Fulltext - ETH E-Collection

177 Pages·2013·5.88 MB·English

ETH Library
Genetic determinism of
Xanthomonas arboricola pv. pruni
resistance and agronomic traits
in apricot, and applications in
marker-assisted selection
Doctoral Thesis
Author(s):
Socquet-Juglard, Didier
Publication date:
2012
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-007620646
Rights / license:
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DISS. ETH Nr. 20814

Genetic determinism of Xanthomonas arboricola pv. pruni resistance and
agronomic traits in apricot, and applications in marker-assisted selection

A dissertation submitted to
ETH ZURICH

For the degree of
Doctor of Sciences

Presented by
Didier SOCQUET-JUGLARD
M.Sc Agrar, Berlin, Germany

Born August 22nd, 1984
Citizen of France

Accepted on the recommendation of

Prof. Dr. Cesare Gessler, examiner
Prof. Dr. Bruce McDonald, co-examiner
Dr. Andrea Patocchi, co-examiner

2012

Abstract
Abstract
Apricot (Prunus armeniaca L.) breeding mainly relies on classical techniques, which are time-
consuming and expensive. Many important agronomical traits are polygenic and remain poorly
understood in this crop. The aim of this thesis was to study the genetic control of key traits in apricot,
with a great emphasis on the genetics of the host resistance to Xanthomonas arboricola pv. pruni.
Indeed, X. arboricola pv. pruni is a devastating bacterial disease recently identified in Switzerland.
Because a polygenic resistance to the disease was expected, different inoculation techniques were
tested and compared for their potential to allow a quantitative assessment of the disease symptoms and
for the reproducibility of the results. Dipping the plants into the inoculum appeared to be the best
technique to score quantitative traits such as disease incidence or disease severity. This technique was
tested on several apricot cultivars for resistance or susceptibility to the pathogen. Results obtained
were similar to what was previously observed in the field, although disease severity was higher in all
cases under greenhouse conditions.
In a second phase, 101 progeny plants obtained from a cross between the apricot cultivars
“Harostar” and “Rouge de Mauves” were used to construct the genetic linkage maps of both parents.
Replicates from each genotype were inoculated over two consecutive years following the protocol
previously set, and plants were evaluated at 42 days post inoculation for disease incidence and
resistance index. Quantitative trait loci (QTLs) involved in resistance against the pathogen were
mapped with both year datasets combined. One major QTL was identified on LG5 of “Rouge de
Mauves”, explaining up to 53% of the phenotypic variation, with one microsatellite marker near the
peak of the QTL and two flanking markers identified. With the availability of both parental linkage
maps, we further mapped QTLs for traits measured in field over one or two years of observation. Most
important and stable QTLs over both years were identified for tree shape on LG1 and LG5 of “Rouge
de Mauves”, for fruit form on LG3 of “Harostar”, and for ground color on LG3 and LG7 of
“Harostar”. Time to initial reproductive bud break was measured only over one year, and two QTLs
were detected on LG1 and LG4 of “Harostar”. Confirmation of the QTLs identified in this thesis in
different genetic backgrounds will permit to ensure their potential for marker-assisted selection.
For a broader understanding of the plant defense mechanisms in Prunus plants infected by X.
arboricola pv. pruni, we used whole transcriptome sequencing (RNA-seq) to analyze differential gene
expression at 2 and 12 hours post inoculation of inoculated peach leaf samples by comparison to their
respective controls. Although only one putative gene was identified in the confidence interval of the
QTL previously mapped on LG5, differentially expressed genes involved in basal defense, disease
resistance, but also in photosynthesis, cell wall reorganization or in signaling pathways were
identified. This work is a first study of plant defense responses in a Prunus crop using RNA-seq.
