Alena Hanzalová a kol.
Možnosti snížení ztrát působených rzemi na pšenici METODIKA PRO PRAXI
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Praha Ruzyně
2008
Metodika vznikla za finanční podpory MZe ČR a je výstupem řešení výzkumného záměru Mze 0002700602 „Nové poznatky, metody a materiály pro genetické zlepšování biologického potenciálu plodin a využití agro-biodiversity pro setrvalý rozvoj zemědělství“.
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha, 2008 ISBN: 978-80-87011-66-9
Alena Hanzalová a kol.
Možnosti snížení ztrát působených rzemi na pšenici
Metodika pro praxi
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Praha- Ruzyně 2008
Obsah
Úvod…………………………………..……………….…….......2 I. Cíl metodiky…………………………………………………..2 II. Popis metodiky………………………………………………2 Škodlivost a šíření rzí……………………......…...................3 Rez pšeničná (hnědá rzivost pšenice)……....……..…..3 Rez plevová (žlutá rzivost pšenice)…..………….........4 Rez travní (černá rzivost trav)… …..………................5 Geny rezistence……………………………….......................6 Epidemie ve světě………………………………….......….…7 Počátky šlechtění na odolnost…………………………........7 Horizontální a vertikální rezistence………..........…………9 Zdroje odolnosti………………………………………........10 Šlechtění na odolnost v českých zemích…………………..11 Geny rezistence v našich odrůdách…………………....….12 Trvanlivost rezistence………………………..................….14 Odolnost registrovaných odrůd ke rzím…………........….14 Biologie rzí…………….................…………………………15 Vznik fyziologických ras……………..............................…17 Fyziologické rasy a rasová spektra České republice…….21 Přehled genů odolnosti ……………………........................21 Zjišťování virulence rzi pšeničné na téměř izogenních liniích………………….....................................................….23 Vývoj virulence v populaci rzi pšeničné v ČR v letech 2001- 2007……………………………..................................24 III. Srovnání postupů…………………………………..........26 Metody studia virulence v populaci rzí ………...….……..26 Skleníkové testy rezistence…………………………….…..27 Skleníkové/laboratorní testy rezistence na listových segmentech……………………………………………….....28
Testy pomocí molekulárních markerů a jejich využití ve šlechtění…………………………………………….…….....28 Sběr inokula a jeho uchovávání……………………….…..29 Zkoušení v polních podmínkách…………………….…….30 IV. Uplatnění metodiky…………………………….................31 Využívání odrůdové odolnosti a chemická ochrana….…..32 Odolnost doporučených odrůd ke rzem…………………..33 Perspektivy ve šlechtění na odolnost…….........…………..34 Závěr……………………..............………………………....34 V.-VI. Seznam literatury……………………………….…..…35
Možnosti snížení ztrát působených rzemi na pšenici Rzi napadající pšenici působí ztráty každoročně. V letech epidemií může být sklizeň snížena o více než o polovinu. Epidemie rzi travní a rzi plevové se vyskytují v nepravidelných intervalech, kdežto rez pšeničná škodí na pšenici každoročně. Ztráty na výnosu působí hlavně na střední a jižní Moravě. Chemická ochrana v ráci běžné agrotechniky omezuje sice škodlivost rzí, avšak při jejich silnějším výskytu zejména u náchylných odrůd není tato ochrana dostatečná. Opakované fungicidní zásahy zvyšují náklady a jsou omezeny hygienickými předpisy. Ekonomický i ekologický způsob ochrany spočívá ve šlechtění na odolnost a pěstování odolných odrůd. Předpokladem pro úspěšné šlechtění na odolnost je znalost virulencí v populaci patogena a vhodné zdroje odolnosti. Metodika uvádí základní informace o biologii rzí na pšenici, výsledky analýz patotypů rzí a testů zdrojů rezistence pro šlechtění prováděných ve VÚRV, v.v.i. Připojeny jsou údaje o odolnosti pěstovaných odrůd a dílčí údaje o genech jejich rezistence.
Measures to limit losses caused by rusts on wheat Rusts on wheat cause yield losses almost every year. In the years of epidemics rusts may decreaese the yield by more than 50%. Incidence of stem and yellow rust epidemics is irregular whereas leaf rust occurs every year particularly in Central and South Moravia. Common fungicidal treatments in the crop management limit the yield losses, however in a rust epidemic this protection particularly in susceptible cultivars is not sufficient. Repeated application of fungicides enhances the production costs and is limited by sanitary regulations. Breeding and growing resistant cultivars is the most economic and ecological way of protection. Knowledge of virulence in the pathogen population, as well as available sources of resistance are necessary for successful resistance breeding. This manual presents data on the biology of rusts on wheat, results of the virulence analysis in the rust populations and of the tests of resistance sources carried out in the Crop Research Institute, Prague-Ruzyně. Data on the rust resistance of the grown wheat cultivars as well as partial data on their genes for resistance are also included.
Metodika je určena pro pracovníky zkušebních a výzkumných šlechtitelských organizací a pro zemědělskou praxi. Obsahuje údaje významné pro rostlinolékaře a šlechtitele i údaje využitelné k volbě vhodné odrůdové struktury, která může snížit potenciální ztráty působené rzemi. Úvod I. Cíl metodiky Cílem metodiky bylo shrnout možnosti snížení ztrát působených rzemi na pšenici s využitím současných poznatků a výsledků vlastní experimentální práce. II. Popis metodiky Metodika podává celkový přehled problematiky rzí na pšenici (výskyt, škodlivost, šlechtění na odolnost, možnosti chemické ochrany). Jsou uvedeny výsledky experimentální práce (odrůdová odolnost, patotypy rzí). Rzi na obilninách způsobovaly a nadále způsobují významné hospodářské ztráty. Studium problematiky rzí je nepřetržitý proces, který se snaží předcházet rychlému překonávání rezistence a připravovat se na možné alternativy změn v jejich populacích. V současné době se zvyšuje zájem o odolnost pěstovaných plodin z několika důvodů. Je to snaha snižovat pěstitelské náklady, k čemuž přispívá možnost redukce pesticidních zákroků. Dále je to snaha o zajištění kvalitních potravin bez rizika reziduí pesticidů a zájem o ochranu životního prostředí před znečišťováním agrochemikáliemi a zároveň je i odolnost proti chorobám nezbytnou vlastností odrůd pro ekologické zemědělství. S rozšiřováním ekologického zemědělství pro produkci biopotravin a se snižováním vkladů do zemědělské výroby se zvyšuje význam genetické odolnosti zemědělských plodin -2-
