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Resistenzzüchtung – Grundlage zukünftigerPflanzenschutzstrategien

Frank Ordon

Resistenzzüchtung

P. hordei P. striiformis B. graminis

P. teres R. commune U. nuda

BaMMV/BaYMV BYDV

InsektenKrankheitenUnkräuter

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance

http://www.transgen.de/pflanzenforschung/pflanzengesundheit/

Ges

amt

Rei

s

Sor

ghum

Mai

s

Haf

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Wei

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Ger

ste

Rog

gen

Kar

toff

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Zuc

kerr

ohr

Resistenzzüchtung von besonderer Bedeutung:

•Vermeidung von Ertragsverlusten •Gewährleistung einer umwelt- und verbraucherfreundlichen Pflanzenproduktion•Schonung natürlicher Ressourcen (Boden, Wasser, Biodiversität)•Zunehmende Bedeutung durch Wegfall von Wirkstoffen •Zunehmende Bedeutung durch Resistenzbildung auf Erregerseite

…


NAP Seite 11

NAP Seite 50

Erfolge der Resistenzzüchtung: Weizen

MehltauMehltau Braunrost


Pyrenophora tritic repentisSeptoria tritici

Bundessortenamt

Beschreibende Sortenliste 2017

Winterweichweizen (Triticum aestivum L.)

Sorten- Anfälligkeit für Ertragseigenschaften

bezeichnungMehltau Blattseptoria DTR Gelbrost Braunrost Ährenfusarium

Kornertrag Kornertrag

Stufe 1 Stufe 2

neu Achim 1 3 4 1 2 4 8 7

Erfolge der Resistenzzüchtung: Weizen


neu Achim 1 3 4 1 2 4 8 7

Apian) 2 3 4 2 3 4 7 7

neu Chiron 2 3 5 2 3 3 8 6

Dichter 4 2 4 2 3 4 7 6

neu Kamerad 1 3 5 2 3 3 8 7

KWS Smart1) 2 3 4 2 4 3 8 8

LG Kopernikus1) 3 3 4 2 3 3 7 7

Moschus 1 3 4 2 4 3 5 4

neu Safari1) 3 3 4 2 2 5 9 7

1) Resistenz gegen Orangerote Weizengallmücke

0

0,25

0,5

0,75

1

1996 1998 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008

Sorten ohne Resistenzgen Sorten mit LR37Thatcher NIL-Lr37

Thatcher ohne Resistenz

Die unendliche Geschichte

Lr37: 2004 2013


Asfaw Adugna , 2004. Alternate Approaches in Deploying Genes for Disease Resistance in Crop Plants. Asian Journal of Plant Sciences, 3: 618-623.

Wildarten Landsorten Moderne Sorten

Tanksley and McCouch, 1997Endresen et al, 2011

Nutzbarmachung genetischer Diversität

H. vulgare

Cultivars

Landraces

H. vulgare ssp.

spontaneum

Identifikation genetischer Variation für Resistenz

Genetische Analyse der Resistenz (qualitativ/quantitativ)

Entwicklung molekularer Marker und markergestützte Introgression in adaptierte Sorten

Entwicklung effektiver Screeningmethoden für Resistenz


H. bulbosum

Hordeum sp.

n=30

Markergestützte RückkreuzungPyramidisierung von Resistenzgenen

Genisolation (kartengestützte Klonierung)

Allele mining

Gentransfer in adaptierte SortenAllele editing

Pflanzenzüchterisches Instrumentarium

P1 x P2


Zuverlässige Selektion auf Einzelpflanzenniveau (A1, F2) im Labor unabhängig von Auftreten und Symptomentwicklung im Freiland in frühen Entwicklungsstadien

Molekulare Marker

Genomsequenzen

Transcriptomics

Metabolomics

Marker type RFLPs Genomic SSRs AFLPsEST

SNPs/SSRs DArTs BOPAs/OPAs iSelectGenotyping by

sequencing

Throughputsingle marker

applicationsingle marker

applicationfew marker application

single markerapplication 6K 1,5K 9K 50K

Multiplexing no mutiplexingfew markersmultiplexing

lowmultiplexing

few markersmultiplexing

platform/ simultaneous

analysis


analysis


analysis


analysis

simultaneousmultiplexingNGS/GBS

Amount of D N A Large amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount

