Resistance breeding in maize (Zea mays L.) against the European corn borer (Ostrinia nubilalis Hübner) and the use of DNA-markers for marker-assisted selection

Abstract

The European corn borer (Ostrinia nubilalis Hb., ECB) is an important pest in maize production. Feeding of ECB larvae causes grain yield losses of up to 30% and promotes ear and stalk rots caused by Fusarium spp.. Maize cultivars carrying the Bt gene are highly resistant to ECB larvae feeding. However, the use of transgenic cultivars is controversially discussed. In contrast, the natural host plant resistance (HPR) is regarded as more durable. The main objective of this study was to identify quantitative trait loci (QTL) for HPR against ECB and to draw conclusions about their usefulness in marker-assisted selection (MAS). The specific research questions were: (1) Where are QTL for ECB resistance and related agronomic traits located in the maize genome and what are their genetic effects? (2) How consistent are QTL detected across unrelated populations? (3) How consistent are QTL detected for line per se and testcross performance? (4) Which physiological mechanisms underlie the resistance against ECB larvae feeding? (5) What is the association between ECB resistance and mycotoxin concentrations in grain maize? Two unrelated dent populations (A and B) were developed. For Experiment 1 the F2:3 families were evaluated for line per se performance for ECB resistance. All F2:3 families of Population B were testcrossed with a susceptible tester line and also evaluated for ECB resistance (Experiment 2). Two sets of F2:3 families from Population B, each comprising the most resistant and the most susceptible lines, were selected (Experiment 3). In Experiment 4, 10 maize cultivars consisting of four pairs of transgenic hybrids and their isogenic counterparts were used to determine the association between mycotoxin concentration and ECB resistance. All entries in Experiment 4 were analyzed for mycotoxin concentration of deoxynivalenol (DON), fumonisin (FUM), fusarenon-X (FUS), moniliformin (MON) and nivalenol (NIV) in grain samples. In all four experiments, resistance to ECB larvae feeding was evaluated using manual infestation with ECB larvae. Furthermore agronomic and quality traits were recorded. In Experiment 1, two QTL for resistance were detected in Population A, both explaining about 25% of the genotypic variance. No common QTL for resistance traits was found across Populations A and B. Possible explanations for the low consistency of QTL across populations are a low power of QTL detection caused by small population sizes, sampling, and environmental effects. Furthermore, population-specific QTL regions cannot be ruled out. In Experiment 2, six QTL for resistance explaining 27% of the genotypic variance were found for testcross performance. Three common QTL for resistance were detected for line per se and testcross performance. Phenotypic as well as genotypic correlations between line per se and testcross performance were low for resistance, indicating a moderate consistency across the different types of progeny. The low consistency across both types of progeny is presumably attributable to the low power of QTL detection in TC progenies caused by a decreased genotypic variance and masking effects of the tester allele. Despite the low consistency of QTL across populations and progenies in the present study, a comparison with other reports from the literature revealed that most of the QTL occurred in clusters. Given the low percentage of genotypic variance explained by QTL-marker associations, we conclude that MAS will not be efficient for resistance breeding against ECB with the current molecular marker techniques. In Experiment 3, significant correlations were observed between resistance and quality traits, such as digestibility and stalk strength. These findings confirm the importance of increased cell-wall fortification for resistance against ECB larvae feeding, and support the hypothesis that candidate genes for resistance are involved in lignin biosynthesis. The analyses of mycotoxin concentrations in Experiment 4 showed that DON, FUM, and MON were the most prevalent mycotoxins in maize kernels. Differences between protected and infested plots were only significant for DON and FUM. Transgenic Bt hybrids showed lower mycotoxin concentrations in kernels than the other hybrids. However, only low correlations were found between ECB resistance and mycotoxin concentrations across all 10 hybrids. Therefore, selection for ECB resistance does not necessarily reduce mycotoxin concentration, suggesting that each complex of characters must be improved simultaneously by breeding. Even if MAS for resistance against the ECB does not seem promising at the moment, the information about QTL regions may be a first step for further research on possible candidate genes, e.g., brown midrib genes located in the common QTL regions with effects on the lignin biosynthesis. Genotypes with an improved digestibility, without impairing ECB resistance by reduced cell-wall strength, would be most promising.