k chorobám. U obilnin, zejména u pšenice a ječmene, bylo dosaženo šlechtěním na odolnost významných úspěchů. Problém trvanlivosti odolnosti však zůstává stále aktuální, jak ukázal nejen vznik a šíření rasy Ug99 rzi travní, ale i ztráta odolnosti odrůdy Tommi ke rzi pšeničné v roce 2007 v Německu. Cílem tohoto příspěvku je podat přehled o odolnosti pšenice k chorobám v širším pojetí z pěstitelského i šlechtitelského hlediska a ukázat nejen praktické, ale i teoretické a historické aspekty této problematiky na příkladu pšenice. Tato metodika je příspěvkem k řešení problematiky obilních rzí a souhrnem základních informací o metodách práce s těmito houbami a jejich praktickém využití; zároveň uvádí základní informace o biologii rzí na pšenici, výsledky analýz patotypů rzí a testů zdrojů rezistence pro šlechtění. Škodlivost a šíření rzí Rez pšeničná (hnědá rzivost pšenice) Rez pšeničná (Obr. 5, 6) je pro naše území, zejména pro jeho teplejší oblasti, nejvýznamnější. Působí pravidelně ztráty 5-15% sklizně, u náchylných odrůd to může činit až 40%. Těžiště jejího výskytu na území ČR je na jihu Moravy. V poslední době je u nás rez pšeničná hospodářsky nejvýznamnější. Vyšší potenciální škodlivost má sice rez travní, ale každoroční výskyty rzi pšeničné působí souhrnně velmi vysoké škody.Vyšší průměrné teploty škodlivost zvyšují. S náletem spor od východu a jihovýchodu může souviset i mnoholetá zkušenost, že napadení rzí pšeničnou slábne směrem od východu na západ. Silnější výskyty rzi pšeničné mají zpravidla svou západní hranici v oblasti Českomoravské vysočiny. Rez pšeničná se vyvíjí v teplotách 1025°C. Ztráty na výnosu zrna jsou přičítány hlavně redukci řady kvítků a snížení asimilační plochy hostitele. V ČR se studují její fyziologické rasy od šedesátých let minulého století. Až do r. 1968 byla nejrozšířenější rasa 14 rzi pšeničné, později se rozšířila rasa 77. Rasa 14 nenapadala pěstované odrůdy z bývalého Sovětského svazu s genem Lr3 na rozdíl od rasy 77. Obě tyto rasy byly zprvu avirulentní ke genu Lr26, k tak zvané žitné rezistenci (translokace 1BL.1RS). S rozšířením odrůd se žitnou -3-
translokací se však záhy vyskytly biotypy uvedených ras s virulencí ke genu Lr26. V roce 1980 se rozšířila rasa 61 u níž během dvou let rovněž převládla virulence ke genu Lr26. K dalším identifikovaným rasám rzi pšeničné patřily rasy 1, 53, 2, 12, 57, 6 vesměs s virulencí ke genu Lr26. Rasy jsou číslovány dle JOHNSTON and BROWDER, 1966. Od konce minulého století se začal užívat ke studiu virulence patogena soubor 15 téměř izogenních linií (NIL –near isogenic line - viz níže).V posledních letech nabývá rez pšeničná na významu a roste také počet rezistentních registrovaných odrůd. Rez plevová (žlutá rzivost pšenice) Rez plevová, neboli žlutá rez (Obr. 7, 8) , je u nás v současné době považována za méně významnou, větší význam je jí přikládán především v západní Evropě a v poslední době i v Severní Americe. Projevuje se charakteristickými pruhy na listech s jasně žlutými urediemi, přechází do klasů (pluch a plev). Zimu mycelium přetrvává na zbytcích živých listů. Její šíření je však za příznivých podmínek možné i z velmi vzdáleného zdroje. Klíčí za optimálních vlhkostních poměrů a rozpětí teplot 8-15°C; hraničními teplotami jsou 0°C v minimu a 25°C v maximu. Rez plevová se k nám šíří ze severozápadu, z oblastí s chladnějším a vlhčím přímořským klimatem. V posledních letech se u nás vyskytovala jen ojediněle, což bylo způsobeno pěstováním převážně odrůd k ní odolných. Rez plevová se nicméně vyskytovala ve značné míře např. v Německu. Její šíření při pěstování náchylných odrůd je pravděpodobné. Epidemie rzi plevové v českých zemích se objevily v letech 1898, 1904, 1911, 1912, 1914, v bývalém Československu v období 1923-1926, v r. 1961 a následujících letech a na přelomu 20. a 21. století. Posledním dvěma obdobím předcházely epidemie v západní Evropě. To nasvědčuje rozšíření rzi plevové do střední Evropy ze západu, což potvrzuje i výskyt podobných patotypů rzi. Rez plevová se u nás vyskytuje v posledních obdobích jen lokálně. Rasám rzi žluté se věnovala pozornost od šedesátých let minulého století. V polovině šedesátých let byly u nás zjištěny rasy 3/55, 54 a rasa podobná rase 8, která způsobila kalamitu v západní Evropě již v padesátých letech. Takzvaná rasa Clement, která překonávala gen rezistence Yr9 přenesený do -4-
pšenice ze žita, napadla tehdy řadu odrůd s translokací 1BL.1RS. Od té doby nebyly v tehdejším Československu povolovány odrůdy, které byly v polních podmínkách náchylné ke rzi plevové. To zajistilo dostatečnou ochranu proti ztrátám, které tato rez může způsobit. Přechodně však byly povoleny vzhledem k jejich žádané ranosti jugoslávské odrůdy Sava a Zlatna Dolina; rez plevová je však silně napadla. Poslední ekonomicky významný výskyt rzi plevové byl zaznamenán v letech 19992001, kdy byla poprvé v České republice prokázána její virulence ke genu Yr17. Rez travní (černá rzivost trav) Rez travní (Obr. 3, 4) je z uvedených patogenů nejnáročnější na teplo, teplotní optimum k infekci je 15-20°C. Rozsáhlejší škody na pšenici způsobuje v teplejších oblastech střední a jihovýchodní Evropy, na Slovensku, v Maďarsku, na Balkáně aj., odkud se k nám inokulum (letní výtrusyurediospory) rzi travní za příznivých podmínek šíří. V českých zemích jsou uváděna jako léta se silným výskytem této rzi na pšenici 1932, 1934, 1940, 1941, na žitě v r. 1951 a několika následujících letech. Poslední epidemický výskyt byl zaznamenán v roce 1972. V dalších letech byly výskyty této rzi jen ojedinělé, i když lokálně ekonomicky významné. Příčinou delšího období, kdy se rez travní u nás významně nevyskytla, pravděpodobně byla absence většího množství primárního inokula v oblastech, odkud se k nám rez travní šíří. K tomu pravděpodobně přispělo úspěšné šlechtění na odolnost ve zmíněných oblastech. Na rozdíl od rzi pšeničné a plevové přezimování této rzi u nás v urediofázi nebylo zaznamenáno. Pokud by toto přezimování bylo možné, například s postupujícím oteplováním, stala by se rez travní u nás velmi nebezpečnou vzhledem k relativní neúčinnosti genů rezistence v našich odrůdách. U rzi travní byly v šedesátých letech minulého století nejrozšířenější rasy 14 a 21, které nepřekonávaly rezistenci tehdy pěstovaných odrůd s genem Sr5. K významné změně v populaci rzi travní došlo rozšířením ras 56, 11 a 34, které byly virulentní ke genu Sr5. K tomu došlo v roce 1972, kdy byla u nás zaznamenána poslední velká epidemie rzi travní. Rasy jsou číslovány podle Stakman et al. 1962. Od r. 1999 se pozornost -5-
fytopatologů sledujících nové rasy rzi travní zaměřila na Ugandu, kde byla v uvedeném roce zjištěna nová virulentní rasa překonávající geny rezistence tam pěstovaných odrůd. Zcela nová je její virulence ke genu Sr31. Translokace 1BL.1RS, která obsahuje gen odolnosti ke rzi travní Sr31 a geny odolnosti k dalším rzím napadajícím pšenici, byla téměř v celém světě ve šlechtění pšenice na odolnost široce využívána po uplynulých 40 let, mimo jiné i v šlechtitelském programu CIMMYT. Odrůdy z tohoto šlechtění se pěstují v oblastech postižených a ohrožených rasou Ug99. Tato rasa byla také zjištěna v Keni a přes Rudé moře již pronikla na Arabský poloostrov. Přepokládá se další šíření na východ. Ohrožená jsou území Středního východu, Pákistán a Indie, kde má velká část pěstovaných odrůd stejný genetický základ rezistence. V oblasti ohrožené rasou Ug99 se pěstuje zhruba čtvrtina celosvětové produkce pšenice, takže jde o problém celosvětového významu. Tomu odpovídá i pozornost, kterou jí věnují mezinárodní organizace jako CIMMYT i výzkumné ústavy nejen v dosud postižených oblastech, ale např. i v USA a Australii. Vyhledávají se nové zdroje odolnosti a počalo se se šlechtěním nových odolných odrůd. Monitorují se podrobně fyziologické rasy v ohrožené oblasti. Tento průzkum již ukázal, že původní rase Ug99 přibyla další virulence ke genu Sr24, tedy že pravděpodobně došlo k mutaci, která rozšířila spektrum virulence uvedené rasy. Do výzkumu jsou zapojeny i laboratoře molekulární biologie, jejichž cílem je získat molekulární markery genů rezistence využívaných ve šlechtění na odolnost k rase Ug99 a také získat marker, které by umožnil identifikovat tuto rasu rzi v laboratoři bez dosud nutných fytopatologických skleníkových testů. Geny rezistence Pro rez pšeničnou bylo v Atlase genů rezistence (McIntosh et al. 1995) registrováno 44 číslovaných genů rezistence, pro rez plevovou 18 a pro rez travní 41 genů. Od té doby se počet identifikovaných genů zvýšil o desítky. (Geny jsou značeny symboly Lr-leaf rust-rez pšeničná; Yr-yelow rust-rez plevová; Srstem rust-rez travní). -6-
