Zurich, Switzerland
January 11, 2015
For the past few years, mildew has been able to infect triticale grain, which up to then had been resistant to this fungal disease. So how was the pathogen able to spread to a different host plant? Researchers from the University of Zurich have shown that the new pathogen is a genetic mix of existing mildew forms.
Researchers collected samples from infected grain fields all over Europe (Image: UZH)
Die Forscher sammelten verschiedene Mehltauformen (Bild UZH)
Triticale is an artificial grain type stemming from a cross between wheat and rye. Since the 1960s, triticale has been cultivated in many places as a feed grain and had proved very resistant to mildew attack. This fungal pathogen causes huge losses in cereal production. In the case of wheat, for example, the fungus can reduce the harvest by up to 45%. But triticale fields were infected for the first time in 2001, and mildew is now being reported in many triticale growing regions in Europe.
Comparison of the mildew genome confirms: The new form is a hybrid
Researchers from the University of Zurich have now examined how the mildew managed to spread to triticale. To do this, they collected samples from infected grain fields all over Europe and examined the genetic information of different forms of mildew. The genetic material (genome) of the pathogens that attack triticale, rye and wheat were then compared using bioinformatics. The comparisons showed that the new triticale fungus is a hybrid of the variants specialized in wheat and rye: 12.5% of the genome is identical to DNA sequences from the form specialized in rye, while 87.5% stems from the form specialized in wheat.
Evolution of the pathogen reflects the development of the host plant
This means that a hybrid from two mildew variants specialized in two different host plants can infect the cross between those two host plants. The study thus shows the manner in which mildew adapts to new host plants in a co-evolutionary way and can break down their resistance. The study also reveals that this recent evolutionary event was not a one-off occurrence. Around 10,000 years ago, mildew overcame the resistance of bread wheat, which was relatively new at the time, in the same way. “These results are of major significance for treating and preventing plant diseases. The more we know about the evolutionary mechanisms of mildew, the better we can keep new cultivated plants resistant to the pathogens”, explains Thomas Wicker from the Institute of Plant Biology at the University of Zurich.
Literature :
Fabrizio Menardo, Coraline R Praz, Stefan Wyder, Roi Ben-David, Salim Bourras, Hiromi Matsumae, Kaitlin E McNally, Francis Parlange, Andrea Riba, Stefan Roffler, Luisa K Schaefer, Kentaro K Shimizu, Luca Valenti, Helen Zbinden, Thomas Wicker& Beat Keller. Hybridization of powdery mildew strains gives raise to pathogens on novel agricultural crop species. Nature Genetics, 11 January 2016. Doi: 10.1038/ng.3485.
Pilz befällt neue Getreideart dank evolutivem Trick
Seit wenigen Jahren kann Mehltau die Getreideart Triticale infizieren, die vorher gegen diese Pilzerkrankung resistent war. Wie konnte der Krankheitserreger auf eine andere Wirtspflanze übergreifen? Forschende der Universität Zürich konnten zeigen, dass der neue Erreger eine genetische Mischung aus bestehenden Mehltau-Formen ist.
Triticale ist eine künstliche Getreidesorte, die aus einer Kreuzung von Weizen und Roggen hervorging. Seit den 1960er Jahren wurde Triticale vielerorts als Futtergetreide angebaut und zeigte eine hohe Resistenz gegen Befall mit Mehltau. Dieser pilzliche Krankheitserreger verursacht im Getreideanbau grosse Einbussen: bei Weizen beispielsweise kann der Pilz die Ernte um bis zu 45 Prozent verringern. Doch 2001 wurden erstmals Triticale-Felder befallen; mittlerweile kommt Mehltau in vielen Triticale-Anbaugebieten in Europa vor.
Vergleich der Mehltau-Genome zeigt: die neue Form ist ein Hybrid
Forschende der Universität Zürich haben nun untersucht, wie der Mehltau auf Triticale überspringen konnte. Sie haben dazu in ganz Europa Proben infizierter Getreidefelder gesammelt und die genomische Erbinformation verschiedener Mehltau-Formen untersucht. Das Erbgut (Genom) der Erreger, die Triticale, Roggen und Weizen befallen, wurde daraufhin bioinformatisch verglichen. Dabei zeigte sich, dass der neue Triticale-Pilz ein Hybrid der auf Weizen und Roggen spezialisierten Varianten ist: 12,5 Prozent des Genoms ist identisch mit DNS-Sequenzen aus der auf Roggen spezialisierten Form, während 87,5 Prozent von der auf Weizen spezialisierten stammen.
Evolution des Erregers spiegelt die Entstehung der Wirtspflanze
Ein Hybrid aus zwei Mehltau-Varianten, die auf zwei verschiedene Wirtspflanzen spezialisiert sind, kann also die Kreuzung aus beiden Wirtspflanzen infizieren. Die Studie zeigt damit, auf welche Art sich Mehltau co-evolutiv an neue Wirtspflanzen anpassen und deren Resistenz knacken kann. Weiter geht aus der Untersuchung hervor, dass dieser kürzlich erfolgte evolutive Vorgang nicht ein einmaliges Ereignis war. Bereits vor etwa 10'000 Jahren hat der Mehltau die Resistenz des damals relativ neuen Brotweizens auf dieselbe Art überwunden. «Für die Behandlung und die Prävention von Pflanzenkrankheiten sind diese Resultate von grosser Bedeutung. Je mehr man über die evolutiven Mechanismen des Mehltaus weiss, desto besser kann man die Resistenz neuer Kulturpflanzen gegen den Krankheitserreger bewahren», erklärt Thomas Wicker vom Institut für Pflanzenbiologie der Universität Zürich.
Literatur :
Fabrizio Menardo, Coraline R Praz, Stefan Wyder, Roi Ben-David, Salim Bourras, Hiromi Matsumae, Kaitlin E McNally, Francis Parlange, Andrea Riba, Stefan Roffler, Luisa K Schaefer, Kentaro K Shimizu, Luca Valenti, Helen Zbinden, Thomas Wicker& Beat Keller. Hybridization of powdery mildew strains gives raise to pathogens on novel agricultural crop species. Nature Genetics, 11. Januar 2016. Doi: 10.1038/ng.3485.
Topics
Species
