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Doctoral Thesis
2010
Genetic variation in early maturing European maize germplasm for resistance to ear rots and mycotoxin contamination caused by Fusarium spp.
Genetic variation in early maturing European maize germplasm for resistance to ear rots and mycotoxin contamination caused by Fusarium spp.
Abstract (English)
Ear rots of maize, caused by Fusarium spp., are of major concern because they lead to losses in grain yield and contamination with mycotoxins which harm animals and humans. In the absence of other strategies, breeding maize for genetic resistance is currently the most promising avenue to control these rots and mycotoxin accumulation. The predominant pathogens in Central Europe are F. graminearum, the causative agent of Gibberella ear rot (GER), and F. verticillioides, the causative agent of Fusarium ear rot (FER). GER causes contamination with deoxynivalenol (DON), nivalenol and zearalenone (ZEA), whereas FER causes contamination with fumonisins (FUM). Information on the resistance to GER and FER and mycotoxin contamination is lacking for maize adapted to the cooler climatic conditions of Central Europe.
In this study we investigated (1) the resistance of early maturing European elite inbred lines against GER and FER and contamination of mycotoxins, (2) the genetic variances and heritabilities for ear rot ratings and mycotoxin concentrations, (3) the correlations of ear rot ratings with mycotoxin concentrations, (4) the correlations between line per se (LP) and testcross performance (TP) for GER rating and DON concentration, (5) the aggressiveness of and mycotoxins produced by different isolates of F. graminearum and F. verticillioides, and (6) the potential of near infrared spectroscopy (NIRS) to estimate concentrations of DON and FUM in maize grains under artificial inoculation.
Significant genotypic variances and moderate to high heritabilities were found for GER, DON and ZEA among the inbred lines and for GER and DON among the testcrosses, as well as for FER and FUM among the inbred lines. Further, genotype x environment interaction variances were significant for all traits except FUM. Thus, the results underlined the presence of ample genotypic variation and the need to conduct multi-environment tests for reliable identification of resistant genotypes.
Ear rot ratings and mycotoxin production of eight isolates each of F. graminearum and F. verticillioides differed significantly. Even though, isolate x inbred interactions were significant only in the case of F. graminearum, and no rank reversals occurred among the tested inbred lines. Most isolates differentiated the susceptible inbreds from the resistant ones for severity ratings. However, the differences between the two groups were smaller for the less aggressive isolates. Therefore, we recommend using a single, environmentally stable and sufficiently aggressive isolate for resistance screenings under artificial inoculation.
Strong correlations between ear rot severity and mycotoxin concentrations indicated that selection for low ear rot severity under artificial inoculation will result in high correlated selection response for low mycotoxin concentration, particularly for GER and DON. Selection for ear rot severity is less resource-demanding and quicker than selection for mycotoxin concentration. Thus, it enables the breeder to maximize selection gain for a given budget. However, the selected elite material should be evaluated for mycotoxin concentrations in order to avoid ?false positives?. In this regard, NIRS showed high potential to predict DON concentrations in grain obtained from artificially inoculated maize. Compared to the commonly employed ELISA assay, NIRS assays are considerably cheaper, because no mycotoxin extractions and test kits are needed.
We observed moderate positive correlations between GER and FER, and identified inbreds combining resistance to both ear rots. Therefore, selection for resistance to one pathogen is expected to result in indirect response to the other. Nevertheless, in advanced stages of each breeding cycle, lines preselected for other agronomically important traits should be evaluated for resistance to both pathogens.
Genotypic variances for GER and DON were generally higher in LP than TP. Thus, assuming identical selection intensities for each scheme, the expected response to selection for LP should be higher than for TP. However, owing to moderate correlations between LP and TP for GER and DON, selection based on LP is not sufficient, because the ultimate goal is to develop resistant hybrids. Therefore, a multi-stage selection procedure is recommended with evaluation of agronomically promising lines for GER in only one environment in order to eliminate highly susceptible lines, followed by evaluation of TP of the selected lines for GER with one tester of moderate to high resistance level from the opposite heterotic pool in two to three environments.
Abstract (German)
Die durch Erreger der Gattung Fusarium hervorgerufenen Kolbenfäulen beim Mais sind von großer Bedeutung, da sie zu Ertragsverlusten und zur Kontamination des Erntegutes mit Mykotoxinen führen. Aufgrund fehlender geeigneter Bekämpfungsmöglichkeiten ist die Züchtung von genetisch resistentem Mais der derzeit aussichtsreichste Weg, die Kolbenfäulen zu bekämpfen. Die in Zentraleuropa vorherrschenden Erreger sind F. graminearum [engl. Gibberella ear rot (GER)] und F. verticillioides [engl. Fusarium ear rot (FER)]. GER führt zur Kontamination des Erntegutes mit Deoxynivalenol (DON), Nivalenol und Zearalenon (ZEA), wohingegen FER zur Anreicherung mit Fumonisinen (FUM) führt. Für Maiszuchtmaterial, welches an die kühleren klimatischen Bedingungen in Zentraleuropa angepasst ist, liegen bislang keine verlässlichen Informationen über Resistenz gegen GER und FER vor.
