Breeding for resistance to Fusarium ear diseases in maize and small-grain cereals using genomic tools

The world’s human and livestock population is increasing and there is the need to increase quality food production to achieve the global sustainable development goal 3, zero hunger by year 2030 (United Nations, 2015). However, biotic stresses such as Fusarium ear infections pose serious threat to cereal crop production. Breeding for host plant resistance against toxigenic Fusarium spp. is a sustainable way to produce more and safer cereal crops such as maize and small-grain winter cereals. Many efforts have been made to improve maize and small-grain cereals for ear rot (ER) and Fusarium head blight (FHB) resistances, using conventional and genomic techniques. Among small-grain cereals, rye had the shortest maturity period followed by the descendant, hexaploid triticale while both wheat species had the longest maturity period. In addition, rye and triticale were more robust to Fusarium infection and deoxynivalenol accumulation, making them safer grain sources for human and animal consumption. However, a few resistant cultivars have been produced by prolonged conventional breeding efforts in durum wheat and bread wheat. High genetic variation was present within each crop species and can be exploited for resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of FHB resistance in rye was investigated for the first time, by means of genome-wide association study (GWAS) and genomic prediction (GP). GWAS detected 15 QTLs for Fusarium culmorum head blight severity, of which two had major effects. Both weighted and unweighted GP approaches yielded higher prediction abilities than marker-assisted selection (MAS) for FHB severity, heading stage and plant height. Genomics-assisted breeding can shorten the duration of breeding rye for FHB resistance. In the past decade, genetic mapping and omics were used to identify a multitude of QTLs and candidate genes for ear rot resistances and mycotoxin accumulation in maize. The polygenic nature of resistance traits, high genotype x environment interaction, and large-scale phenotyping remain major bottlenecks to increasing genetic gains for ear rots resistance in maize. Phenotypic and molecular analyses of DH lines originating from two European flint landraces (“Kemater Landmais Gelb”, KE, and “Petkuser Ferdinand Rot”, PE) revealed high variation for Gibberella ear rot (GER) severity and three agronomic traits viz. number of days to female flowering, plant height and proportion of kernels per cob. By employing multi-SNP GWAS method, we found four medium-effect QTLs and many small-effect (10) QTLs for GER severity in combined DH libraries (when PCs used as fixed effects), none co-localized with the QTLs detected for the three agronomic traits analyzed. However, one major QTL was detected within KE DH library for GER severity. Two prioritized SNPs detected for GER resistance were associated with 25 protein-coding genes placed in various functional categories, which further enhances scientific knowledge on the molecular mechanisms of GER resistance. Genome-based approaches seems promising for tapping GER resistance alleles from European maize landraces for applied breeding. After several cycles of backcrossing and sufficient selection for agronomic adaptation traits, the resistant lines identified in this thesis can be incorporated into existing maize breeding programs to improve immunity against F. graminearum ear infection. Breeding progress can be faster using KE landrace than PE. A successful validation of QTLs identified in this thesis can pave way for MAS in rye and marker-assisted backcrossing in maize. Effective implementation of genomic selection requires proper design of the training and validation sets, which should include part of the current breeding population.