Epidemie rzí ve světě Ve světě má nejvíce zkušeností s epidemiemi rzí především USA a Kanada. I když v USA probíhalo šlechtění na odolnost od počátku minulého století, pro období 1910 – 1934 byly pro tehdejší šlechtění charakteristické střídavé úspěchy i neúspěchy. Tehdy nejvýznamnější odrůda Marquis z počátku snížila riziko ztrát od rzi travní, avšak r. 1916 zcela rzi podlehla. Nahradily ji odolné odrůdy, z nichž většina však byla silně napadena rzí již v r.1923. Významnou roli v následujících letech sehrála odrůda Thatcher, takže období let 1938-1950 bylo pokládáno za „zlatý věk“ rezistence. Ten ukončila rasa 15B, která napadla nejrozšířenější odrůdy. V dalších letech byly náchylné odrůdy postupně nahrazovány odolnými a ve šlechtění byly využívány stále nové zdroje odolnosti. Tím měl být získán předstih před výskytem nových ras. Počátky šlechtění na odolnost Šlechtění na odolnost a tudíž i využívání odrůdové odolnosti v praxi má nejdelší tradici v zemích extenzivního pěstování pšenice, to je v USA, Kanadě a Austrálii. Šlechtění pšenice tam bylo od počátku minulého století zaměřeno na odolnost k hlavním chorobám, jimiž byla rzivost a snětivost. Původně empirický přístup ke šlechtění byl s rozvojem genetiky postaven na vědecký základ vycházející z Mendelových zákonů dědičnosti. V současné době se využívají nejnovější poznatky molekulární genetiky. V kanadském šlechtění byl kromě rezistence kladen mimořádný důraz na vysokou kvalitu odrůd. Severoamerické šlechtění pšenice bylo zaměřeno zprvu na odolnost ke rzi travní, později ke rzi pšeničné. Avšak po prvních úspěších s pěstováním odrůd odolných k rzivosti bylo zjištěno, že odrůdy odolné v jedné oblasti mohou být v jiné oblasti náchylné. Tyto rozdíly vysvětlil poznatek, že původci chorob mohou vytvářet fyziologické rasy, které se liší virulencí k stejným odrůdám. V populaci rzi mohou být jednotlivé rasy různě zastoupeny. -7-
V Evropě byla šlechtění na odolnost k chorobám věnována menší pozornost vzhledem k intenzivnější agrotechnice spojené s užíváním pesticidů. Šlechtitelská práce v Anglii a v Německu vedla však také již v první polovině 20. století k vyšlechtění odolných odrůd a poté následovaly další země. V Rusku, kde pracoval významný botanik N.I.Vavilov zabývající se rovněž rezistencí, byl v rámci kolekce VIR Sankt Peterburg soustředěn tehdy největší genofond zdrojů odolnosti. Šlechtění na odolnost v českých zemích nezůstávalo v té době pozadu za šlechtěním evropským; již během první světové války šlechtil např. profesor J. Peklo pšenici na odolnost k žluté rzivosti pšenice. Významné šlechtitelské úspěchy byly u nás dosaženy i po druhé světové válce s využitím zdrojů odolnosti z Německa a tehdejšího Sovětského svazu. Hlavní problém šlechtění na odolnost je vznik a šíření nových virulentních ras, které napadají původně odolné odrůdy. Šlechtění na odolnost je nekončící závod šlechtitele, který šlechtí nové odrůdy s odlišným genetickým základem rezistence, s původcem choroby, který vytváří rasy s novou virulencí. Ta umožňuje překonávat již využité geny rezistence ve šlechtění. Údaje o odolnosti mívají tedy jen relativní platnost, vymezenou určitým geografickým areálem a časovým údobím. K tomu, aby byla šlechtěním dosažena co nejtrvalejší odolnost, se používají různé strategie šlechtění. Jejich základem je rozrůznění genetického základu rezistence. Toho se dosahuje častou výměnou zdrojů rezistence, např. postupným využíváním různých genů rezistence. V jedné odrůdě se rovněž může kumulovat více různých genů; přizpůsobení patogena k většímu počtu genů rezistence probíhá totiž pomaleji. Rozrůznění genetického základu rezistence může poskytnout i pěstování linií nebo odrůd s různými geny rezistence ve směsích. V praxi se nejvíce využívá kumulace více genů rezistence v jedné odrůdě. K přizpůsobení, to je k schopnosti překonat dosud účinnou odolnost, dochází mutacemi a sexuálními či asexuálními rekombinacemi patogena. Spojením studia dědičnosti rezistence a dědičnosti virulence vznikla hypotéza gen-proti-genu. Uveřejnil ji H.H. Flor na základě pokusů se rzí lnovou a se lnem. Týká se specifičnosti a párových vztahů genů rezistence a genů virulence a její platnost -8-
byla ověřena nejen u obilních rzí, ale v mnoha dalších vztazích hostitel : patogen. Horizontální a vertikální rezistence Rezistence je schopnost hostitele potlačit nebo zpomalit aktivitu patogena. Může mít mnoho forem. Hostitelská rezistence má kvantitativní charakter a je nejlépe definována vztahem k virulenci patogena. Virulence popisuje stupeň patogenity (agresivity patogena) vzhledem k závažnosti choroby. Interakce vedoucí k rezistenci se popisuje jako inkompatibilní, kdežto interakce vedoucí k náchlylné reakci jako kompatibilní. Významným mezníkem v pohledu na rezistenci rovněž v polovině minulého století byly práce Vanderplanka, který zavedl kategorie vertikální a horizontální rezistence. Většina genetických studií vykonaných do té doby se týkala vertikální specifické rezistence řízené geny s velkým účinkem (major geny), kdežto polygenní horizontální rezistenci se věnovala ve výzkumu menší pozornost. Ve šlechtitelské praxi však byla tato rezistence řízená geny s malým účinkem (minor geny) empiricky využívána odedávna. Do kategorie vertikální rezistence, řízené specifickými geny byla zařazena jak rezistence účinná po celou ontogenezi, tak rezistence účinná jen u dospělých rostlin podmiňovaná specifickými geny (APR adult plant resistance). V polních podmínkách se horizontální rezistence projevuje jen slabým napadením porostu. To může mít více příčin, např. delší inkubační dobu rzi na určitých odrůdách, menší kupky výtrusů; obojí vede ke snížení reprodukčního potenciálu a tím k nižší intenzitě konečného napadení. Tento typ se často označuje jako polní nebo částečná rezistence (PR partial resistance). Někdy se užívá termín polní rezistence pro označení rezistence projevující se nízkým napadením na poli, ať už je genetický základ této rezistence jakýkoliv. Pro specifickou odolnost je charakteristická hypersenzitivní reakce spojená s tvorbou chloróz a nekróz v místě pronikání patogena. Morfofyziologické změny rostliny pak zabrání jeho -9-
