ZFP

Materiály k přednáškám Základy fytopatologie Verze LS 2011/12, předmět BOT/ZFP

Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP v Olomouci byly inovovány v rámci projektu: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316

6. PŘEDNÁŠKA GENETIKA VZÁJEMNÉHO VZTAHU HOSTITEL – PATOGEN § Genetika ve fytopatologii se zabývá dědičností a proměnlivostí znaků a vlastností podmiňujících chorobu rostliny § Jevy, k nimž dochází v průběhu patogeneze, odrážejí kombinovanou aktivitu genetických systémů rostlin a patogenů a vliv prostředí.

© 2012 A. Lebeda, B. Mieslerová

GENETICKÁ INFORMACE § Genetická informace hostitele i patogena je uložena v DNA (u některých virů v RNA. § Většina DNA je uložená v jádře (prokaryotickém nebo eukaryotickém) v chromozomech. § Často prokaryotické (a jednodušší eukaryotické) organismy mají plasmidy v cytoplazmě (DNA se multiplikuje nezávisle na jaderné DNA) § Všechny eukaryotické organismy mají mitochondrie a v mitochondriální DNA

GENETICKÉ MECHANISMY VARIABILITY OBECNÉ GENETICKÉ MECHANISMY VARIABILITY NA ÚROVNI JEDINCE: 1. HYBRIDIZACE – splynutí 2 odlišných haploidních jader – vznik diploidního jádra. Variabilita je dána segregací a rekombinací genů během meiozy. 1.A. Hybridizace u hostitele – šlechtění 1.B. Hybridizace u patogena – následek pohlavního rozmnožování homothalické druhy, heterothalické druhy

2. MUTACE – dědičné změny v genetickém materiálu (nejsou podmíněny segregací a rekombinací). Mutace lze vyvolávat uměle. 2. A. Mutace u hostitele – u rostlin jsou recesivní a projeví se až v homozygotním stavu 2.B. Mutace u patogena U virů, bakterií, a hub s haploidním, monokaryotických myceliem se projeví ihned po svém vzniku, pokud jsou vhodné selekční podmínky U hub s diploidní stélkou se mutace mohou uchovávat bez projevu po určitou dobu

3. CYTOPLAZMATICKÁ DĚDIČNOST - je řízena aktivními složkami v cytoplazmě. Ke změnám vlastností dochází změnami v cytoplazmě. 3.A. Cytoplazmatická dědičnost u rostlin - změnou vlastností cytoplazmy může dojít ke změně projevu náchylnosti a odolnosti. 3.B. Cytoplazmatická dědičnost u patogena – dána existencí plazmidů, které pravděpodobně ovlivňují míru patogeneze.

SPECIFICKÉ GENETICKÉ MECHANISMY VARIABILITY 1. PARASEXUALITA – genetická rekombinace probíhající jinak než prostřednictvím meiózy a fertilizace 1.A. PARASEXUÁLNÍ PROCES U VIRŮ (GENETICKÉ REKOMBINACE VIRŮ) – geneticky odlišné mutantní kmeny se množí po směsné infekci v témže hostiteli. Patogenita virů se mění rekombinacemi RNA v buňce hostitelské rostliny napadené různými kmeny virů. Při směsné inokulaci mohou vzniknout částice, v nichž RNA jednoho kmene je obalena bílkovinou jiného kmene.

1.B. PARASEXUÁLNÍ PROCES U BAKTERIÍ KONJUGACE - vstup části chromozómu nebo celý chromozóm donorového kmene do recipientního kmene pomocí konjugačního můstku. Vždy je to jednosměrný proces.

TRANSDUKCE – část chromozómu donorové buňky přenáší do recipientní buňky bakteriofág

TRANSFORMACE – přenos genetické informace do recipientních buněk prostřednictvím DNA z buněk donora.

