. To MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross) populasjoner har blitt testet for resistens mot disse sykdommene i felt i de fire landene og QTL analyser blitt gjennomført basert på genotyping med SNP markører. Den norske delen av prosjektet har hatt et spesielt fokus på hveteaksprikk, som er den viktigste bladflekksykdommen på hvete i Norge. Den norske delen av prosjektet har gitt følgende resultater: Bladprøver med symptomer på bladflekksykdommer ble samlet inn over tre sesonger (2015, 2016 og 2017) fra representative felt i Sør-Norge som dekker de viktigste hvetedyrkingsområdene i Norge, og sendt til Damark for kvantifisering av plantepatogen. I det første året ble det samlet inn 20 prøver fra høsthvete mens 20 prøver hver av både høsthvete og vårhvete ble samlet inn de to påfølgende årene for å kunne sammenligne de to kulturene. Analysene har verifisert at hveteaksprikk er den dominerende bladflekksykdommen i Norge, i både høsthvete og vårhvete. Noen av høsthveteprøvene var dominert av enten hvetebladprikk eller hvetebrunflekk, mens disse sykdommene sjeldent hadde høye infeksjonsnivå i vårhvete. De innsamlede bladprøvene ble også brukt til å isolere enkeltsporeisolat av P. nodorum. En samling av 165 norske isolater ble etablert, og sammenlignet med 9 internasjonale isolater. Disse ble analysert med PCR markører for krysningstype (mating type) og kjente effektorgener, samt 20 SSR markører. Resultatene viser at alle tre effektorene ToxA, Tox1 og Tox3 er vanlige i den norske patogenpopulasjonen, og må derfor tas hensyn til når man skal foredle sorter med bedre resistens. Samtidig viser analysene at den norske patogenpopulasjonen har stor genetisk variasjon basert på seksuell rekombinasjon og rask spredning over store avstander ved hjelp av frøsmitte. To MAGIC-populasjoner og et assosiasjonskartleggingspanel med norske høsthvetelinjer ble testet for resistens mot hveteaksprikk i feltforsøk på Ås i 2016, 2017 og 2018. QTL-analyser er gjennomført i alle populasjonene på data fra alle tre årene. Resultatene viser en komplisert kvantitativ kontroll av resistensen mot hveteaksprikk med involvering av mange QTL på forskjellige kromosomer. I den engelske MAGIC-populasjonen har vi funnet et felles QTL på kromosom 2A som viser effekt over lokaliteter og år, og som kan være styrt av en potensielt ny plante-patogen interaksjonsmekanisme. Selv om resistensen mot hveteaksprikk på bladverket (leaf blotch) og i akset (glume blotch) hovedsakelig er styrt av forskjellige gener, har vi funnet indikasjoner på noen felles mekanismer. I tillegg ar vi funnet enkelte QTL etter infiltrerings- og inokuleringsforsøk i veksthus som sammenfaller med QTL for resistens i felt. QTL-kartlegging i den tyske MAGIC-populasjonen viser det samme hovedbildet med mange involverte QTL. Også her fant vi tydelig effekt av det samme QTL-et på kromosom 2A som i den engelske populasjonen, og dette planlegger vi nå å følge opp videre i nye studier. Assosiasjonskartleggingen har verifisert flere av QTL-ene som ble funnet i det to MAGIC-populasjonene, samt avdekket noen nye. QTL som viser konsistente effekter over år og i ulike populasjoner vi være interessante å bruke i resistensforedling. Et viktig resultat av samarbeidet i EfectaWheat-konsortiet er utviklingen av KASP markører som planteforedlere kan bruke som seleksjonsverktøy for å utvikle nye hvetesorter med forbedret resistens mot hveteaksprikk og andre bladflekksykdommer. Disse vil bli publisert sammen med assosiasjonskartleggingen når resultatene er ferdig validert. Prosjektet har finansiert en ph.d. stipendiat som forventes å fullføre sitt doktorgradsarbeid høsten 2019.

Prosjektet har hatt følgende virkninger: - Styrket nasjonal kompetanse på bladflekksykdommer i hvete - Utdanning av en doktorgrad i plantepatologi og planteforedling - Molekylær innsikt i plante-patogen samspillet for hveteaksprikk - Kunnskap om patogenpopulasjonene og tilgjengelig resistens i aktuelt sortsmateriale - Nye verktøy til å foredle hvetesorter med bedre resistens mot hveteaksprikk og andre bladflekksykdommer. - Styrket internasjonalt samarbeid og koordinering av et nytt SusCrop ERA-NET prosjekt Forventet langsiktige effekt: - En mer bærekraftig europeisk hveteproduksjon basert på sorter med bedre resistens. Prosjektet har her bidratt med nødvendig kunnskap og utviklet verktøy til mer effektiv resistensforedling som hveteforedlere er interesserte i å ta i bruk.

EfectaWheat is a partnership of five complementary institutes from the UK (NIAB), Germany (LFL), Denmark (AARHUS), Norway (NMBU) and Australia (CCDM, self-funded), as well as a subcontract to the UK governmental agency, FERA. The partners form a multidisciplinary team focusing on the economically important wheat leaf spot group (LSG) of necrotrophic pathogens: Parastagonospora nodorum (Pn, cause of Septoria nodorum blotch; SNB), Zymoseptoria tritici (Zt, Septoria tritici blotch; STB) and Pyrenophora tritici-repentis (Ptr, tan spot; TS). High-resolution wheat genetic mapping populations (available at NIAB and LFL) and high-density genotyping will be combined with effector-based tools, pathogen re-sequencing approaches (CCDM), and expertise in pathogen diagnostics, virulence assessment (LFL, AARHUS, FERA), and field pathotesting across all partner countries (NMBU, NIAB, AARHUS, LFL). These combine to deliver a genomics- and effector-based pipeline for the genetic dissection of LSG host-pathogen interactions in Europe. Specifically, this project will: (1) Establish relative impact of LSG pathogens in target EU countries using molecular approaches. (2) Identify new TS and SNB effectors. (3) Determine the effector profile of Pn and Ptr isolates and the sensitivity of cultivars to effectors. (4) Screen TS, SNB and STB effectors against high-resolution wheat germplasm resources. (5) Resolve multiple LSG effector and field resistance QTLs at high-resolution. (6) Establish prevention and management strategies against multiple LSG pathogens. (7) Deliver tools (effectors and markers) for LSG resistance breeding to EU breeders and researchers. The unique positions of partners at the interface between crop research and translation ensure effective dissemination of project outputs to European agri-industry.