Unraveling genotype-isolate interaction in sunflower (Helianthus annuus L.)- Sclerotinia pathosystem using GGE biplot method

Document Type : Research Paper


1 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Urmia University, PO Box 165, Urmia, Iran

2 Department of Plant Protection, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Urmia University, PO Box 165, Urmia, Iran


Sunflower (Helianthus annuus L.) is one of the most important oilseed crops in the world. Basal stem rot, caused by Sclerotinia spp., is an important disease of sunflower causing considerable yield losses worldwide. Effective improvement for disease resistance relies on the understanding of the interaction between pathogen and host. A total of 100 sunflower genotypes from different worldwide agricultural research institutions were evaluated for their responses to three isolates of each of the S. sclerotiorum and S. minor at the seedling stage in the controlled conditions. Remarkable significant host-pathogen isolate interaction indicates the existence of vertical or isolate-specific resistance in the studied sunflower germplasm against Sclerotinia spp. Genotype-by-pathogen biplot analysis was performed to observe the pathogenicity of the two fungi on host genotypes and facilitate the simultaneous visualization of the relationship among the pathogens and genotypes. The first two principal components accounted for 95.86% and 79.77% of the total variation of the genotype-isolate interaction of S. sclerotrium and S. minor, respectively. The GGE biplot related to S. Sclerotiorum isolates depicted that out of the studied genotypes, "H100A/LC1064" was resistant against the A37 isolate of S. Sclerotiorum. Among the examined germplasm, the genotype "1059" was identified as the resistant genotype against the J2 isolate of S. Sclerotiorum. None of the genotypes were resistant to the J1 isolate of S. Sclerotiorum. Regarding the generated biplot for S. minor, "8A*/LC1064C" was the most resistant sunflower genotype against the M1 isolate of S. minor. The genotype "H205A/83HR4" was located in vertex near to A1 and G2 isolates and, therefore, was resistant to these isolates of S. minor. The genetic variation detected within the sunflower collections can be utilized for the selection of diverse parents in the resistant breeding programs as well as the development of mapping populations for the QTL analysis of resistance to S. sclerotiorum and S. minor.


Article Title [فارسی]

تجزیه GGE بای پلات اثر متقابل جدایه-ژنوتیپ در پاتوسیستم آفتابگردان-اسکلروتینیا

Authors [فارسی]

  • خدیجه موسی خلیفانی 1
  • رضا درویش زاده 1
  • مسعود ابرین بنا 2
  • هادی علیپور 2
1 گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه
2 گروه گیا‌هپزشکی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه
Abstract [فارسی]

آفتابگردان (Helianthus annuus L.) یکی از مهمترین محصولات دانه روغنی در جهان است. پوسیدگی پایه ساقه، ناشی از Sclerotinia spp. ، یکی از بیماری­ های مهم آفتابگردان است که باعث از بین رفتن قابل توجه عملکرد در سراسر جهان می ­شود. بهبود مؤثر برای مقاومت در برابر بیماری متکی به درک متقابل بین عامل بیماری­ زا و میزبان است. در این مطالعه، واکنش 100 ژنوتیپ آفتابگردان از مؤسسات تحقیقاتی مختلف کشاورزی در جهان به سه جدایه از هر یک از گونه­ های S. sclerotiorum و S. minor در مرحله گیاهچه در شرایط کنترل شده بررسی شد. وجود اثر متقابل معنی­ دار حاکی از مقاومت جدایه اختصاصی یا عمودی در برابر گونه­ های اسکلروتینیا در ژرم­ پلاسم آفتابگردان مورد مطالعه است. تجزیه و تحلیل بای­ پلات ژنوتیپ - پاتوژن برای تشریح بیماری­ زایی دو قارچ روی ژنوتیپ­ های میزبان انجام شد که تجسم همزمان رابطه بین عامل بیماری­ زا و ژنوتیپ را تسهیل می­ کند. دو مؤلفه اصلی اول در تجزیه بای­ پلات به ترتیب 86/95 و 77/79  از تغییرات کل در تعاملات جدایه-ژنوتیپ گونه­ های S. sclerotrium و S. minor را توجیه کردند. GGE بای­ پلات مربوط به جدایه­ های S. sclerotiorum نشان داد که ژنوتیپ "H100A/LC1064" از ژرم­ پلاسم مورد مطالعه در برابر جدایه A37 از S. sclerotiorum مقاوم است. از بین ژنوتیپ­ های مورد مطالعه، ژنوتیپ "1059" به عنوان ژنوتیپ مقاوم در برابر جدایه J2 از S. sclerotiorum شناخته شد. ژنوتیپ مقاومی برای جدایه J1 گونه S. sclerotiorum شناسایی نشد. در ارتباط با تجزیه GGE بای­ پلات انجام گرفته برای گونه S. minor، ژنوتیپ "8A*/LC1064C" مقاوم­ ترین ژنوتیپ آفتابگردان در برابر جدایه M1 از گونه S. minor بود. ژنوتیپ "H205A/83HR4" واقع در رئوس نزدیک به جدایه­های A1 و  G2 گونه S. minor به این جدایه­ها مقاوم بود. تنوع ژنتیکی شناسایی شده در مجموعه ژرم­ پلاسم آفتابگردان مورد مطالعه می ­تواند در انتخاب والدین متنوع برای برنامه ­های اصلاح برای مقاومت و همچنین برای توسعه جمعیت­ های مکان­­ یابی برای شناسایی و تجزیه و تحلیل QTL­های دخیل در مقاومت در برابر گونه­ های S. sclerotiorum و S. minor استفاده شود.

