Genetic analysis and physical mapping of oat crown rust resistance in Avena sativa L.

Abstract

The most destructive foliar pathogen in oat is crown rust disease caused by the fungus Puccinia coronata f. sp. avenae (Pca). It can lead to significant yield losses in favorable epidemic conditions. The most effective method of control of crown rust is genetic resistance. Although in Brazil and Australia, this pathogen has asexual reproduction, it exhibits high variability in virulence phenotypes on oat varieties, and rapid emergence of new virulent pathotypes. Therefore, breeding for resistance is a continuous process of identifying and characterizing new and effective combinations of resistance genes to be incorporated into oat varieties. Almost a hundred genes have been reported in A. sativa to confer Pca resistance. Also, other Avena species, such as A. strigosa and A. sterilis, have been identified as valuable sources of resistance to introgression into cultivated oat. A great effort has been made to investigate the genetics of resistance to develop crown rust resistant oat varieties. However, the genetic and molecular mechanisms involved with the resistance in oats are poorly understood. Only a few resistance genes have been mapped to a known genomic location. The inheritance and identification of these genes, as well as their mapping, will assist the development of new oat varieties with higher genetic resistance. A population of A. sativa with introgressed resistance from A. strigosa, involving the resistant parent '07BT333', was characterized for the genetic inheritance of crown rust resistance. The results showed the presence of three loci providing resistance to crown rust and one resistance suppressor locus. Different combinations of alleles of these four loci exhibit four different resistance phenotypes, from immunity to complete susceptibility. Another set of 14 resistant A. sativa genotypes, carrying 13 characterized and one unknown resistance crown rust resistance genes, coming from A. sterilis and A. sativa were analysed. This set of parents (donors) was used to develop the first A. sativa nested association mapping (AsNAM) population. All 14 resistant parents were crossed to Swan, a crow rust susceptible oat cultivar. The derived subpopulations were phenotypically and genotypically assessed. Eight subpopulations segregated for one resistance genes, while the other six segregated for two to five resistance genes, all with complete dominance. A total of eight QTL were identified in eight different oat chromosomes (chr4A, chr1C, chr4C, chr1D, chr2D, chr3D, chr5D, and chr7D), using the IBD-methodology. Several resistance genes were linked or allelic. The chromosomic location was identified for ten resistance genes, which location was previously unknow for six of them. On the oat genome, at regions of the SNP markers associated with identified QTL, 31 candidate genes that may be involved with crown rust resistance were identified.

A doença foliar em aveia mais destrutiva é a ferrugem da folha causada pelo fungo Puccinia coronata f. sp. avenae (Pca). Essa doença pode alcançar danos significativos sob condições favoráveis a epidemia. O melhor método de controle dessa doença e a resistência genética. Embora no Brasil e na Austrália esse patógeno tenha reprodução assexuada, apresenta alta variabilidade nos fenótipos de virulência em variedades de aveia e rápido surgimento de novos patótipos. Portanto, o melhoramento para resistência é um processo contínuo de identificação e caracterização de novas e efetivas combinações de genes de resistência a serem incorporados em variedades de aveia. Grandes esforços têm sido feitos a fim de investigar a genética da resistência e desenvolver cultivares resistentes a ferrugem da folha. No entanto o mecanismo genético e molecular envolvido na resistência em aveia ainda é pouco compreendido. Apenas alguns genes de resistência foram mapeados e possuem localização genômica conhecida. A herança e identificação desses genes, bem como seu mapeamento, auxiliarão no desenvolvimento de novas variedades de aveia com maior resistência genética. Uma população de A. sativa com resistência introgredida de A. strigosa, envolvendo o genitor resistente '07BT333', foi caracterizada para herança genética de resistência à ferrugem da folha. Os resultados demonstraram a presença de três loci conferindo a resistência a ferrugem da folha e um locus supressor da resistência. Diferentes combinações de alelos destes quatro locos exibem quatro diferentes fenótipos de resistência, de imunidade à susceptibilidade. Outro conjunto de 14 genótipos resistentes de A. sativa, carregando 13 genes caracterizados e um desconhecido de resistência à ferrugem da folha, provenientes de A. sterilis e A. sativa foram avaliados. Esse conjunto de parentais (doadores) foram usados para desenvolver a primeira população de mapeamento por associação aninhada de A. sativa (AsNAM). Todos os 14 parentais resistentes foram cruzados com Swan, uma cultivar suscetível a ferrugem da folha. As subpopulações derivadas de destes cruzamentos foram fenotipica e genotipicamente avaliadas. Oito subpopulações segregaram para um gene de resistência, enquanto as outras seis segregaram de dois a cinco genes de resistência, todos com dominância completa. Um total oito QTL foram identificados em oito cromossomos diferentes (cr4A, cr1C, cr4C, cr1D, cr2D, cr3D, cr5D e cr7D), usando a metodologia de IBD. Vários genes de resistência estavam ligados ou são alelos do mesmo gene. A localização cromossômica foi identificada para 10 genes, sendo que para seis destes, a localização era desconhecida anteriormente. No genoma da aveia, na região dos marcadores SNP associados com os QTL identificados, 31 genes candidatos foram encontrados e podem estar envolvidos com a resistência a ferrugem da folha.