Quality of D N A very good average average average very good very good very good very good very good

Pflanzenzüchterisches Instrumentarium


M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179: 407-422

• längeres Infektionsgeschehen im Herbst (z. B. BYDV)

• anholozyklische Überwinterung (Blattläuse)

• kürzere Winterpause (Blattläuse, Zikaden)

• starke Vermehrung ⇒ große Populationen

• Klimatische Veränderungen, insbesondere Temperaturerhöhung im Herbst / Winter

• Verbot der Saatgutbeizung mit Neonicotinoiden

• Zunehmende Resistenz der Virusüberträger gegenüber insektiziden Wirkstoffen

Insektenübertragene Viren: TuYV, BYDV, WDV

WasserrübenvergiIbungsvirus(TuYV) - eine Gefahr für denRapsanbau?


• starke Vermehrung ⇒ große Populationen

E. Schliephake, JKIE. Schliephake, JKI

WDV

TuYV

dlz agarmagazin, August 2016

Ein Massenauftreten von Blattläusen im Herbst 2015 und 2016 hat den

Wasserrübenvergilbungsvirus im Raps wieder in den Fokus gerückt.

Hermann Krauß/agrarheute, 14.07.2017

Rapsanbau?

Fischer et al., Raps 1/2017

Ryd3 (180 bp)Ryd3 (180 bp)

ryd2

(253

bp)

Ryd2

(311

bp)

ryd2

(253

bp)

Ryd2

(311

bp)

Ryd3

(HVM74)

Ryd2

(YLP + HSP92 II)

´RIL K4-56´ (Ryd3) x ´DH21-136´ (Ryd2 + QTL Post)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Ryd2 Ryd3 QTL+

Ryd2 Ryd3 QTL-

Ryd2 ryd3

QTL+

Ryd2 ryd3 QTL-

ryd2 Ryd3 QTL+

ryd2 Ryd3 QTL-

ryd2 ryd3

QTL+

ryd2 ryd3 QTL-

DH21-136

(Ryd2 ryd3

QTL+)

RIL K4-56

(ryd2 Ryd3 QTL-)

Rub-ina

(ryd2 ryd3

QTL-)

ELI

SA

ext

inct

ion

Allele combination

G F D C E CD A B

BYDV – Pyramidisierung von QTL


(ryd2, ryd3, QTL-) (Ryd2, Ryd3, QTL+)Wintergerste, Quedlinburg, April 2008

QTL + (211 bp)

QTL - (218 bp)

QTL + (211 bp)

QTL - (218 bp)

ryd3 (188 bp)ryd3 (188 bp)

QTL Post 2H

(HVCSG)

(HVM74)

rrr rrs rsr srr ssr srs rss sss

No. DH-lines 89 49 45 99 49 77 38 29

Segregation Ryd2/ Ryd3/ Post-QTL

Riedel, C., A. Habekuss, E. Schliephake, R. Niks, I. Broer, F. Ordon, 2011 Theor. Appl. Genet. 123, 69-76.

0

0,25

0,5

0,75

1

1996 1998 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008

Sorten ohne Resistenzgen Sorten mit LR37Thatcher NIL-Lr37

Thatcher ohne Resistenz

Prähaustrielle Resistenz: T. monococcumLr37: 2004 2013

Wildarten in der Resistenzzüchtung: Puccinia triticina


Isolates Lr10 Lr11 Lr17 Lr18 Lr20 Lr28 Lr37 Lr49 T. monococcum T. boeticum

77WxR s s s s s s s s r s

167/176WxR s s s s s s s s r psTommi 1 s s s s s s s s r s

13/20WxR s s s s s s s s r s 4136 ps s s s s r s s r s

s

ps

r

Braunrost Isolate mit Virulenz gegenüber

allen Majorgenen des A-Genoms

0

20

40

60

80

12 24 48 72 96

HM

C/ I

nkec

tion

Zeit nach der Inokulation (h)

