Close

Poszerzenie puli genetycznej jęczmienia

  1. Co to jest pula genetyczna i dlaczego warto ją poszerzać

Wszystkie cechy gatunku, zarówno te ważne i pożądane, jak wysoki plon i odporność na choroby, jak i te niepożądane i niekorzystne, jak wrażliwość na choroby czy łamliwość osadki kłosa i wypadanie ziaren, są warunkowane genetycznie. Cały zasób informacji genetycznej wszystkich osobników z danego gatunku tworzy pulę genową gatunku, zwaną też pulą genetyczną. W uproszczeniu można ją określić, jako dostępny zbiór cech, z którego mogą czerpać hodowcy w procesie tworzenia odmian. Bogactwo puli genetycznej jest istotnym czynnikiem bezpieczeństwa upraw w kontekście zmian klimatu, silnej presji patogenów chorobotwórczych oraz potrzeby znacznego obniżenia chemizacji rolnictwa.

Współcześnie uprawiane odmiany utraciły duże zasoby pierwotnej różnorodności genetycznej w procesie długotrwałej silnej selekcji hodowlanej, ukierunkowanej na wysoki i dobrej jakości plon. Pożądana zmienność genetyczna została zachowana w odmianach prymitywnych, dawnych, miejscowych, a także w dzikich gatunkach pokrewnych uprawnym, które nie podlegały silnej i sztucznej presji selekcyjnej. Potrzebne są badania naukowe nakierowane na identyfikację czynników genetycznych warunkujących pożądane cechy. Badania nad identyfikacją odporności jęczmienia na patogeny grzybowe w odmianach miejscowych są prowadzone w ramach Zadania 2.2.

  1. Jak ważny jest jęczmień

Jęczmień (Hordeum vulgare L.) jest jednym z najważniejszych zbóż uprawnych na świecie. Zajmuje czwarte miejsce po pszenicy, kukurydzy i  ryżu pod względem areału upraw, który wynosi 47 mln ha na świecie. Niemal polowa światowych upraw jęczmienia znajduje się w Europie, gdzie Polska jest siódmym producentem tego zboża. Jęczmień ma stosunkowo krótki cykl wegetacyjny oraz jest odporny w szerokim zakresie na niesprzyjające warunki środowiska, jak temperatura czy zasolenie gleb, co czyni go atrakcyjnym zbożem również w perspektywie zmian klimatu.

Jęczmień jest uprawiany głównie na cele paszowe. Na skarmianie zwierząt gospodarskich jest przeznaczone 85% światowej produkcji. Pozostałe 15% jest przeznaczone na konsumpcję oraz materiał siewny. W przemyśle spożywczym z jęczmienia produkuje się głownie kasze, płatki, piwo i whisky. Rokrocznie ponad 21 mln ton ziarna jest wykorzystywanych w przemyśle browarnym.

W 2012 roku został opublikowany pełna sekwencja genomu jęczmienia. Od tego czasu dane molekularne pozwalają na precyzyjną identyfikację genetycznego podłoża pożądanych cech oraz na opracowanie wysoce wiarygodnych markerów molekularnych, ułatwiających wprowadzanie tych cech do odmian. Plon z jęczmienia jest rokrocznie limitowany przez blisko 250 patogenów. Wśród najistotniejszych z nich są sprawcy chorób mączniaka i rdzy. Ograniczona liczba znanych i stosowanych w odmianach genów odporności, powoduje szybkie przełamywanie odporności przez nowe rasy grzyba oraz epifitozy w uprawach.

  1. Mączniak prawdziwy

Mączniak prawdziwy jest chorobą powodowaną przez grzyb Blumeria graminis f. sp. hordei. Atakuje naziemne części rośliny, głównie liście. Objawem mączniaka jest biały nalot na powierzchni rośliny. Obniżenie wydajności fotosyntezy w porażonych liściach rzutuje na kondycję całej rośliny. Patogen wytwarza nawet 100 000 zarodników z jednego miejsca infekcyjnego, które następnie zakażają rośliny sąsiednie oraz mogą być przenoszone z prądami powietrza nawet setki tysięcy kilometrów. Mączniak rokrocznie poraża uprawy, powodując znaczne obniżenie ilości i jakości uzyskiwanego plonu. Obecnie znanych jest ponad 58 genów odporności na ten patogen. O ich uwarunkowaniu genetycznym niewiele wiadomo, ponieważ tylko dla 11 z nich określono położenie w genomie jęczmienia, a sekwencję nukleotydową poznano dla trzech.

