Dokument: Effects of Cercospora leaf spot disease on sugar beet genotypes with contrasting disease susceptibility

Titel:	Effects of Cercospora leaf spot disease on sugar beet genotypes with contrasting disease susceptibility
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=32926
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150202-083032-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schmittgen, Simone [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,25 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 07.01.2015 / geändert 07.01.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Rascher, Uwe [Gutachter] Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter]
Stichwörter:	phenotyping, plant-pathogen interaction, Magnetic Resonance Imaging, molecular analysis, hyperspectral imaging
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The fungal pathogen Cercospora beticola causes the most destructive foliar disease of sugar beet, namely Cercospora leaf spot (CLS), which results in economically important yield losses. Current breeding efforts aim at developing sugar beet lines with lower fungal susceptibility as well as high productivity to ensure reduced fungicide applications in the context of integrated pest management. However, the main challenge remains to select sugar beet genotypes that produce the required yield quality and quantity, and to quantify their defense ability. Well-established visual disease scoring can be supported and supplemented by new techniques that enable earlier disease detection and genotype resistance classification. In this thesis, visual disease scoring was combined with novel invasive and non-invasive techniques to analyze shoot and root disease responses to Cercospora infection. The fungal growth within the sugar beet leaf tissue was quantified using molecular analysis of the fungal calmodulin gene. This allows for the pre-selection of resistant genotypes before disease symptoms were visible. It could be shown that plants with high susceptibility (HS) allowed a stronger fungal colonization in the leaf tissue than ones with low susceptibility (LS). These results correlated with the respective disease severity. The HS genotypes consistently displayed more severe disease symptoms than LS plants. In particular, the moderately susceptible (MS) genotype seemed to be a promising candidate according to its variable response indicating a more adaptable reaction to changing environmental conditions. Therefore, this MS genotype might produce more yield under low-to-moderate disease pressure compared with HS plants, which would be comparatively more strongly infected and deliver reduced yield. The cuticle forms a barrier between the plant and the environment and therefore provides resistance against pathogens. Cuticular wax may affect host-pathogen recognition and conidia adhesion on the leaf surface. In this study, LS plants were found to contain larger amounts of cuticular waxes. Mature leaves, which showed reduced fungal colonization, also had higher wax levels than immature leaves. Further experiments are needed to investigate the precise role of sugar beet cuticular waxes on C. beticola infections. Field evaluations are essential for the characterization and selection of sugar beets with increased resistance, because controlled greenhouse experiments differ from agricultural growth conditions. In this regard, spectral sensors are the interface between field and greenhouse. They can be used to monitor disease progression non-invasively before and after symptom development, and to quantify leaf damage with the use of vegetation indices in a breeding scenario. In a field experiment of this study, the leaf signatures of infected sugar beet genotypes were quantified at a progressed disease stage. It could be shown that vegetation indices for quantifying canopy greenness (NDVI – Normalized Difference Vegetation), leaf water content (LWI) and Cercospora leaf spot disease (CLSI) correlated significantly with plant susceptibility. Laboratory measurements of leaf transmittance using the new Abstract HyperART-system, which is developed in a complementary PhD project at IBG-2, enables leaf absorbance quantification and provides insight into the signature changes at the first signs of CLS. Detailed time-courses of foliar disease effects on taproot development were monitored and quantified by Magnetic Resonance Imaging (MRI). An early growth reduction within two weeks after inoculation was investigated during a low foliar symptom expression phase according to initial measurements of cell damage caused by fungal colonization and ramification in the leaf tissue. Plants displayed an increased growth of cambial rings that were connected to new, non-inoculated leaves. This response partly compensated for the reduced growth of cambial rings that were associated with inoculated leaves. The sugar beet genotypes showed different taproot growth after CLS infestation. These plant responses on root performance could be associated with susceptibility. For resistance breeding, these might be potential traits to select candidate genotypes and to elucidate the physiologically underlying mechanisms to ensure both yield quantity and quality. Using a combination of invasive and non-invasive methods, this study revealed plant responses above and below the ground during foliar infection at different disease stages. Moreover, a full picture of sugar beet responses to Cercospora leaf spot was obtained. In addition to visual disease scoring, plant resistance can be verified with novel detection systems such as MRI, molecular analysis and spectral imaging, which provide a more detailed view of disease progression. Therefore, the new techniques can assist breeders to identify sugar beet varieties with increased fungal resistance. In particular, the early detection of reduced