Puccinia striiformis f. sp. tritici sprawca rdzy żółtej zbóż i traw wyzwanie dla hodowli odpornościowej

Transkrypt

1 Puccinia striiformis f. sp. tritici sprawca rdzy żółtej zbóż i traw wyzwanie dla hodowli odpornościowej Paweł Cz. Czembor, Magdalena Radecka- Janusik, Grzegorz Czajowski Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy Radzików, Błonie

2 Hodowla odpornościowa wobec zmian patogeniczności w populacji grzyba Puccinia striiformis sprawcy rdzy żółtej zbóż i traw PATOGEN zdolności chorobotwórcze P. striiformis patogen o dużym potencjale chorobotwórczym Zmiany patogeniczności w populacji (świat, Europa, Polska) GOSPODARZ odporność Odporność rasowo-specyficzna Odporność o charakterze ilościowym Nowe zagrożenia P. graminis sprawca rdzy źdźbłowej zbóż i traw

3 Rdza żółta patogen (Puccinia striiformis) Duże zdolności przystosowawcze zmienność genetyczna Mutacje, zjawiska paraseksualne i rekombinacja somatyczna (populacje klonalne) Rekombinacja mejotyczna (populacje rekombinacyjne) (Jin i in. 2010, Wang i Chen 2013) Ekspansywny Mobilność (zarodniki zdolne pokonywać duże odległości) Inwazja de novo (Ameryka Pn.,Ameryka Pd., Australia i Afryka Południowa) Ponowne pojawienie się patogena w postaci patotypów o nowych wirulencjach i tolerancji na wyższe temperatury (Ameryka Pn., Australia i Afryka Pn.)

4 Rdza żółta patogen (Puccinia striiformis) Źródła, struktura populacji i kierunki migracji Geographic population: Ali i in. 2014; Hovmoller i in. 2015

5 Rdza żółta patogen (Puccinia striiformis) Zmiany frekwencji wirulencji w populacji europejskiej Inne Non-wheat [none] Brigadier [1,2,3,9,17,25] Brigadier,v4 [1,2,3,4,9,17,25] Madrigal/Lynx [1,2,3,6,9,17,25] Madrigal/Lynx,v4 [1,2,3,4,6,9,17,25] Robigus [1,2,3,4,9,17,25,32] Robigus,v7 [1,2,3,4,7,9,17,25,32] Oakley/Solstice [1,2,3,4,6,9,17,25,32] Oakley/Solstice,v7[1,2,3,4,6,7,9,17,25,32] Kranich [1,2,3,6,7,8,9,17,25,32,Amb] Warrior [1,2,3,4,6,7,9,17,25,32,Sp,Amb] Warrior(-) [1,2,3,4,6,7,9,17,25,32,Sp] Tulsa [3,4,6,25,32] Triticale2006 [2,6,7,8,10] Triticale2015 [2,6,7,8,9] PstS2,v27 [2,6,7,8,9,25,27] PstS3,v2,v25 [2,6,7,8,25] Pst(new) [2,3,6,7,8,9,17,25,32,Sp] Do roku 2010 przeważały patotypy : Brigadier, Madrigal, Robigus Od roku 2011 dominują patotypy: Warrior, Kranich, Triticale aggressive (różne warianty)

