Genetic analysis of resistance to ear rot and mycotoxin contamination caused by Fusarium graminearum in European maize

Maize is affected by a number of diseases. Among the various ear rots of maize, Gibberella ear rot (GER) caused by Fusarium graminearum is prevalent in Central Europe. This fungal pathogen produces secondary metabolites (mycotoxins), which adversely affect the health of humans and animals. Two important mycotoxins are the immunosuppressant deoxynivalenol (DON) and the mycoestrogen zearalenone (ZEA). The most efficient method to reduce mycotoxin contamination in maize is cultivation of resistant varieties. However, resistance breeding using classical phenotypic selection is laborious and time-consuming. Therefore, marker-assisted selection (MAS) may be a promising alternative to classical selection. Furthermore, for setting up a breeding program, knowledge about the relevance of the different modes of gene action and genotypic correlations among resistance and agronomic traits is required. The objectives of this study were to (1) estimate quantitative genetic parameters for GER severity and mycotoxin concentration in connected populations of doubled haploid (DH) lines, (2) map quantitative trait loci (QTL) for GER resistance and reduced mycotoxin contamination in these populations, (3) examine the congruency of QTL in these populations, (4) evaluate the prospects of using MAS to breed for GER resistance and reduced mycotoxin contamination, (5) estimate the genotypic correlation between the resistance of DH lines per se and the resistance of their testcrosses, (6) evaluate the influence of selection for increased resistance on agronomic performance of hybrids and (7) examine the relevance of different modes of gene action involved in the expression of the resistance in flint maize. Three field experiments were conducted, each of which comprised a different set of plant material. Experiment I comprised five DH line populations derived from the following F1 crosses among elite flint inbred lines: D152×UH006, D152×UH007, UH007×UH006, UH009×UH006 and UH009×UH007. Experiment II comprised testcross progenies of 94 DH lines and a dent single cross tester. Experiment III comprised the five F1 crosses, from which the DH populations had been derived, the F2 and the first backcross generations to the parents (BC1-P1, BC1-P2) as well as the two parent lines of each cross. Plants were artificially infected with spores of F. graminearum shortly after mid-silking using the silk channel inoculation technique. The DH lines were genotyped with simple sequence repeat (SSR) DNA markers, genetic linkage maps were constructed and QTL analyses were performed for resistance to GER, DON and ZEA contamination. Estimates of genotypic and genotype-by-environment interaction variances in Experiment I for GER severity and mycotoxin concentration were significant and heritabilities were moderately high to high in all populations. Thus, differences among DH lines for the resistance traits were mainly caused genetically and the resistance response varied depending on the environment. Owing to the effectiveness of artificial inoculation, the prospects are good to improve line resistance using a small number of test environments. QTL were detected in the four largest populations. Depending on the population, the mapped QTL together explained 21-51% of the genotypic variance for GER severity and 19-45% for DON concentration and 52% for ZEA concentration. Additive gene action was more important than digenic interactions of QTL, as indicated by the number of QTL having significant additive effects, their relative contributions to the total genotypic variance explained and the magnitude of their effects. Colocalized QTL for resistance to GER and mycotoxin contamination were identified in each mapping population. This was in agreement with strong genotypic correlations among these traits. QTL located at similar positions were detected across three populations in two chromosomal regions and across two populations in additional two regions. The results of this study indicated that a combination of classical phenotypic selection and MAS is a promising strategy for resistance breeding. In Experiment II, significant genotypic variation for resistance in lines and testcrosses showed that selection will be successful in both groups. Owing to low genotypic correlations between lines and testcrosses, however, resources should be mainly allocated to the evaluation of GER in testcrosses. Correlations of resistance with agronomic traits were weak or not significant. Therefore, selection for resistance and better agronomic performance can be carried out simultaneously. In Experiment III, generation means analysis indicated a prevalence of additive gene action for resistance. Significant dominance effects were found in only one cross for resistance to GER, but in four crosses for resistance to DON contamination. Owing to prevalence of additive gene action, the prospects are good to improve the resistance of the flint germplasm and to accumulate more favorable gene combinations in future breeding lines. Comparing the hybrid performance of flint×flint crosses of Experiment II and flint×dent crosses of Experiment III with their corresponding mid-parent performances indicated mid-parent heterosis for resistance. Therefore, prediction of hybrid performance based on performance of their parents will be possible only to a very limited extent. Future research should focus on fine mapping and validating of the detected QTL. For an efficient use of the QTL in a marker-assisted breeding program, knowledge about their effects in different genetic backgrounds is needed. Of particular importance are thereby