Computergestützte Ableitung von GxGxE-Wechselwirkungen zur Identifizierung klimaresistenter Pathogenresistenzen bei Gerste (Co-Pan-Genom), Teilvorhaben C (BarleyCOPA)
Die Resistenz von Nutzpflanzen und die Schwere von Epidemien werden durch die Wechselwirkung zwischen den Genotypen der Nutzpflanzenwirte und den Genotypen der Krankheitserreger unter bestimmten klimatischen und ökologischen Bedingungen bestimmt. Diese Wechselwirkungen zwischen Genotyp x Genotyp x Umwelt (GxGxE) bestimmen die Widerstandsfähigkeit künftiger Krankheitsresistenzen bei Nutzpflanzen. In der modernen Züchtung werden daher neue genetische Quellen für Krankheitsresistenz benötigt, die robust gegenüber der Vielfalt von Krankheitserregern und Veränderungen der Umweltfaktoren sind und die durch klassische GWAS oder QTL-Kartierungen, die die GxGxE-Wechselwirkungen ignorieren, nicht umfassend aufgedeckt werden können.
In diesem Forschungsprojekt liegt der Fokus auf Gerste und zwei ihrer Hauptpathogene: Fusarium graminearum, das für die Fusarium-Kopffäule (FHB) verantwortlich ist, die auch durch die Produktion von Mykotoxinen gekennzeichnet ist, und Ramularia collo-cygni, der Erreger der Ramularia-Blattfleckenkrankheit (RLS). Beide Krankheiten haben sich mit den veränderten klimatischen Bedingungen seit den 1980er Jahren immer weiter ausgebreitet und verursachen immer mehr Ertragsverluste.
Die Züchtung von Resistenzen gegen diese Krankheitserreger wird jedoch durch den starken Einfluss von GxGxE-Wechselwirkungen erschwert, was bedeutet, dass Gerstengenotypen je nach abiotischen Bedingungen nicht durchgängig resistent gegen die Erregerstämme sind. Die Arbeitshypothese besagt, dass neue Methoden der Genom-zu-Genom-Assoziationen (GtoG oder co-GWAS), die die genetische Vielfalt der Gerste (SNPs im Gersten-Pan-Genom oder Kopienzahl-Varianten (CNVs)) und die pathogene Vielfalt (SNPs und CNVs) in verschiedenen Umgebungen gemeinsam nutzen, einen neuen Katalog neuartiger Resistenzen liefern, die spezifisch oder resistent gegenüber klimatischen Faktoren sind.
Projektdurchführung
Für die Projektdurchführung steht eine einzigartige Kombination von Fachwissen aus den Bereichen theoretische Evolutionsbiologie, statistische Inferenz, Populations(pan)genomik, molekulare Phytopathologie, Fernerkundungsmethoden und Pflanzenzucht zur Verfügung. Es wird ein neuartigr GtoG-Rahmen entwickelt, der die genetische Vielfalt der Gerste, die Genomevolution von Krankheitserregern sowie epidemiologische und klimatische Daten über verschiedene Feldstandorte hinweg integriert, um die genetischen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Gerste, Krankheitserreger und Umwelt aufzudecken. Die Daten werden in einem einzigartigen Versuchsaufbau auf fünf Feldern in ganz Deutschland erhoben, auf denen 200 sequenzierte (Vollgenom und SNParray) Gerstenlinien (Wildgerste, Landrassen und modernes Zuchtmaterial) angebaut werden.
Über zwei Jahre werden mehr als 1.000 Isolate von Fusarium und Ramularia auf den Feldern gesammelt und sequenziert. Darüber hinaus wird über vier Jahre auf jedem Feld eine Überwachung der Krankheitsschwere durch Fernerkundungsmethoden (Drohnen, Hyperspektralkameras) und qPCR-Quantifizierung durchgeführt, um die Phänotypen zu bestimmen und die Bedeutung klimatischer Faktoren für die Krankheitsdynamik zu bewerten. Mithilfe der neuartigen GtoG-Methode können Gene vorhergesagt werden, die die Resistenz der Gerste gegen bestimmte Erregerstämme und ihre Robustheit gegenüber Umweltbedingungen unterstützen.Aktualität und Originalität der Forschung
Im Projekt werden die genetischen Grundlagen für die quantitative Resistenz und die Auswirkungen abiotischer Faktoren unter kontrollierten abiotischen Bedingungen mit Hilfe der Transkriptomik von Gerste und Pathogenen weiter validiert werden. Diese Ergebnisse werden den privaten Züchtungspartnern der HSWT unschätzbare Daten über eine Reihe von Gerstensorten unter einer Reihe von Umweltbedingungen liefern und auch auf Sorten hinweisen, die in verschiedenen Umwelten eine Resistenz gegen Krankheitserreger aufweisen. Diese Sorten werden in der ersten Phase verwendet, um durch Kreuzung neue Gerstenlinien mit verbesserter Resistenz gegen Fusarium und/oder Ramularia zu erzeugen.
Im Rahmen des Projekts werden neuartige Bioinformatik-Ressourcen, große Mengen an genomischen Informationen, wissenschaftliche Erkenntnisse und bessere Gerstensorten für den Pflanzenbau erzeugt werden. So wird ein Nutzen für die biologische Vielfalt und die Ressourceneffizienz von Kulturpflanzen erzielt, indem Instrumente bereitgestellt werden, um den chemischen Pflanzenschutz durch klimaresistente, krankheitsresistente Gerste zu ersetzen.
Partner
Adressierte SDGs (Sustainable Development Goals)