6 Rdza żółta patogen (Puccinia striiformis) Rozmieszczenie przestrzenne w Europie Inne Non-wheat [none] Brigadier [1,2,3,9,17,25] Brigadier,v4 [1,2,3,4,9,17,25] Madrigal/Lynx [1,2,3,6,9,17,25] Madrigal/Lynx,v4 [1,2,3,4,6,9,17,25] Robigus [1,2,3,4,9,17,25,32] Robigus,v7 [1,2,3,4,7,9,17,25,32] Oakley/Solstice [1,2,3,4,6,9,17,25,32] Oakley/Solstice,v7 [1,2,3,4,6,7,9,17,25,32] Kranich [1,2,3,6,7,8,9,17,25,32,Amb] Warrior [1,2,3,4,6,7,9,17,25,32,Sp,Amb] Warrior(-) [1,2,3,4,6,7,9,17,25,32,Sp] Tulsa [3,4,6,25,32] Triticale2006 [2,6,7,8,10] Triticale2015 [2,6,7,8,9] PstS2,v27 [2,6,7,8,9,25,27] PstS3,v2,v25 [2,6,7,8,25] Pst(new) [2,3,6,7,8,9,17,25,32,Sp] Polska 2016: nowy patotyp Triticale 2015 [2,6,7,8,9]; Polska 2016: nowy patotyp Pst new [2,3,6,7,8,9,17,25,32,Sp] (wyodrębniono z porażonych liści odmian pszenżyta Aliko, Agostino i Marko); Efektywne geny odporności: Yr5 i Yr15

7 Rdza żółta odporność rasowo-specyficzna Zidentyfikowano 78 genów odporności (Yr1-Yr78, większość efektywna we wszystkich stadiach wzrostu rośliny) i ponad 40 genów tymczasowo oznaczonych lub QRL-i (dane z roku 2017, baza danych KOMUGI) RS AS rasowo-specyficzne (R), odporność całkowita i efektywna we wszystkich stadiach wzrostu roślin, reakcja nadwrażliwości Wartość hodowlana: raczej nietrwała (wyjątek Yr5 i Yr15) Źródła odporności: Gatunki pokrewne (inżynieria chromosomowa, markery molekularne) Odmiany miejscowe Triticum tauschii (pszenice syntetyczne) Selekcja klasyczna: łatwa (stadium siewki, odporność całkowita) Selekcja wspomagana markerami molekularnymi: dostępna RS odporność rasowo-specyficzna AS odporność we wszystkich fazach rozwojowych rośliny (All Stages)

8 Rdza żółta odporność rasowo-specyficzna Materiał roślinny: 196 europejskich odmian pszenicy ozimej Ocena fenotypowa: izolat typu Warrior Pst15WT Typowanie molekularne genów odporności Yr5 i Yr15 Geny odporności Yr5 Yr15 Marker molekularny (odległość w cm od genu Yr) Wielkość produktu pz Publikacja źródłowa Barc167 (2,6*) 275 Li i in S23M41(0,7) 275 McGrann i in STS7/8 (0,3) 478 Murphy i in STS9/10 (0,7) Gwm413 (0,0) 120 Li i in Wmc128 (0,4) 235 Li i in Gwm273 (5,7) 165 Yaniv i in Radecka-Janusik M., Czembor P., Czajowski G Dane niepublikowane.

