Zurich, Switzerland
June 5, 2025
Wheat production is threatened by a major fungal disease: yellow rust. Researchers at the University of Zurich have found traditional wheat varieties from Asia that harbor several resistance-conferring genes. They may serve as a durable source of yellow rust resistance in commercial varieties in the future, highlighting the importance of genetic diversity for food security.
Yellow rust is a fungal disease and a significant threat to the worldwide wheat production. Yellow stripes on the wheat leaves are typical of an infestation. (Image: Katharina Jung, University of Zurich)
Yellow rust, also known as stripe rust, is caused by a fungal pathogen named Puccinia striiformis f. sp. tritici. The plant disease affects around 88 % of global bread wheat production and is one of the most devastating threats to wheat yields. New strategies against the fungus are therefore urgently needed. An international team headed by researchers at the University of Zurich (UZH) has now discovered two genomic regions in traditional wheat varieties from Asia which confer resistance to the disease. “If such genes can be transferred to commercial wheat varieties, they could be important in combating yellow rust,” says Kentaro Shimizu, professor at the UZH Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies, who is responsible for a new study on the subject.
Genetic diversity of wheat local varieties
For decades, targeted breeding of wheat focused on developing high-yielding varieties. While these modern varieties helped feed the world, their limited genetic diversity led to increased vulnerability to threats such as pests, diseases and extreme climates. In contrast to modern varieties, traditional wheat varieties have been maintained by local farmers in different regions of the world and therefore less impacted by the loss of genetic diversity. Traditional varieties from Asia appeared particularly promising, for they have been underexplored despite being a potential reservoir of genetic diversity with higher disease resistance.
If it were possible to utilize the resistance genes from local Asian varieties in breeding modern wheat varieties, crop losses could be reduced in the future. (Image: Katharina Jung, University of Zurich)
During her PhD in Shimizu’s team, Katharina Jung conducted the research on wheat yellow rust resistance in collaboration with the International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) in Mexico and the Kyoto University in Japan. Jung screened both traditional and modern varieties from Japan, China, Nepal and Pakistan. First, she identified yellow rust resistant wheat plants in large-scale field experiments in Reckenholz, Switzerland, and at CIMMYT, Mexico. Then, she located genomic regions that contribute to yellow rust resistance, so-called quantitative trait loci.
Targeted search for novel yellow rust resistances
Jung uncovered two potentially new genomic regions related to yellow rust resistance: One is specific to a traditional variety from Nepal, while the other is more broadly distributed across traditional varieties from Nepal, Pakistan, and China in the southern Himalayan area. “Interestingly, the southern Himalayan area is believed to be the origin of the yellow rust pathogen itself. Taken together with our findings, we hypothesize that traditional varieties from this area might harbor unique and stable resistances to yellow rust,” says Jung. A more targeted search for novel yellow rust resistances from this area could potentially provide long-lasting protection against a wide range of pathogen strains.
Safeguarding local varieties and farming practices
The new results underscore the importance of conserving genetic diversity and traditional varieties in wheat to combat diseases and other threats. Farmers have cultivated and maintained these traditional varieties in different parts of the world for generations, which is of great value for future food security. “Traditional varieties must be preserved both in gene banks and in farmers’ fields before they are lost forever. Their use and benefit-sharing should be done in close collaboration with local communities, as their knowledge and practice have paved the way to the genetic diversity we observe today,” says Jung.
Literature
Katharina Jung, Reiko Akiyama, Jilu Nie, Miyuki Nitta, Naoto‑Benjamin Hamaya, Naeela Qureshi, Sridhar Bhavani, Thomas Wicker, Beat Keller, Masahiro Kishii, Shuhei Nasuda, Kentaro K. Shimizu. Unveiling yellow rust resistance in the near‐Himalayan region: insights from a nested association mapping study. Theoretical and Applied Genetics. 5 June 2025. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-025-04886-z
Kyoto University: important UZH collaboration partner in Asia
The wheat varieties provided by Kyoto University were essential for this project. “I cannot emphasize enough how valuable such a collaboration is in making scientific progress,” says Kentaro Shimizu. The UZH Global Funding Scheme, managed by the Global Affairs office, supported this project. Collaborations between UZH and Kyoto University have existed for many years. In 2020, the alliance between two institutions was converted into a Strategic Partnership.
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 847585.
Pilzresistenz bei Weizen: Biodiversität ist zentral für Ernährungssicherheit
Gelbrost, eine der meistverbreiteten Pilzerkrankungen, ist eine Bedrohung für den weltweiten Weizenanbau. Forschende der Universität Zürich haben in traditionellen asiatischen Weizensorten Genregionen gefunden, die eine Resistenz gegen den Pilz verleihen. Diese könnten als dauerhafte Quelle für Gelbrostresistenz in kommerziellen Sorten dienen und so zur Ernährungssicherheit beitragen.
