Genetics of host-pathogen interactions in the cereals-powdery mildew fungus (Blumeria graminis) pathosystem

Mgr. Eva JANÁKOVÁ

Doctoral thesis

Genetics of host-pathogen interactions in cereals-powdery mildew (Blumeria graminis) system

Abstract:

Increasing human population along with climate change represent a challenge to meet growing demand of food crop production. Cereals including wheat, the most widely cultivated crop, have a major importance in global food security. Apart from other factors, production is threatened by diverse biotic stress agents. Fungal pathogen Blumeria graminis causes a powdery mildew disease on cereals which can result in significant yield losses. To date, control measures have consisted predominantly in application of fungicides or deployment of major resistance (R) genes in grown cultivars. However, these strategies do not fully meet requirements for sustainable and durable crop protection. Although employing disease resistance is highly desirable, it is necessary to seek durable sources of resistance or to rationally deploy appropriate combinations of R genes. This thesis presents a concise summary of state-of-the-art knowledge on plant-pathogen interactions with emphasis laid on the pathosystem of cereals and powdery mildew fungus. First, it contains general information about studied organisms and especially about their genomes. Second, it deals with different types of plant-pathogen interactions resulting in resistance and finally, the most important aspects of current approaches used for identification of interacting components are discussed. As a follow-up to the provided theoretical background, two research projects are presented. The first one was conducted on host plant represented by bread wheat. Due to the limited gene pool of modern elite cultivars, introgressions from related species have been acknowledged as a rich source of genetic diversity. A powdery mildew resistance QTL had been therefore previously introgressed from tetraploid Triticum militinae to T. aestivum chromosome arm 4AL. The main goal of this project was map-based cloning of underlying gene(s) to elucidate mechanism of this partial, broad-spectrum resistance and facilitate its deployment in breeding. Additionally, the second project focusing on the pathogen genetic diversity and the repertoire of its avirulence effectors was addressed in parallel. The results of this research offer a promising perspective of pathogen-informed strategies for sustainable powdery mildew resistance in cereals. Moreover, findings acquired within both projects contribute to our knowledge on the complex problematics of plant-pathogen interactions and disease resistance.

Abstract:

Narůstající lidská populace spolu se změnou klimatu představují výzvu vzhledem k nutnosti uspokojit rostoucí požadavky na produkci plodin, které jsou zdrojem naší obživy. Obiloviny zahrnující i pšenici, nejrozšířenější plodinu na světě, mají pro zajištění dostatku potravin klíčový význam. Jejich produkce je ohrožena mimo jiné různými původci biotického stresu. Houbový patogen Blumeria graminis způsobuje chorobu obilovin známou jako "padlí", která může vést k významnému snížení výnosu. Dosud převažující kontrolní opatření spočívají v aplikaci fungicidů a ve využití rasově specifických genů rezistence (R geny) v pěstovaných kultivarech. Tyto strategie však úplně nesplňují požadavky na udržitelnou a trvalou ochranu plodin. Přestože je využití rezistence vůči chorobám velmi žádoucí, je nutné hledat zdroje trvalé rezistence, případně vhodně kombinovat R geny. Tato práce stručně shrnuje současné poznatky o interakcích hostitele a patogenu s důrazem kladeným na patosystém obilovin a padlí travního. V první řadě obsahuje obecné informace o studovaných organismech a zvláště o jejich genomech. Dále se práce zabývá různými typy interakcí hostitele a patogenu, které vedou k rezistenci. Kromě toho jsou zde probrány i nejdůležitější aspekty přístupů, které jsou v současnosti používány pro identifikaci interagujících komponent. Na uvedená teoretická východiska následně navazují dva prezentované výzkumné projekty. První z nich se zabývá hostitelskou rostlinou, v tomto případě pšenicí. Vzhledem ke zúžené genetické základně moderních kultivarů jsou introgrese z příbuzných druhů cenným zdrojem genetické diverzity. Za tímto účelem byl do chromozomového ramene 4AL pšenice seté přenesen lokus pocházející z tetraploidního druhu Triticum militinae poskytující kvantitativní rezistenci k padlí travnímu. Hlavním cílem tohoto projektu bylo poziční klonování zodpovědného genu/genů, které umožní objasnit mechanismus této částečné, širokospektrální rezistence a usnadní její využití při šlechtění. Druhý z projektů řešený paralelně byl pak zaměřen na genetickou diverzitu patogenu a na soubor jeho efektorů avirulence. Výsledky tohoto výzkumu nabízí slibnou perspektivu udržitelné strategie rezistence k padlí travnímu obilovin založenou na znalosti populace patogenu. Kromě toho poznatky získané v rámci obou projektů přispívají k našemu porozumění složité problematiky interakcí hostitele a patogenu a odolnosti vůči chorobám.

Keywords

obiloviny, pšenice, ječmen, padlí travní, geny rezistence, avirulence, efektory patogenu, poziční klonování, celogenomová asociační studie, introgrese, diverzita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 2. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 27. 5. 2019
• Supervisor: Mgr. Miroslav Valárik, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Molecular and Cell Biology