pronikání do pletiv hostitele. Tato reakce hostitele brání dalšímu šíření mycelia do pletiv a u biotrofních patogenů, jakými rzi jsou, znemožní čerpání látek z živých buněk. Aktivace hypersenzitivní reakce je podmíněna rozpoznáním patogena hostitelskou rostlinou na základě odpovídajících genů v patogenním organismu a v hostitelské rostlině. Kromě specifických genů s velkým účinkem (major geny) podmiňují odolnost také geny s menším účinkem (minor geny), který se zpravidla sčítá. Při jejich větším počtu mohou také poskytovat dostatečnou ochranu, která bývá navíc trvalejší než odolnost řízená jednotlivými geny s velkým účinkem. Některé šlechtitelské programy se zaměřují právě na odolnost řízenou minor geny (kvantitativní rezistenci), které zpomalují průběh choroby, a tudíž významně snižují napadení. Zdroje odolnosti Předpokladem úspěšného šlechtění na odolnost je dostupnost a výběr vhodných zdrojů rezistence. K tomuto účelu slouží mezinárodní kruhové testy (ring test), v nichž se na různých místech a v různých podmínkách zjišťuje zpravidla při přirozeném výskytu chorob pšenice její odolnost. V pokusech jsou zařazeny zkoušené odrůdy nebo linie a kontrolní odrůdy. Účelem těchto pokusů je umožnit výběr zdrojů rezistence na většině pokusných lokalit, tedy odolných k většině ras původců chorob, které se na pokusných místech vyskytují. Nejznámnější mezinárodní pokusy probíhají v světovém programu CIMMYT, nebo probíhaly v evropském programu COST 817. V rámci České republiky probíhají rovněž kruhové testy na výběr zdrojů rezistence, který je organizován v rámci šlechtitelských pracovišť Selgen, a.s., R.A.G.T. Czech s.r.o. Branišovice, Limagrain, s.r.o. Hrubčice, VÚRV Praha- Ruzyně a ZVÚ Kroměříž. V těchto ringtestech se dle jednotné metodiky v umělé infekci vyhledávají zdroje kombinované rezistence k nejrozšířenějším listovým a klasovým chorobám pšenice ( ke rzem, fuzariózám, septoriózám, a padlí travnímu a viru BYDV – virus žluté zakrslosti ječmene). - 10 -
Zdroje odolnosti jsou získávány také sběrem planých druhů příbuzných pšenici v oblastech jejich přirozeného výskytu v rámci programů genové banky. Šlechtění na odolnost v českých zemích Záměrné šlechtění pšenice na odolnost ke rzím počal v Čechách profesor J. Peklo. Zabýval se odolností k žluté rzivosti pšenice působené rzí plevovou a ke šlechtění využil jako zdroje odolnosti švédské odrůdy Kotte-Grenadier. Jeho kříženec pod jménem Bastard UP si podle údajů profesora Pekla udržel odolnost nejméně 15 let. Avšak ještě dlouho po této první šlechtitelské práci probíhalo šlechtění na odolnost ke rzím převážně empiricky a bylo založeno na výběrech nenapadených nebo mírně napadených rostlin. Zájem o šlechtění na odolnost byl přerušen světovou válkou, po níž v tehdejším Československu sehrály významnou roli odrůdy z bývalého Sovětského svazu, zejména odrůdy Mironovská 808, Bezostá 1, Jubilejná 50, Iljičevka a další. Z těchto odrůd byl do českých odrůd pšenice přenesen gen odolnosti ke rzi pšeničné Lr3a, z posledních dvou také gen odolnosti ke rzi travní Sr5 a další geny. Během následujících let sehrála velmi významnou roli v českém a slovenském šlechtění na odolnost translokace 1BL.1RS. Na segmentu chromozomu 1R ze žita, přeneseném na chromozom 1B pšenice, jsou geny rezistence ke všem třem původcům rzivostí: Lr26 ke rzi pšeničné, Yr9 ke rzi plevové, Sr31 ke rzi travní. Na translokaci je rovněž gen odolnosti k padlí pšenice Pm8. Tuto translokaci měly např. odrůdy Kavkaz, Aurora, Skorospelka 3b. Zmíněná translokace byla získána v Německu křížením Petkuského žita s pšenicí a tam také byla poprvé šlechtitelsky využita. Linie s translokací 1BL.1RS z Weihenstephan byly užity také v českém šlechtění, zejména kmen Wh-378/57-132b. Z dalších genů rezistence se v českých odrůdách uplatnil gen Sr29 přenesený z francouzské odrůdy Moisson nebo gen Sr11 přenesený z mexické odrůdy Siete Cerros. Odolnost ke rzi plevové byla do našich odrůd většinou přenesena ze západoevropských odrůd a byla založena hlavně na genu Yr2, - 11 -
často v kombinaci s Yr1, YrHeIV, Yr3a+Yr4a a YrCV. Běžný byl rovněž gen Yr9 z žitné translokace. Geny rezistence v našich odrůdách Nejčastějšími zdroji rezistence v současné době jsou plané druhy, příbuzné s kulturní rostlinou. V našich registrovaných odrůdách mají nejvyšší četnost již dříve využívané geny Lr3, Lr10, Lr13, Lr26 a Lr37; vůči těmto genům kromě Lr37 jsou u nás již rozšířené rasy, které jejich rezistenci překonávají. Nejúčinnější se dlouhodobě jeví geny Lr9 (přeneseno z Aegilops umbellulata), Lr19 a Lr24 (z Agropyron elongatum). V současné době přetrvává v ČR vysoká účinnost kombinace genů rezistence Lr37, Sr38, Yr17. Gen Lr3a původně pocházel z krajových odrůd od Černého moře, gen Lr26 byl přenesen ze žita z chromozomu žita 1R na chromozom pšenice 1B (translokace 1BL.1RS). Na krátkém přeneseném segmentu žitného chromozomu se nachází nejen gen rezistence ke rzi pšeničné Lr26, ale i ke rzi travní Sr31, rzi plevové Yr9 a k padlí travnímu Pm8. Z uvedených genů však zůstává u nás účinný jen gen Sr31. Ostatní zmíněné geny jsou účinné jen k některým méně rozšířeným rasám rzí a padlí travního. Po roce 1989 došlo ke zvýšení vlivu západoevropských odrůd na české šlechtění pšenice včetně šlechtění na odolnost ke rzím. Ze západní Evropy se k nám dostaly již dříve především geny rezistence ke rzi plevové Yr1, Yr2, Yr3a+4a aj. a posléze geny na translokaci z Aegilops ventricosa (Lr37, Sr38, Yr17). Usnadněná mezinárodní spolupráce umožnila stanovit geny odolnosti v pěstovaných domácích i zahraničních odrůdách pšenice. Pozornost se zaměřovala především na rez pšeničnou. V mezinárodních pokusech COST 817 byly odrůdy pšenice s polní odolností, ale náchylné v klíční fázi, rozděleny podle reakcí v polních podmínkách na odrůdy s částečnou rezistencí, vyznačující se zpomaleným průběhem choroby (PR) např odrůda Batis a na odrůdy s odolnou reakcí pouze v dospělosti (APR). Většina v současné době registrovaných ozimých pšenic má geny odolnosti ke rzi pšeničné a ke rzi plevové, řidčeji ke rzi travní, avšak pouze některé z nich byly identifikovány. Translokaci - 12 -