Gelbrost, auch als Streifenrost bekannt, wird durch einen Pilz namens Puccinia striiformis f. sp. tritici verursacht. Die Pflanzenkrankheit befällt rund 88 Prozent der weltweiten Produktion von Brotweizen und ist eine der verheerendsten Bedrohungen für die Erträge. Neue Strategien gegen den Pilz sind daher dringend erforderlich. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Zürich (UZH) hat nun in traditionellen Weizensorten aus Asien zwei Regionen im Genom entdeckt, die die Pflanzen resistent gegen die Krankheit machen. «Lassen sich solche Gene auf kommerzielle Weizensorten übertragen, könnten sie für die Bekämpfung des Gelbrostes wichtige Beiträge leisten», sagt Studienverantwortlicher Kentaro Shimizu, UZH-Professor am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften.
Genetische Vielfalt von lokalen Weizensorten
Jahrzehntelang konzentrierte sich die gezielte Züchtung von Weizen auf die Entwicklung ertragreicher Sorten. Die modernen Sorten trugen zwar dazu bei, die Welt zu ernähren, doch ihre begrenzte genetische Vielfalt führte zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Schädlingen, Krankheiten und extreme Klimabedingungen. Im Gegensatz dazu haben zahlreiche lokale Landwirte traditionelle Weizensorten in verschiedenen Regionen der Welt gepflegt, die weniger vom Verlust der genetischen Vielfalt betroffen sind. Besonders lokale asiatische Sorten stellen ein potenzielles Reservoir an genetischer Vielfalt mit höherer Krankheitsresistenz dar. Sie sind jedoch noch nicht ausreichend erforscht.
Während ihrer Promotion in Shimizus Team führte Katharina Jung in Zusammenarbeit mit dem International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) in Mexiko und der Kyoto University in Japan Forschungsarbeiten zur Gelbrostresistenz bei Weizen durch. Jung untersuchte sowohl traditionelle als auch moderne Sorten aus Japan, China, Nepal und Pakistan. Zunächst identifizierte sie in gross angelegten Feldversuchen in Reckenholz in der Schweiz und am CIMMYT in Mexiko gelbrostresistente Weizenpflanzen. Dann lokalisierte sie Regionen im Genom, die zur Gelbrostresistenz beitragen.
Gezielte Suche nach neuen Gelbrost-Resistenzen
Jung entdeckte zwei neue Genomregionen, die mit der Gelbrostresistenz zusammenhängen: Die eine ist spezifisch für eine traditionelle Sorte aus Nepal, während die andere Genregion breiter über traditionelle Sorten aus Nepal, Pakistan und China im südlichen Himalaya-Gebiet verteilt ist. «Man nimmt an, dass das südliche Himalaya-Gebiet der Ursprung des Gelbrosterregers ist. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass traditionelle Sorten aus diesem Gebiet einzigartige und stabile Resistenzen gegen Gelbrost aufweisen könnten», sagt Jung. Eine gezieltere Suche nach neuen Gelbrostresistenzen in Sorten aus dieser Region könnte einen dauerhaften Schutz gegen eine Vielzahl von Erregerstämmen bieten.
Lokale Sorten und Anbaupraktiken bewahren
Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die genetische Vielfalt und die traditionellen Weizensorten zu bewahren, um Krankheiten und andere Bedrohungen zu bekämpfen. Landwirte haben diese traditionellen Sorten in verschiedenen Teilen der Welt über Generationen hinweg angebaut und gepflegt, was für die künftige Ernährungssicherheit von grossem Wert ist. «Traditionelle Sorten müssen sowohl in Genbanken als auch auf den Feldern der Bauern erhalten werden, bevor sie für immer verloren gehen. Ihre Nutzung sollte in enger Zusammenarbeit mit den lokalen Landwirten erfolgen, damit diese davon profitieren. Denn ihr Wissen und ihre Praxis waren für die heutige genetische Vielfalt entscheidend», so Jung.
Literatur
Katharina Jung, Reiko Akiyama, Jilu Nie, Miyuki Nitta, Naoto‑Benjamin Hamaya, Naeela Qureshi, Sridhar Bhavani, Thomas Wicker, Beat Keller, Masahiro Kishii, Shuhei Nasuda, Kentaro K. Shimizu. Unveiling yellow rust resistance in the near‐Himalayan region: insights from a nested association mapping study. Theoretical and Applied Genetics. 5 June 2025. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-025-04886-z
Universität Kyoto: wichtiger UZH-Kooperationspartner in Asien
Die von der Universität Kyoto zur Verfügung gestellten Weizensorten waren für dieses Projekt unerlässlich. «Ich kann nicht genug betonen, wie wertvoll eine solche Zusammenarbeit für den wissenschaftlichen Fortschritt ist», sagt Kentaro Shimizu. Das Projekt wurde vom Global Funding Scheme der UZH, das von der Abteilung Global Affairs verwaltet wird, unterstützt. Die Zusammenarbeit zwischen UZH und Universität Kyoto besteht schon seit vielen Jahren. Im Jahr 2020 wurde die Allianz zwischen den beiden Institutionen in eine strategische Partnerschaft umgewandelt.
Dieses Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Marie Skłodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 847585 unterstützt.
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