Zakład Fitopatologii. Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin PIB w Radzikowie, e-mail. e.arseniuk@ihar.edu.pl, tel. 22 7334630
Prace zostały wykonane w ramach badań podstawowych na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej na podstawie decyzji Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi Dz. U. poz. 1170 z późn. Zm. Zadanie nr 10.
Słowa kluczowe: toksyny białkowe, niewrażliwość, odporność, efektory, nekroza, SNB
Septorioza liści i plew (SNB) jest chorobą zbóż wywoływaną przez grzyb Parastagonospora nodorum. W Polsce choroba ta najczęściej wystę-puje na pszenicy i pszenżycie. Z doniesień w litera-turze przedmiotu wynika, że patogen wywołujący tę chorobę jest obecny niemal we wszystkich rejo-nach świata, w których uprawia się pszenicę i pszenżyto. W warunkach wysokiej wilgotno-ści i umiarkowanej temperatury SNB osiąga rozmiary epidemii skutkującej wysokimi ilościo-wymi i jakościoilościo-wymi stratami w plonie ziarna. P. nodorum jest grzybem nekrotroficznym, co oznacza, że do odżywiania i rozmnażania potrzebuje martwej tkanki żywiciela. W ostatnim czasie opisano molekularne mechanizmy wyko-rzystywane przez tego patogena do inicjacji zmian nekrotycznych. W procesie infekcji produkowane są białkowe toksyny wchodzące w interak-cjęz produktami specyficznych genów gospodarza aktywując szlaki sygnałowe prowadzące do programowanej śmierci komórek (Friesen i Faris 2010). Dotychczas opisano 8 toksyn, zwanych też efektorami białkowymi, oraz 9 korespondujących z nimigenów żywicie-la. Wrażliwość na dany efektor białkowy jest zależna od obecności w genomie dominujące-go allelu pojedynczedominujące-go genu. Wpływ interakcji efektor-gen rośliny żywiciela na rozwój SNB ma przeważnie charakter addytywny. Dotychcza-sowe badania nad wpływem efektorów na rozwój choroby były prowadzone na jednolitych popu-lacjach segregujących wrażliwość na określo-ne toksyny,z wykorzystaniem pojedynczych
izolatów patogena. W takich warunkach wyka-zano pozytywny wpływ wrażliwości na toksy-ny na odporność roślitoksy-nyna patogena zarówno w stadium siewki w warunkach kontrolowanego środowiska (Liu i inni 2009) jak i w warunkach polowych (Friesen i inni 2019).
W realizowanej pracy postawiono sobie za cel określenie wpływu, jaki wywie-rają poszczególne efektory na rozwój choroby w obiektach reprezentujących zróż-nicowaną pulę genową polskich programów hodowlanych pszenicy i pszenżyta, w warun-kach zbliżonej do naturalnej presji patogena. Takie podejście umożliwia uszeregowanie genów wrażliwości na efektory białkowe pod względem korzyści dla odporności genotypów zbóż na SNB płynących z ich eliminacji z programów hodowa-nych.
Lokalna populacja patogenu została scharak-teryzowana przy pomocy badań PCR dla toksyn Tox1, Tox3 i ToxA, oraz z wykorzystaniem testów biologicznych dla toksyny Tox5. Z badań wynika, że większość izolatów P. nodorum z terenu Polski zawiera geny kodujące Tox1, Tox3 i Tox5. Toksy-na ToxA występuje tylko u około 10% przebada-nych izolatów. Dane te zostały wykorzystane przy wyborze izolatów do testów fenotypo-wania tak, aby odzwierciedlały one populację P. nodorum występującą na terenie Polski.
W ramach zadania przebadano na odporność na SNB genotypy pszenicy i pszenżyta w dwóch stadiach rozwojowych, siewki w warunkach kontrolowanego środowiska, oraz w stadium
BIULETYN IHAR Nr 291 (1) / 2020
42
rośliny dojrzałej w doświadczeniu polowym. Zbadano również wrażliwość genotypów na toksyny Tox1, Tox3, Tox5 oraz ToxA. Materia-łem do badań były ekstrakty uzyskane w wyniku ekspresji genów toksyn w Pichia pastoris. W przy-padku toksyny Tox5 wykorzystano ekstrakt oczysz-czony metodami chromatograficznymi z hodowli Parastagonospora nodorum. W przebadanych obiektach wrażliwość na toksynę Tox3 była najbar-dziejrozpowszechniona. Większość przebadanych linii pszenżyta (56%) i 28% obiektów pszenicy jest wrażliwych na tę toksynę. Wrażliwość na toksynę Tox5 występuje w ok. 36% genotypów pszenżyta i około 13% pszenicy. Na toksynę ToxA wrażliwych było 13% genotypów pszenżyta i 5% genotypów pszenicy, z kolei na toksynę Tox1 wrażliwych było tylko około 5% obiektów obu gatunków.
