Mapping Root-Lesion Nematode Resistance QTL in Barley (Hordeum vulgare L.)

Galal, Ahmed Abdelrahman

Root-lesion nematodes (Pratylenchus spp.) are important pests in cereal production worldwide. They produce more than one generation per season and they are able to migrate between and within roots and soil. Although, symptoms of root-lesion nematode infections are indistinct and difficult to identify, root-lesion nematodes can cause severe economic damage in yield production. Development of nematode-resistant cultivars is one of the most practical and environmentally friendly ways to control root-lesion nematodes in the field. The main objective of the present study was to map P. penetrans and P. neglectus resistance QTL and to compare QTL positions between two different populations. This study also aimed to increase the efficiency and precision of standard procedures for testing resistance of barley towards root-lesion nematodes. Since, testing for root-lesion nematodes resistance is extremely laborious and time consuming, I modified a previously published greenhouse protocol in order to shorten the test period and improve its accuracy via optimizing nematode extraction and counting. Six barley accessions were tested in three glasshouse experiments for P. neglectus and P. penetrans resistance. Plants were grown in 150 cm³ instead of 20 cm³ tubes and the nematode inoculum size was increased from 400 to 1000 nematodes/plant in combination with a nutrient solution better adapted to the barley crop. Plants were evaluated 6, 7, 8, 9, and 10 weeks after inoculation. With both nematode species, a growth period of 7 weeks was found to be sufficient for distinguishing resistant and susceptible accessions, thus saving three weeks in relation to the previous test protocol. Quantification of nematodes within roots alone was sufficient as a precise indicator for screening barley resistance to Pratylenchus species. Moreover, measuring the root fresh weight was necessary to calculate the relative number of nematodes per gram root fresh weight. However, for practical reasons, during routine selection the breeder can rely on measuring the nematode numbers from roots only and take them as a proxy for selecting resistant genotypes from segregating populations. The results led to a more efficient, quicker and more accurate measurement of barley infections by Pratylenchus species. In order to map QTL associated with P. penetrans and P. neglectus resistance, a pre-test with subsamples of ten doubled-haploid populations was conducted to select two barley populations (Igri × Franka and Uschi × HHOR 3073) based on their wide phenotypic variation for P. penetrans and P. neglectus resistance. Resistance tests of 92-120 DH lines from each population were carried out in the greenhouse using P. penetrans and P. neglectus as inoculum. Nematode multiplication rates were measured 7 or 10 weeks after infection and quantitative inheritance of root-lesion nematodes resistance in barley was confirmed. In the Igri × Franka population, four P. penetrans resistance QTL were mapped with 857 molecular markers on four linkage groups (2H, 5H, 6H and 7H). In the Uschi × HHOR 3073 population, eleven resistance QTL (P. penetrans and P. neglectus) were mapped with 646 molecular markers on linkage groups 1H, 3H, 4H, 5H, 6H, and 7H. A major resistance QTL named Rlnnp6H (LOD score 6.42-11.19) with a large phenotypic effect (27.5-36.6%) for both pests was mapped in both populations to chromosome 6H. Another resistance QTL (Rlnnp5H) for both pests was mapped on linkage group 5H (Igri × Franka population). The results provide first evidence for common resistance loci against different root-lesion nematode species. Further experimental studies are required for establishment of an efficient marker-assisted selection system by developing selectable markers for Rlnnp6H and Rlnnp5H loci, and for cloning the genes that confer barley resistance to root-lesion nematode.