the QTL effects in flint×dent crosses, which represent the preferred type of hybrid in Central European maize breeding programs.Mais wird von zahlreichen Krankheiten befallen, wobei die Kolbenfusariosen von besonderer Bedeutung sind. In Mitteleuropa ist Fusarium graminearum der wichtigste Erreger dieser Krankheit. Dieser pilzliche Schaderreger produziert sekundäre Metabolite (Mykotoxine), die gesundheitsschädlich für Menschen und Tiere sind. Zwei wichtige Mykotoxine sind das immunsuppressiv wirkende Deoxynivalenol (DON) und das Mykoöstrogen Zearalenon (ZEA). Der effizienteste Weg Mykotoxinkontaminationen zu vermeiden ist der Anbau resistenter Sorten. Allerdings ist die Resistenzzüchtung mittels klassischer phänotypischer Selektion arbeits- und zeitaufwendig. Daher könnte die Marker-gestützte Selektion eine vielversprechende Alternative zur klassischen Selektion darstellen. Darüber hinaus sind für die Planung eines Zuchtprogrammes Kenntnisse über die Bedeutung verschiedener Genwirkungsweisen und über genotypische Korrelationen zwischen der Resistenz und agronomischen Merkmalen notwendig. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren, (1) quantitativ-genetische Parameter für Kolbenfusariumbefall und Mykotoxinkonzentration in verbundenen Populationen doppelt-haploider (DH) Linien zu schätzen, (2) sog. quantitative trait loci (QTL) für Fusariumresistenz und reduzierte Mykotoxinkontamination in diesen Populationen zu kartieren, (3) die Übereinstimmung der QTL in diesen Populationen zu untersuchen, (4) die Aussichten der Marker-gestützten Selektion für die Züchtung auf Fusariumresistenz und reduzierte Mykotoxinkontamination zu bewerten, (5) die genotypische Korrelation zwischen der Resistenz von DH-Linien per se und deren Testkreuzungen zu schätzen, (6) die Auswirkung der Selektion auf verbesserte Resistenz auf agronomische Eigenschaften von Hybriden zu bewerten und (7) die Bedeutung verschiedener Genwirkungsweisen auf die Expression der Resistenz in Flint-Mais zu untersuchen. Drei Feldexperimente wurden durchgeführt, in denen jeweils unterschiedliches Pflanzenmaterial geprüft wurde. In Experiment I wurden fünf DH-Populationen untersucht, die aus folgenden F1-Kreuzungen von Elite-Flint-Inzuchtlinien erstellt wurden: D152×UH006, D152×UH007, UH007×UH006, UH009×UH006 und UH009×UH007. In Experiment II wurden die Testkreuzungsnachkommen von 94 DH-Linien und einer Dent-Einfachkreuzung, die als Tester fungierte, untersucht. In Experiment III wurden neben den fünf F1-Kreuzungen, aus denen die DH-Populationen abgeleitet wurden, deren F2- und erste Rückkreuzungsgenerationen zu beiden Eltern (BC1-P1, BC1-P2) sowie die zwei Elternlinien jeder Kreuzung untersucht. Die Versuchspflanzen wurden kurz nach dem Erscheinen der Narbenfäden künstlich mit Sporen von F. graminearum infiziert. Die DH-Linien wurden mit sog. simple sequence repeat (SSR) DNA-Markern genotypisiert, genetische Kopplungskarten wurden erstellt und QTL für die Resistenz gegen Kolbenfusarium und Mykotoxinbelastung kartiert. Die genotypischen Varianzen und Genotyp-Umwelt-Wechselwirkungsvarianzen für Kolbenfusariumbefall und Mykotoxinkonzentrationen waren in Experiment I signifikant und die Heritabilitäten waren mäßig hoch bis hoch. Somit waren die Unterschiede zwischen den DH-Linien hauptsächlich genetisch bedingt. Aufgrund der Effizienz künstlicher Inokulation sind die Aussichten günstig, die Linienresistenz mit einer geringen Anzahl an Test-Umwelten zu verbessern. QTL wurden in den vier größeren Populationen gefunden. Je nach Population erklärten die kartierten QTL zusammen 21-51% der genotypischen Varianz für Kolbenfusariumbefall, 19-45% für DON- und 52% für ZEA-Konzentration. In Übereinstimmung mit den engen genotypischen Korrelationen wurden kolokalisierte QTL für die Resistenz gegen Kolbenfusarium und Mykotoxinkontamination in jeder Kartierungspopulation gefunden. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass eine Kombination von klassischer phänotypischer und Marker-gestützter Selektion eine vielversprechende Strategie für die Resistenzzüchtung ist. In Experiment II waren die genotypischen Varianzen für die Resistenz in den Linien und Testkreuzungen signifikant. Dies zeigt, dass in beiden Gruppen erfolgreich selektiert werden kann. Jedoch sollten aufgrund der geringen genotypischen Korrelationen zwischen Linien und Testkreuzungen die vorhandenen Ressourcen größtenteils zur Prüfung von Testkreuzungen verwendet werden. Die Korrelationen zwischen der Resistenz und den agronomischen Merkmalen waren schwach oder nicht signifikant. Dadurch kann problemlos auf Resistenz und verbesserte agronomische Eigenschaften selektiert werden. In Experiment III zeigten Generationsmittelwertanalysen eine vornehmliche Bedeutung additiver Genwirkung auf die Resistenz. Die Aussichten sind gut, die Resistenz im Flint-Material zu verbessern und günstige Genkombinationen in zukünftigen Zuchtlinien anzureichern. Vergleiche der Flint×Flint-Hybridkreuzungen aus Experiment II und der Flint×Dent-Hybridkreuzungen aus Experiment III mit den jeweiligen Elternmittelwerten deuteten auf eine Überlegenheit der Nachkommen gegenüber dem Elternmittel aufgrund von Heterosis hin. Aufgrund dessen wird es nur eingeschränkt möglich sein, die Resistenz von Hybriden aufgrund der Resistenz ihrer Eltern vorherzusagen. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich auf die Feinkartierung und Validierung der gefundenen QTL konzentrieren. Um die QTL effizient zu nutzen, sind Kenntnisse über deren Effekte in unterschiedlichen genetischen Hintergründen notwendig. Dabei sind die QTL-Effekte in Flint×Dent-Hybridkreuzungen von besonderer Bedeutung, da diese den bevorzugten Hybrid-Typ in Mitteleuropäischen Maiszüchtungsprogrammen darstellen