Phenotypic key factors, genetic regions and genes associated to cluster architecture in grapevine (Vitis vinifera)

Weltweit rangieren domestizierte Reben (Vitis vinifera) unter den meistangebauten Obstkulturen. Die geernteten Trauben werden geschätzt als nahrhaftes Obst, für die Herstellung von Traubensaft und für die Vinifikation begehrter Weine. Im Wesentlichen dominieren Vitis vinifera Sorten den globalen Weinbau, da sie die von Verbrauchern gewünschten Merkmale für Produktqualität aufweisen. Jedoch sind diese Sorten hoch anfällig gegenüber pilzlichen Schaderregern und müssen intensiv mit Pestiziden behandelt werden, was abträglichen Nebeneffekten Vortrieb leistet. Der Einsatz von Pestiziden in der Lebensmittelherstellung wird von Verbrauchern zunehmend weniger gebilligt, wobei gleichzeitig makellose Produktqualität erwartet wird. Für den Weinbau zeigte sich, dass diesem Interessenkonflikt mit der Verwendung von neugezüchteten Sorten begegnet werden kann, welche Resistenzen gegenüber dem Falschen und Echten Mehltau aufweisen. Sorten mit Resistenzen gegen diese Hauptschaderreger erlauben einen deutlich reduzierten Aufwand an Pflanzenschutz bei hoher Produktqualität. Jedoch verlaufen Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren Pathogenen als Zyklen gegenseitiger Anpassung. In deren Abfolge einzelne Pathogen Stämme die Resistenzmechanismen der Pflanzen binnen weniger Jahrzehnte überwinden. Merkmalsgekoppelte molekulare Marker ermöglichen es, mehrere aktive Resistenzmechanismen in einer Sorte zu vereinen. Dies trägt zu einer anhaltenderen Resistenz gegen Schaderreger bei. Grauschimmel verursacht durch B. cinerea ist die dritte schwerwiegende Bedrohung für den Weinbau. Dafür sind derzeit keine Marker für zelluläre Resistenzmechanismen bekannt. Deshalb zielt die Züchtung auf das Einkreuzen physikalischer Eigenschaften ab, die das Wachstum oder den Infektionsmechanismus dieses Pathogens behindern. Dazu zählen passive Abwehrmechanismen wie beispielsweise dickere Wachsschichten auf der Epidermis, robustere Zellschichten in der Beerenhaut und lockere Traubenarchitektur. Dies erhöht die Resistenz gegen Schaderreger im Allgemeinen ist jedoch von herausragender Bedeutung, wenn die physikalische Resistenz die einzige verfügbare Resistenz ist. Lockere Traubenarchitektur hat hierbei eine zentrale Rolle, da sie das Ausbilden von effektiven physikalischen Barrieren erst ermöglicht. Zusätzlich fördert die lockere Beschaffenheit der Traube ein zügiges abtrocknen auch der innenliegenden Teile des Fruchtstandes. Die reduzierte Zeitspanne mit feuchten Bedingungen verkürzt das Zeitfenster, das für eine erfolgreiche Infektion durch pilzliche Schaderreger zur Verfügung steht. Das Ziel der Studien dieser Thesis war es genetische Faktoren für lockere Traubenarchitektur zu definieren. Weiterhin sollten erste molekulare Marker ermittelt werden, die für die Differenzierung von Genotypen mit lockeren und kompakten Trauben geeignet sind. Dies schafft die Voraussetzung für die Marker gestützte Selektion der gewünschten lockerbeerigen Individuen. Um dies zu erreichen wurden unterschiedliche Quellen natürlicher Varianz in den Experimenten berücksichtigt: Erstens, F1 Individuen aus der Kreuzung (‘Calardis Musqué’ × ‘Villard Blanc’). Zweitens, somatische Varianten der Sorte ‘Pinot Noir’ mit signifikanter Varianz der Traubenkompaktheit. Die natürliche Varianz beider Herkünfte konnte dabei erfolgreich zur Identifizierung von Faktoren für lockere Traubenarchitektur herangezogen werden. Mit den genetischen Untersuchungen in Kapitel 2 konnten deckungsgleiche Regionen des Referenzgenoms für Reben ermittelt werden auf denen quantitative Loci für bis zu vier Faktoren für lockere Traubenarchitektur gemeinsam lokalisiert sind. Bedingt durch die Kolokalisierung auf dem Chromosom, kann so die Introgression mehrerer Faktoren mit substantiellem Effekt auf lockere Traubenarchitektur in einem Zuchtgang gelingen. Darüber hinaus können molekulare Marker mit starker Kopplung zu Faktoren der Traubenarchitektur benannt werden (Richter et al. 2019). Mit einer Konzeptstudie (Kapitel 4) kann der Nachweis erbracht werden, dass drei der ermittelten molekularen Marker gemeinsam geeignet sind um eine Selektion der unerwünschten kompakten Genotypen in der Kreuzungspopulation (‘Calardis Musqué’ × ‘Villard Blanc’) durchzuführen. Die Untersuchungen in Kapitel 3 berücksichtigen Experimente an mehreren Standorten. So zeigt sich, dass die Genexpression von 15 Kandidatengenen stabil mit Traubenarchitekturparametern von ‘Pinot Noir’ Klonen korreliert. Der genetische Untersuchungsansatz in Richter et al. (2019), die Ergebnisse der RNA-Sequenzierungsstudie von Rossmann et al. (2020) und die Genexpressionsstudien in Richter et al. (2020) untermauern gemeinsam die Bedeutung der Kandidatengene für Traubenarchitektur. In weiteren Studien mit, in Bezug auf Traubenarchitektur, stark unterschiedlichen Individuen aus diversem genetischem Hintergrund ergibt sich, dass das Transkriptionsfaktor kodierende Gen PRE6 und weitere sechs Gene differentiell exprimiert sind. Diese Gene haben Beziehung zu Auxinmetabolismus, Zellwandlockerung und Strigolaktonen (Richter et al. 2020). Die Ergebnisse einer evidenzbasierten Netzwerkanalyse verweisen auf weitere Interaktionen der