Genetic and metabolic analysis of downy mildew resistance in hops (Humulus lupulus L.)

Abstract

Der Falsche Mehltau im Hopfen (Humulus lupulus) wird durch Pseudoperonospora humuli verursacht und führt zu erheblichen Qualitäts- und Ertragsverlusten. Um die biochemischen Resistenzmechanismen gegen den Falschen Mehltau (DMR) zu identifizieren, wurde eine metabolom- und genomweite Assoziationsstudie durchgeführt. Mit Hilfe von ANOVA konnte in einer infizierten F1-Hopfenpopulation beobachtetet werden, dass Metabolite fast aller wichtigen phytochemischer Klassen 48 Stunden nach der Inokulation induziert wurden. Jedoch korrelierte nur eine geringe Anzahl von Metaboliten mit DMR, welche dem Phenylpropanoid-Biosyntheseweg zugeordnet werden können. Diese Metaboliten waren ebenfalls im Kontrollset mit DMR korreliert, was darauf hindeutet, dass DMR vor dem Kontakt mit dem Erreger etabliert wird. In genomweiten Assoziationsstudien wurde eine Ko-Lokalisierung der wichtigsten DMR-Loci und der Marker des Phenylpropanoid-Stoffwechselweges festgestellt. Die Applikation von drei mutmaßlich prophylaktischen Phenylpropanoiden führte zu einem verringerten Grad der Blattinfektion bei anfälligen Genotypen.

Downy mildew in hops (Humulus lupulus) is caused by Pseudoperonospora humuli and generates significant losses in quality and yield. To identify the biochemical processes that confer natural downy mildew resistance (DMR), a metabolome- and genome-wide association study was performed. Using ANOVA within an inoculated F1 hop population detected that metabolites of almost all major phytochemical classes were induced 48 hours after inoculation, but only a small number of metabolites were found to be correlated with DMR. Phenylpropanoids were enriched among compounds with protective potential. These metabolites were also correlated with DMR when compared to the control set, suggesting that DMR is established prior to contact with the pathogen. Genome-wide association studies detected co-localization of the major DMR loci and the phenylpropanoid pathway markers. The application of three putative prophylactic phenylpropanoids led to a reduced degree of leaf infection in susceptible genotypes.