9 gwm413 (Yr15 ) Ocena gwm413 (Yr15 ) Ocena gwm413 (Yr15 ) Ocena gwm413 (Yr15 ) Ocena gwm413 (Yr15 ) Ocena gwm413 (Yr15 ) Ocena Rdza żółta odporność rasowo-specyficzna 196 odmian pszenicy ozimej (siewki): ocena fenotypowa i molekularna Odmiana Odmiana Odmiana Odmiana Odmiana Odmiana Akteur 7 Kredo 7 Skagen 8 Dekan 8 Lahertis 5 Sokrates 7 Alcazar 6 Kris 7 Smaragd 7 Desamo 7 Lear 7 Solognac 6 Arkadia 7 KWS 2 Smuga 7 Descartes 4 Lithium 6 Sophytra 7 Arktis 5 KWS 4 Speedway 7 Diamento 7 MV Lucilla 2 Starway 7 Artist 7 KWS 7 Sukces 7 Diderot 7 Magnus 6 Syllon 7 Askalon 5 KWS Ozon 7 Tonacja 7 DISCUS 7 Manager 7 Tabasco 6 Astoria 7 Lavantus 7 Torrild 6 EDELRUN 7 Mandub 7 Tengri 8 Bagou 7 Legenda 7 Tulecka 8 Edgar 5 Mandragor 7 Tentation 7 Baletka 8 Linus 7 Türkis 7 EHOGOLD 7 Marcopolo 6 Terroir 7 Bamberka 8 Look 7 Turnia 8 Elixer 7 MATHEO 7 Thalys 7 Banderola 8 Ludwig 7 Wydma 7 Eperon 7 MATRIX 7 Tobak 6 Batuta 7 Markiza 7 Zawisza 7 ERON 9 Mazurka 7 Tuareg 8 Belenus + 0 Meister 6 Zyta 7 ETANA 7 Memory 6 Valdo 4 Bockris 7 Meteor 7 Addict 6 Evolution 4 Mentor 5 Waxy 7 Bogatka 7 Mewa 7 Agil 6 FAMULUS 7 Nelson 3 Winnetou 8 Boomer 7 Mikula 7 Alchemy 7 Fermi 7 Nocibe 7 Wiwa 5 Bystra 8 Mulan 7 Alhambra 2 Florett 3 Oceano 7 Xantippe 7 Dorota 5 Muszelka 7 Amifor 8 Florian 3 Opal 7 Zappa 4 Elipsa 7 Muza 8 Arezzo 7 Fructidor 7 Pamier 7 Zephyr 7 Estivus 3 Naridana 7 Armada 7 Frument 5 PIONIER 7 Zeppelin 6 Fakir 4 Natula 7 Artagnan 7 Gabrio 7 PRIMUS 7 Zobel 7 Fidelius 7 Nutka 3 Atomic 6 Glaucus 7 Pueblo 7 Cortez-Yr Figura 7 Olivin 7 Avalon 7 Gordian 8 Réciproc 7 Avocet-Yr5 0 Forkida 7 Operetka 7 Avenir 8 Granamax 7 Renan 7 Forum 8 Ostka 7 Barok 7 Grapeli 7 RGT 7 Fregata 8 Ostroga 7 Belepi 7 Heros 7 RGT Djoko 7 Garantus 7 Oxal 7 Bombus 7 Intro 6 RGT 7 Henrik 7 Patras 8 Butaro 7 Ionesco 7 RGT 7 Jantarka 7 Pengar 7 Calcio 5 Jaceo 7 Riband 8 Jenga 7 Platin 7 Capone 7 JOKER 7 Rigi 7 Kampana 6 Praktik 7 Caroll 1 Julius 7 Rumor 7 Kepler 7 Rapsodia 6 Celebration 2 Kalahari 8 SALUTOS 7 Kobiera 5 Rywalka 7 Ch Combin 7 Kantao 3 SAMURAI 5 Kohelia 7 Sailor 7 CHILTON 7 Kerubino 6 Scaro 7 Kranich 7 Satyna 7 Colonia 7 KWS 6 Schamane 7 Reakcja odporny 5-6 pośredni 7-9 podatny

10 Rdza żółta odporność rasowo-specyficzna Materiał roślinny: 196 europejskich odmian pszenicy ozimej Ocena fenotypowa: izolat typu Warrior Pst15WT Typowanie molekularne genów odporności Yr5 i Yr15 Wiosek Tylko odmiana Belenus zawiera gen odporności Yr15 Belenus = Cortez (Yr15) x Biscay (Yr2, Yr3 i Yr17) Radecka-Janusik M., Czembor P., Czajowski G Dane niepublikowane.

11 Rdza żółta - odporność Zidentyfikowano 78 genów odporności (Yr1-Yr78, większość efektywna we wszystkich stadiach wzrostu rośliny) i ponad 40 genów tymczasowo oznaczonych lub QRL-i (dane z roku 2017, baza danych KOMUGI) RS AS APR rasowo-specyficzne (R), odporność całkowita i efektywna we wszystkich stadiach wzrostu roślin, reakcja nadwrażliwości w odróżnieniu od genów R, zwykle warunkują odporność częściową (spowalnianie objawów chorobowych), charakterystyczne dla loci cech ilościowych (QTLi) i są obserwowane tylko u roślin dorosłych APR odporność w stadium rośliny dorosłej (Adult Plant Resistance) RS odporność rasowo-specyficzna AS odporność we wszystkich fazach rozwojowych rośliny (All Stages)