Der Europäische Maiszünsler (Ostrinia nubilalis Hb.) ist einer der bedeutendsten Schädlinge im Maisanbau. Die Fraßtätigkeit der Larven kann bei Körnermais Ertragsausfälle bis zu 30 % verursachen und begünstigt außerdem das Auftreten von Fusarium Pilzen. Der Anbau von transgenen Maissorten, die ein Gen zur Bildung des Bacillus thuringiensis (Bt)-Toxins enthalten, wird kontrovers diskutiert, obwohl diese Hybriden über eine sehr gute Resistenz gegen den Maiszünsler verfügen. Die natürliche Resistenz der Pflanze stellt im Gegensatz dazu eine wesentlich nachhaltigere Lösung zur Schädlingsbekämpfung dar. Ziel der Studie war es ?quantitative trait loci? (QTL) zu detektieren, die mit der Vererbung der natürlichen Resistenz zusammenhängen. Dabei sollten folgende Versuchsfragestellungen beantwortet werden: (1) Wo liegen die QTL für Maiszünslerresistenz bzw. damit verbundene agronomische Merkmale und wie groß ist ihr genetischer Effekt? (2) Gibt es Übereinstimmungen von QTL zwischen nicht verwandten Populationen? (3) Wie groß ist die Übereinstimmung der QTL zwischen Linien per se und Testkreuzungsnachkommen? (4) Welche physiologischen Mechanismen liegen der Resistenz gegen den Maiszünsler in der Pflanze zu Grunde? (5) Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Maiszünslerresistenz und Mykotoxinbildung? Für den Populationsvergleich wurden zwei nicht verwandte Dent-Populationen (A und B) aufgebaut. In Experiment 1 wurden die Nachkommen der Population A hinsichtlich der Resistenzausprägung untersucht. Für Experiment 2 wurden Testkreuzungsnachkommen der Population B analysiert. Experiment 3 umfasste die Untersuchung von zwei Gruppen mit extrem anfälligen und extrem resistenten Genotypen der Nachkommen aus Population B. Für Experiment 4 wurden zehn Maishybriden hinsichtlich der Beziehung zwischen Mykotoxinbildung und Maiszünslerresistenz untersucht. Das Sortenspektrum umfasste vier Paare transgener und isogener Sorten sowie zwei Standardhybriden. Alle Versuchsglieder aus Experiment 4 wurden auf die Mykotoxine Deoxynivalenol (DON), Fuminosin (FUM), Fusarenon (FUS), Moniliformin (MON) und Nivalenol (NIV) untersucht. In allen vier Experimenten wurden die Resistenz mittels künstlichem Befallsdruck bzw. verschiedene Ertrags- und Qualitätsparameter ermittelt. In Experiment 1 konnten vier QTL für Resistenz detektiert werden, die jeweils 25 % der genotypischen Varianz erklärten. Für die beiden Populationen A und B wurden keine gemeinsamen QTL für Resistenz gefunden. Mögliche Erklärungen für die schlechte Übereinstimmung in beiden Populationen können die niedrige Güte der QTL Detektion und populationsspezifische QTL sein. In Experiment 2 wurden für die Testkreuzungsnachkommen sechs QTL für Resistenz gefunden, die 27 % der genotypischen Varianz erklärten. Die phänotypische sowie die genotypische Korrelation zwischen F2:3 Familien per se und den Testkreuzungsnachkommen waren für die Resistenz niedrig. Dies kann zum einen auf die niedrige Güte der QTL Detektion, als auch auf eine niedrige genotypische Varianz bei Testkreuzungsnachkommen und Maskierungseffekte durch die Testerallele zurückzuführen sein. Auch wenn in der vorliegenden Studie nur geringe Übereinstimmungen von QTL zwischen Populationen und zwischen Nachkommen gefunden wurden, deutet ein übergreifender Vergleich von QTL Studien darauf hin, dass die meisten QTL für Insektenresistenz in Clustern liegen. Da jedoch nur ein niedriger Anteil der genotypischen Varianz durch die QTL erklärt wurde, scheint die markergestützte Selektion zum jetzigen Zeitpunkt für die Resistenzzüchtung gegen den Maiszünsler noch nicht sinnvoll einsetzbar. In Experiment 3 wurden signifikante Zusammenhänge zwischen Resistenz und Qualitätseigenschaften, wie Verdaulichkeit und Stängelhärte gefunden. Dadurch gewinnt eine erhöhte Zellwandfestigkeit für die Resistenz gegen den Maiszünsler an Bedeutung und es scheint sich die Hypothese zu bestätigen, dass Kandidatengene für die Resistenz möglicherweise mit der Ligninbiosynthese zusammen hängen. Die Mykotoxinanalyse in Experiment 4 zeigte, dass in den meisten Fällen DON, FUM und MON in Maiskörnern zu finden waren. Zwischen den insektizid-geschützten Parzellen und den Parzellen unter Befallsdruck waren nur für die Mykotoxine DON und FUM signifikante Unterschiede zu verzeichnen. Grundsätzlich zeigten die transgenen Hybriden eine niedrigere Mykotoxinkonzentration in den Körnern als die anderen Hybriden. Die Korrelation zwischen Maiszünslerresistenz und Mykotoxinkonzentration war insgesamt nur niedrig. Auch wenn eine markergestützte Selektion für die Maiszünslerresistenz momentan noch nicht erfolgversprechend erscheint, kann die Information über die QTL Regionen ein erster Schritt auf der Suche nach Kandidatengenen sein. Für die Züchtung wären v.a. Genotypen wertvoll, die zwar über eine verbesserte Verdaulichkeit verfügen, bei denen jedoch die Resistenz gegen den Maiszünsler nicht durch eine verringerte Zellwandstabilität herabgesetzt ist.