Dane dotyczące odporności fenotypowej oraz wrażliwości na toksyny zostały zestawione ze sobą w celu wykrycia ewentualnych związków korela-cyjnych (Rysunek 1). W tegorocznych badaniach toksyna Tox3 stanowiła główny czynnik rozwoju choroby w stadium siewek u obydwu gatunków zbóż. Wrażliwość na tę toksynę determinowała 37% i 24% objawów chorobowych u pszenicy i pszenży-ta. W tegorocznych badaniach polowych pszenicy i pszenżyta nie stwierdzono statystycznie istotnego związku między wrażliwością na Tox3 a fenotypową odpornością polową. Z uwagi na suszę już w trzecim tygodniu po zaobserwowaniu pierwszych obja-wów, rozpoczęło się zasychanie roślin, co najpraw-dopodobniej przyczyniło się do niewykrycia statystycznie istotnego związku korelacyjnego między wrażliwością na tę toksynę a odpornością polową. Należy podkreślić, że taki statystycz-nie istotny związek był obserwowany rutynowo w poprzednich latach.
Ponadto wykryto statystycznie istotny związek korelacyjny między wrażliwością na toksynę Tox5 a odpornością pszenżyta w stadium siewki. Toksyna Tox5 determinowała 7.9% tej zależności. Analiza wariancji wyników wykazała również, że wraż-liwość na toksynę Tox5 w sposób statystycznie
istotny wyjaśnia 7.8% zmienności w odporności fenotypowej pszenżyta na SNB w stadium rośliny dorosłej w doświadczeniu polowym.
W przeprowadzonych doświadczeniach nie zaobserwowano statystycznie istotnych interak-cji między wrażliwością na toksyny Tox1 i ToxA a odpornością fenotypową na SNB. Prawdopodob-nymi przyczynami tego są małe ilości obiektów wrażliwych na te toksyny, maskowanie efektów ich działania przez bardziej rozpowszechnione wrażliwości, oraz w przypadku ToxA niski udział w inokulum izolatów produkujących tę toksynę. Z uwagi na przykłady takich oddziaływań w specjal-nie dla tych toksyn optymalizowanych doświad-czeniach opisanych w literaturze nie można jednak wykluczyć istotności takich oddziaływań.
Wykryte związki korelacyjne między wrażliwo-ścią na toksyny Tox3 i Tox5 a odpornowrażliwo-ścią na SNB wskazują na zasadność usunięcia z puli obiektów hodowlanych obiektów wrażliwych na te toksyny. Rutynowa bonitacja wrażliwości na toksyny kandy-datów na rodziców, oraz wczesnych materiałów hodowlanych może być szybką i wygodną metodą wspierania decyzji hodowlanych prowadzących do zwiększenia odporności na SNB.
Literatura:
Friesen, T. L., Faris, J. D. (2010). Characterization of the wheat-Stagonospora nodorum disease system: what is the molecular basis of this quantitative necrotrophic dise-ase interaction? Can J Plant Pathol-Rev Can Phytopathol 32:20–28.
Liu, Z., Faris, J. D., Oliver, R. P., Tan, K. C., Solomon, P. S., McDonald, M. C., McDonald, B. A., Nunez, A., Lu, S., Rasmussen J. B., Friesen, T. L. (2009). SnTox3 acts in effector triggered susceptibility to induce dise-ase on wheat carrying the Snn3 gene. PLoS Pathog 5: e1000581.
Friesen, T. L., Chu, C. G., Liu, Z. H., Xu, S. S., Halley, S., Faris, J. D. (2009). Host-selective toxins produced by
Stago-nospora nodorum confer disease susceptibility in adult
wheat plants under field conditions. Theor Appl Genet 118: 1489–1497.
Rys. 1. Wpływ wrażliwości na toksyny Tox3 i Tox5 na odporność fenotypową. Ocena w warunkach polowych prowadzona w skali: 9 – odporny, 1 – podatny; ocena w warunkach fitotronowych wyrażona przez % porażonej powierzchni liści.
Ramką zaznaczono istotne statystycznie zależności dla p < 0.05. Pionowe słupki oznaczają 0.95 przedziały ufności. Toksyny białkowe Parastagonospora nodorum i ich związek z patogenicznością oraz odpornością...
Komunikat
Short communication
BIULETYN INSTYTUTU HODOWLI I AKLIMATYZACJI ROŚLIN Nr 291 (1) / 2020: 45–47 E-ISSN: 2657–8913