Towards isolation of the BaMMV resistance gene rym15 derived from the Japanese cultivar Chikurin Ibaraki 1

Barley mild mosaic virus (BaMMV) and Barley yellow mosaic virus (BaYMV), members of the genus Bymovirus in the family Potyviridae, are the causal agents for barley yellow mosaic disease in winter barley in Europe and Asia. Due to
transmission of BaMMV and BaYMV via the soil-borne plasmodiophorid Polymyxa graminis, which can survive in the soil for many years, can reinfect the roots of barley plants given the suitable environmental conditions, thus breeding of resistant cultivars is the only efficient and environmentally friendly way to prevent high yield losses caused by this disease.
In 2004, it was shown that the BaMMV resistance of Chikurin Ibaraki 1 is imparted by a single recessive gene named rym15 that is located on chromosome 6HS. This resistance gene was previously localized in a genetic map of Chikurin Ibaraki 1 ×
Plaisant, however the order of flanking markers EBmac0874 and Bmag0173 was found to be inverted compared to the previous genetic map of Hordeum vulgare Lina × Hordeum spontaneum Canada Park. Therefore, in the present study, the first step towards identifying the causal gene was to construct a medium-resolution map of the chromosome segment containing rym15. This was achieved using a set of 522 F2 plants derived from the two F2 populations Igri × Chikurin Ibaraki 1 (I×C, 180 plants) and Chikurin Ibaraki 1 × Uschi (C×U, 342 plants), respectively, derived from crosses
of different susceptible parents with the resistance donor. The phenotypic results revealed segregation ratios of 250s:92r (I×C, χ2=0.659) and 140s:40r (C×U, χ2=0.741), suggesting the presence of a single recessive resistance gene against BaMMV in Chikurin Ibaraki 1. The order of all markers was the same in both F2 populations and in accordance with the physical map (Morex v2 genome assembly). Two single nucleotide polymorphisms (SNPs)-based competitive allele specific PCR (KASP) markers designated rym15_1 and rym15_8 were selected as new flanking markers for the target locus rym15. Using these two flanking markers, two sets of 139 (I×C) and 284 (C×U) segmental recombinant inbred lines (RILs) were selected from 2174 (I×C) and 5728 (C×U) F2-plants, respectively. Subsequently, a total of 32 KASP markers were used for marker saturation of the target locus rym15 in these RILs. High-resolution maps were constructed and the target interval was downsized to 0.161 cM and 0.036 cM in the two respective crosses, corresponding to a physical interval
of 11.3 Mbp in the I×C RILs and 0.281 Mbp in the CxU RILs according to the Morex v3 genome sequence.
In the target region of 0.281 Mbp, a set of six high confidence (HC) and two low confidence (LC) genes was identified. Blast analysis revealed functional SNPs in two HC genes. This work lays the foundation for gene identification of the target locus
rym15. Die Gelbmosaikviren BaMMV (Barley mild mosaic virus) und BaYMV (Barley yellow mosaic virus) gehören zur Gattung Bymovirus in der Familie der Potyviridae und sind die Erreger der Gelbmosaikvirose der Gerste, die insbesondere in Europa und Asien aufritt. Da BaMMV und BaYMV über den bodenbürtigen Protisten Polymyxa graminis übertragen werden, dessen Dauersporen über viele Jahre im Boden überdauern und bei entsprechenden Umweltbedingungen die Wurzeln der
Gerstenpflanzen infizieren, ist die Züchtung resistenter Sorten der effizienteste und umweltfreundlichste Weg, um hohe Ertragsverluste durch diese Krankheit zu vermeiden.
Im Jahr 2004 wurde gezeigt, dass die BaMMV-Resistenz der japanischen Herkunft Chikurin Ibaraki 1 durch ein rezessives Resistenzgen (rym15) auf Chromosom 6HS bedingt ist, welches in der Population Chikurin Ibaraki 1 ×Plaisant lokalisiert wurde. Es zeigte sich jedoch, dass die flankierenden Marker EBmac0874 und Bmag0173 im Vergleich zu der früheren genetischen Karte der Population Hordeum vulgare Lina × Hordeum spontaneum Canada Park invertiert vorlagen. In der vorliegenden Studie bestand daher der erste Schritt zur Isolation von rym15 in der Erstellung einer Karte mit mittlerer Auflösung zur exakten Lokalisierung von rym15. Dazu wurden 522 F2-Pflanzen derPopulationen Igri (s) ×Chikurin Ibaraki 1 (r, I×C, 180 Pflanzen) bzw. Chikurin Ibaraki 1 (r) × Uschi (s, C×U, 342 Pflanzen) verwendet. Die Phänotypisierungen ergaben Spaltungsverhältnisse von 250s:92r (I×C, χ2=0,659) bzw. 140s:40r (C×U, χ2 =0,741), was auf das Vorhandensein eines einzigen rezessiven Resistenzgens gegen BaMMV in Chikurin Ibaraki 1 hindeutet. Die Reihenfolge aller Marker war in beiden F2-Populationen gleich und in Übereinstimmung mit der physikalischen Karte (Morex v2 Genom-Assembly). Zwei auf SNPs (Single nucleotide polymorphisms) basierende KASP- (kompetitive allelspecific PCR) Marker (rym15_1, rym15_8) wurden als neue flankierende Marker für den Ziellocus rym15 ausgewählt. Unter Verwendung dieser beiden flankierenden Marker wurden aus 2174 (I×C) bzw. 5.728 (C×U) F2-Pflanzen zwei Sätze von 139 (I×C) und 284 (C×U) segmentalen RILs (rekombinante Inzuchtlinien) erstellt. Anschließend wurden insgesamt 32 KASP-Marker für die Markerabsättigung des Ziellocus rym15 in diesen segmentalen RILs verwendet. Basierend auf dieser hochauflösenden Kartierung,
wurde das Zielintervall in den beiden Kreuzungen auf 0,161 cM bzw. 0,036 cM verkleinert. Dies entspricht gemäßder Morex v3-Genomsequenz einem physischen Intervall von 11,3 Mbp in der I×C-Population und von 0,281 Mbp in der
CxU-Population.
In der Zielregion von 0,281 Mbp wurden sechs Gene mit hoher Signifikanz (HC) und zwei mit niedrigerer Signifikanz (LC) identifiziert. Die Blast-Analyse ergab funktionelle SNPs in zwei HC-Genen. Diese Arbeit bildet die Grundlage für die
Isolation des Resistenzgens rym15.