Šlechtění rostlin na odolnost k biotickým a abiotickým vlivům prostředí Typy rezistence, teorie gen proti genu, mechanismus hypersenzitivity, trendy a problémy ve šlechtění, genetické markery rezistence

!!!

Přirozená odolnost vnějším vlivům Rostlina je pevně fixována na stanoviště, na kterém vyrůstá: –Větší nároky na genetickou výbavu –Schopnost reakce na změnu podmínek expresí antistresových faktorů –Schopnost adaptace Odolnost jako integrovaná součást ochrany rostlin

Integrovaná část ochrany rostlin Současný trend minimalizace vstupů do porostu vyžaduje odolné odrůdy, schopné minimalizovat vliv škodlivého faktoru na nezbytně nutné minimum. Přináší ekonomický i ekologický efekt

Rezistence k biotickým faktorům Schopnost odolávat působení biotických faktorům: Zahrnuje: –Odolnost k bezobratlým škůdcům –Houbovým patogenům –Bakteriálním patogenům –Virům a fytoplazmám

Terminologie Hostitel – rostlina jako zdroj energie patogenního organismu Patogen – organismus schopný vyvolat patogenní proces Patogenita – schopnost organismu vyvolat patogenní proces Patotyp – část populace patogena, ve které jsou jedinci charakterističtí určitou patogenitou (rasa, biotyp) Forma specialis – vnitrodruhová jednotka patogena na úrovni variety nebo poddruhu (Puccinia graminis f.sp. (var.) tritici)

Terminologie Patodema – populace hostitele s určitou, konkrétní, rezistencí Imunita – absolutní odolnost, potenciální patogen nenapadá potenciálního hostitele Rezistence – (odolnost) míra potlačení patogenního vlivu škodlivých faktorů Senzitivita – (citlivost) soubor vlastností hostitele, umožňující vznik patogenního procesu Tolerance – hostitel snáší patogenní působení bez výrazného vlivu na finální produkci

Patogenita Schopnost patogena vyvolat patogenní pochody na rostlině Složky: –Virulence (kvalitativního charakteru) –Agresivita (kvantitativní charakter)

Členění rezistence Vertikální rezistence – specifická Horizontální rezistence – nespecifická Pseudorezistence – negenetická –Rostlina se jeví odolná vzhledem k nízkému infekčnímu tlaku prostředí

Vertikální rezistence Vztah patogen-hostitel je přesně definován –Rasově specifická rezistence –Kvalitativní povaha rezistence – oligogenní založení odolnosti hostitele –Vysoce účinná, málo závislá na ročníku a lokalitě –Projevem je hypersenzitivita – přecitlivělost –Krátkodobá – selekce virulentních ras vede k překonání této rezistence

Horizontální rezistence Vztahy patogena a hostitele jsou řízeny složitěji a většinou zabraňují šíření patogena na rostlině a v porostech. –Rasově nespecifická – obecná rezistence –Kvantitativního charakteru –Polní rezistence – projevuje se v polních podmínkách, nekoresponduje s výsledky v laboratoři –Nižší účinnost (závislost na prostředí) –Nebývá obvykle překonávána

Tolerance Rostlina vykazuje příznaky napadení patogenem s tím, že toleruje působení toxinů. Výnosově se tedy neliší od rostliny odolné –Rostlina mírní růst patogena –Produkce spor patogenem je na nižší úrovni

Vztah hostitel patogen Flor (1956) – „gen proti genu“ Vztah rez lnová x len Každému genu rezistence hostitele odpovídá gen patogena, který rozhoduje o jeho virulenci nebo avirulenci. Systém funguje na principu zámku a klíče

Teorie gen proti genu Hostitel disponuje geny rezistence (zámky) –Membránové receptory –Dominantní charakter rezistence Patogen vylučuje produkty genů avirulence respektive virulence (klíče). –Avirulentní elicitor (dominantní povahy) –Virulentní elicitor (recesivní povahy)

Vztah receptor - elicitor Evolučně daný vztah antigenních charakteristik patogena a hostitele Avirulentní elicitor - rozpoznán receptorem (spustí se odezva na napadení) výsledkem je odolnost. Virulentní (mutovaný) elicitor - není rozpoznán receptorem, nenastoupí obranné mechanizmy. Rozvine se patogenní proces Čím více má rostlina zámků, tím více klíčů musí mít patogen, aby rostlinu kolonizoval

Receptorové bílkoviny Mají dvě typické části: NBS - (neznámá funkce) LRR – na leucin bohaté repetice – rozhodující význam pro rozpoznání patogena

Rezistentní nebo náchylná odrůda? HostitelPatogenOdezva geny A.Va va va Vb A. A.B. va vb náchylná rezistentní náchylná rezistentní

