Field testing and molecular marker characterization of near-isogenic lines with Fusarium Head Blight resistance QTL from CJ9306 in Zebra and Berserk spring wheat backgrounds

Abstract

Fusarium head blight (FHB or head scab) is a devastating disease of wheat (Triticum aestivum L.) and other small grain cereals induced by Fusarium spp. all around globe, causing higher yield loss and increased mycotoxin contamination like Deoxynivalenol (DON) which is a serious risk for human and livestock health. The sustainable way to reduce the problems of Fusarium infection is to increase resistance by stacking Quantitative Trait Loci (QTL) on our cultivars. Resistance breeding depends heavily on Chinese resistance cultivar Sumai 3 and its derivatives with focused on the Fhb1 QTL. The purpose of our study were to (i) confirm the allelic states of FHB resistance QTL Fhb1, QFs.nau-2DL and Qfhi.nau-5AS in the NILs derived from the cross between CJ9306 (derivative of Sumai 3) and Zebra, Berserk spring wheat cultivars of Norway by marker genotyping, (ii) investigate the effect of three QTL and their combination on FHB resistance traits (visual symptom, DON content and anther excretion (AE)), and (iii) to evaluate the potential side-effects of the QTL on the important agronomic traits like plant height (PH), days to heading (DH), grain yield, and grain quality parameters. To determine the association between FHB severity and passive resistance related traits like DON, DH, PH, and AE; grain spawn inoculation in one field trial out of three was performed in Norway, where FHB scoring was done. Strong significant correlation between these traits were confirmed except for DH. Highly significant correlation (0.483***) between FHB severity and DON was obtained. PH was associated most with DON content (-0.353*, - 0.464*, -0.413*) followed by FHB severity (-0.241, -0.357*, -0.341) in all three experimental fields. Similarly, AE had higher correlation with DON (-0.371*, -0.356*) than with FHB severity (-0.298*, -0.201). Genotyping of 57 BC1F5 NILs with Kompetitive allele specific PCR (KASP), Sequence tagged sites (STS) and Simple sequence repeat (SSR) markers confirmed the allelic states of the NILs. The resistant allele at QTL were found to be introgressed in NILs successfully. Fhb1 and 5AS were found introgressed in 26 lines and 2DL on 19 lines out of 57 NILs. QTL Fhb1 and 2DL were found significant with DON content reduction while 5AS did not have any measurable contribution. Besides, effects of these three QTL on FHB severity were not significant. Fhb1 was found delaying DH by one day in NILs. However, the QTL were not found significant with PH and AE. The stacking of QTL with resistance allele showed stronger effect on the traits than acting alone. Effect of all three QTL combination for grain quality parameters like test weight, protein content, starch content and yield in both the agronomic field trial were not in measurable amount. However, 2-3 gm reduced 1000 kernels weight was seen for QTL combination in both agronomic field trail. Therefore, promotion of Marker – assisted selection based on QTL introgression of Fhb1, 2DL and phenotypic selection method of high AE and optimal PH are recommended to the companies and research institution working on resistance breeding for wheat FHB in Norway.

Aksfusariose er en ødeleggende plantesykdom på hvete (Triticum aestivum L.) og andre kornslag verden over som forårsakes av ulike Fusarium-arter og fører til avlingstap og produksjon av mykotoksiner som for eksempel deoxynivalenol (DON) som kan føre til helseplager både for mennesker og husdyr. Den mest bærekraftige måten å redusere problemene med Fusarium-infeksjoner er resistensforedling ved å kombinere ulike QTL (Quantitative Trait Loci) for resistens i sortene. Resistensforedling er i stor grad basert på den kinesiske resistenskilden Sumai 3 og foredlingslinjer og sorter med resistens fra denne, med fokus på Fhb1. Målsettingen med vår studie var å (i) bekrefte hvilke resistensallel av de tre QTL-ene Fhb1, QFs.nau-2DL og Qfhi.nau-5AS som ble krysset inn i nær-isogene linjer (NILs) fra krysninger mellom CJ9306 (avkom fra Sumai 3) og vårhvetesortene Zebra og Berserk som dyrkes i Norge, (ii) Å undersøke effekten av de tre QTL-ene og kombinasjoner av disse på viktige parametere for Fusarium-resistens som aksfusariose, DON-innhold og støvknappfelling, og (iii) undersøke mulige effekter av disse QTL-ene på andre viktige agronomiske egenskaper som dager til aksskyting, strålengde, avling og kvalitetsegenskaper. Tre feltforsøk ble gjennomført, og ett av dem ble inokulert med Fusarium-smittede havrekorn for å evaluere Fusarium-resistens. En meget signifikant korrelasjon ble funnet mellom aksfusariose og DON (0.483***). Strålengde var sterkest assosiert med DON-innhold (- 0.353*, -0.464*, -0.413*) fulgt av aksfusariose (-0.241, -0.357*, -0.341) i alle de tre feltforsøkene. På samme måte hadde støvknappfelling sterkere korrelasjon med DON (- 0.371*, -0.356*) enn aksfusariose (-0.298*, -0.201). Genotyping av 57 BC1F5 NILs med KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR), STS (Sequence Tagged Sites) og SSR (Simple Sequence Repeat) markører verifiserte de ulike linjenes resistensallel, og viste at introduksjonen av resistens i de nær-isogene linjene var vellykket. Fhb1 og 5AS ble funnet i 26 av de 57 linjene mens 19 linjer hadde 2DL-QTLet. Fhb1 og 2DL viste signifikant effekt på reduksjon av DON-innhold mens 5AS ikke viste noen målbar effekt. Disse tre QTL-ene viste til gjengjeld ingen signifikant effekt på aksfusariose. Fhb1 ble funnet å forsinke aksskytingen med én dag, men hadde ingen effekt på strålengde og støvknappfelling. Kombinering av flere resistens-QTL viste større effekt på egenskapene enn bare ett QTL. Det ble ikke funnet noen effekt av QTL-kombinasjoner på kornkvalitetsegenskaper som hektolitervekt, proteininnhold, stivelsesinnhold og avling. Men kombinasjonen av tre QTL viste seg å redusere 1000- kornvekta med 2-3 gram i begge feltforsøkene hvor agronomiske egenskaper ble målt. På bakgrunn av disse resultatene, kan markørbasert innkryssing av Fhb1, 2DL og 5AS resistens- QTL og fenotypisk seleksjon for høy støvknappfelling og optimal strålengde anbefales overfor planteforedlingsfirma og forskningsinstitusjoner som driver med foredling av resistens mot Fusarium i Norge.