Borenos wxr77

Pi272560 wxr77

Anfällige Akzession

Resistente Akzession

Anf

ällig

e A

kzes

sion

Res

iste

nte

Akz

essi

on

24 hai 96 hai 168 hai

24 hai 96 hai 168 hai

HMC

Serfling et al. (2016) Frontiers in Plant Science

Kartierung und Identifikation von QTL

LOD 3.1524.4%

LOD 3.8413.0%

Chitinase (Hordeum vulgare var. distichum) complete

Chitinase 2 - (Hordeum vulgare ) complete

Pathogenesis-related protein 4 (T. monococcum ) 8e-09

Pathogenesis-related 1ª (T. monococcum) 3e-23

Resistance-related receptor-like kinase

(T. aestivum) 5e-31

Phenotyping:

Anzahl Haustorienmutterzellen 72 hai (F2/F3)


Chr cM Anzahl Marker

1A 217.7 588

2A 260.1 771

3A 171.2 503

4A 111.5 339

5A 236.7 570

6A 232.6 620

7A 258.4 727

Total 1488.3 4118

LOD 3.3216.5%

LOD 3.6213.3%

Beta glucanase prec. (T. aestivum) 1e-40

Pathogenesis-related protein 1-like protein (T. aestivum) 4e-05

Serfling et al. in Vorbereitung

Genomweite Assoziationsstudien (GWAS)

450 Gerste Genotypen

Phänotypisierung Genotypisierung


Assoziations-Studien

Identifikation von Genomregionen, welchein die Resistenz gegen Netzflecken(Pyrenophora teres) involviert sind

Pyrenophora teres f. teres

Institute for Resistance Research and Stress Tolerance Novakazi et al. (in Vorbereitung)

Gen Isolation mittels kartengestützter Klonierung

W. Huth

BaYMV/BaMMV- ErtragSorte Reaktion t/ha relativ

Asorbia (6-zeilig) resistent 5,33 100Corona (6-zeilig) anfällig 3,53 65Romanze (2-zeilig) resistent 4,20 100Marinka (2-zeilig) anfällig 2,38 57

10 m2 Parzellen, 3 Wiederholungen; LSD (5%) = 0,25 t/ha und 0,35 t/ha; Ertrag in ATM

Yuka (6-zeilig) resistent 7,66 100Grete (6-zeilig) anfällig 4,10 54Duet (2-zeilig resistent 6,30 100Angora (2-zeilig) anfällig 4,24 67


3H 1H(5)

100 cM

Chikurin Ibaraki 1

6H 5H(7)7H(1) 2H 4H

rym7

rym4rym5rym6 rym10

Rym14HB

rym15 rym3

mod. Graner et al. 2000

Rym16HB

rym11rym1rym18

rym13rym12rym9 rym8

Ordon, F. 2009: Barley Genetics Newsletter 39, 58-69, Kai et al. 2012.

Rym17

BaMMV, BaMMV-SIL, BaMMV-Teik, BaYMV, BaYMV-2

Modelkalkulation ökonomische Verluste durch BaMMV/BaYMV

Anbaufläche (2016): 1267000 ha

Ertrag: 7,07 t = 8957690 t

Preis: 140 € per t

Ökonomischer Wert: 1254076600 €


50% der Anbaufläche potentiell verseucht (Huth 1988): 633500 ha

Moderate Ertragsverluste 25%: 1119711 t

Ökonomischer Verlust: 156759540 €

1. Mapping of the gene of interest on low to medium resolution

2. Construction of a high resolution mapping population

4. Further marker saturation by using sequence information from rice, sorghum brachypodium and NGS data from barley (GenomeZipper)

3. Phenotyping of segmental RILs (F4) and marker saturation using available high density maps

5. Identification of a BAC contig and candidate genes based on the physical map of barley or re-sequencing of the target interval