1BL.1RS ze žita, tedy geny Lr26, Sr31 a Yr9 mají odrůdy Athlet, Clarus, Etela, Karolinum, Lívia, Mona, Rapsodia, Rialto, Sida, Solara a Windsor. Translokace z Aegilops ventricosa, tedy geny Lr37, Sr38, Yr17 byla zjištěna u odrůd Apache, Bill, Clarus, Clever, Corsaire, Rapsodia a Rheia (Bartoš P. et al., 2004). U odrůd, Clarus a Rapsodia, se tedy vyskytují obě translokace. Geny Lr10 a Lr13 mají odrůdy Alka (v Německu registrovaná pod jménem Moldau) a Siria. Poměrně často se v českých a slovenských odrůdách vyskytuje gen Lr3 (Astella, Banquet, Blava, Hana, Niagara, Rexia, Samanta, Saskia, Svitava, Viginta). Gen Lr13 má kromě již zmíněných odrůd Alka a Siria rovněž Samanta. Z genů rezistence ke rzi travní se kromě Sr31 a Sr38 v českých a slovenských odrůdách uplatnil gen Sr5, ze současně registrovaných odrůd jej mají odrůdy Niagara a Viginta; odrůda Hana má gen Sr29. Ke rzi travní jsou odolné odrůdy s translokací buď ze žita nebo mnohoštětu a také odrůdy Mulan, Anduril a Eurofit. Náchylná je např. odrůda Banquet, po umělé infekci byly slabě napadeny i odrůdy Akteur, Eurofit, Meritto, Samanta a Vlasta. (Hanzalová, 2007). Vzhledem k malému významu rzi plevové v posledních letech nebyly geny rezistence v registrovaných odrůdách zjišťovány. U této rzi je zvlášť významná polní odolnost. Jak vyplývá z uvedených údajů o genech rezistence v odrůdách pšenice bylo šlechtění ke rzi pšeničné zaměřeno převážně na specifickou odolnost podmíněnou geny s velkým účinkem. Nicméně některé odrůdy mají nespecifickou odolnost, pravděpodobně řízenou geny s malým účinkem. Např. odrůda Batis nebo starší odrůda Viginta mají výraznou odolnost ke rzi pšeničné v polních podmínkách. Přítomnost určitého specifického genu rezistence poskytuje odrůdě ochranu jen tehdy, pokud rez nemá odpovídající gen, který zmíněný gen rezistence „překoná“. Účinnost výše uvedených genů rezistence v našich odrůdách závisí tedy na virulenci ras rzi v populaci a může se měnit se změnami v rasovém spektru. Rezistentní odrůdy pak ztrácejí účinnost. V posledních letech se stále více vyhledávají zdroje rezistence z příbuzných druhů pšenice a z planých druhů. Jejich širší využití usnadňují i nové šlechtitelské metody. Z mnoha polotovarů s novými geny z těchto zdrojů se však jen málo - 13 -
prosadí do komerčních odrůd, u nichž stále rozhoduje výnos a kvalita. Trvanlivost rezistence V praxi rozhoduje o trvanlivosti, respektive ztrátě odolnosti řada faktorů. Čím větší plochu zaujímá odolná odrůda, tím je větší pravděpodobnost, že se virulentní rasa rychle rozšíří. Ale samotný vznik virulentní rasy plocha pěstované odrůdy nepodmiňuje. Různorodá odrůdová struktura může šíření nové rasy brzdit a tak snižovat i ekonomické ztráty. Pěstování odrůd s různým genetickým základem rezistence a častější obměna odrůd jsou hlavními opatřeními, kterými může pěstitel omezit škody způsobené ztrátou odolnosti. Kromě těchto opatření je pro snížení budoucích potenciálních ztrát významná prognóza nebo aspoň odhad možnosti výskytu a rozšíření nových ras rzí. Odolnost registrovaných odrůd ke rzím Údaje o aktuální odolnosti poskytují pokusy ÚKZÚZ, které spolu s výsledky pokusů Výzkumného ústavu rostlinné výroby v.v.i. v Ruzyni jsou uváděny v Seznamech doporučených odrůd, vydávaných ÚKZÚZ. Podle této publikace z let 2005-2007 i podle našich pokusů patří k odolnějším odrůdám. ke rzi pšeničné Batis (mající polní odolnost), Biscay, Caphorn, Clarus, Heroldo, Rapsodia, Corsaire, Ilias, Karolinum, Nela, Semper, Globus. Ke rzi plevové je většina doporučených odrůd odolných nebo jen slabě náchylných; tuto odolnost mají vesměs západoevropské odrůdy. Náchylná je odrůda Banquet. Méně odolné (slabě náchylné) byly odrůdy Akteur, Eurofit, Meritto, Samanta, Vlasta, Corsaire, Ebi, Karolinum, Rheia, Versailles, Saskia. Ke rzi travní byly odolné odrůdy s translokací z Aegilops ventricosa, tedy s genem Sr38 odrůdy Apache, Bill, Corsaire, Clever, Clarus, Rapsodia a Caphorn a dále odrůdy Barroko, Biscay, Globus, Heroldo, u nichž genetický základ rezistence nebyl dosud zjištěn. Odolné ke rzi travní zůstávají u nás rovněž odrůdy s translokací 1BL.1RS. - 14 -
Biologie rzí Rzi jsou obligátní, biotrofní, parazitické houby, jejichž mycelium proniká do hostitelské rostliny průduchy, do nichž vysílá haustoria. Jsou fylogeneticky velmi starou skupinou. Jejich hostiteli je řada zástupců nahosemenných i krytosemenných rostlin. Systematicky jsou řazeny do třídy Basidiomycetes, řádu Uredinales a čeledi Pucciniaceae (Urban a kol., 1980). Charakteristickým znakem této skupiny je úzká fyziologická vazba na jedinou čeleď, rod nebo druh hostitelské rostliny. I v rámci jednoho druhu rzi často tvoří specializované formy (f.sp.), které napadají pouze jediný druh hostitele. Někteří zástupci této skupiny střídají hostitelské a mezihostitelské druhy, na kterých probíhají haploidní a diploidní fáze životního cyklu houby (druhy dvoubytné – heteroecické), u některých zástupců probíhá cyklus pouze na jednom rostlinném druhu ( druhy jednobytné – monoecické). Jsou významnými patogeny pšenice, vyskytují se ale také na ječmeni, žitu, ovsu, pýru, jílku a mnoha jiných travách, kde tvoří formy speciales (Puccinia graminis f.sp. avenae, poae, secalis, tritici). Zdrojem infekce mohou být pohlavně vzniklé aeciospory, rozšiřující se z mezihostitele. Tím je u rzi pšeničné (Puccinia triticina Eriks.) žluťucha (Thalictrum speciosissimum Loefl.) (Obr 2)., u rzi travní dřišťál (Berberis vulgaris L.) (Obr. 1). Vznik a šíření nových ras z mezihostitele rzi pšeničné se v našich klimatických podmínkách neuplatňuje. Většího významu dosahuje křížení na mezihostiteli v jižních částech Evropy, odkud se pak pohlavně vzniklé inokulum šíří vzdušnými proudy do našich zeměpisných šířek. V přírodě byla prokázána pohlavní fáze na mezihostiteli pouze u rzi travní, u rzi pšeničné byla v našich podmínkách navozena pouze experimentálně (Blažková, Bartoš, 1999). Mezihostitel rzi plevové (Puccinia striiformis West.) není znám. Pod epidermis hostitele vytvářejí rzi myceliární kupky, ve kterých jsou obsaženy zpravidla jednobuněčné spóry. Ty se po prasknutí epidermis uvolňují, spóry mohou v krátké době infikovat listy dalších rostlin a vytvářet zároveň velké množství rychle se šířícího inokula. - 15 -
Obr.1 Mezihostitel rzi travní (Berberis vulgaris)
Obr. 2 Aecie s aeciosporami rzi pšeničné na mezihostiteli (Thalictrum speciosissimum)
- 16 -
Vznik fyziologických ras Rasová variabilita je v populaci rzí zajišťována přirozenou cestou (křížení na mezihostiteli, mutace, parasexuální cyklus a heterokaryoze). Takto vzniklé patotypy jsou vystaveny silnému selekčnímu tlaku, který je reprezentován klimatickými a mikroklimatickými vlivy na daného území, podmínkami šíření a množení, odrůdovou skladbou hostitelské rostliny, mírou rezistence pěstovaných odrůd, trvanlivostí a charakterem jejich rezistence, mírou stresových faktorů a schopností přezimovat. Tento tlak eliminuje počet ras patogena na několik převládajících typů. Některé patotypy mají vyšší odolnost k výkyvům teplot a vlhkosti, což může pro jejich množení, šíření a konkurenceschopnost hrát podstatnou roli. Vznik nových genotypů ras však ještě neznamená jejich faktické rozšíření. To je dáno jejich životaschopností v daném prostředí. Vznikne-li nová rasa rzi, která překoná odolnost určité odrůdy, je zvýhodněna tím, že jí na této odrůdě staré avirulentní rasy nemohou konkurovat. Jsou-li využívány odrůdy s polygenně založenou rezistencí, je pravděpodobnost výskytu virulentního patotypu menší, neboť k překonání rezistence dochází postupně. Je-li rezistence založena monogenně, je podmíněna přítomností jednoho genu s vysokou účinností v pěstované odrůdě, k překonání rezistence dochází zpravidla zlomově a přináší to sebou rizika vysokých výnosových ztrát.