12 Rdza żółta odporność częściowa APR APR RS NRS Yr11, Yr12, Yr13, Yr14, Yr22b?, Yr37?, Yr49 Yr16, Yr48, Yr52, Yr54 Specyficzność APR Wydaje się, że odporność rasowo-niespecyficzna to wynik połączenia działania kilku genów o różnym stopniu efektywności Odporność rasowo-niespecyficzna może być efektywna tylko w pewnych środowiskach (Yr49-NRS/Australia, Yr49-RS/Chiny) nietrwała APR odporność w stadium rośliny dorosłej NRS odporność rasowo-niespecyficzna RS odporność rasowo-specyficzna

13 APR Rdza żółta odporność częściowa Odporność Rośliny Dorosłej przy Wysokiej Temperaturze (High Temperature Adult Plant Resistance, HTAP) NRS HTAP Yr36 (sklonowany), Yr39, Yr59, Yr62 Odporność APR w tym HTAP: często niepełna i nietypowe dziedziczenie Większość APR w tym HTAP są kontrolowane przez 1-3 QTLe, rzadko 5 QTLi Trwałość HTAP: pojedynczy gen = kilka genów Efektywność HTAP: zależne od nasilenia choroby Geny HTAP są wrażliwe na temperaturę Nie wszystkie geny wrażliwe na temperaturę to HTAP (odporność w st. siewki/wys. temp.) Utrudniona hodowla odpornościowa/htap: selekcja roślin podatnych w stadium siewki i ich ekspozycja na Pst w stadium rośliny dorosłej odporność w stadium rośliny dorosłej odporność rasowo-niespecyficzna APR NRS HTAP odporność rośliny dorosłej przy wysokiej temperaturze

14 Rdza żółta odporność częściowa Odporność Plejotropowa Rośliny Dorosłej (Pleiotropic Adult Plant Resistance, PAPR) APR NRS PAPR Lr46-Yr29-Sr58-Pm39, Lr27-Yr30-Sr2, Lr67-Yr46-Sr55-Pm46 APR NRS HTAP PAPR Lr34-Yr18-Pm38-Sr57 (sklonowany) Ten sam gen warunkuje odporność na kilka patogenów Geny Sr2 i Lr34 najlepiej poznane Sr2 trwała odporność blisko 100 lat, aż do pojawienia się Pgt Ug99 Lr34 trwała odporność blisko 40 lat, nie znaleziono nowego wirulentnego izolatu P. triticina Przy dużym nasileniu choroby, żaden pojedynczy gen APR nie zapewnia wystarczającej ochrony rośliny a jego możliwa spóźniona ekspresja nie zapewnia uniknięcia strat w plonie Dla Pst zróżnicowana wielkość efektu: Yr39>Yr36>Lr34-Yr18>Lr46-Yr29 Możliwe złożone interakcje między genami APR i R!!! odporność w stadium rośliny dorosłej odporność rasowo-niespecyficzna APR NRS HTAP PAPR odporność rośliny dorosłej przy wysokiej temperaturze odporność plejotropowa rośliny dorosłej

15 Rdza żółta odporność częściowa Odporność Plejotropowa Rośliny Dorosłej (Pleiotropic Adult Plant Resistance, PAPR) APR NRS PAPR Lr46-Yr29-Sr58-Pm39, Lr27-Yr30-Sr2, Lr67-Yr46-Sr55-Pm46 APR NRS HTAP PAPR Lr34-Yr18-Pm38-Sr57 (sklonowany) Trudna selekcja materiałów (rośliny dorosłe, naturalna infekcja, zmienność środowiskowa), wyjątek Ltn1 (ang. Leaf tip necrosis) Maskowanie efektów genów APR przez geny główne R Konieczność połączenia kilku APR dla osiągnięcia prawie całkowitej odporności Geny APR mało popularne w hodowli europejskiej (dążenie do czystych roślin?) Światowa kolekcja pszenicy 310 odmian zawierała 68 obiektów Lr34+, z czego źródła azjatyckie, Pn i Pd Ameryki stanowiły 52 odmiany (Dakouri i in. 2014) odporność w stadium rośliny dorosłej odporność rasowo-niespecyficzna APR NRS HTAP PAPR odporność rośliny dorosłej przy wysokiej temperaturze odporność plejotropowa rośliny dorosłej

