Genetic variation and aggressiveness of Ceratocystis fimbriata and resistance of Tectona grandis to Ceratocystis wilt

Abstract

Tectona grandis, commonly known as teak, is a highly valued hardwood species. However, plantations can be affected by Ceratocystis wilt caused by Ceratocystis fimbriata. Planting resistant materials is the most effective strategy for disease control. To achieve successful control, it is necessary to understand the genetic variation, aggressiveness, and pathogenicity characteristics of the pathogen and assess the availability of sources of resistance in teak. Therefore, the objectives of this study were: (i) to investigate the genetic variation and aggressiveness of C. fimbriata isolates that infect teak, (ii) to assemble the first genome sequence of a C. fimbriata isolate from teak and compare it with isolates that infect other plants, identifying their its unique pathogenicity traits, and (iii) to evaluate resistance to Ceratocystis wilt in commercially teak clones and the inheritance of this resistance in progenies from open pollination. Fifty-six C. fimbriata isolates from different plantations in Mato Grosso, Brazil were analyzed using 13 microsatellite markers. Nine multilocus genotypes were identified, with one haplotype predominating across the isolates. The aggressiveness of eight C. fimbriata isolates, representative of the major haplotypes, were assessed on three different teak clones. Significant variation in isolate-clone interactions was found. The isolates belonging to three closely related haplotypes were the most aggressive. The genome sequence of the teak-infecting C. fimbriata isolate LPF2199 was assembled, and a comparative genomic analysis was conducted with isolates that infect eucalyptus, kiwi, and ghaf trees. LPF2199 isolate revealed a size of 31.62 Mb, containing 7,533 genes. The features of this assembly are consistent with those of previously described Ceratocystis species. Comparative analysis showed high genomic similarity among isolates, but subtle differences in gene content and unique proteins in LPF2199 that may contribute to its pathogenicity. The results of resistance to Ceratocystis wilt in twelve commercially cultivated teak clones showed five with significant resistance, and the open-pollinated families exhibited segregation for resistance. The results support the interpretation that resistance to Ceratocystis wilt in teak is a quantitative trait with additive gene effects in determining this trait. These findings provide insights into the Ceratocystis fimbriata-Tectona grandis pathosystem and contribute valuable information for breeding programs to develop teak genotypes resistant to Ceratocystis wilt. Keywords: Breeding; Draft genome sequence; Multilocus genotypes; Open pollination; Teak.Tectona grandis, comumente conhecida como teca, é uma espécie de madeira nobre muito valorizada. Entretanto, as plantações podem ser afetadas pela murcha- de-ceratocystis causada por Ceratocystis fimbriata. O plantio de materiais resistentes é a estratégia mais eficaz para o controle de doenças. Para alcançar um controle bem-sucedido, é necessário entender a variação genética, a agressividade e as características de patogenicidade do patógeno e avaliar a disponibilidade de fontes de resistência na teca. Assim, os objetivos deste estudo foram: (i) investigar a variação genética e agressividade de isolados de C. fimbriata que infectam teca, (ii) montar a primeira sequência do genoma de um isolado de C. fimbriata de teca e compará-lo com isolados que infectam outras plantas, identificando suas características únicas de patogenicidade e (iii) avaliar a resistência à murcha-de- ceratocystis em clones de teca cultivados comercialmente e a herança dessa resistência em progênies de polinização aberta. Cinquenta e seis isolados de C. fimbriata de diferentes plantações em Mato Grosso, Brasil, foram analisados usando 13 marcadores microssatélites. Nove genótipos multilocus foram identificados, com um haplótipo predominando entre os isolados. A agressividade de oito isolados de C. fimbriata, representativos dos principais haplótipos, foi avaliada em três diferentes clones de teca. Foi encontrada variação significativa nas interações isolado-clone. Os isolados pertencentes a três haplótipos intimamente relacionados foram os mais agressivos. A sequência do genoma do isolado LPF2199 de C. fimbriata que infecta teca foi montada, e uma análise genômica comparativa foi conduzida com isolados que infectam eucalipto, kiwi e ghaf. O isolado LPF2199 revelou um tamanho de 31,62 Mb, contendo 7.533 genes. As características desta montagem são consistentes com aquelas das espécies de Ceratocystis descritas anteriormente. A análise comparativa mostrou alta similaridade genômica entre os isolados, mas diferenças sutis no conteúdo genético e proteínas exclusivas no LPF2199 que podem contribuir para sua patogenicidade. Os resultados de resistência à murcha- de-ceratocystis em doze clones de teca cultivados comercialmente mostraram cinco com resistência significativa, e as famílias de polinização aberta exibiram segregação para resistência. Os resultados corroboram a interpretação de que a resistência à murcha-de-ceratocystis em teca é uma característica quantitativa com efeitos genéticos aditivos na determinação dessa característica. Essas descobertas fornecem informações sobre o patossistema Ceratocystis fimbriata-Tectona grandis e contribuem com dados valiosos para programas de melhoramento visando o desenvolvimento de genótipos de teca resistentes à murcha-de-ceratocystis. Palavras-chave: Melhoramento; Sequência genômica de rascunho; Genótipos multilocus; Polinização aberta; Teca.