- 17 -
Obr. 3 urediospory rzi travní
Obr. 4 rez travní - symptomy na listech
- 18 -
Obr. 5 urediospory rzi pšeničné
Obr. 6 rez pšeničná - symptomy na listech
- 19 -
Obr. 7 urediospory rzi plevové
Obr. 8 rez plevová - symptomy na listech
- 20 -
Fyziologické rasy a rasová spektra České republice Rasy mohou být rozlišeny od sebe navzájem dle fyziologických charakteristik (Kůdela a kol., 1989). Pro fytopatologii je určující virulence, tedy schopnost patogena vniknout do hostitelského organismu, množit se a vyvolávat příznaky onemocnění. Fyziologickou rasu houby Puccinia triticina charakterizujeme specifickou reakcí (virulencí, avirulencí) na určitý genotyp hostitele. V praxi lze určit rasu na souboru diferenciačních odrůd, nebo na téměř izogenních liniích, ke kterým mají různou virulenci (avirulenci). Na základě takovýchto testů je možno nalézt a popsat desítky patotypů. V současné době se v populaci rzi pšeničné vyskytují v různých poměrech rasy 61SaBa, 77SaBa, 2SaBa, 77, 12SaBa, 62SaBa, 57SaBa, 12, 14SaBa, 53SaBa, 62, 14, 6SaBa. Největší zastoupení má rasa 61SaBa cca 70% a 71SaBa cca12% populace patogena. V posledních letech se zvyšoval podíl virulentní rasy 77SaBa a částečně i rasy 2SaBa. Nověji je rasa charakterizována pouze virulencí/avirulencí k jednotlivým genům rezistence (viz Tab. 1, str. 25). Poznání a sledování stavu a změn rasového spektra a údaje o genech rezistence jsou nezbytné pro pěstitele, kteří tak mohou posoudit, které odrůdy budou ohroženy při rozšíření virulentní rasy a zároveň pro šlechtitele při výběru zdrojů. Přehled genů odolnosti Přehled účinnosti Lr genů u nás a v Evropě • Lr26, Lr15: v od r. 2001 výrazný nárůst účinnosti • Lr37: od r. 2001 pokles účinnosti v Evropě • Lr9, Lr19, Lr24 Lr28, Lr37 v celé Evropě nejúčinnější (kromě Bulharska), 1997 –1999 • Lr2c, Lr11 v celé Evropě neúčinné • Lr17, Lr26 v jižní a jihozápadní Evropě poměrně účinné, v centrální a východní Evropě neúčinné - 21 -
• Lr28 neúčinné v Polsku, Rumunsku, Bulharsku, ale v ČR a SR velmi účinné • Lr9, Lr24, Lr29: nejúčinnější na Slovensku (2002) • Lr3a, Lr11, Lr2c, Lr1 nejméně účinné • Lr1 V ČR pokles virulentních izolátů z 23% na cca 6% • Lr3, Lr2c, Lr11, Lr15, Lr17, Lr21, Lr23 nejméně účinné v ČR Přehled účinnosti Sr genů Tab 2: Účinnost genů rezistence ( Sr ) ke rzi travní, rase Ug 99 (podle R.P. Singh et al., 2006) Původ Sr genů
Sr geny neúčinné
účinné
5, 6, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9f, 28 1, 29 2,Tmp 10, 15, 16,18, 19, 20, 23, 30, 41, 42, Wld-1 Triticum turgidum 9d, 9e, 9g, 11, 12, 17 2 2, 13 1, 2, 14 1 Triticum monococcum 21 22, 35 Triticum timopheevi 36 1, 37 Triticum speltoides 32, 39 Triticum tauschii 33 2, 45 Triticum comosum 34 Triticum ventricosum 38 Triticum araraticum 40 Thinopyrum elongatum 25, 26, 43 Thinopyrum intermedium 44 Secale cereale 31 27 1, 1A.1R 1) virulence se vyskytuje v jiných rasách rzi 2) nižší úroveň rezistence Triticum aestivum
- 22 -
Geny odolnosti ke rzi travní (Sr) v registrovaných odrůdách (ÚKZÚZ 2007) Niagara, Viginta Lívia, Ilona, Niagara Hana Athlet, Clarus, Ethela, Karolinum, Lívia, Mona, Rapsodia, Rialto, Sida, Solara, Windsor Sr38 Apache, Bill, Caphorn, Clarus, Clever, Corsaire, Rapsodia, Rheia Neurčeno Barroko, Biscay, Globus, Heroldo
Sr5 Sr11 Sr29 Sr31
Zjišťování virulence rzi pšeničné na téměř izogenních liniích Virulence je zjišťována na základě reakcí jednokupkových izolátů na téměř izogenních liniích s jedním genem rezistence (Lr), dříve odrůdách s jedním určeným genem rezistence. Z tabulky 1 vyplývá účinnost šestnácti používaných linií k souboru izolátů, získávaných každoročně z plošných sběrů z celé ČR. Testování probíhá ve skleníkových podmínkách při teplotě 20°C a maximální vlhkosti. Urediospory z listů z různých lokalit jsou přeneseny na klíční rostliny náchylné odrůdy pšenice a inkubovány 24-48 hodin v uzavřených skleněných válcích. Na listech rostlin se po 4-5 dnech začínají tvořit symptomy onemocnění. Z listů jsou odebrány vznikající kupky, které se nechávají vyvinout izolovaně ve vodním prostředí v Petriho miskách. Urediospory uvolněné z jedné pustule jsou pak rozmnoženy na náchylné odrůdě a poté přeneseny na soubor testovacích linií. Po sedmi až deseti dnech se na infikovaných rostlinách vyvíjejí symptomy infekce, které se vyhodnocují dle stupnice Stakman, 1962 (Obr. 7). K hodnocení klíčních rostlin ve skleníkových podmínkách je používána čtyřbodová stupnice, která hodnotí především charakter symptomů, nikoli míru napadení. Na základě reakcí zkoušených rostlin k infekci urediosporami izolovanými z jedné pustule lze izolát charakterizovat jako patotyp s definovanou virulencí/avirulencí. - 23 -
Obr. 7 Stupnice napadení klíčních rostlin rzí pšeničnou dle Stakman et al. (1962)
0- rostlina bez symptomů ; - rostlina s výskytem chloróz 1- ojedinělé, velmi drobné kupky, výskyt chloróz 2- drobné kupky, chlorózy, nekrózy 3- kupky bez chloróz a nekróz 4- velké kupky bez chloróz a nekróz Vývoj virulence v populaci rzi pšeničné v ČR v letech 20012007 Soubor byl testován na klíčních rostlinách ve skleníkových podmínkách na téměř izogenních liniích Lr1, Lr2a, Lr2b, Lr2c, Lr3, Lr9, Lr10, Lr11, Lr15, Lr17, Lr19, Lr21, Lr23, Lr24, Lr26, Lr28. Nejčastěji se vyskytující virulencí byla virulence k Lr10, Lr11, Lr17, Lr21. Zcela rezistentní byly linie s genem Lr9, Lr19 a částečně s genem Lr24; vysokou účinnost měl gen Lr1, Lr2a a Lr28. - 24 -
Výsledky identifikací fyziologických ras na klíčních rostlinách ukazují určitý nárůst virulence ke genu Lr2b, Lr11 Lr15. Zároveň byl zaznamenán pokles virulence v populaci rzi pšeničné ke genu Lr24 (Tab. 1).
