Soil-borne viral diseases in durum wheat: searching the Global Durum Wheat Panel (GDP) for novel genomic regions implicated in resistance and development of rapid diagnostic tools

Durum wheat (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn.) is an important agricultural crop in the Mediterranean region. This cereal may be affected by numerous plant pathogens, including viruses that can significantly reduce yield. Soil-borne viruses are widely distributed globally. However, the damage they cause is very difficult to evaluate, due to a symptomatology that can be easily confused with physiological stresses. In Europe, the most well-known soil-borne viruses affecting wheat are Furovirus cerealis (soil-borne cereal mosaic virus, SBCMV), which belongs to the genus Furovirus, and Bymovirus tritici (wheat spindle streak mosaic virus, WSSMV), which belongs to the genus Bymovirus. Both viruses are characterized by a genome composed of two linear RNA molecules (ssRNA) and are transmitted by Polymyxa graminis Led., a soil-inhabiting plasmodiophoromycota. This organism can survive in absence of host plants for up to twenty years. The development of rapid, sensitive, and easy-to-use detection techniques is a crucial step in the study of the current spread of SBCMV and WSSMV. Such techniques would facilitate screening of wheat genotypes for resistance or susceptibility to these viruses. For this purpose, two studies were conducted regarding the development of two reverse transcription loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) protocols for the detection of SBCMV and WSSMV using crude extracts of durum wheat leaves. These protocols have shown high specificity and sensitivity, they are ideal for field use with portable devices, simple to use, and offer the additional benefit of rapid analysis. Due to the lack of effective vector eradication techniques in infested fields and the absence of virus control methods, the identification of virus-resistant durum wheat genotypes and genes implicated in resistance is important for the management of these viruses. The third study focused on the evaluation of resistance to SBCMV and WSSMV in a selection of over 200 durum wheat genotypes/landraces from an international germplasm collection. A natural virus inoculation experiment was conducted in semi-controlled conditions, in pots containing soil infected by the vector and the two viruses. Pots were maintained outdoor under a net screen to reproduce the natural conditions and watered weekly. The samples, collected at the end of the winter period, were analyzed by RT-qPCR to quantify SBCMV and WSSMV. The tested genotypes exhibited variable responses to the two viruses. All the genotypes were infected by WSSMV (most with medium to high viral loads), while SBCMV showed a high degree of diversification in viral load among the genotypes. The results obtained did not reveal correlation between the viral loads of the two viruses. Twenty-three genotypes were identified exhibiting low viral loads for both viruses and reduced symptoms. A preliminary genome-wide association study (GWAS), conducted on genotypic (SNPs) and phenotypic data obtained by RT-qPCR analyses, identified novel genomic regions putatively associated with resistance to SBCMV and WSSMV, as well as potential candidate genes involved in resistance.

Il grano duro (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn.) è una coltura di grande rilevanza nel bacino del Mediterraneo. Questo cereale è suscettibile a numerosi patogeni, tra cui diversi virus, che ne riducono la resa. Alcuni di questi virus sono trasmessi attraverso il suolo, e per questo sono detti “soil-borne”. Le infezioni, pur essendo diffuse in tutto il mondo, mostrano sintomi (mosaici e giallumi fogliari, taglia ridotta) che sono spesso difficili da associare a questi virus, poiché possono facilmente confondersi con quelli derivanti, ad esempio, da stress fisiologici e carenze nutrizionali. In Europa, i virus del grano trasmessi attraverso il suolo più conosciuti sono Furovirus cerealis (soil-borne cereal mosaic virus, SBCMV), appartenente al genere Furovirus, e Bymovirus tritici (wheat spindle streak mosaic virus, WSSMV), appartenente al genere Bymovirus. Entrambi questi virus presentano un genoma composto da 2 molecole di RNA lineare (ssRNA) e sono trasmessi da Polymyxa graminis Led., un plasmodiophoromycota che vive nel suolo, in grado di sopravvivere fino a vent'anni anche in assenza di piante ospiti. Per promuovere studi sull’attuale diffusione del SBCMV e del WSSMV e per velocizzare gli screening varietali di genotipi di grano per studi sulla resistenza/suscettibilità a queste virosi è importante lo sviluppo di tecniche di rilevamento rapide, sensibili, di facile utilizzo e che permettano di poter eseguire le analisi in pieno campo. A questo scopo i primi due studi presentati riguardano lo sviluppo di due sistemi diagnostici rapidi di reverse transcription loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) da estratti fogliari. Questi protocolli si sono dimostrati specifici nel rilevare SBCMV e WSSMV, offrono una sensibilità comparabile a quella dei test PCR, sono di facile utilizzo, molto veloci e ideali per analisi in campo tramite l’ausilio di dispositivi portatili. Data la mancanza di tecniche efficaci per l’eradicazione del vettore nei campi infestati e dell'assenza di metodi di controllo delle virosi, l'identificazione di genotipi di grano duro resistenti a questi virus e di geni implicati nella resistenza è importante per la gestione di questi virus in campo. A questo scopo il terzo studio presentato riguarda la valutazione della resistenza o suscettibilità al SBCMV e al WSSMV in una selezione di oltre 200 genotipi/landraces di grano duro provenienti da una collezione internazionale di germoplasma. È stato condotto un esperimento di inoculazione naturale dei virus in condizioni semi-controllate in vasi contenenti terreno infetto mantenuti all’aperto sotto una rete di protezione, soggetti alle temperature invernali e ad una umidità elevata del suolo. I campioni raccolti sono stati analizzati mediante RT-qPCR per la quantificazione delle cariche virali. I genotipi testati hanno mostrato risposte diversificate nei confronti dei due virus: tutti i genotipi sono risultati infetti da WSSMV (la maggior parte con carica virale da media ad alta), mentre SBCMV è stato rilevato con cariche virali molto diversificate tra i genotipi. I risultati ottenuti non hanno evidenziato correlazioni tra le cariche virali dei due virus. Sono stati identificati 23 genotipi che presentano basse cariche virali per entrambi i virus e sintomatologia assente o molto limitata. Uno studio di associazione genome-wide (GWAS) preliminare, effettuato sui dati genotipici (SNPs) e i dati fenotipici ottenuti tramite le analisi RT-qPCR, ha permesso di identificare nuove regioni genomiche presumibilmente associate alla resistenza al SBCMV e al WSSMV, nonché possibili geni candidati coinvolti nella resistenza.