Keywords [فارسی]

  • آفتابگردان؛ اثر متقابل عامل بیماری زا-میزبان
  • پوسیدگی پایه ساقه اسکلروتینیایی؛ تجزیه بای پلات؛ مقاومت به بیماری؛ مقاومت جدایه اختصاصی
Abawi GS and Grogan RG, 1979. Epidemiology of diseases caused by Sclerotinia species. Phytopathology 69: 899-904.
Abrinbana M, Mozafari J, Shams-Bakhsh M, and Mehrabi R, 2012. Resistance spectra of wheat genotypes and virulence patterns of Mycosphaerella graminicola isolates in Iran. Euphytica 186: 75-90.
Amouzadeh M, Darvishzadeh R, Davar R, Aabdollahi Mandoulakani B, Haddadi P, and Basirnia A, 2015. Quantitative trait loci associated with isolate specific and isolate non-specific partial resistance to Sclerotinia sclerotiorum in sunflower. Journal of Agricultural Science and Technology 17(1): 213-226.
Anonymous 2010. Sunflower- Production guideline. Department of Agriculture, Forestry, and Fisheries, Pretoria, South Africa, pp. 28.
Baergen KD, Hewitt JD, and St. Clair DS, 1993. Resistance of tomato genotypes to four isolates of Verticillium dahliae race 2. HortScience 28(8): 833-836.
Boland GJ and Hall R, 1994. Index of plant hosts of Sclerotinia sclerotiorum. Canadian Journal of Plant Pathology 16(2): 93-108.
Clarke RG, Porter IJ, and Woodroofe M, 1990. Potential strategies for control of sclerotinia stem rot in sunflowers. Proceedings of the Australian Sunflower Association 7th Workshop, Moama, NSW, Australia. Australian Sunflower Association, Queensland, Australia.
Davar R, Darvishzadeh R, and Majd A, 2011. Genotype-isolate interaction for resistance to Sclerotinia sclerotiorum in sunflower. Phytopathologia Mediterranea 50(3): 442-449.
Davar R, Darvishzadeh R, Majd A, Ghosta Y, and Sarrafi A, 2010. QTL mapping of partial resistance to basal stem rot in sunflower using recombinant inbred lines. Phytopathologia Mediterranea 49(3): 330-341.
Dorrell GD and Vick BA, 1997. Properties and processing of oilseed sunflower. In: Schneiter AA (ed.) Sunflower Technology and Production. Agronomy Monograph No. 35. ASA, CSSA, SSSA, Madison, WI, USA, pp. 709-745.
Flier WG, Grunwald NJ, Kroon LPNM, Sturbaum AK, Van Den Bosch TBM, Garay-Serrano E, Lozoya‐Saldana H, Fry WE, and Turkensteen LJ, 2003. The population structure of Phytophthora infestans from the Toluca Valley of central Mexico suggests genetic differentiation between populations from cultivated potato and wild Solanum spp. Phytopathology 93(4): 382-390.
Ghaneie A, Mehrabi R, Safaie N, Abrinbana M, Saidi A, and Aghaee M, 2012. Genetic variation for resistance to Septoria tritici blotch in Iranian tetraploid wheat landraces. European Journal of Plant Pathology 132: 191-202.
Godoy M, Castaño F, Ré J, and Rodríguez R, 2005. Sclerotinia resistance in sunflower: I. Genotypic variations of hybrids in three environments of Argentina. Euphytica 145: 147-154.
