Genetic architecture of leaf rust and stripe rust resistance in European wheat

English. Leaf rust caused by Puccinia triticina and stripe rust caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici are highly important fungal wheat diseases limiting the global wheat production. Due to the continuous appearance of new virulent rust races, resistance breeding is aiming to create varieties of durable resistance by accumulating several effective resistance genes. Thus, innovative methods and the combination of promising tools are highly demanded to identify new resistances efficiently as well as to exploit these via improved breeding schemes. For this reason, hybrid breeding, selection based on genotypic information, and automated phenotyping platforms seem to be valuable to improve resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of leaf rust and stripe rust resistance within European wheat was examined and the benefit of using innovative tools to improve the level of rust resistance was assessed. Findings confirmed the higher resistance level of hybrid wheat compared to the parental inbred lines resulting in strong amounts of better-parent heterosis. Many loci associated to resistance showed a desired dominance degree allowing the rapid accumulation of resistance genes by simply fixing them in one parental pool. Therefore, hybrid breeding is a beneficial method to increase leaf rust resistance within European wheat. Performing marker-assisted selection (MAS) is more precise to predict leaf rust resistance than genomic selection (GS). Hence, MAS is suggested as an efficient method supporting leaf rust resistance in European wheat hybrids. In contrast, findings for stripe rust resistance were very inconsistent recommending the examination of genetic architecture in more detail by applying an adjusted methodology. In addition, our results confirmed the examination of detached leaf assays of juvenile plants inoculated under controlled conditions and phenotyped by a robotic- and computer-based high-throughput system as a promising method for precise phenotyping. In summary, the strategies of hybrid breeding, genome-based selection, and modern greenhouse phenotyping are promising to support resistance breeding, to conduct time saving and efficient breeding for rust resistance. The successful introduction of many innovative tools is highly promoting breeding aiming to generate multi-disease resistant varieties, while rapidly increasing the breeding efficiency.

German. Braunrost, verursacht durch Puccinia triticina, und Gelbrost, ausgelöst durch Puccinia striiformis f. sp. tritici, zählen zu den bedeutenden Pilzkrankheiten im Weizen und ihr Auftreten führt weltweit zu Ertragsverlusten. Da ständig neue virulente Rostrassen nachgewiesen werden, zielt die Resistenzzüchtung auf die Erzeugung von Sorten mit langlebiger Resistenz durch die Anreicherung mehrerer Resistenzgene in einem Genotyp ab. Innovative Methoden und die Kombination vielversprechender Werkzeuge sind erforderlich, um neue Resistenzen zu identifizieren und diese über verbesserte Zuchtschemata zu nutzen. In diesem Zusammenhang scheinen die Hybridzüchtung sowie die Selektion basierend auf genotypischen Informationen und automatisierten Phänotypisierungsplattformen für die Verbesserung der Resistenz nützlich zu sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die genetische Architektur von Braunrost- und Gelbrostresistenz im europäischen Weizen untersucht und der Nutzen innovativer Werkzeuge zur Verbesserung der Rostresistenz bewertet. Unsere Ergebnisse bestätigten das höhere Resistenzniveau von Hybridweizen im Vergleich zu elterlichen Inzuchtlinien, was sich in einem hohen Betrag der Heterosis zum besseren Elter widerspiegelt. Dabei wiesen viele resistenzassoziierte Loci den gewünschten Dominanzgrad auf, welcher eine schnelle Anreicherung von Resistenzgenen durch die Fixierung in einem Elternpool ermöglicht. Aus diesem Grund kann über Hybridzüchtung die Braunrostresistenz im europäischen Weizen erhöht werden. Die Durchführung von markergestützter Selektion (MAS) ist bei der Vorhersage der Braunrostresistenz präziser als genomische Selektion (GS). Daher wird MAS als effiziente Methode zur Steigerung der Braunrostresistenz bei europäischem Hybridweizen empfohlen. Im Gegensatz dazu waren die Ergebnisse für Gelbrostresistenz weniger eindeutig, was eine detaillierte Untersuchung der genetischen Architektur durch die Anwendung einer angepassten Methodik nötig macht. Darüber hinaus zeigte sich die Untersuchung von Blattsegmenten junger Pflanzen, die unter kontrollierten Bedingungen inokuliert und mit einem roboter- und computergestützten Hochdurchsatzsystem phänotypisiert wurden, als eine vielversprechende Methode zur Phänotypisierung. Insgesamt sind die einzelnen Strategien der Hybridzüchtung, der genombasierten Selektion und der modernen Phänotypisierung im Gewächshaus vielversprechend, um die Resistenzzüchtung zu verbessern und ein hohes Maß an Zeitersparnis und Effizienz zu erreichen. Außerdem fördert die erfolgreiche Einführung mehrerer innovativer Hilfsmittel in hohem Maße die Züchtung, welche darauf abzielt multiresistente Sorten zu erzeugen und gleichzeitig die Züchtungseffizienz zu steigern.