MECHANISMUS VARIABILITY BAKTERIÍ PŘES PARASEXUÁLNÍ PROCES

1.C. PARASEXUÁLNÍ PROCES U HUB Průběh: 1. Vznik HETEROKARYONTA v mnohojaderném myceliu a řídká, pravděpodobně nahodilá fůze haploidních jader lišících se genotypem 2. MITOTICKÝ CROSSINGOVER u diploidních splynuvších jader, která se množí vedle haploidních jader

Jevy parasexuality a heterokaryózy jsou 3. VEGETATIVNÍ velmi časté u vláknitých mikroskopických HAPLOIDIZACE diploidních hub (Penicillium, Aspergillus) a byly pozorovány i u homothalických jader bez meiózy Hymenomycetidae, jsou velmi důležité pro šlechtění na produkci účinných látek, jako např. antibiotik.

VÝZNAM PARASEXUALITY § Význam v přírodě je doposud ne zcela znám § Není jasné, proč zástupci umělé skupiny Deuteromycotina opustili účinný sexuální mechanismus genetické rekombinace ve prospěch daleko více nahodilého a zdánlivě méně účinného procesu. § Odpověď může znít, že k parasexualitě dochází v jakékoliv době během normálního somatického růstu a není potřeba žádných speciálních předpokladů jako je tomu u pohlavních fází. § Každá z jednotlivých fází (nebo událostí parasexuálního cyklu) je relativně vzácná a nevytváří pravidelný cyklus jako je pohlavní cyklus včetně meióze.

SROVNÁNÍ POHLAVNÍHO CYKLU A PARASEXUÁLNÍHO CYKLU Pohlavní rozmnožování

Parasexualita

Vysoce organizovaná a často taky přísně načasovaná událost, která je geneticky programovaná

Zahrnuje sekvenci ne zcela častých událostí, které se zdají být spíše příležitostné než v určitém plánu

Jaderná fůze je často zprostředkovaná genetickými faktory, vyjádřenými jako párovací typy ('mating types‚) dochází k ní ve vysoce specializovaných strukturách a často zahrnuje mnoho párů kompatibilních jader.

Jaderná fůze je izolovaná událost, není zprostředkovaná pomocí párovacích typů, nebyla nalezena ve specializovaných strukturách a zahrnuje pouze jednotlivá jádra.

Během meiózy, ke crossing-overu pravděpodobně dochází v každém homologním páru chromozómů a mnohonásobný crossover je běžný.

Během somatické rekombinace, ke crossing-overu běžně dochází pouze u jednoho nebo několika chromozómů, a nikdy to není tak často jako u meiózy.

V meiózi, k segregaci dochází vysoce organizovaným způsobem během 2 specializovaných jaderných dělení.

Somatická haploidizace se pravděpodobně vyskytuje jako výsledek postupné ztráty chromozómů z aneuploidního jádra (2n-1) během několika mitotických dělení než je ustanoven stabilní haploid

HETEROPLOIDIE § Existence buněk, tkání, celého organismu s jádrem obsahujícím chromozómy, jejichž počet je odlišný od obvyklého 1N nebo 2N - haploidi, diploidi, triploidi, tetraploidi, nebo aneuploidi.

SPECIFICKÉ GENETICKÉ MECHANISMY VARIABILITY II. 2. ADAPTACE Adaptace je každá změna struktury organismu nebo jeho funkce, která mu umožní lépe se přizpůsobit podmínkám prostředí.

Adaptace fenotypová – změny metabolických procesů, příp. morfologické změny nedědičné povahy. Adaptace genotypová – podmíněná různými genetickými mechanismy variability. Genetická adaptace patogena ovlivňuje úspěch šlechtění na rezistenci, poněvadž je hlavní příčinou „ztráty“ rezistence odrůd po určité době jejich pěstování.

SPECIFICKÉ GENETICKÉ MECHANISMY VARIABILITY III. 3. SALTACE Saltace je náhlá změna v určitém organismu, jejíž genetický mechanismus nebyl určen a může být různý. Při kultivaci z jediné spory in vitro např. dochází někdy k morfologické diferenciaci kultury. Některé případy vzniku saltace byly vysvětleny cytoplazmatickými vlivy.

GENETIKA VIRULENCE PATOGENA A REZISTENCE HOSTITELE ROSTLINA NEHOSTITELSKÁ REZISTENCE – rostlina neumožňuje vytvořit vztah s patogenem. Má nevhodné podmínky pro rozmnožování a přežití většiny patogenů. Rostliny jsou úplně imunní k infekci.