Hatami Maleki H and Darvishzadeh R, 2014. Study of interactions between sunflower genotypes and black stem (Phoma macdonaldii) isolates using GGE biplot approach. Journal of Crop Protection 3(1): 51-57.
Melzer MS, Smith EA, and Boland GJ, 1997. Index of plant hosts of Sclerotinia minor. Canadian Journal of Plant Pathology 19(3): 272-280.
Mousa Khalifani Kh, Darvishzadeh R, and Abrinbana M, 2018. Aggressiveness diversity of Sclerotinia sclerotiorum and S. minor isolates in west Azarbaijan province and specific interaction of sunflower lines with the isolates of these pathogens. Journal of Applied Researches in Plant Protection 7(1): 135-150.
Price K and Colhoun J, 1975. A study of variability of isolates of Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary from different hosts. Journal of Phytopathology 83(2): 159-166.
Putt ED, 1997. Early history of sunflower. In: Schneiter AA (ed.) Sunflower Technology and Production. Agronomy Monograph No. 35. ASA, CSSA, SSSA, Madison, WI, USA, pp. 1-19.
Satyabrata M, Hedge MR, and Chattopadhay SB, 1988. Handbook of Annual Oilseed Crops. Oxford IBH Pub. Co. (Pvt.) Ltd. New Delhi, pp. 176.
Schneiter AA and Miller JF, 1981. Description of sunflower growth stages. Crop Science 21(6): 901-903.
Skoric D and Marinkovic R, 1986. Most recent results in sunflower breeding. International Symposium on Sunflower, Budapest, Hungary, pp. 118-119.
Smolińska U and Kowalska B, 2018. Biological control of the soil-borne fungal pathogen Sclerotinia sclerotiorum –– a review. Journal of Plant Pathology 100(1): 1-12.
Sosulski F, 1979. Food uses of sunflower proteins. Journal of the American Oil Chemists’ Society 56(3): 438- 442.
Tabrizi M, Hassanzadeh F, Moghaddam M, Alavikia S, Aharizad S, and Ghaffari M, 2012. Combining ability and gene action in sunflower using line × tester method. Journal of Plant Physiology and Breeding 2(2): 35-44.
Talukder ZI, Hulke BH, Qi L, Scheffler BE, Pegadaraju V, McPhee K, and Gulya TJ, 2014. Candidate gene association mapping of Sclerotinia stalk rot resistance in sunflower (Helianthus annuus L.) uncovers the importance of COI1 homologs. Theoretical and Applied Genetics 127(1): 193-209.
Vear F, Willefert D, Walser P, Serre F, and Tourvieille de Labrouhe D, 2004. Reaction of sunflower lines to a series of Sclerotinia sclerotiorum isolates. Proceedings of the 16th International Sunflower Conference, Fargo, ND, USA, pp. 135-140.
Viguié A, Vear F, and Tourvieille de Labrouhe D, 1999. Interactions between French isolates of Phomopsis / Diaporthe helianthi Munt.-Cvet. et al. and sunflower (Helianthus annuus L.) genotypes. European Journal of Plant Pathology 105: 693-702.
Yan W and Falk DE, 2002. Biplot analysis of host- by-pathogen data. Plant Disease 86(12): 1396-1401.
Yan W and Tinker NA, 2006. Biplot analysis of multi-environment trial data: principles and applications. Canadian Journal of Plant Science 86(3): 623-645.