Tab. 1 % virulentních izolátů k použitým genům rezistence ke rzi pšeničné Lr geny % virulentních izolátů 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 průměr Lr1 6 3 10 12 14 12 21 11 Lr2a 3 8 7 21 18 15 25 14 Lr2b 6 14 33 22,7 28 25 35 23 Lr2c 62 92 83 61 66 70 72 72 Lr3 72 94 88 90 94 94 92 89 Lr9 0 0 0 0 0 0 0 0 Lr10 78 81 77 92 92 95 88 86 Lr11 63 83 93 90 91 92 96 87 Lr15 75 72 75 70 96 78 Lr17 97 95 89 67 66 84 83 Lr19 0 0 0 0 1 0 0 0 Lr21 69 81 88 95 86 91 87 85 Lr23 68 92 95 85 95 86 76 85 Lr24 16 22 17 2,5 0 0 0 8 Lr26 67 50 69 74 72 45 63 Lr28 28 14 5 9 12 12 19 14 *pro analýzy bylo v každém roce použito cca 90 vzorků z 15 lokalit ČR S definovaným patotypem pak lze dále pracovat ve skleníkových podmínkách a zjišťovat charakter rezistence. Aproximativně lze při malém počtu genů rezistence stanovit jejich přítomnost v analyzované odrůdě/linii podle reakcí k vhodnému souboru patotypů rzi. - 25 -
III. Srovnání postupů Používané metodiky byly aktualizovány pro současnou potřebu. Metodika vychází z dlouhodobé experimentální práce, která vedla k optimalizaci užívaných metod (např. soubor testovacích linií s Lr geny navržený a schválený v rámci mezinárodní spolupráce COST 817). Podrobně jsou uvedeny metody studia odrůdové odolnosti. Metody studia virulence v populaci rzí Studium virulence v populaci rzi se provádí různými způsoby podle cíle studia. Pro pouhé zjištění % zastoupení virulence k testovaným odrůdám, případně liniím postačí zjistit, jaké % z testovaných vzorků napadá odrůdy/linie určené k testování. Chceme-li zjistit kombinace jednotlivých virulencí, tedy patotypy (dříve většinou označované jako fyziologické rasy), musíme nejprve získat izolát u něhož je předpoklad genetické homogenity. U rzí je to jednokupkový, nebo lépe jednosporový izolát vzorku. Jako testovací sortimenty se původně užívaly odrůdy pěstované v daném areálu s některými doplňkovými odrůdami s výrazně odlišným genotypem. Pro možnost srovnání výsledků se vžilo užívání testovacího souboru u rzi travní a pšeničné založeného na amerických odrůdách, kdežto u rzi plevové na odrůdách evropských. Postupně byly tyto testsortimenty modifikovány pro místní potřeby. V současnosti byl vyvinut systém identifikace genů virulence na bázi linií s jednotlivými definovanými geny rezistence přenesenými do identického genetického základu (téměř izogenní linie – NIL). Přehled testovacích souborů uvádí např. McIntosh et al. (1995). Inokulace těchto souborů se provádí téměř výhradně ve skleníku na klíčních rostlinách, stejným způsobem jako při hodnocení rezistence. Poněvadž jsou v některých případech významné reakce dospělých rostlin, které se liší od reakcí klíčních rostlin, existují i soubory odrůd/linií, na nichž se zjišťují reakce jednotlivých izolátů rzí na dospělých rostlinách. To je zvlášť významné pro rez plevovou, jak to zavedl Zadoks (1961). V posledních letech tento způsob testování probíhá v Německu, - 26 -
kde se zjišťuje virulence ke genu Lr37 rezistence ke rzi pšeničné. Tento gen patří k nejvýznamnějším genům v současných odrůdách pšenice, ale je účinný jen u dospělých rostlin. Pro testování rzi pšeničné přispělo pracoviště VÚRV,v.v.i. sestavením linií s významnými geny pro Evropu, který byl v rámci akce COST 217 akceptován jako současný evropský standard. Výsledky analýz virulence jsou vyjadřovány výčtem účinných a neúčinných genů rezistence, nebo na základě vícečíselného kódu charakterizujícího virulenci/avirulenci k liniím testsortimentu. Skleníkové testy rezistence Skleníkové testy rezistence se provádějí zpravidla na klíčních (výjimečně dospělých) rostlinách. Infikuje se 1.-2. list rozprášením urediospor s talkem na rostliny s následným orosením a uzavřením za vysoké vzdušné vlhkosti po dobu 24-48 hodin. Pro rez pšeničnou se optimální teplota pohybuje kolem 20°C, pro rez travní je vhodná vyšší teplota, pro rez plevovou naopak nižší ( 12-15°C). Optimální teploty se liší v různých fázích infekce (Stubbs et al. 1986). Napadení se zpravidla hodnotí podle Stakmana et al. (1962), a to na zákldě infekčních typů (Obr. 7). Častěji než rozprašování suchých spor se používá aplikace spor ve vodní suspenzi, případně s malým množstvím netoxického smáčedla (např. Tween 20). Pokud se nepoužívá smáčedlo, je vhodné setřít voskovou vrstvu na listech infikovaných rostlin prsty. Také je možno otírat voskovou vrstvu a současně i nanášet suspenzi spor. Pro kvantitativní sledování infekcí (např. při studiu částečné odolnosti - PR) se k dosažení rovnoměrného napadení používá sedimentačních věží. Napadení se hodnotí při běžných skleníkových teplotách po 14 dnech od infekce. V ročním období s nedostatečným přirozeným světlem je nutné dosvětlování především v pokusech se rzí plevovou. Koncentraci inokula je třeba kontrolovat u kvantitativních testů odolnosti, běžné testy nevyžadují kontrolu hustoty suspenze. Velká koncentrace spor však může způsobit horší rozlišení infekčních typů. - 27 -
Skleníkové/laboratorní segmentech
testy
rezistence
na
listových
Skleníkové testy lze nahradit zkoušením v laboratorních podmínkách na listových segmentech. Segmenty, řezané zpravidla z čepele druhého listu zkoušené odrůdy, jsou umístěny v Petriho miskách, nebo k tomu zvláště upravených plastových miskách se septy na vodní agar s obsahem benzimidazolu (na 1000 g sacharózy/ 1l vody a 50 p.p.m.benzimidazolu). Jsou infikovány urediosporami vybrané rasy rzi (nasáváním z jedné pustule a vyfukováním na připravené segmenty). Infikovaný materiál je umístěn v klimaboxu s řízeným světelným a teplotním režimem. Symptomy se vyvíjejí u rzi pšeničné po 7-10 dnech a jsou hodnoceny dle Stakmanovy stupnice. Testy pomocí molekulárních markerů a jejich využití ve šlechtění Významným přínosem pro studium rzí a šlechtění na rezistenci se v posledních desetiletích staly metody molekulární genetiky. Analýzy DNA spor rzí umožňují populační studie a epidemiologické studie přenosu rzí. Identifikování specifických genů virulence molekulárními metodami, tak jak je to již běžné s markery pro geny rezistence, je významným cílem výzkumu. Ve šlechtění na rezistenci ( MAS – Marker Assisted Selection) se uplatňují molekulární markery pro některé geny rezistence pšenice ke rzím již několik desítek let. Využití molekulárních markerů ve šlechtění usnadňuje přenos recesivních genů, umožňuje kumulaci genů, ověření přítomnosti známých genů rezistence v rostlinném materiálu zvláště při kumulaci genů nebo účinnosti genů v dospělosti. Molekulární metody jsou vhodné zejména tehdy, když jsou přímé infekční metody pro zjišťování přítomnosti genů rezistence časově a technicky náročné, např. vyžadují-li celou vegetaci.