6. Identification of rym13 by transformation, TILLING, RNAi

0

0.09

0.53

GBM1015

k0xxx6

k0xxx7

WMS06

Kartengestützte Klonierung

Genisolation mittels kartengestützter Klonierung


0.96

1.47

1.64

2.59

3.40

4.22

5.03

5.20

5.25

k0xxx5

k0xxx1

k0xxx2

rym13

k0xxx3

k0xxx4

k0xx10

k0xx11

HVM67

rym13

GBM1015

HVM67

7,25 cM

5.97 cM

Humbroich et

al. 2010


W. Huth

BaMMV, BaYMV


HvPDIL5-1

Lüpken et al. 2013. Theor. Appl. Genet. 126: 1201-1212

Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111

BaMMV, BaYMVErtragsverluste: 40-50%

T1 - E1 family T1 - E2 family Control

Transgene rym11 Transgene rym11 W757-612

(Res.)

Igri

(Sus.)

Maris Otter

(Sus.)

T1- E1-13

Komplementationsanalyse



(Res.) (Sus.) (Sus.)

Res. 19† 21 3† 10 19 4† 2†

Sus. 30 0 45 0 0 22 28† escapes the artificial BaMMV-inoculation under greenhouse condition.


365 Wildgersten (H. spontaneum)

847 Landrassen (H. vulgare)

559 Sorten (H. vulgare)

5 H. agriocrithon

Gesamt = 1816 Akzessionen

Allele mining: rym11


1 4 1 28Anzahl Herkünfte mit verschiedenen resistenzbedingenden Allelen


Development of allele specific markers


Yang et al. (2014) Theor. Appl. Genet. DOI, 10.1007/s00122i-014-2324-09

Isolierte Virusresistenzgene rym4 und rym11


Stein, N., D. Perovic, J. Kumlehn, B. Pellio, S. Stracke, S. Streng, F. Ordon, A. Graner, 2005. The Plant Journal 42, 912-922

Allele Editing: Gerichtete Mutagenese unter Verwendung von Endonucleasen

Meganucleases


Puchta and Fauser (2014) The Plant Journal

ZFNs Zinc-Finger Nucleases

TALENs Transcription Activator-Like Effector Nucleases

CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

Cas CRISPR-associated, RNA-guided endonuclase

Weizen - Mehltauresistenz

Allele Editing: Gerichtete Mutagenese unter Verwendung von Endonucleasen


Zusammenfassung und Ausblick

Hochdurchsatzmarkertechnologien und Genomsequenzen erlauben eine effektive Entwicklung molekularer Marker und die Isolation von Resistenzgenen

Die Kenntniss entsprechender Resistenzgene ermöglicht die Untersuchung großer Genbankkollektionen im Hinblick auf wirkungsvollere Genvarianten (Allele mining) bzw. die Erzeugung neuer Varianten, z.B. mittels CRISPR/Cas (Allele editing), so dass die Selektion in Zukunft auf Allelebene stattfinden kann.


in Zukunft auf Allelebene stattfinden kann.

Entsprechende molekulare Marker erlauben eine effektive Kombination von Resistenzen und ermöglichen es, der Resistenzzüchtung im Zusammenspiel mit modernen Züchtungsverfahren (DH-Technologie, Genomische Selektion, etc.) beschleunigt resistente Sorten zu erstellen.

Züchtungsforschung und Resistenzzüchtung können somit einen erheblichen Beitrag zur Optimierung zukünftiger Pflanzenschutzstrategien leisten.

Danke

Dr. Dragan PerovicDr. Ilona KrämerDr. Antje HabekußDr. Christine RiedelDr. Albrech SerflingDr. Thomas LüpkenDr. Doris KopahnkeDr. Monique JürgensFluture Novakazi


Fluture Novakazi

Prof. Dr. Wolfgang FriedtProf. Dr. Rod Snowdon

Prof. Dr. Andreas GranerDr. Nils SteinDr. Ping YangDr. Martin Mascher

Prof. Dr. Olga Afanasenko

Dr. Brian Steffenson

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