taproot growth with MRI has the potential to facilitate the discovery of traits associated with enhanced resistance. Die Cercospora-Blattfleckenkrankheit kann weltweit zu erheblichen ökonomischen Ernteverlusten an Zuckerrüben führen. Durch die im Rahmen des integrierten Pflanzenschutzes geforderte Chemikalienreduktion gewinnt der Aspekt der pflanzlichen Pathogenresistenz an Bedeutung. Aufgrund dessen sind insbesondere Genotypen mit geringer Anfälligkeit und zeitgleich hohem Ernteertrag für die Züchtung gefragt. Bei der Auswahl geeigneter Genotypen spielen Selektionsmethoden wie die klassische Bonitur der Befallsstärke eine wesentliche Rolle. Eine Ergänzung ist durch moderne Methoden möglich, durch die eine frühzeitigere Krankheitserkennung und Klassifizierung von Genotypen in Resistenzklassen erzielt werden kann. In dieser Dissertation wurden Pflanzenreaktionen im Spross- und Wurzelwachstum verschiedener Zuckerrübengenotypen während des Blattkrankheitsverlaufes mittels invasiver sowie nicht invasiver Methoden quantifiziert. Die Quantifizierung des Pilzwachstums im Blattgewebe erlaubt bereits vor Auftreten der ersten Krankheitssymptome eine Einstufung der Zuckerrübengenotypen in Resistenzklassen. Mit Hilfe der quantitativen real-time PCR Analyse des C. beticola Calmodulingens zeigte sich, dass Pflanzen mit erhöhter Anfälligkeit eine größere Pilzmenge im Blattgewebe aufwiesen. Diese dem Pathogen gegenüber anfälligeren Pflanzen zeigten eine reproduzierbare Antwortreaktion, die ein erhöhtes Pilzwachstum und eine höhere Befallsstärke beinhaltete. Insbesondere der moderat anfällige Genotyp zeigte eine variable Reaktion, die auf eine bessere Anpassung an vorherrschende Umwelteinflüsse hindeutete und diesen als vielversprechenden Kandidaten der Resistenzzüchtung erschienen ließ. Bei einem gering bis mäßig starkem Krankheitsdruck wäre zum einen der stark anfällige Genotyp bereits stärker befallen und in Biomasse reduziert und zum andern der weniger anfällige Genotyp noch nicht vergleichbar schnell gewachsen, um einen erhöhten Ernteertrag aufweisen zu können. Die Kutikula bildet eine Barriere zwischen Pflanze und Umwelt und verleiht Resistenz gegen Pathogene. Kutikuläre Wachse können sich auf die Pflanze-Pathogen- Erkennung sowie auf die Sporenanhaftung auf der Blattoberfläche auswirken. In dieser Studie wies der weniger anfällige Genotyp eine erhöhte Wachsmenge auf. Auch ausgewachsene Blätter zeigten neben einem geringen Pilzwachstum eine erhöhte Wachsmenge. Weitere Untersuchungen sind diesbezüglich notwendig, um den möglichen Einfluss der Wachsschicht auf die pflanzliche Abwehr und die Pflanze-Pathogen Erkennung zu ermitteln. Feldevaluierungen sind für die Auswahl und Charakterisierung von Genotypen mit verstärkter Resistenz unerlässlich, da sich die Bedingungen im kontrollierten Gewächshaus und auf agrarwirtschaftlichen Flächen unterscheiden. Diesbezüglich stellen Spektrometer aufgrund ihres breiten Anwendungsbereiches eine Schnittstelle zwischen Gewächshaus und Feld dar. Basierend auf der Blattsignatur ermöglichen diese eine Überprüfung des Krankheitsverlaufes vor und nach Sichtbarwerden von Zusammenfassung Blattsymptomen. Die aus dem Feldversuch gewonnenen Vegetationsindices des Chlorophyllgehaltes (NDVI – Normalized Difference Vegetation), des Wassergehaltes (LWI - Leaf Water Index) und der Cercospora-Befallsstärke (CLSI - Cercospora Leaf Spot Index) zeigten eine signifikante Korrelation mit den Resistenzklassen der einzelnen Genotypen. Unter Laborbedingungen kann die in einer parallelen Dissertation am IBG-2 entwickelte HyperART-Station möglicherweise dazu genutzt werden die Krankheitsentwicklung vor Auftreten der Blattsymptome zu detektieren, da zusätzlich zum reflektierten auch das transmittierte Licht erfasst wird. Detaillierte Zeitverläufe des Rübenkörperwachstums während der Krankheitsentwicklung zeigten bereits zwei Wochen nach Inokulation einen mit Magnetresonanz Imaging (MRI) quantifizierbaren Reduktionseffekt, der bei einem bis dahin geringen Blattschaden von unter 1% befallener Blattfläche auftrat. Inokulierte Pflanzen wiesen ein verstärktes Wachstum der Kambienringe auf, die mit neugebildeten, nicht inokulierten Blättern versorgt wurden. Dies kompensierte teilweise das reduzierte Wachstum der unzureichend versorgten, mit infizierten Blättern verbundenen Kambienringe. Die Genotypen zeigten Unterschiede im Rübenkörperwachstum sowie in der krankheitsinduzierten Reaktion. Diese Unterschiede im Wurzelwachstum ließen sich mit der Genotypenanfälligkeit in Verbindung setzen. Hierdurch lassen sich möglicherweise neue Selektionseigenschaften erschließen, die sowohl Anwendung in der Resistenzzüchtung finden als auch physiologischen Untersuchungen der zugrundeliegenden Mechanismen dienen könnten. In dieser Studie wurden Effekte der Blattfleckenkrankheit in Spross- und Wurzelentwicklung während verschiedener Krankheitsstadien mit invasiven und nicht invasiven Methoden quantifiziert. Darüber hinaus konnte ein Gesamtbild krankheitsinduzierter Reaktionen gewonnen werden. Der Anfälligkeitsgrad der Genotypen wurde auf verschiedenen Ebenen mittels klassischer Bonitur sowie modernen Detektionssystemen wie MRI, molekularer Analyse und spektralen Messungen erfasst, wodurch ein detaillierter Einblick in die Krankheitsentwicklung ermöglich werden konnte. Diese Methoden eignen sich demnach für die Resistenzzüchtung von Zuckerrüben, um Genotypen mit geringer Anfälligkeit gegenüber C. beticola zu charakterisieren. Insbesondere die frühe und folglich fortschreitende Reduktion des Rübenkörperwachstums bietet Gelegenheit bestimmte Wurzel- oder Wachstumseigenschaften zu ermitteln, die als Selektionsfaktoren in die Zuckerrübenresistenzzüchtung einfließen können.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	02.02.2015
Dateien geändert am:	02.02.2015
Promotionsantrag am:	07.08.2014
Datum der Promotion:	08.12.2014