Resistance to Fusarium oxysporum f.sp. lentis in lentil (Lens culinaris): mechanisms of resistance and pathogenic variability

Abstract

Lentil (Lens culinaris Medikus subsp. culinaris) is one of the most important cool season food legumes. World production of lentil is estimated at 4.95 million tons from an estimated 4.34 million ha with an average yield of 1140 Kg/ha. Lentil production is threatened by biotic and abiotic stresses. One of the most destructive diseases, especially in the warm and drought conditions, is wilt disease, caused Fusarium oxysporum f.sp. lentis (Fol). Under favorable conditions this disease can cause the complete loss of the crop. The most effective, economical and environmentally friendly method to control the disease is the use of resistant cultivars. In this thesis we studied different aspects of this disease. In chapter one, 196 Spanish lentil landrace accessions were evaluated for resistance to this disease under controlled conditions using a detailed disease scoring system. Resistant accessions were further screened in the adult plant stage under naturally infested field conditions in Bileh-Savar, Iran. This study identified twelve accessions showing good levels of resistance to the disease under controlled and field conditions which could be exploited in breeding programs. In chapter two the mechanisms of resistance acting against two different pathotypes of FOL were studied in six lentil accessions showing different levels of resistance. After inoculation with patothype 1, a lower number of colonies were recovered from roots of the resistant accessions compared to the susceptible check. In the inoculation with patothype two no differences between accessions were observed for this trait. At the hystological level, qualitative resistance was detected in accession BGE019696 inoculated with pathotype 1. Thus, cells with condensed areas in the cytoplasm were observed. Furthermore, the presence of phenolic compounds was observed for this accession × pathotype interaction. This phenomenon was not observed in any other interaction. In chapter 3 the pathogenic variability of FOL was studied. Although differences in aggressiveness have been observed between FOL isolates, the presence of pathotypes has not been reported in this pathogen. The objective of chapter 3 was to check for the presence of pathotypes in FOL. As a first step to check for the presence of isolate × genotype interaction in Fol-lentil pathosysthem, 28 resistant lentil accessions were inoculated by six Fol isolates with different geographic origins. A significant isolate×genotype interaction was detected. According to this differential reaction, four accessions were selected to analyse the virulence patterns in a collection of 52 Fol isolates from Iran, Syria and Algeria. Seven different patterns of virulence were identified within this population. In chapter four the genetic structure of the Fol collection described above was analyzed using twelve SSR markers. Eight of these SSRs were developed in this thesis. AMOVA showed that there is a high molecular variation both within regions and among regions, differing Iranian populations from non-Iranian populations. Additionally, STRUCTURE and Fitch-Margoliash analysis identified two ancestral lineages, one present in all regions and the other present only in Iran. No significant relationship was found between phylogenic groups and virulence patterns.

Las lentejas (Lens culinaris) son una de las leguminosas más importantes a nivel mundial. La producción mundial de lentejas se estima en 4,5 millones de toneladas, con una superficie cultivada 4,25 ha. El rendimiento de este cultivo se ve severamente afectado por diversas enfermedades, entre las que destaca la fusariosis vascular, causada por Fusarium oxysporum f. sp. lentis (FOL). Este patógeno puede causar la pérdida total de la cosecha en condiciones favorables para el desarrollo de la enfermedad. La resistencia genética se muestra como el método más efectivo, económico y respetuoso con el medio ambiente para controlar la enfermedad. En el primer capítulo de esta tesis se evaluó, en condiciones controladas, la respuesta a FOL de 196 variedades locales españolas utilizando un método detallado de evaluación desarrollado en esta tesis. Aquellas entradas que resultaron resistentes fueron también evaluadas en condiciones de campo en Bileh- Savar, Iran. Como resultado se han identificado 12 entradas de lenteja que muestran buenos niveles de resistencia tanto en condiciones controladas como en campo y que pueden ser de gran utilidad como fuentes de resistencia en programas de mejora. En el capítulo 2 se estudiaron los mecanismos de resistencia que actúan frente a dos patotipos de FOL en seis entradas de lenteja con distintos niveles de resistencia. Tras inocular con el patotipo 1, de las raíces de líneas resistentes se rescataron un menor número de colonias que en el testigo susceptible. En la inoculación con el patotipo 2 no se observaron diferencias entre líneas para este parámetro. A nivel celular se detectaron mecanismos cualitativos de resistencia en la entrada BGE019696 inoculada con el patotipo 1. Así, se observaron en esta línea células que mostraron áreas condensadas en su citoplasma. Además, en esta combinación entrada-patotipo se observó la presencia de compuestos fenólicos. Este fenómeno no se detectó en el resto de las interacciones. En el capítulo 3 se analizó la variabilidad patogénica FOL. Aunque se han descrito diferencias en agresividad entre aislados de FOL (Belabid y Fortas, 2002), hasta ahora no se habían descrito patotipos. El objetivo de este capítulo fue el estudiar si existen patotipos en FOL. Como un primer paso, para testar la existencia de interacciónes aislado x genotipo en el patosistema lenteja-FOL, se inocularon 28 genotipos de lenteja descritos como resistentes con 6 aislados del FOL de distintos orígenes geográficos. Los resultados mostraron una significativa interacción aislado x genotipo. En función de los resultados obtenidos se seleccionaron cuatro entradas de lenteja que mostraron una reacción diferencial frente a los distintos aislados para caracterizar el patrón de virulencia de una colección de 52 aislados de FOL provenientes de Iran, Siria y Argelia. Como resultado se identificaron 7 patotipos con distinto patrón de virulencia. En el capítulo 4 se estudio, utilizando doce marcadores SSR, la estructura y variabilidad genética de la colección de aislados de FOL descrita en el capítulo 3. Los análisis AMOVA mostraron que había una gran variación genética tanto dentro de regiones como entre regiones, difiriendo las poblaciones de Irán del resto de poblaciones. Por otro lado los análisis realizados con el programa STRUCTURE y el árbol de Fitch-Margoliash mostraron la existencia de dos líneas ancestrales en FOL, una que sólo estaba presente en Irán y otra que estaba distribuida por todas las regiones estudiadas. No se encontró relación entre los grupos filogenéticos y los patotipos.