HOSTITELSKÁ REZISTENCE – rostlina umožňuje rozmnožování a růst patogena

Rasově specifická rezistence – rostliny vykazují vysokou rezistenci k jednotlivým dílčím rasám patogena Rasově nespecifická rezistence – rostliny vykazují zhruba stejnou úroveň rezistence ke všem rasám, tato rezistence však není úplná

PATOGEN PATOGENITA – potenciální schopnost jednotlivých kmenů mikroorganismů způsobovat chorobu u určitých genotypů rostlin

Virulence – schopnost překonávat specifické geny rezistence, tedy kvalitativní aspekt patogenity Agresivita – stupeň patogenity tedy kvantitativní aspekt patogenity.

Vanderplank, 1963

SCHÉMA KONCEPTU ZÁKLADNÍ INKOMPATIBILITY A ZÁKLADNÍ KOMPATIBILITY (Lebeda, 1984) Rostlina - mikroorganismus Preformované obranné mechanismy; iniciace obecných obranných reakcí

Základní inkompatibilita (interakce nehostitel-nepatogen)

Obecné metabolické a genetické obranné mechanismy hostitele (druh)

Nespecifická inkompatibilita - kompatibilita

Obecné obranné mechanismy neúčinné

Základní kompatibilita (hostitel-patogen)

Vysoce specifické metabolické a genetické adaptace hostitele (odrůda, linie, kmen)

Specifický komplex metabolických a genetických obranných mechanismů hostitele (odrůda atd.)

Specificky diferencovaná Specificky nediferencovaná inkompatibilita inkompatibilita - kompatibilita - kompatibilita

ÚROVNĚ VARIABILITY ROSTLIN A JEJICH PATOGENŮ

GENETIKA VIRULENCE PATOGENA A REZISTENCE HOSTITELE KONCEPCE GEN PROTI GENU (GENE-FOR-GENE) Každému genu, který řídí rezistenci, odpovídá specifický gen pro virulenci.

Autor této teorie – H.H. Flor, 1947.

Modelový objekt: Linum usitatissimum – Melampsora lini § Hypotézu gen proti genu teoreticky rozvinul Person, který upozornil na různé možnosti. § Její aplikace umožňuje stanovit pravděpodobný počet genů rezistence a virulence a jejich kombinací ve studovaných systémech hostitel- patogen a usnadňuje genetickou analýzu faktorů rezistence.

Výskyt vztahu gen proti genu Triticum – Ustilago tritici

Linum – Melampsora lini

Hordeum – Erysiphe graminis

Triticum - Puccinia graminis

Solanum – Phytophthora infestans

Evoluce genů virulence, rezistence a avirulence

PÁROVÝ VZTAH HOSTITEL - PATOGEN § Florova hypotéza gen proti genu vychází z interakce specificky si odpovídajících genů rezistence a virulence. § Šlechtitelské pokusy ukázaly, že většinou REZISTENCE je dominantní (R) a NÁCHYLNOST recesivní (r) . Na druhou stranu AVIRULENCE je klasifikována jako dominantní (Av) a VIRULENCE recesivní (av). § Párový vztah jednoho genu rezistence a odpovídajícího genu virulence je možné vyjádřit čtvercovým schématem § Tři kombinace: R-av, r-Av a r-av mají za výsledek kompatibilní reakce a infekce je úspěšná. Pouze jedna kombinace, R-Av má za výsledek inkompatibilní reakci a neobjeví se žádná infekce (rezistence).

Genotyp hostitele

Genotyp patogena Av1av1av1

R1 r1r1

+

+ +

Předpokládá se, že produktem genu rezistence je specifický proteinový RECEPTOR na rostlinném povrchu a produktem genu avirulence specifické glykoproteinové molekuly – ELICITOR- na povrchu houby.