Freilebende Nematoden der Gattung Pratylenchus sind weltweit wichtige Schädlinge in der Getreideproduktion. Sie produzieren mehr als eine Generation pro Jahr und sind in der Lage, sich innerhalb der infizierten Wurzeln wie auch in der Erde fortzubewegen. Obwohl äußerliche Symptome an befallenen Pflanzen nur bei starkem Befall eindeutig zu erkennen sind, kann es auch bei schwachem Befall bereits zu deutlichen Ertragsminderungen kommen. Die Entwicklung von nematodenresistenten Sorten ist eine praxisrelevante und zugleich umweltfreundliche Maßnahme zur Bekämpfung der Nematoden. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Effizienz und Präzision von Standard-Verfahren zur Resistenzprüfung gegenüber freilebenden Nematoden der Gattung Pratylenchus zu verbessern. Darüber hinaus sollten Resistenz-QTL gegenüber P. penetrans und P. neglectus in verschiedenen Gerstenpopulationen vergleichend kartiert werden. Da die Resistenzprüfung gegenüber freilebenden Nematoden mit hohem Aufwand verbunden ist, sollte ein bestehendes Testverfahren optimiert bezüglich Testdauer und Quantifizierung werden. Dazu wurden sechs Gersten-Herkünfte in drei Gewächshaus-Experimenten auf Resistenz gegenüber P. penetrans und P. neglectus untersucht. Die Pflanzen wurden in 150 cm³ anstelle von 20 cm³ großen Röhren angezogen und die Inokulationsmenge wurde von 400 auf 1000 Nematoden pro Pflanze gesteigert. Ebenso wurden die Pflanzen mit einer Nährlösung versorgt, die besser an die Bedürfnisse von Gerste angepasst sind. Die Pflanzen wurden 6, 7, 8, 9 und 10 Wochen nach der Inokulation geerntet und auf Nematodenbefall untersucht. Bei beiden Nematodenarten war eine kürzere Prüfzeit von 7 Wochen ausreichend für eine Unterscheidung von resistenten und anfälligen Gerstenherkünften im Gegensatz zur vorigen Prüfzeit von 10 Wochen. Die Quantifizierung allein der Nematoden innerhalb der Gerstenwurzeln war ausreichend um die Resistenz gegenüber beiden Pratylenchus-Arten zu bestimmen. Darüber hinaus war die Bestimmung des Wurzel-Frischgewichts notwendig, um die relative Anzahl von Nematoden/g Frischgewicht Wurzel zu berechnen. Aus praktischen Gründen sollte es für routinemäßige Selektionen in der Züchtung ausreichend sein, die absolute Nematodenanzahl zur ermitteln und als gute Annäherung zu verwenden. Für die Kartierung von Resistenz-QTL gegenüber P. penetrans und P. neglectus wurden zunächst eine kleine Zahl an Linien von zehn unterschiedlichen Gersten-DH-Populationen getestet. Von diesen wurden zwei Populationen (Igri×Franka und Uschi×HHOR 3073) aufgrund ihrer breiten phänotypischen Variation hinsichtlich Resistenzeigenschaften für weitere Untersuchungen selektiert. Resistenztests von 92-120 DH Linien jeder Population wurden im Gewächshaus mit beiden Nematodenarten durchgeführt. Nematoden-Vermehrungsraten wurden 7 oder 10 Wochen nach der Innokulation bestimmt und bestätigten eine quantitative Vererbung der Resistenzeigenschaften. In der Igri×Franka Population wurden vier Resistenz-QTL gegenüber P. penetrans auf vier Kopplungsgruppen (2H, 5H, 6H und 7H) der Gerste kartiert. In der Uschi × 3073 HHOR Population wurden elf Resistenz-QTL (gegenüber P. penetrans und P. neglectus) auf den Kopplungsgruppen 1H, 3H, 4H, 5H, 6H und 7H kartiert. Ein Major-QTL Rlnnp6H (R²: 27,0 bis 36,6 %) gegenüber beiden Schädlingen wurde in beiden Populationen auf Chromosom 6H kartiert. Ein weiterer Resistenz-QTL (Rlnnp5H) gegenüber beiden Schädlingen wurde auf Kopplungsgruppe 5H (Igri×Franka Population) kartiert. Die Ergebnisse liefern erste Hinweise für gemeinsame Resistenzloci gegen verschiedene Nematodenarten der Gattung Pratylenchus. Weitere Untersuchungen sind für die Entwicklung eines effizienten markergestützten Selektionsverfahrens auf die Resistenz-QTL Rlnnp6H und Rlnnp5H ebenso wie für die Klonierung der zugrundeliegenden Gene erforderlich.

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Galal, Ahmed: Mapping Root-Lesion Nematode Resistance QTL in Barley (Hordeum vulgare L.). 2014.

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