Quantification of Aphanomyces cochlioides DNA in infected sugar beet roots as a tool to identify resistant genotypes to the Aphanomyces root rot disease

Abstract

Aphanomyces rot root is an important disease in sugar beet, leading to significant harvest losses and a decrease in sugar content in affected fields. The disease is caused by the oomycete Aphanomyces cochlioides and affects the roots as either an early or late infection. To control the disease, it is crucial to incorporate resistance into cultivars. However, the genetic background to resistance is largely unknown.

This project investigates if quantification of A. cochlioides DNA in sugar beet roots can be used to predict the phenotypic response towards the disease and to investigate the progress of infection. Furthermore, the project aims to investigate the potential difference in resistance of genotypes exposed to A. cochlioides isolates with different geographical origins. In addition, confocal microscopy was performed in order to investigate the physical properties of the infection.

The results presented in this report show that quantification of A. cochlioides in sugar beet root accurately predicts the results of the greenhouse disease scoring for the early infection and differentiates the resistant genotypes from the susceptible. However, the method needs improvements for the proper prediction of the resistance towards the late infection. The quantification of A. cochlioides also shine a light on the course of infection. Confocal microscopy led to the identification of a sporangium outside the roots, as well as A. cochlioides spores located in the outer cell layers.

The research presented in this report is a beginning in understanding the genetic background of resistance towards A. cochlioides and how the infection progresses inside the roots. The quantification of A. cochlioides in the host roots is an important tool for understanding the pattern of infection, but also in order to make a better selection of resistant genotypes and could work as an alternative to traditional greenhouse disease tests.

Popular Abstract (Swedish)

Nya verktyg i kampen mot rotbrand i sockerbeta

I Sverige äter vi runt 40 kg socker per person varje år. Socker är en viktig energikälla som även får vår mat att smaka godare, men det är även ett viktigt konserveringsmedel. Idag framställs socker, även kallat sackaros, från två olika växter nämligen sockerrör och sockerbetor. Inte allra minst i Sverige är sockerbetan en viktig gröda och socker ett av fåtal livsmedel där Sverige är självförsörjande. Men betan är ständigt under hot från sjukdomar. Ett exempel är rotröta orsakad av Aphanomyces cochlioides, en svampliknande organism som lever i jorden. Aphanomyces kan infektera plantan tidigt, några veckor efter uppkomst, eller sent det vill säga när plantan är äldre. Tidig infektion leder till att stammen blir svart och trådlik, medan sen infektion leder till att rötterna ruttnar (Figur 1). Ett viktigt sätt att kontrollera sjukdomen är genom införandet av resistenta sockerbetssorter. Något som försvårar arbetet är att mycket lite är känt av den genetiska bakgrunden till sockerbetans resistens mot Aphanomyces.

Idag testas sockerbetssorter för resistens genom att de infekteras med Aphanomyces i växthus och sedan bedöms baserat på utvecklade symtom. Bedömningen kan vara svår och det finns stor risk att den blir vinklad om man i förväg vet vilken sort som bör prestera bäst. Syftet med det här projektet har varit att kvantifiera Aphanomyces DNA i sockerbetsrötter för att undersöka om andelen Aphanomyces korrelerar med hur allvarliga symtom plantan utvecklar. Mätningarna har även använts till att undersöka sjukdomsförloppet i rötterna och huruvida mängden Aphanomyces förändras över tid. För att få en bättre förståelse för hur Aphanomyces infekterar och sprider sig i rötterna har infekterade rötter undersökts i mikroskop. För att särskilja Aphanomyces från sockerbeta har de färgats in med olika färger.

Andelen A. cochlioides DNA i sockerbetsrötter kan förutsäga resistens mot tidig infektion

I mikroskop identifieras Aphanomyces sporer i de yttre delarna av roten. Dessa ser ut att ligga inuti cellerna. Däremot kan inget mycel identifieras. Troligtvis är det där men metoden för att färga mycelet måste förbättras. Kvantifieringen av Aphanomyces DNA i sockerbetsrötter visade att resistenta sorter som utvecklade färre symptom också hade en lägre andel Aphanomyces i rötterna jämfört med de känsliga sorter som fick allvarliga symptom. För den tidiga infektionen lyckades metoden särskilja de resistenta sorterna från de känsliga. I den resistenta betan hålls Aphanomyces på en konstant nivå, medan den ökar snabbt i de känsliga betorna. Däremot lyckas inte metoden nämnvärt särskilja de resistenta från de känsliga när de testades för den sena infektionen. Metoden visar emellertid potential och kan förbättras genom att vänta en längre tid efter infektion innan rötterna samlas in, eller genom att endast extrahera DNA från specifika delar av roten.


Masterexamensprojekt i Molekylärbiologi 30hp 2021
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Per Snell
MariboHilleshög Research AB

• author: Bengtsson, Julia
• supervisor: Per Snell
• organization: Degree Projects in Molecular Biology
• course: MOBM02 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 9063627
• date added to LUP: 2021-08-24 11:18:20
• date last changed: 2021-08-24 11:18:20