In der vorliegenden Arbeit wurden (1) frühreife europäische Elite-Inzuchtlinien auf Resistenz gegen GER und FER getestet, (2) die genetischen Varianzen und Heritabilitäten für Befallsstärken und Toxinkonzentrationen geschätzt, (3) die Korrelationen zwischen Befallsstärken und Toxinkonzentrationen, sowie (4) die Korrelation zwischen Linieneigenleistung (LP) und Testkreuzungsleistung (TP) für GER-Befallsstärke und DON-Konzentrationen berechnet, (5) die Aggressivität und Toxinproduktion verschiedener Isolate von F. graminearum und F. verticillioides verglichen und (6) die Eignung der Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) zur Schätzung von DON- und FUM-Konzentrationen in Maiskörnern nach künstlicher Inokulation untersucht.
Signifikante genotypische Varianzen sowie mittlere bis hohe Heritabilitäten konnten für die Merkmale GER, DON und ZEA zwischen den Inzuchtlinien und für GER und DON zwischen den Testkreuzungen nachgewiesen werden. Gleiches gilt für FER und FUM zwischen den Inzuchtlinien. Weiterhin waren die Genotyp x Umwelt Interaktionen signifikant für alle Merkmale mit Ausnahme von FUM. Die Ergebnisse sprechen somit für das Vorhandensein ausreichender genotypischer Variation sowie die Notwendigkeit einer Prüfung in mehreren Umwelten, um eine eindeutige Identifizierung von resistenten Genotypen zu gewährleisten.
Die Befallsstärken und Toxinproduktionen der je acht Isolate von F. graminearum und F. verticillioides unterschieden sich signifikant. Trotz signifikanter Isolat x Linien Interaktionen im Falle von F. graminearum konnten keine Rangumkehrungen zwischen den untersuchten Inzuchtlinien beobachtet werden. Wenngleich die meisten Isolate bezüglich der Befallsstärke geeignet waren zur Unterscheidung zwischen anfälligen und resistenten Inzuchtlinien, fielen diese Unterschiede bei weniger aggressiven Isolaten geringer aus. Daher empfehlen wir für Resistenztests unter künstlicher Inokulation den Einsatz eines umweltstabilen Einzelisolates mit ausreichend hoher Aggressivität.
Starke Korrelationen zwischen Befallsstärke und Toxinkonzentrationen zeigten, dass eine Selektion auf geringe Befallsstärke unter künstlicher Inokulation zu einem korrelierten Selektionserfolg für niedrige Toxinkonzentrationen führt. Die Selektion auf Befallsstärke ist schneller und mit weniger Aufwand verbunden als die Selektion auf Toxinkonzentrationen. Dies ermöglicht dem Züchter die Maximierung des Selektionsgewinns im Rahmen eines vorgegebenen Budgets. In dieser Hinsicht zeigte der Einsatz von NIRS hohes Potential zur Vorhersage der DON-Konzentration in künstlich inokuliertem Mais. NIRS ist im Vergleich zu den üblicherweise genutzten ELISA-Assays bedeutend kostengünstiger, da keine Mykotoxin-Extraktion nötig ist und der Kauf von Testkits entfällt.
Eine mittlere positive Korrelation wurde zwischen GER und FER beobachtet und es konnten Inzuchtlinien identifiziert werden, welche eine Resistenz gegen beide Arten der Kolbenfäule vereinen. Folglich lässt die Selektion gegen einen der Erreger einen korrelierten Selektionserfolg für den anderen Erreger erwarten. Im fortgeschrittenen Stadium eines Selektionszyklus sollten jedoch solche Linien, welche bereits für andere agronomisch bedeutende Merkmale vorselektiert wurden, auf Resistenz gegen beide Erreger untersucht werden.
Die genotypischen Varianzen für GER und DON waren für LP generell größer als für TP. Unter Annahme gleicher Selektionsintensität ist daher der erwartete Selektionsgewinn für LP höher als für TP. Im Hinblick auf den nur mäßigen Zusammenhang zwischen LP und TP für die Merkmale GER und DON ist jedoch eine nur auf LP basierende Selektion nicht ausreichend, da das eigentliche Ziel die Entwicklung resistenter Hybriden ist. Wir empfehlen daher eine mehrstufige Selektion, beginnend mit dem Testen agronomisch vielversprechender Inzuchtlinien auf GER in einer Umwelt, gefolgt von der Evaluierung der daraus selektierten Linien auf TP in zwei bis drei Umwelten, wobei ein Tester des anderen heterotischen Pools mit mittlerer bis hoher Resistenz für GER verwendet werden könnte.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2011-02-09
Supervisor
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ISSN
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Bolduan2010,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5498},
author = {Bolduan, Christof},
title = {Genetic variation in early maturing European maize germplasm for resistance to ear rots and mycotoxin contamination caused by Fusarium spp.},
year = {2010},
school = {Universität Hohenheim},
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