Ztráta rezistence Vertikální rezistence může být snadno překonána díky evoluci patogena –Mutace v populaci patogena (vznik rasy) –Selekce této rasy na odrůdách, které jsou vůči ní náchylné Důvod pro stažení odrůdy z trhu Řešení: –Pyramidizace genů rezistence –Střídání odolných a náchylných odrůd –Šlechtění na horizontální rezistenci

Odezvy na napadení Hypersenzitivita (přecitlivělost) –kaskáda biochemických pochodů vedoucích k smrti buněk v oblasti napadené patogenem Produkce obranných látek –oslabují působení patogena (fenolické látky) Indukovaná rezistence –signál ve formě salicylové kyseliny –dochází k tvorbě polyfenolů (prevence napadení a šíření patogena)

Hypersenzitivita ječmen brambor

Preventivní bariéry napadení Habitus rostliny –Bezosinnost klasů –Postavení listů –Mohutnost kořenového systému Mikromorfologické struktury –Struktura kutikuly –Trichomy na povrchu těla (savý hmyz) –Obsah sušiny v pletivech Chemické bariéry –Toxické a antinutriční látky (glykoalkaloidy)

Šlechtění na rezistenci Současné systémy šlechtění používají oba typy rezistence: –Vertikální rezistence řeší nedostatečně propracovanou zásobu adaptovaných genových zdrojů rez. horizontální –Snaha o kombinaci většího množství genů v genotypu a tím umožnit širší odolnost (pyramidizace)

Šlechtění na rezistenci Genetické zdroje –krajové odrůdy adaptované na soužití s patogenem –Plané příbuzné druhy vyvíjející se s patogenem –Terciární genové zdroje (Bacillus thuringiensis) Metody –Kombinační křížení –Mutageneze –Somatická hybridizace –Transgenoze

Genetické zdroje rezistence jabloně Malus floribunda gen Vf Malus robusta gen Pl

Genetické zdroje rezistence bramboru Solanum demissum R1 – R10 Solanum tuberosum ssp. andigena gro1, H1, Gpa2

Další důležité zdroje rezistence Solanum bulbocastanum - Rpi-blb 1-3 Lycopersicon peruviana – Mi gen Ječmen - Mla a Mlo Pšenice - Sr Lr Yr1 - 16

Testy odolnosti Odolnost se testuje –laboratorní podmínky (laboratoře, skleníky) –polní podmínky Selekce –Fenotypová (devítibodové stupnice) –Genetické markery

Ukázková devítibodová stupnice

Provokační testy Laboratorní testování –Vystavení působení konkrétní rasy (umělá inokulace) – skleníky, in vitro reakce na toxiny –Absolutní tlak rasy patogena –Eliminuje se vliv ostatních faktorů Polní testování –Provokační prostředí (zamořená půda, šiřitelé infekce - spreadry –Ovlivněno ročníkem (infekční tlak) –Změna spektra ras patogena

Laboratorní testy

Abiotický stres Odolnost k nízkým teplotám –Souvisí s metabolismem sacharidů a vodním režimem rostliny (dehydriny – geny Dhy, nebo Fr geny) –Mrazuvzdornost (ozimé plodiny) odolnost k poškození v důsledku teplot pod bodem mrazu v zimním období –Chladuvzdornost (kukuřice) odolnost mladých rostlin, semen, a klíčenců k postižení teplotami blízkými nule v období jara

Mrazuvzdornost u pšenice Základem je adaptace na mráz během období otužování Předpokládá se souvislost s geny pro vernalizaci (Vrn geny) a Dhy geny a rezistenci k mrazu Fr geny Byla snaha o zvýšení mrazuvzdornosti křížením s žitem (zhoršení pekařské jakosti) Zkouší se křížení s druhy rodu Elytrigia

Testy mrazuvzdornosti Laboratorní zkoušky: provádí se po otužení rostlin na poli. Během zimy odběry a testování v: –Mrazové komory –Bedničky a truhlíky vystaveno holomrazu (promrzne kompletně celá bednička) –Laboratorní testování schopnosti regenerace Polní testy: odmetení sněhu z řádků

Mrazuvzdornost pšenice

Molekulární markery ve šlechtění na rezistenci Sledovaný genMarkerující gen Protein AProtein B Fenotyp AFenotyp B Morfologie Fyziologie Proteiny DNA Biochemie

Využití Výběr rodičů pro křížení (donory rez.) Charakterizace genetických zdrojů Charakterizace potomstev a jejich selekce –Ve fázi semenáčů

Markery Vf genu jabloně Kodominantní nebo dominantní charakter Realizovatelné pomocí PCR

Markery genů rezistence bramboru Omezené použití, omezená funkčnost mimo potomstva, kde byly tyto geny objeveny

Mikrosatelitní markery Umožňují charakterizovat populační variabilitu a paternitu v rámci populací