KONSTITUTIVNÍ A ADAPTABILNÍ FUNKCE GENŮ REZISTENCE § Produkty konstitutivních genů rezistence lze zjistit bez přítomnosti patogena (geny produkující toxiny) § Produkty adaptabilních genů až v interakci s patogenem

GENETICKÝ SYSTÉM PRO VIRULENCI 1. Jaderná dědičnosti virulence 1.A. Základní geny pro patogenitu ZÁKLADNÍ GENETICKÁ INFORMACE podmiňuje schopnost patogena napadat určitý druh a odpovídá genetické determinaci základní kompatibility u hostitele.

1.B. Geny pro virulenci § Virulence – schopnost překonávat specifické geny rezistence, tedy kvalitativní aspekt patogenity. Často je virulence řízena majorgeny. § Geny virulence patogena můžeme diferencovat jen na hostitelích s různými geny rezistence. § Jejich největší koncentrace je v tzv. genových centrech původu rostliny, kde se parazit vyvíjí v kontaktu s hostitelem nejdelší dobu . § Rez travní – výrazně se liší patogenita u téhož druhu v haploidní monokaryontní a dikaryontní fázi. Monokaryonti nespecializovaní a dikaryonti vysoce specializovaní.

1.C. Geny pro agresivitu § Agresivita – stupeň patogenity tedy kvantitativní aspekt patogenity. § Agresivitu řídí polygeny. Př. Ječmen – sněť ječmenná. § Některé typy patogenity či agresivity jsou řízeny i major geny dohromady s oligogeny nebo polygeny. I polygeny mohou být ve vztahu gen proti genu. Interakce genů řídících virulenci a genů podmiňujících agresivitu jsou dosud málo prozkoumány.

2. Mimojaderná dědičnost virulence § MIMOJADERNOU DĚDIČNOST řídí geneticky aktivní komponenty cytoplasmy. Na cytoplazmatickou dědičnost se u patogenů usuzuje zpravidla podle odchylek fenotypu při reciprokém křížení. Rezistence patogenů k fungicidům mívá též extrachromozomální charakter.

GENETICKÝ SYSTÉM PRO REZISTENCI 1. Jaderná dědičnost rezistence Majorgeny – jedná se o mono- nebo oligogenní rezistenci Minorgeny – jedná se o polygenní rezistenci Mezi geny rezistence může docházet k různým interakcím

1.1. OLIGOGENNÍ DĚDIČNOST § Oligogenně založenou rezistenci řídí zpravidla geny s dominantním, řidčeji intermediárním nebo recesivním účinkem. § Oligogenní rezistence se často projevuje hypersenzitivitou

STUDIUM GENŮ REZISTENCE § Hybridologická analýza - křížení odrůd a sledování štěpení v F2 a F3 generaci – je časově náročné. § Sledování reakcí odrůd k většímu počtu ras patogena.

GENETICKÉ TERMÍNY § NEALELICKÉ GENOVÉ INTERAKCE – komplementární působení genů rezistence, působení genů modifikátorů a inhibitorů rezistence. § KOMPLEMENTÁRNÍ GENY – rezistence se projeví jen za přítomnosti účinných alel obou genů rezistence . § GENY MODIFIKÁTORY A INHIBITORY – modifikační a inhibiční účinek genů spočívá v tom, že působí na projev rezistence řízené jiným genem v pozitivním nebo negativním směru. § INHIBICE – potlačení rezistence § MODIFIKACE – pozměnění rezistence § MULTIPLICITA - vztah dvou či více genů pro tentýž znak nebo vlastnost, kdy účinná alela každého z nich postačuje k projevu znaku (vlastnosti). § EPISTÁZE - genová interakce dvou nebo více genů, kdy jeden gen potlačuje účinek druhého genu. § MNOHOTNÝ ALELISMUS – geny rezistence mohou být představovány buď dvěma alelami, jednou dominantní, a druhou recesivní nebo větším počtem alel (mnohotný alelismus).

GENETICKÉ TERMÍNY II. LOKALIZACE GENŮ NA CHROMOZÓMECH Monozomická analýza – křížení rezistentní odrůdy se všemi monozomickými liniemi. Monozomická zygota (2n – 1), vzniká jestliže se spojí gameta postrádající příslušný chromozom s gametou haploidní. Molekulárně-genetické studie – lokalizace genů rezistence pomocí metod molekulární genetiky

VAZBA GENŮ REZISTENCE – některé geny rezistence jsou uspořádány v blocích, v nichž jsou ve vazbě. Někdy jsou ve vazbě geny rezistence ke stejnému patogenu, někdy k jinému patogenu, někdy jsou geny rezistence ve vazbě k genům pro určitou barvu.