Um das Ziel 3 für nachhaltige Entwicklung, das Ende des Hungers bis 2030 (United Nations, 2015) zu erreichen, muss durch den Anstieg der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion deutlich erhöht werden. Gleichzeitig aber bedrohen Pflanzenkrankheiten wie Fusariosen die Getreideproduktion. Die Züchtung von Sorten mit Resistenzen gegen die (für Mensch und Tier) giftigen Pilze der Gattung Fusarium ist ein nachhaltiger Weg, um größere Mengen und weniger toxin-belastetes Getreide zu produzieren. Viele Versuche wurden unternommen, um die Resistenz gegen Kolbenfäule in Mais und gegen Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in kleinkörnigem Getreide mit konventionellen und genomischen Züchtungsmethoden zu verbessern. In unseren Untersuchungen waren Roggen und Triticale am widerstandsfähigsten gegen Fusarium-Infektionen und hatten die geringste Deoxynivalenol-Kontamination, was sie zu weniger toxischen Nahrungs- und Futtermitteln macht. Aber auch für Hart- und Weichweizen gibt es durch langjährige konventionelle Züchtung einzelne resistente Sorten. Eine hohe genetische Variation konnte bei allen Getreidearten beobachtet werden und kann damit für zukünftige Resistenzzüchtung verwendet werden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) und genomischer Vorhersage (genomic prediction, GP) die genetische Architektur der Fusarium-Resistenz in Roggen untersucht. GWAS konnten 15 Loci (quantitative trait loci, QTL) für die Resistenz gegen Fusarium culmorum gefunden werden, zwei davon mit Haupt-Effekten (major effects). Sowohl die gewichtete als auch die ungewichtete genomische Vorhersage erzielten für Fusariumbefall, Ährenschieben und Wuchshöhe höhere Genauigkeiten als die markergestützte Selektion (marker-assisted selection, MAS). Genomische Daten können damit die Züchtung von Fusarium-resistentem Roggen beschleunigen. In den letzten zehn Jahren wurden genetische Kartierungen und Omics verwendet, um eine Vielzahl von QTLs und Kandidatengenen für Kolbenfäule-Resistenzen und Mykotoxin-Akkumulation in Mais zu identifizieren. Die komplexe Vererbung der Resistenzen, die hohen Genotyp x Umwelt-Wechselwirkungen und der Bedarf großer Versuche zur Phänotypisierung den genetischen Zuchtfortschritt für die Resistenz gegen Kolbenfäule bei Mais. Die phänotypische und genotypische Analyse von doppelt-haploiden Maislinien, die aus zwei europäischen Flint-Landrassen (“Kemater Landmais Gelb”, KE, and “Petkuser Ferdinand Rot”, PE) erstellt wurden, zeigte eine hohe genetische Variation für Kolbenfäule (Giberella ear rot, GER) und die drei weiteren agronomischen Merkmale Tage bis zur weiblichen Blüte, Wuchshöhe und Kornansatz. Durch Verwendung einer GWAS-Methode, die mehrere Markerloci gleichzeitig berücksichtigt (multi-SNP), konnten vier QTL mit mittleren Effekten und 10 QTL mit kleinen Effekten für die GER-Befallsstärke in kombinierten DH-Bibliotheken gefunden werden; keine davon war co-lokalisiert mit QTL für die drei analysierten agronomischen Merkmale. Innerhalb der KE DH-Bibliothek wurde jedoch ein Haupt-QTL für die GER-Befallsstärke festgestellt. Zwei ausgewählte SNP-Marker für die GER-Befallstärke waren mit 25 proteincodierenden Sequenzen assoziiert, die unterschiedlichen Funktionen zugeordnet werden konnten und damit das Wissen über die molekularen Mechanismen zur GER-Resistenz erweiterten. Eine genom-basierte Züchtungsmethode erscheint vielversprechend, um die GER-Resistenz in europäischen Mais-Landrassen für die angewandte Züchtung zu erschließen. Nach mehreren Zyklen von Rückkreuzung und Selektion auf agronomische Merkmale, können die resistenten Linien in einem bestehenden Mais-Zuchtprogramm verwendet werden, um die Resistenz gegen Kolbenfusariosen zu erhöhen. Der Zuchtfortschritt dürfte bei Verwendung der Landrasse KE höher sein als bei PE. Eine erfolgreiche Validierung der QTL, die in dieser Arbeit gefunden wurden, kann den Weg für eine markergestützte Selektion bei Roggen und Mais zur Erhöhung der Fusarium-Resistenz ebnen. Die effiziente Anwendung genomischer Selektionsmethoden bedarf der laufenden Erstellung von aktuellen Trainings- und Validierungssets, die jeweils einen Teil der aktuellen Zuchtpopulationen umfassen sollten.