16 Rdza żółta odporność częściowa 150 odmian pszenicy ozimej: typowanie genu APR Lr34-Yr18-Pm38-Sr57 markerem molekularnym cssfr5 (Czembor P., 2015; PBwPR temat 4) Lp. Odmiana Lr34-Yr18 Lp. Odmiana Lr34-Yr18 Lp. Odmiana Lr34-Yr18 Lp. Odmiana Lr34-Yr18 Lp. Odmiana Lr34-Yr18 1 Akteur Kredo Skagen ERON Sorokk u 2 Alcazar Kris Smaragd Estevan Stadium Arkadia KWS Dacanto Smuga ETANA Tabasco Arktis KWS Livius Speedway Event Tentation Artist KWS Magic Sukces Fermi Terroir Askalon KWS Ozon Tonacja Genius Thalys Astoria Lavantus Torrild Gordian Tobak Bagou Legenda Tulecka Granamax Waxy Baletka Linus Türkis Grapeli Xantippe Bamberka Look Turnia Hermann Zappa Banderola Ludwig Wydma Heros Batuta Markiza Zawisza Ionesco Belenus Meister Zyta JOKER u 14 Bockris Meteor Addict Julius Bogatka Mewa Agape Justinus Boomer Mikula Akratos Kantao Bystra Mulan Armada KWS Cashel Dorota Muszelka Artagnan KWS Erasmus Elipsa Muza ASTARDO KWS Kielder Estivus Naridana Avalon KWS Pius Fakir Natula Avenir Lahertis Fidelius Nutka Belepi Lear Figura Olivin Calumet Lithium Forkida Operetka Capone MV Lucilla Forum Ostka Strzel Caroll MATHEO Fregata Ostroga Celebration Memory Garantus Oxal Cocoon Modern Henrik Patras Desamo Muskat Jantarka Pengar Dickens Nocibe Jenga Platin Diderot Pamier Kampana Praktik EDELRUN PIONIER Kepler Rapsodia Elixer Rebel Kobiera Rywalka ENNSIO RGT Djoko Kohelia Sailor Eperon Scout Kranich Satyna ERIWAN Solky 523 Gen Lr34-Yr18-Pm38-Sr57 751pz 523pz obecny brak

17 Rdza żółta odporność warunkowana QTL-ami o małych efektach Mapowanie asocjacyjne genów odporności na Pst w pszenżycie Materiał roślinny: 919 genotypów pszenżyta, w tym 141 odmian z Polski, Niemiec, Francji, Szwecji i innych krajów; Ocena fenotypowa: doświadczenia polowe, infekcja naturalna (Pst Warrior ); Typowanie molekularne: DArTseq i markery sprzężone z Yr5, Yr10, Yr15 i Yr24. Wyniki 10 QTL-i związanych z odpornością na liściach (R2 w zakresie 0,2-16,5%); 7 QTL-i związanych z odpornością na kłosach (R2 w zakresie 0,3-9,6%); Trzy główne QTL-e: qyr.a-2b, qyr.b-7b i qyr.c-1b. Losert i in Theor. Appl. Genet. DOI /s Alamo DANKO PL Atletico DANKO PL Benetto DANKO PL Dinaro DANKO PL Disco DANKO PL Dublet DANKO PL Fidelio DANKO PL Fredro DANKO PL Grenado DANKO PL Gringo DANKO PL Kitaro DANKO PL Lamberto DANKO PL Lasko DANKO PL Madilo DANKO PL Magnat DANKO PL Mikado DANKO PL Moderato DANKO PL Moreno DANKO PL Mundo DANKO PL Nagano DANKO PL Nemo DANKO PL Piano DANKO PL Pinokio DANKO PL Prego DANKO PL Purdy DANKO PL Remiko DANKO PL Silverado DANKO PL Subito DANKO PL Pigmej HR Strzelce PL Malno HR Strzelce PL Gabo HR Strzelce PL Modus HR Strzelce PL Pawo HR Strzelce PL Witon HR Strzelce PL Logo HR Strzelce PL