EVOLUCE GENŮ REZISTENCE – v přírodě probíhá souběžně s vývojem genů patogenity na základě výběru spontánně vzniklých mutací u hostitele i patogena. Mutacemi vzniklé geny jsou zprvu recesivní pak se stávají dominantními.

2.2. POLYGENNÍ DĚDIČNOST REZISTENCE § POLYGENNÍ DĚDIČNOST řídí minorgeny (geny s malým účinkem), jejichž účinek je kumulativní – buď se sčítá (= aditivní působení), nebo násobí (= multiplikativní působení). Alely mohou být neutrální nebo aktivní. § Polygenně řízená rezistence se vyznačuje plynulou proměnlivostí znaku v F2 generaci po křížení odolného a náchylného rodiče. § Studium polygenní rezistence bylo stimulováno Vanderplankovým rozdělením rezistence na horizontální (převážně polygenní) a vertikální (převážně oligogenní). § Např. rezistenci bramboru k plísni bramborové, řídí jak majorgeny rezistence u nichž byl prokázán vztah gen proti genu a polygenní systém. Při důrazu na šlechtění na odolnost brambor k majorgenům se ztrácela polygenně podmíněná odolnost - Vertifolia efekt.

2. Mimojaderná – cytoplazmatická dědičnost rezistence § O cytoplazmatické dědičnosti rezistence svědčí rozdíly v odolnosti některých reciprokých křížení

3. Projev genů rezistence v závislosti na vnějších podmínkách § Působení genů řídících reakci hostitelské rostliny, závisí na podmínkách vnějšího prostředí. Zejména teploty a světla. § Tento vliv je výraznější u polygenně podmíněné rezistence, ale může se vyskytovat i u oligogenů. § Výživa rostlin, přítomnost pesticidů, výskyt hyperparazitů. Mohou ovlivnit projev genů rezistence

4. Zdroje rezistence § Světové sbírky odrůd kulturních rostlin i planých druhů (genové banky) jsou zdrojem výchozího materiálu pro šlechtění na odolnost

§ Vavilov – teorie o dlouhodobé koevoluci patogenů s hostiteli , vedoucí k selekci rezistentních forem v centru původních kulturních druhů, umožnila soustředit pozornost při výběru zdrojů rezistence na určité oblasti § Plané rostliny sice poskytují nové geny rezistence pro šlechtění na odolnost kulturních rostlin, avšak praktické zkušenosti ukázaly, že tyto geny nemusí vždy podmiňovat trvalejší ochranu než geny rezistence z kulturních rostlin. § Vznik zdrojů rezistence indukovanými mutacemi

GENETICKÝ POHLED NA RŮZNÉ KATEGORIE REZISTENCE Specifická a nespecifická rezistence RASOVĚ NESPECIFICKÁ REZISTENCE - je rezistence ke všem rasám patogena

RASOVĚ SPECIFICKÁ REZISTENCE - schopnost odolávat některým, avšak ne všem fyziologickým rasám patogena.

Specifičnost vztahu hostitel- patogen se nemusí projevovat za všech podmínek prostředí a ve všech růstových fázích

Vertikální a horizontální rezistence Termíny rozdělující rezistenci z epidemiologického hlediska a odpovídá to grafickému zachycení šíření choroby HORIZONTÁLNÍ REZISTENCE brzdí šíření patogena na rostlinách a v porostu, je trvanlivá, zpravidla polygenně založena, na rozdíl od

VERTIKÁLNÍ REZISTENCE, která sice může zcela potlačit výskyt patogena, ale virulentní rasy často způsobují její náhlou neúčinnost, většinou monogenně založena.