ii
Abstract
Résumé
La sélection de l’abricotier (Prunus armeniaca L.) s’appuie principalement sur des techniques
classiques, qui demandent beaucoup de temps et qui sont onéreuses. De nombreux caractères
agronomiques sont polygéniques et très peu ont été étudiés chez l’abricotier. L’objectif de cette thèse
était donc d’étudier le contrôle génétique de caractères clés chez l’abricotier, avec un accent sur la
résistance de la plante hôte au pathogène Xanthomonas arboricola pv. pruni. Cette bactérie provoque
une maladie dévastatrice et a été récemment identifiée en Suisse. Une résistance polygénique à la
bactérie étant présumée, différentes techniques d’inoculation ont été testées ; leur potentiel à induire
des symptômes pouvant être évalués de manière quantitative a été comparé en tenant compte de la
reproductibilité des résultats. Plonger les plantes directement dans la solution d’inoculum est la
technique qui est apparue comme étant la plus appropriée pour évaluer des caractères quantitatifs tels
que l’incidence ou la sévérité de la maladie. Cette technique a été testée sur différentes variétés
d’abricotier pour tester leur résistance ou leur sensibilité à la maladie. Les résultats obtenus ont été
semblables à ce qui avait été précédemment rapporté en verger, malgré le fait que la sévérité de la
maladie était dans tous les cas beaucoup plus importante sous serre.
Dans un second temps, 101 hybrides obtenus d’un croisement entre les variétés d’abricotier
« Harostar » et « Rouge de Mauves » ont été utilisés pour construire la carte de liaison génétique de
chacun des deux parents. Des clones de chaque génotype ont été inoculés lors de deux années
consécutives en suivant le protocole d’inoculation précédemment établi, et les plantes ont été évaluées
42 jours après l’inoculation pour l’incidence de la maladie et pour l’indice de résistance. Des locus de
caractères quantitatifs (QTLs) contribuant à la résistance à la maladie ont été cartographiés en utilisant
les données des deux années combinées. Un QTL majeur a été identifié sur le groupe de liaison 5
(GL5) de « Rouge de Mauves », expliquant jusqu’à 53% de la variance phénotypique, et un marqueur
microsatellite proche du pic du QTL ainsi que deux marqueurs flanquant le QTL ont été détectés. Les
cartes de liaison génétique de chaque parent étant disponibles, des QTLs impliqués dans des caractères
mesurés en verger ont été mesurés sur une ou deux années. Les principaux QTLs cartographiés
montrant une stabilité avec les années ont contribué à la forme de l’arbre (sur GL1 et GL5 de « Rouge
de Mauves »), à la forme du fruit (sur GL3 de « Harostar »), et à la couleur du fruit (sur GL3 et GL7
de « Harostar »). Le temps d’initiation du débourrement des bourgeons inflorescenciels a été évalué
seulement sur une année, et deux QTLs ont été détectés sur GL1 et GL4 de « Harostar ». La
confirmation des QTLs identifiés dans cette thèse dans un patrimoine génétique différent permettra de
s’assurer de leur potentiel d’utilisation dans un programme de sélection assistée par marqueurs.
Afin d’obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de défense de la plante infectée
par X. arboricola pv. pruni, nous avons utilisé une technique de séquençage du transcriptome (ARN-
iii
Abstract
seq) pour analyser l’expression différentielle des gènes dans des échantillons de feuilles de pêcher
inoculées par comparaison à leurs contrôles respectifs, à 2h et 12h après inoculation. Même si un seul
gène putatif a été identifié dans l’intervalle de confiance du QTL cartographié précédemment sur GL5,
de nombreux autres gènes différentiellement exprimés ont été identifiés, les plus intéressants étant
impliqués dans des mécanismes de défense basale, dans la résistance aux pathogènes, dans la
photosynthèse, dans la réorganisation de la paroi cellulaire ou dans les voies de signalisation de la
résistance. Ce travail est la première étude des mécanismes de défense d’une plante appartenant au
genre Prunus en utilisant la technique de l’ARN-seq.