18 Częstotliwość Rdza żółta odporność warunkowana QTL-ami o małych efektach Rdza żółta (ocena) Mapowanie asocjacyjne genów odporności na Pst w pszenżycie Allele: Odporny Podatny Odmiany z różną liczbą alleli odporności qyr.a, qyr.b i qyr.c Szwecja Odmiany posiadające trzy główne QTLe (qyr.a, qyr.b i qyr.c): Dejavu (DE), Vuka (DE), Trilogie (FR), Malno (PL) i Pigmej (PL). Wnioski Francja Niemcy Losert i in Theor. Appl. Genet. DOI /s Polska Rdza żółta liście Rdza żółta kłosy Francja Niemcy Szwecja Polska Odporność na Pst w pszenżycie ozimym jest złożona (znaczący udział alleli o charakterze ilościowym i różnych efektach) Zalecana selekcja cykliczna pod stałą presją patogenu w warunkach polowych Jeśli to możliwe, kierunkowa selekcja genomowa

19 Rdza żółta hodowla odpornościowa Poszukiwanie nowych źródeł odporności: gatunki pokrewne (inżynieria chromosomowa, markery molekularne), odmiany miejscowe, Triticum tauschii (pszenice syntetyczne), poszerzenie puli genetycznej pszenżyta. Zalecane łączenie APR (np. Yr39, Yr36, Lr34-Yr18, Lr67-Yr46) lub kilka QTL-i + R (Yr5 i Yr15): metody klasyczne (sztuczna inokulacja/siewki i rośliny dorosłe szczególnie w przypadku HTAP), MAS + weryfikacja fenotypu: dla większości efektywnych genów Yr są dostępne markery molekularne, selekcja genomowa (efektywna, ale kosztowna).

20 Rdza źdźbłowa nowe zagrożenie dla zbóż? P. graminis f.sp. avenae i P. coronata f.sp. avenae / owies odm. Bingo (Radzików 2016) P. graminis f.sp. tritici / pszenżyto (Radzików 2006) P. graminis f.sp. tritici / pszenica odm. Michigan Amber (Radzików 2016) P. graminis f.sp. tritici / jęczmień (Radzików 2016) P. graminis f.sp. secale / żyto (Radzików 2016)

21 Rdza źdźbłowa nowe zagrożenie dla zbóż? Rasa Digalu nie jest spokrewniona z grupą Ug99 Znana od 2005 w Turcji i kilku krajach Bliskiego Wschodu Dania i Niemcy (2013), wykryto rasy pokrewne Digalu, ale z dodatkową wirulencją w stosunku do genów odporności Sr33, Sr7a, SrTt-3 i Sr45 Polska (2016)??? Rasy / Geny odporności Sr e 7b a 9g 36 9b a 9d 10 Tmp McN Inne TTKSK (Ug99) TTKSF TTKST (Ug99+24) TTTSK (Ug99+36) TTKSP PTKSK PTKST TTKTT (Ug99+24+Tmp) TTKTK (Ug99+Tmp) TTHSK TKTTF (Digalu) TTTTF awirulentny 1 - wirulentny Olivera i in Phenotypic and Genotypic Characterization of Race TKTTF of Puccinia graminis f. sp. tritici that Caused a Wheat Stem Rust Epidemic in Southern Ethiopia in Phytopathology 105:

22 Prośba o próbki rdzy źdźbłowej dla jęczmienia i pszenicy Dziękuję za uwagę Dr hab. Paweł Czembor, prof. nadzw. IHAR-PIB Zakład Genetyki i Hodowli Roślin, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy, Radzików, Błonie p.czembor@ihar.edu.pl