Forschungs- und Innovationsprojekt
IdeMoDeResBar-II – Identifikation, Modifikation und Nutzung von Resistenzen gegen bedeutende Pathogene der Gerste

Das im Dezember 2016 gestartet Forschungsverbundprojekt „IdeMoDeResBar“ geht in die zweite Runde. „IdeMoDeResBar-II“ gehört zum gemeinsamen BMBF- und BMEL-Fördermodul "Plant Breeding Research for the Bioeconomy" und unterstützt die Vernetzung von Wissenschaft und angewandter Züchtungsforschung mit dem Fokus auf nachhaltige und wirtschaftliche Nahrungs- und Futtermittelproduktion unter aktuell vorgegebenen Produktionsbedingungen.

Ziele des Projektes

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Krankes Getreide ist mit stetig wachsender Weltbevölkerung ein Risikofaktor in der Lebens- und Futtermittelproduktion. Die Krankheitsbekämpfung belastet die Umwelt, kostet Arbeitszeit und verschlechtert die Einkommensbilanz des Erzeugers. Verbraucher und Landwirtschaftsministerium fordern deshalb krankheitsresistente Sorten und gesundes Saatgut. Das Verbundvorhaben kommt dieser Forderung nach. Ziel ist die nachhaltige Verbesserung der Ertragsstabilität und Kornqualität der Gerste zur Sicherung der Nahrungs- und Futtermittelproduktion. Neue, bislang nicht nutzbare Resistenzgene gegen Pilz- und Viruserkrankungen sollen im vorliegenden Forschungsverbundprojekt in ihrer Funktion geklärt und über markergestützte Selektion Eingang in effiziente und praxisorientierte Zuchtprogramme finden.

Die Gerste wird im Feld je nach Umwelt- und Witterungsbedingungen gleichzeitig von verschiedenen Pathogenen bedroht. Im Projekt soll der Resistenzmechanismus der Gerste aufgeklärt und die Resistenz gegenüber den folgenden Pilz- und Viruskrankheiten erhöht werden:

• Zwergrost (Puccinia hordei)
• Rhynchosporium-Blattfleckenkrankheit (Rhynchosporium commune)
• Gelbmosaikvirosen (BaMMV/BaYMV)

Methoden und Ansatz

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In Projektphase II von IdeMoDeResBar werden die zugrundeliegenden Resistenzgene der Gerstenkrankheiten Gelbmosaikvirose (rym13, rym15), Zwergrost (RphMBR1012) und Rhynchosporium-Blattfecken (Rrs1) feinkartiert, in ihrer genetischen Funktion aufgeklärt und Selektionsmarker entwickelt. Zur Kartierung kommen Chromosomensortierung, NGS (Next Generation Sequencing) und Genotypisierungsverfahren mit anschließenden modernen bioinfomatischen Analysen zum Einsatz. Expressionsanalysen der zugrundeliegenden Kandidatengene, mikroskopische Untersuchung der Wirt- Pathogen-Interaktion sowie eine Validierung der gefundenen Kandidatengene durch Genome Editing und Infektionsversuche dienen der Funktionsaufklärung der bearbeiteten Resistenzgene. Resequenzierung der Kandidatengene im ausgewählten Genbank- und Züchtungsmaterial geben wichtige Hinweise zu genetischer Diversität und Herkunft der zugrundeliegenden Allele (allele mining).

Projektstruktur

• Feinkartierung der bearbeiteten Resistenzgene am jeweiligen Genort und Identifikation relevanter Kandidatengene. Markerentwicklung und Klonierung der zugrundeliegenden Resistenzgene. Aufklärung vorhandener Haplotypen und genetischen Diversität. Es werden aktuelle genomische Verfahren wie Chromosomensortierung, Genotyping by Sequencing (GBS) oder Resistance gene enrichment Sequencing (RenSeq) eingesetzt und das aktuellste Gerstenreferenzgenom genutzt.
• Vergleichende Gen-Expressionsanalysen über mehrere Zeitpunkte im Infektionsverlauf in anfälligen und resistenten Gerstenlinien bestätigen den Einfluss der jeweiligen Kandidatengene. Mikroskopische Analysen der Wirt-Pathogen-Interaktion in anfälligem und resistentem Pflanzenmaterial nach Rhynchosporium-Infektion unterstützen die Aufklärung des Resistenzmechanismus.
• Verbesserte bioinformatische Algorithmen ermöglichen Assemblierung und Annotation der Sequenzen und werden zur Datenintegration und Datenvisualisierung genutzt.
• Funktionelle Analysen der jeweiligen Kandidatengene sowie die Editierung zweier isolierter Resistenzgene gegen die Gelbmosaikvirose erfolgen unter Anwendung der CRISPR/Cas9-Technologie.
• Praxisumsetzung: Unter Einsatz der neu entwickelten molekularen Selektionsmarker werden markergestützte Züchtungssprogramme zur Einkreuzung der bearbeiteten Resistenzen in Elitezuchtmaterial durchgeführt.

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Das Projekt trägt zur Aufklärung und praktischen Nutzung von züchtungsrelevanten Resistenzgenen gegen bedeutende Pathogene der Gerste bei. Darauf aufbauende Züchtungsstrategien werden zu einer Erhöhung des Resistenzniveaus der Gerste und damit zu einer nachhaltigen, umweltgerechten, aber auch wirtschaftlichen Nahrungs- und Futtermittelproduktion im Bereich des Gerstenanbaus führen.

Ergebnisse

Short Version

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Efficient generation of disease resistant crops is gaining increasing importance as agriculture is facing the need to feed a growing world population as well as a demand for sustainable feed and food production.
Barley leaf diseases such as barley yellow mosaic virus (BaMMV/BaYMV, rym13, rym15), leaf rust (Puccinia hordei, RphMBR1012), and scald (Rhynchosporium commune, Rrs1) can cause serious yield losses. The introgression of naturally occurring resistances in economically relevant barley varieties is a sustainable alternative to fungicide treatment, while at the same time enhances yield stability. Thus, IdeMoDeResBar-P2 aims at identification, functional and diversity characterization as well as application of selected resistance genes in breeding.

The LfL addresses in project part D the identification, functional and diversity analysis of the complex major resistance gene Rrs1 against scald. In particular, we examine the Rrs1Rh4 allele of the Spanish landrace SBCC145 providing efficient field resistance by generating a physical map of chromosome 3H of this landrace and performing synteny analysis to relevant barley and grass genomes. We will employ a targeted genotyping by sequencing (tGBS) approach to explore allele diversity. Microscopic analysis of host-pathogen-interactions will complement functional validation by expression analysis, targeted mutagenesis by Cas9 endonuclease and infection assays.

Findings of this research are directly applied in barley breeding by developing and exploiting molecular markers to integrate favorable resistance genes/alleles into modern high performance varieties. Consequently, the project can provide genotypically and phenotypically validated advanced breeding material that improves the genetic diversity of cereal resistance and accelerates the generation of resistant varieties.

Projektinformation
Projektleitung: Dr. G. Schweizer, Dr. B. Büttner
Projektbearbeitung: S. Eibel, P. Greim
Laufzeit: 01.04.2020 – 31.01.2023
Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Projektträger: PtJ, Forschungszentrum Jülich, Modul Plant Breeding Research for the Bioeconomy
Förderkennzeichen: 031B0887D