Woubit Dawit Bedane

Analysis of pathogen virulence and cultivar resistance to yellow rust, Puccinia striiformis f. sp. tritici, in Ethiopia

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor agriculturarum (Dr. agr.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 26.09.2008

Abstract
Gelbrost wird durch das obligate Pathogen Puccinia striiformis f. sp. tritici verursacht und ist eine wirtschaftlich bedeutsame Krankheiten in vielen Teilen der Welt. In Äthiopien liegen die Kornertragsverluste bei anfälligen Weizensorten zwischen 30 und 69%. Die Nutzung rostresistenter Sorten ist die ökonomischste und umweltverträglichste Strategie, um Ertragsverluste zu reduzieren.
In der vorliegenden Arbeit, die die Struktur der Pathogenpopulation analysiert, wurden 107 Einpustelisolate auf 24 Differenzialsorten mit bekannten Resistenzen untersucht. Die Isolate wurden 39 Pathotypen zugeordnet. Die Isolate enthielten sieben bis 16 und im Mittel 11.72 Virulenzen. Signifikante phänotypische und genetische Unterschiede hinsichtlich der Regionen, in denen gesammelt wurde, konnten sowohl innerhalb als auch zwischen den Populationen beobachtet werden. Es gab keinen gemeinsamen Pathotyp in diesen Regionen. Regionale Unterschiede hinsichtlich der genetischen Variation der Pathotypen deuten darauf hin, dass die Weizensorten auf regionaler Basis entwickelt und für die Produktion zugelassen wurden.
Die Gelbrostresistenzgene von 40 äthiopischen Saat- und Durumweizensorten wurden sowohl mit klassischen als auch mit molekularen Methoden identifiziert. Bei der klassischen Methode wurden die Yr-Gene der Sorten dadurch bestimmt, dass ihre Reaktionsmuster gegenüber 20 Gelbrostisolaten mit denen der Differenzialgenotypen verglichen wurden. Von den getesteten 24 Saatweizen wurden in 18 Sorten die Resistenzgene Yr2, Yr3b, Yr4, Yr6, Yr7, Yr8, Yr9, Yr27, Yr32, YrA, und YrSu nachgewiesen Von den getesteten 15 Durumweizen enthielten fünf die Gene Yr3b, Yr8, Yr27, Yr32, und YrA in unterschiedlichen Kombinationen.
Mikrosatellitenmarker wurden für die Kartierung der Resistenzgene in vier resistenten Saatweizensorten eingesetzt. Die F2-Kartierungspopulationen wurden durch Kreuzung der resistenten Eltern mit der anfälligen deutschen Sorte Thasos erstellt. Mit Hilfe der Bulk-Segregant-Analyse wurden Mikrosatelliten identifiziert, die an den Resistenzlocus gekoppelt sind. Kopplungsanalysen und -karten wurden für die molekularen Marker und die Resistenzen mit Hilfe von Jointmap erstellt. In der Sorte Suf-Omer sind die Markerloci Xgwm181, Xgwm340 und Xgwm247 auf Chromosom 3BL an das Yr-Gen mit Rekombinationsraten von 4,4%, 7,8% und 15,2% gekoppelt. Die Markerloci Xgwm759 und Xgwm131 auf Chromosom 1BL sind mit dem Yr-Gen der Sorte Wetera mit Rekombinationsraten von 4,2 und 6,8% gekoppelt. Der Marker Xgwm577 ist mit einer Rekombinationsrate von 14,7% mit dem Yr-Gen in der Sorten Wabe gekoppelt. Dieser Marker ist auf dem langen Arm von Chromosom 7B lokalisiert. Ein weiterer gekoppelter Marker, Xgwm238, hat eine Rekombinationshäufigkeit von 28%.

Stripe rust of wheat caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici is an economically important disease in most parts of the world. In Ethiopia, grain yield losses in susceptible common wheat cultivars range from 30 to 69%. Use of rust resistant cultivars is the most economical and environment friendly strategy for reducing yield losses.
To investigate the pathogen population structure, 107 single-pustule isolates were tested on 24 differential genotypes with known resistance genes. The isolates belonged to 39 pathotypes. The number of virulences in these isolates ranged from 7 to 16 with an average of 11.72. Significant phenotypic and genetic differences were detected within and between populations in respect to the regions of collections. No common pathotype was shared by these regions. The regional difference in terms of genetic variation of the pathotypes might indicate that wheat cultivars could have been developed and released for production on a regional basis.
The stripe rust resistance genes from 40 Ethiopian commercial bread and durum wheat cultivars were identified following both the classical and molecular approach. In the classical approach, the Yr genes from the cultivars were postulated by comparing the reaction patterns of the commercial cultivars with those displayed by the differential genotypes to 20 stripe rust races. Of 24 bread wheat cultivars tested 18 cultivars were postulated to have stripe rust resistance genes Yr2, Yr3b, Yr4, Yr6, Yr7, Yr8, Yr9, Yr27, Yr32, YrA, and YrSu while the five durum wheats, out of 15 tested were assumed to have genes Yr3b, Yr8, Yr27, Yr32, and YrA in different combinations.
Microsatellite markers were applied to map the resistance genes from three resistance bread wheat cultivars. F2 mapping populations were developed by crossing the resistant parents with the susceptible German variety Thasos. Bulk segregant analysis was used to identify microsatellite markers linked to the resistance locus. Linkage analysis and map construction for molecular markers and the resistance were performed using jointmap. In the cultivar Suf-Omer markers loci Xgwm181, Xgwm340 and Xgwm247 on chromosome 3BL were linked to the Yr gene with recombination rates of 4.4%, 7.8% and 15.2%, respectively. Markers loci Xgwm759 and Xgwm131 of chromosome 1BL were linked to the Yr gene in the cultivar Wetera with recombination rates of 4.2% and 6.8%, respectively. Marker Xgwm577 was linked with a recombination rate of 14.7% to the Yr gene in cultivar Wabe, this marker is located on the long arm of chromosome 7B. The other linked marker was Xgwms238 which has a recombination frequency of 28%.

Keywords:
Weizen, Gelbrost, Puccinia striiformis f. sp. tritici, pathogene Häufigkeit, Komplexität, pathogenische Vielfalt, Genpostulation, SSR Marker und Genkartierung

Wheat, Stripe rust, Puccinia striiformis f. sp. tritici, virulence frequency, complexity, pathotype diversity, gene postulation, SSR markers and gene mapping

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Table of contents, List of abbreviations
1. Introduction (1-5)
2. Materials and methods (6-23)
3. Results (24-50)
4. Discussion (51-60)
5. Summary (61-63)
6. Zusammenfassung (64-67)
7. Reference (68-80)
8. List of Figures (81)
9. List of Tables (82-83)
10. Appendix (84-89)