SROVNÁNÍ VERTIKÁLNÍ A HORIZONTÁLNÍ REZISTENCE

Kvantitativní a kvalitativní rezistence KVALITATIVNÍ REZISTENCE je charakterizována velkými a diskontinuálními rozdíly. Vnější faktory ji zpravidla výrazně neovlivňují. Většinou bývá spojována s oligogenní rezistencí

KVANTITATIVNÍ REZISTENCE je charakterizována kontinuální proměnlivostí mezi maximální a minimální úrovní. Její projev je často ovlivňován vnějšími faktory, je spojována s polygenní rezistencí.

Juvenilní a adultivní rezistence JUVENILNÍ REZISTENCE se projevuje u mladých rostlin, zatímco adultivní rezistence se projevuje až v pokročilejších fázích růstu

Ani rezistenci juvenilní ani adultivní nelze jednoznačně charakterizovat genetickým základem. Častěji je rezistence adultivní řízeny polygeny a juvenilní majorgeny.

Polní rezistence POLNÍ REZISTENCE je taková rezistence, kterou lze pozorovat v polních podmínkách za přirozené infekce patogenem, kterou však nelze zjistit v provokačním testu za vyššího infekčního tlaku.

Trvanlivá rezistence TRVANLIVÁ REZISTENCE (stabilní rezistence) zůstává hospodářsky účinná a využitelná po dlouhou dobu. § Tento pojem označuje jakákoliv typ dlouhodobě účinné rezistence. Zpravidla je trvanlivost rezistence založena na rasově nespecifické odolnosti. § Trvanlivost rezistence však může být také založena na kombinaci specifické rezistence, jíž odpovídající kombinace genů virulence snižuje životaschopnost patogena. § Často se považuje za trvanlivější kvantitativní rezistence, zejména jde-li o odolnost projevující se až u dospělých rostlin. § Rezistence k patogenům, kteří mají nízkou reprodukci a omezené šíření má zpravidla delší trvání. § Př. Rezistence některých odrůd ječmene k prašné sněti podmíněná uzavřeným kvetením.

Populační genetika fytopatogenních organismů § Cílem je poznání statiky a dynamiky genetické informace na úrovni populací resp. patosystémů. Frekvence genů a fenotypů virulence patogena v populaci Frekvence – četnost určitého znaku v populaci (0 < f <1) F (v)= nv / n Pearsonova fenotypová analýza - frekvence všech faktorů virulence – frekvence výskytu každého faktoru je 0,5.

Genetická rovnováha v populacích patogenů Model genetické rovnováhy – Hardy- Weinbergův zákon

H √D.R

=2

Teorie: Ve velké panmiktické populaci zůstávají genotypové i genové frekvence nezměněny z generace na generaci Předpoklady:

H- heterozygoti D – dominantní homozygoti R – recesivní homozygoti

1. Populace je panmitická (nekonečnýpočet jedinců neomezeně se pářících mezi sebou) 2. Všechny rodičovské páry mají stejnou fertilitu 3. Nedochází k mutacím 4. Nedochází k migraci 5. Populace je velká

Mechanismy narušení genetické rovnováhy populace patogenů 1. Migrace - přesun nebo přenos rozmnožovacích částic na určitou vzdálenost Donorová populace Recipientní populace Emigranti Imigranti

2. Mutace – změna v genetické struktuře virulence patogenní populace. Jednorázové – malý význam, opakované – větší význam Nové virulentní rasy vznikají po více než dvou následných krocích mutací z avirulentní rasy.

3. Selekce – výběr – ovlivnění dané populace jež omezuje nebo nedává možnost některým genotypům podílet se na složení následující generace. Umělá selekce Přírodní selekce Směrová selekce – populace reaguje na extrémy prostředí fenotypickým posunem – pozitivní, negativní (např. zvýhodnění určitých genů virulence pěstováním rostlin s odpovídajícími geny rezistence) Stabilizační selekce – mechanismus, jímž daná populace udržuje „status quo“ v rámci extrémů prostředí. Např. kombinace sil, které redukují příliš vysokou frekvenci genů virulence. Chybí gen rezistence u hostitele – postupně zmizí i gen virulence u patogena

Disruptivní selekce – zvýhodnění více než jednoho optima v populaci. Dva nebo více různých genotypů jsou ve výhodě. Lokalizované nebo cyklické používání genů rezistence.