Kandidatengene mit Brassinosteroiden, einer Klasse von Phytohormonen mit wachstumsförderndem Effekt. Basierend auf den Ergebnissen der unterschiedlichen Experimente, können die hier vorgestellten Kandidatengene für Traubenarchitektur dazu geeignet sein um molekulare Marker für diese Eigenschaft zu entwickeln. Diese Marker können dann zur MAS von optimiertem Zuchtmaterial mit physikalischer Resilienz gegen B. cinerea eingesetzt werden. Cultivated grapevine (Vitis vinifera) is one of the most widely grown fruit crops in the world and held in high regard for its nourishing fruits, sweet juices and iconic wines. Global viticulture predominantly utilizes Vitis vinifera varieties, because they convey sensory attributes corresponding to the current consumer ideal of product quality. However, they are also highly susceptible to fungal pathogens, and therefore require intense applications of plant protection products with adverse side effects. Consumers criticize the use of pesticides for food production but simultaneously request perfect product quality. Viticulture could prove it is possible to reduce the demand for pesticides while keeping high quality standards by introducing newly bred varieties with resistances against downy and powdery mildew, two main fungal threats. Nevertheless, plant–pathogen interactions are cycles of resistance and susceptibility, and some strains of these pathogens have developed mechanisms to overcome the resistance within a few decades. Recently, grapevine breeding has started drawing on trait-linked molecular markers to combine several resistance loci within new cultivars for more endurable resistance. For grey mold, a third severe threat in viticulture, an active resistance mechanism is still not feasible. Therefore, grapevine-breeding aims at introducing fungi-static physical properties, e.g. wax layers, more or rigid cells in the berry skin and loose cluster architecture as additional defense mechanisms. This is a way to reduce the susceptibility to pathogens in general and in particular if physical resilience is the only effective option. The central hub of these physical barriers is a loosely clustered variety. The enhanced available space between the berries provides the framework for the effective formation of a firm berry surface and waxy cover and is restricting the time-span with favorable moisture conditions for fungal infections even inside of the cluster. The overall aim of this thesis was to shed light on genetic cues involved in cluster architecture and to derive first molecular markers that have the capacity to differentiate between loosely and compactly clustered genotypes. This provides the prerequisite for MAS of the desired loosely clustered individuals. To this end, the experimental design of this thesis draws on different sources of natural variance: Firstly, the F1 generation of the cross (‘Calardis Musqué’ × ‘Villard Blanc’) and secondly, somatic variants of the variety ‘Pinot Noir’ showing significantly different cluster compactness. Both sources of natural variation were successfully used to elucidate cluster architecture sub-traits that trigger phenotypic differences between loose and compact clusters. The genetic approach, applied in Chapter 2, exposed overlapping regions with up to four QTLs for cluster architecture sub-traits that are physically co-located on the grapevine reference genome. Based on co-location on the chromosome, this finding provides the option for a joint introgression of multiple genetic variations in a breeding scheme with an overall considerable effect on CA. In addition, several molecular markers with strong linkage to these cluster architecture sub-traits could be proposed (Richter et al. 2019). A ‘proof of concept’ study (Chapter 4) showed that it was possible to exploit three of these markers for MAS against unwanted compactly clustered individuals. This demonstrates their capacity as selective markers for a complex morphological trait among the individuals of the cross (‘Calardis Musqué’ × ‘Villard Blanc’). The survey in Chapter 3 reveals that the gene expression of 15 candidate genes consistently correlates to cluster architecture variations of ‘Pinot Noir’ clones in a multi environmental experiment. The genetic approach applied in Richter et al. (2019), the gene expression experiments in Richter et al. (2020) and the results of the RNA-sequencing previously described in Rossmann et al. (2020) provide multiple lines of evidence for the reported candidate genes. In further phenotypically divergent individuals from a genetically diverse background, the transcription factor gene PRE6 and six genes related to auxin metabolism, cell wall loosening and strigolactones showed differential expression (Richter et al. 2020). Implementing an evidence-based network, allowing a wider view on the interaction of the candidate genes, shows multiple associations of the candidate genes with brassinosteroids, a class of growth-promoting phytohormones. Thus, the candidate genes presented here may have the capacity to be successfully involved in marker development with the aim of selecting cluster architecture traits in MAS enabling breeders to identify optimized breeding material with physical resilience to fungal pathogens such as B. cinerea