iv
v
Table of contents

Abstract ................................................................................................................ ii
Résumé................................................................................................................. iii
Table of contents ................................................................................................. vi
Chapter 1: General Introduction ....................................................................... 1
Scope of the thesis ................................................................................................................ 2
1.1. The apricot culture ....................................................................................................... 2
1.1.1. Taxonomy and nomenclature ........................................................................................... 2
1.1.2. The apricot history ............................................................................................................ 3
1.1.3. Botany............................................................................................................................... 4
1.1.4. Economic importance ....................................................................................................... 5
1.1.4.1. Worldwide ................................................................................................................ 6
1.1.4.2. In Switzerland........................................................................................................... 6
1.1.5. Genetic resources and breeding ........................................................................................ 7
1.1.5.1. Available genetic resources ...................................................................................... 7
1.1.5.2. Breeding advances and targets in apricot ................................................................. 8
1.1.5.3. Major pests and diseases ........................................................................................ 10
1.2. Xanthomonas arboricola pv. pruni ............................................................................. 11
1.2.1. Host range, symptoms and damages ............................................................................... 12
1.2.2. Localization .................................................................................................................... 13
1.2.3. Disease cycle .................................................................................................................. 13
1.2.4. Identification methods .................................................................................................... 14
1.2.5. Control ............................................................................................................................ 15
1.2.5.1. Prophylactic measures ............................................................................................ 15
1.2.5.2. Chemical and biological control ............................................................................. 15
1.2.5.3. Forecasting models ................................................................................................. 16
1.2.5.4. Breeding ................................................................................................................. 16
1.3. Molecular tools available for breeding in Prunus ................................................... 16
1.3.1. Approaches for QTL identification ................................................................................ 17
1.3.2. Tools for molecular studies in Prunus ............................................................................ 18
1.3.2.1. Reference linkage maps available in Prunus .......................................................... 18
1.3.2.2. Linkage maps in apricot ......................................................................................... 18
vi
Table of contents
1.3.2.3. Genome synteny among Prunus species ................................................................. 19
1.3.3. Other tools available for breeding .................................................................................. 19
1.3.3.1. ESTs and candidate gene analysis .......................................................................... 19
1.3.3.2. High-throughput transcriptome analysis ................................................................ 20
1.4. Outline of the thesis .................................................................................................... 21
1.5. References.................................................................................................................... 22
Chapter 2: Evaluation of Xanthomonas arboricola pv. pruni inoculation
techniques to screen for bacterial spot resistance in peach and apricot ...... 36
2.1. Abstract ....................................................................................................................... 38
2.2. Introduction ................................................................................................................ 39
2.3. Material and Methods ................................................................................................ 40
2.3.1. Plant material .................................................................................................................. 40
2.3.2. Inoculation ...................................................................................................................... 40
2.3.3. Phenotyping and statistical tests ..................................................................................... 41
2.4. Results .......................................................................................................................... 42
2.4.1. Test of inoculation techniques on peach plants .............................................................. 42
2.4.2. Screening apricot cultivars for resistance against X. arboricola pv. pruni ..................... 43
2.5. Discussion .................................................................................................................... 46
2.5.1. Establishment of an efficient inoculation technique to screen for resistance against X.
arboricola pv. pruni ................................................................................................................. 46
2.5.2. Assessment of reference apricot cultivars for resistance against X. arboricola pv. pruni
.................................................................................................................................................. 46
2.6. References.................................................................................................................... 48
Chapter 3: Identification of a major QTL for Xanthomonas arboricola pv.
pruni resistance in apricot ................................................................................ 50
3.1. Abstract ....................................................................................................................... 52
3.2. Introduction ................................................................................................................ 53
3.3. Material and methods ................................................................................................ 54
3.3.1. Plant material .................................................................................................................. 54
3.3.2. Bacterial strains .............................................................................................................. 55
3.3.3. Inoculation ...................................................................................................................... 55
3.3.4. Evaluation of disease resistance ..................................................................................... 55
3.3.5. DNA isolation ................................................................................................................. 56
3.3.6. SSR and AFLP analysis .................................................................................................. 56
3.3.7. Linkage mapping and QTL analysis ............................................................................... 59
vii
Table of contents
3.3.8. Statistical analysis .......................................................................................................... 59
3.3.9. Candidate gene search .................................................................................................... 60
3.4. Results .......................................................................................................................... 60
3.4.1. Phenotyping X. arboricola pv. pruni resistance ............................................................. 60
3.4.2. Construction of linkage maps ......................................................................................... 62
3.4.3. QTL analysis .................................................................................................................. 63
3.4.4. Candidate genes search ................................................................................................... 66
3.5. Discussion .................................................................................................................... 68
3.5.1. Phenotypic screenings .................................................................................................... 68
3.5.2. Linkage analysis and map construction .......................................................................... 68
3.5.3. QTL analysis .................................................................................................................. 69
3.5.4. Perspectives for marker-assisted selection (MAS) ......................................................... 70
3.6. References.................................................................................................................... 72
Chapter 4: Mapping architectural, phenological and fruit quality QTLs in
apricot ................................................................................................................. 80
4.1. Abstract ....................................................................................................................... 82
4.2. Introduction ................................................................................................................ 83
4.3. Material and Methods ................................................................................................ 85
4.3.1. Plant material .................................................................................................................. 85
4.3.2. Phenotyping .................................................................................................................... 85
4.3.2.1. Tree architecture ..................................................................................................... 85
4.3.2.2. Phenology ............................................................................................................... 85
4.3.2.3. Fruit traits ............................................................................................................... 86
4.3.3. Linkage mapping and QTL analysis ............................................................................... 86
4.3.4. Statistical analysis .......................................................................................................... 86
4.4. Results .......................................................................................................................... 87
4.4.1. Architectural traits .......................................................................................................... 87
4.4.2. Phenology ....................................................................................................................... 88
4.4.3. Fruit quality traits ........................................................................................................... 89
4.5. Discussion .................................................................................................................... 93
4.6. References.................................................................................................................... 98

viii