Charakterisierung von Isolaten des Erregers Aphanomyces cochlioides in Europa für die Sicherung der Produktion gesunder Zuckerrüben

Abstract

Projektbeschreibung: Aphanomyces cochlioides ist ein Oomycet, der Zuckerrüben infiziert und die Zuckerausbeute signifikant senken kann. Der bodenbürtige Erreger verursacht Wurzelbrand ("Damping-off") an Jungpflanzen sowie Gürtelschorf und chronische Wurzelfäule an älteren Zuckerrüben. Die Manifestation der Symptome variiert aus unbekannten Gründen erheblich zwischen den befallenen Regionen, trotz gleicher Sorten. Dies legt eine innerartliche genetische Differenzierung nahe, die nur unzulänglich untersucht ist. Dieses Projekt trägt durch molekularbiologische und experimentelle Untersuchungen zu einem besseren Verständnis der Biologie und Entwicklung von A. cochlioides bei. Da fungizide Beizen aus Umweltschutzgründen zunehmend verboten werden, ist Sortenresistenz das einzige wirksame Bekämpfungsmittel, das auch im Rahmen des Integrierten Pflanzenschutzes eingesetzt werden kann. Die gewonnen Ergebnisse sollen zusätzlich in der Optimierung des Biotests und einer auf Genmarker basierten Genotypenanalyse als Grundlage für die Risikobewertung und die Züchtung resistenter Genotypen resultieren. Die Analyse und Kartierung der Erregerpopulationen sollen in Zukunft dazu dienen, die Auswahl der Zuckerrübensorten an die Aggressivität der jeweils lokalen Aphanomyces-Population anzupassen. Projektergebnisse: Ein erfolgreich etablierter Biotest zeigte, dass kaum qualitative Resistenz vorhanden ist, sondern eher quantitative Resistenz. Durch eine Optimierung der Versuchsbedingungen konnte eine hohe Reproduzierbarkeit innerhalb eines Labors erreicht werden, wobei es bei einigen Stämmen größere Abweichungen zwischen den Laboren gab. Dies legt nahe, dass es Faktoren gibt, wie beispielsweise die exakte Zusammensetzung der Erde, auf die einige Isolate sensibel reagieren. Daher soll zukünftig ein standardisiertes Pflanzsubstrat entwickelt werden, mit dem die Biotests noch reproduzierbarer werden könnten. Insgesamt konnten die Genome von 45 Stämmen sequenziert und assembliert werden. Die Genomsequenzierung des Referenzgenoms wurde für den Stamm mit dem besten Wachstum durchgeführt. Dieses Genom ist von herausragender Qualität, es ist auf Chromosomenebene aufgelöst (20 Scaffolds, BUSCO completeness 100 %). Es hat eine Länge von 64,5 Millionen Basenpaaren und codiert für rund 25 600 Gene. Alle 45 Stämme, die unter Zuhilfenahme des Referenzgenoms assembliert wurden, haben ebenfalls den gencodierenden Bereich des Genoms sehr gut abgedeckt, mit annähernd 100 % Vollständigkeit im Vergleich zum Referenzgenom. Die phylogenomischen Analysen auf der Basis tausender Einzelnukleotidunterschiede, deren Positionen bei alles Stämmen vorhanden waren, ergaben, dass die Stämme sehr stark differenziert sind und sich nur vier kleinere Cluster mit Proben von mehr als einem Standort finden ließen. Zugleich fanden sich Proben aus einzelnen Regionen über den ganzen Baum verteilt. Die Hoffnung, eine deutliche Populationsstruktur zu sehen oder die Möglichkeit, Linien bestimmter Eigenschaften anhand genomischer Marker differenzieren zu können, hat sich nicht erfüllt. Das Ergebnis ist jedoch ausgesprochen bemerkenswert und erweitert die Kenntnis über das Pathogen sprunghaft. Es kann dadurch zu einer neuen Bewertung und zu Strategien gegen das Pathogen führen, wie das konsequente Entfernen von Chenopodiaceen. Project objective: Aphanomyces cochlioides is an oomycete that infects sugar beets and can significantly reduce sugar yield. The soil-borne pathogen causes damping-off in young plants as well as root rot and chronic root decay in older sugar beets. The manifestation of symptoms varies significantly between affected regions for unknown reasons, despite the same varieties being used. This suggests an intraspecific genetic differentiation that has been insufficiently studied. This project contributes to a better understanding of the biology and development of A. cochlioides through molecular biological and experimental investigations. Since fungicidal seed treatments are increasingly being banned for environmental reasons, varietal resistance is the only effective control measure that can also be used within the framework of integrated pest management. The results obtained are also intended to optimize the bioassay and a genotype analysis based on genetic markers as a basis for risk assessment and the breeding of resistant genotypes. The analysis and mapping of pathogen populations are intended to serve in the future to adapt the selection of sugar beet varieties to the aggressiveness of the respective local Aphanomyces population. Project results: A successfully established bioassay showed that there is little qualitative resistance, but rather quantitative resistance. By optimizing experimental conditions, high reproducibility within a laboratory was achieved, although there were larger deviations between laboratories for some strains. This suggests that there are factors, such as the exact composition of the soil, to which some isolates are sensitive. Therefore, a standardized plant substrate is to be developed in the future to make the bioassays even more reproducible. In total, the genomes of 45 strains were sequenced and assembled. The genome sequencing of the reference genome was carried out for the strain with the best growth. This genome is of outstanding quality, resolved at the chromosome level (20 scaffolds, BUSCO completeness 100%). It has a length of 64.5 million base pairs and encodes around 25,600 genes. All 45 strains assembled using the reference genome also very well covered the gene-coding region of the genome, with nearly 100% completeness compared to the reference genome. Phylogenomic analyses based on thousands of single nucleotide differences, whose positions were present in all strains, showed that the strains are highly differentiated and that only four smaller clusters with samples from more than one location could be found. At the same time, samples from individual regions were distributed throughout the entire tree. The hope of finding a clear population structure or the possibility of differentiating lines with certain properties based on genomic markers was not fulfilled. However, this result is highly significant and greatly expands knowledge about the pathogen, as it could lead to devising new strategies against the pathogen, such as the consistent removal of Chenopodiaceae to cut infection chains.