  1. Rdza karłowa

Rdza karłowa jęczmienia powodowana jest przez patogen grzybowy Puccinia hordei. Choroba objawia się brunatnymi punktami na liściach rośliny, są to miejsca, gdzie grzyb przerasta tkankę rośliny i wytwarza zarodniki. Zarodniki łatwo przenoszone są przez wiatr. Rdza wymaga dużej wilgotności aby zainfekować roślinę, niezbędną do infekcji wilgoć zapewnia poranna rosa. W latach suchych obserwuje się dużo mniejsze nasilenie patogenu ze względu na niedobory wilgoci niezbędnej do infekcji roślin. Krótki okres od infekcji do wytworzenia kolejnego pokolenia zarodników sprawia, że epidemie rdzy mogą rozprzestrzeniać się gwałtownie przy sprzyjającej pogodzie. Szacuje się, że 1m2 pola zainfekowanego w średnim stopniu rdzą karłową jest w stanie wytworzyć ponad 10 milionów zarodników w ciągu doby. W zależności od warunków środowiskowych patogen ten może powodować utraty plonu od 10% do 50%. Na dzień dzisiejszy opisano 27 genów odporności na rdzę karłową w jęczmieniu.

  1. Prace realizowane w ramach Zadania 2.2

4.1 Identyfikacja linii odpornych

Jednym z celów Zadania 2.2 jest poszukiwanie form odpornych na mączniaka i rdzę wśród odmian miejscowych jęczmienia. Odmiany miejscowe były uprawiane w rejonach o tradycyjnej kulturze rolnej, a materiał siewny był pozostawiony z roku na rok w gospodarstwie. Nie podlegały silnej selekcji i zachowały dużą zmienność genetyczną. Dodatkowo odmiany miejscowe analizowane z zadaniu pochodzą z rejonów Afryki Północnej i Środkowego Wschodu. Są to rejony początków udomowienia jęczmienia. Właśnie tam zachodziło różnicowanie się tego gatunku. Odmiany charakteryzują się bardzo dużą zmiennością cech. W toku 5 lat badań analizowano odporność 400 linii jęczmienia w warunkach szklarniowych po sztucznym zakażeniu mączniakiem i rdzą oraz na polu, gdzie były narażone na naturalną presję czynników chorobotwórczych.

4.2 Identyfikacja genów odporności na mączniaka i rdzę.

W ramach prac badano osiem linii jęczmienia niosących odporności na mączniaka prawdziwego i rdzę karłową. Linie te były analizowane pod kątem fitopatologicznym, genetycznym i molekularnym. W wyniku prac zidentyfikowano dwa nowe, nieznane wcześniej, geny odporności jęczmienia na mączniaka prawdziwego. Wykazano również, że geny te są efektywne w stosunku do patotypów mączniaka obecnie występujących na terenie Polski.

  1. Rezultaty zadania

W ramach Zadania 2.2 zidentyfikowano 85 linii jęczmienia o podwyższonej odporności na rdzę karłową oraz mączniaka prawdziwego. Linie te mogą posłużyć jako materiał dla hodowli odpornościowej. Ponadto zidentyfikowano dwa nowe geny odporności na mączniaka prawdziwego: MlMor w linii 255-3-3 (https://doi.org/10.1007/s13353-019-00505-y) oraz mlmr w linii 173-1-2 (https://doi.org/10.1111/pbr.12819). Prowadzone badania pozwolą na wykorzystanie wyselekcjonowanych  linii odpornych oraz zidentyfikowanych genów odporności w hodowli. Przebadane materiały roślinne zostaną przekazane zainteresowanych spółkom hodowlanym. Poprzez bezpośrednie krzyżowanie opisanych linii odpornych z odmianami o dobrych cechach plonu będzie można uzyskać dobrze plonujące odmiany jęczmienia o zwiększonej odporności na mączniaka prawdziwego oraz rdzę karłową.

Literatura uzupełniająca:

  • Jørgensen JH, Wolfe M (1994) Genetics of powdery mildew resistance in barley. Crit Rev Plant Sci 13(1):97-119.
  • Park RF, Golegaonkar PG, Derevnina L, Sandhu KS, Karaoglu H, Elmansour HM, Dracatos PM, Singh D (2015) Leaf Rust of Cultivated Barley: Pathology and Control. Annu. Rev Phytopathol 53:26.1–26.25.
  • Piechota U, Słowacki P, Czembor P (2020) Identification of a novel recessive gene for resistance to powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. hordei) in barley (Hordeum vulgare). Plant Breed https://doi.org 10.1111/PBR.12819.
  • Piechota U, Czembor P, Słowacki P, Czembor JH (2019) Identifying a novel powdery mildew resistance gene in a barley landrace from Morocco. J Appl Genetics 60(3–4):243–254.

Zdjęcia:

  • Fot.1. Rdza karłowa (fot. P. Słowacki).
  • Fot.2. Mączniak prawdziwy (fot. U. Piechota).
  • Fot.3. Zróżnicowanie morfologiczne ziarna odmian miejscowych jęczmienia (fot. P. Słowacki).
  • Fot.4. Zróżnicowanie morfologiczne kłosów odmian miejscowych jęczmienia (fot. U. Piechota).
  • Fot.5. Testy fitopatologiczne odmian miejcowych jęczmienia wykonywane w stadium siewek (fot. U. Piechota).

__
dr Urszula Piechota
Zakład Hodowli i Genetyki Roślin
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – PIB

Skip to content