- 28 -
Sběr inokula a jeho uchovávání Vzorky rzí pro testy se uchovávají na vysušených listech získaných z různých lokalit. Spory zpravidla zůstávají klíčivé několik měsíců. Ve skleníku se spory z jednotlivých kupek nebo listů odsávají cyklonovým separátorem a hromadí v připojené zkumavce, nebo se pouze sklepávají z listů přímo do zkumavky, do níž se napadený list před setřásáním vloží. Výhodou cyklonových separátorů je možnost je přímo využít pro infekci, nevýhodou je nutnost sterilizace před každým použitím. Sebrané urediospory zachovávají klíčivost několik měsíců až rok při uložení v běžné chladničce (cca při 5°C), doporučuje se zároveň uložení v exikátoru. K dlohodobému ukládání jsou určeny urediospory se známou virulencí (patotypy). Před uložením jsou vysušeny na cca 20% své hmotnosti a poté umístěny do mrazových boxů do teploty -80°C. Dříve využívaná metoda ukládání do vakua v zatavených ampulích byla vesměs nahrazena ukládáním v ultranízkých teplotách či v tekutém dusíku. Pro pokusy se spory množí na univerzálně náchylných odrůdách (např. Michigan Amber). Pro genetické studie se zpravidla užívají monosporické izoláty. Jednoduchou metodou k získávání takových izolátů je zachytávání jednotlivých spor jehlou nebo vlasem v násadce a přenosem na izolovanou rostlinu nebo listový segment v Petriho misce. Místo přenosu se označí barvou nebo vpichem a rostlina se inkubuje jako při jiných infekčních pokusech. Ve většině testů se však užívá monupustulových izolátů. Po infekci vzorkem rzi se po objevení prvních symptomů (chlorózy) odděluje z listu segment s jedinou chlorózou a dále se kultivuje v uzavřené Petriho misce na vodném agaru, vodě nebo roztoku benzimidazolu. Izoláty se pak dále množí obvyklým způsobem na náchylné odrůdě. K zvýšení produkce spor se do půdy přidává maleinhydrazid (100-400 mg/1 l vody, 100 ml roztoku se aplikuje na půdu v kořenáči, jakmile jsou koleoptile 2-5cm dlouhé). Maleinhydrazid prodlužuje fázi prvního infikovaného listu, na němž se rez množí. Výtěžnost spor je možno tímto způsobem zvýšit třkrát až pětkrát. - 29 -
Zkoušení v polních podmínkách Virulenci k jednotlivým genům rezistence lze sledovat i v polních testech, zaměřených na zjišťování aktuálního stavu virulence v přirozených podmínkách. Téměř izogenní linie jsou vysévány do polního pokusu a jsou vystaveny přirozené infekci. Ke srovnatelnému hodnocení napadení rzí pšeničnou v polních podmínkách je u nás používána devítibodová stupnice ÚKZÚZ, kde stupněm 9 je hodnocena zcela rezistentní reakce hostitele, stupněm 1 napadení 80-90% listové plochy rostliny. Tato stupnice je také užívána pro hodnocení ve státních odrůdových zkouškách a zachycuje především procenta napadení listové plochy rostliny a schopnost choroby prorůstat do vyšších rostlinných pater. V polních podmínkách jsou zároveň vysévány materiály s vyšší potenciální úrovní rezistence, nebo vysokými hospodářskými parametry. Z kombinace výsledků z polního hodnocení a skleníkových testů lze získat objektivní informaci o rezistenci zkoušeného materiálu. Polní pokusy se rzemi mohou probíhat v podmínkách přirozené nebo umělé infekce. Při výsevu testovacích linií/odrůd s různými geny odolnosti se v přirozených podmínkách sleduje virulence v místní populaci patogena. Při výsevu odrůd a šlechtitelského materiálu se sleduje odolnost k aktuáĺní populaci rzí v dané lokalitě. Na pokusech se neprovádí umělá infekce, ale přirozený výskyt rzi je podporován výsevem náchylné odrůdy mezi testovaný materiál. Tímto způsobem probíhají mezinárodní pokusy, z nichž nejznámnější jsou pokusy organizované mezinárodní organizací CIMMYT. Pokud přirozený výskyt nebývá v dané lokalitě dostatečně silný, podporuje se v pokusech inokulací řádků náchylné odrůdy (spreadera) pravidelně rozmístěné v pokusu. Z nich se pak infekce dále přirozeně šíří v pokusu. Další možností je inokulace celého pokusu, která se provádí buď rozprášením urediospor ve směsi s inertní látkou, např. talkem, a to zpravidla večer, kdy se předpokládá vznik rosy nebo mlhy. Spolehlivější metodou je postřik urediosporami v suspenzi netoxického oleje, který zajišťuje lepší ulpění na listech. - 30 -
Spolehlivost infekce se zvyšuje přikrytím infikovaných řádků fólií, jež zajistí vlhkost nutnou k infekci. Velmi účinná je inokulace injekcí vodní suspenze urediospor do stébel náchylné odrůdy počátkem sloupkování. Jako inokulum je použito zpravidla směsi urediospor množených na klíčních rostlinách ve skleníkových podmínkách. Zdrojem infekčního materiálu jsou listy pšenice napadené jednotlivými rzemi ze sběrů z celé ČR. Z takto získaného materiálu je připravena směs ras a ve vodním roztoku infikována do stébel spreadera (Michigan Amber). Odtud se pak infekce přirozeně rovnoměrně šíří na zkoušené materiály. Termín umělé infekce se pro jednotlivé druhy rzí liší vzhledem k jejich různým teplotním nárokům při infekci, inkubaci a dalším šíření choroby, zvláště důležitá je včasná infekce rzí plevovou. Hodnocení probíhá v několika termínech dle rozvoje choroby s použitím stupnice ÚKZÚZ. Pokud je k dispozici více údajů během vegetace, je možno využít výsledků ke zpracování metodou AUDPC (Area Under the Disease Progress Curve), která charakterizuje průběh choroby. IV. Uplatnění metodiky Metodika je vhodná pro aktuální potřebu šlechtitelů ke sledování nově vzniklých a šířících se patotypů rzí, ohrožujících rezistenci šlechtěných materiálů. Zároveň poskytuje možnost populačních studií rzí u nás. Uvádí přehled genů rezistence ke rzím v ČR a v Eropě, a shrnuje možnosti a metody ochrany proti rzivosti. Uvedené údaje mohou sloužit k vhodné volbě odrůdové struktury. Využívání odrůdové odolnosti a chemická ochrana I když klasické fungicidy (např. síra) stejně jako moderní fungicidy jsou účinné proti rzím, ochrana před napadením spočívá především v rezistentním šlechtění. Při využívání odrůdové odolnosti je třeba vycházet z místních zkušeností s výskytem chorob a na ně vzít zřetel při volbě odrůd. Informace - 31 -
o odolnosti registrovaných odrůd podává každoročně Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský v přehledu Seznam doporučených odrůd (http://www.ukzuz.cz). Ke stupni odolnosti je vhodné přihlížet i při rozhodování o aplikaci fungicidů. Ochranu slabě náchylných odrůd proti běžnému výskytu většinou zajišťuje obvyklá chemická ochrana porostů. Při vysokém infekčním tlaku a pěstování odrůd s nižší úrovní rezistence je však nutno aplikovat přípravky opakovaně. Jako účinné na rzi jsou registrovány tyto přípravky (Katalog, 2008). ARCHER Top 400 EC- fenpropidin, 275 g/ha, propiconazole, 125 g/ha, ARTEA 330 EC - propiconazole a cyproconazole, BUMPER 25 EC- propiconazole, CAPITAN 25 EW flusilazole 250 g, CARAMBA – metconazole, CERELUX PLUS - fenpropimorph 375 g, flusilazole 160 g, DUETT epoxiconazole 125 g, carbendazim 125 g, FALCON 460 EC tebuconazole 167 g, triadimenol 43 g, spiroxamine 250 g, FANDANGO 200 EC - fluoxastrobin 100 g, prothioconazole 100 g, HORIZON 250 EW - tebuconazole 250 g, IMPACT flutriafol 125 g, PROLINE 250 EC - prothioconazole 250 g, JUWEL - epoxiconazole 125 g, kresoxim-methyl 125 g, LYRIC - flusilazole 250 g, ORIUS 25 EW - tebuconazole 250 g, PROSARO 250 EC - prothioconazole 125 g , tebuconazole 125 g, SFERA 267,5 EC - cyproconazole 90 g, trifloxystrobin 187,5 g, STEREO 312,5 EC - propiconazole 62,5 g, cyprodinil 250 g, TANGO SUPER - fenpropimorph 250 g, epoxiconazole 84 g. Odolnost doporučených odrůd ke rzem (pšeničné, travní a plevové) Napadení sledovaných odrůd v jednotlivých letech kolísá v závislosti na klimatických podmínkách - teplotě, vlhkosti, průběhu počasí, množství inokula aj. To se projevuje především u středně odolných odrůd, kde lze zaznamenat největší výkyvy v hodnocení v jednotlivých letech. Níže uvedené odrůdy byly vybrány dle dlouhodoubé průměrné odolnosti k uvedeným - 32 -
patogenům (Horáková et al., 2008), polní infekční testy VÚRV, Ruzyně. Odolné odrůdy ozimé pšenice: Rez pšeničná Akteur, Eurofit, Batis, Ilias, Globus, Hedvika, Buteo, Biscay, Etela, Rapsodia, Mulan, Simila, Sakura, Raduza, Anduril, Clarus Rez travní Eurofit, Globus, Biscay, Etela, Rapsodia, Mulan, Simila, Rheia, Clarus Rez plevová Ludwig, Cubus, Darwin, Eurofit, Batis, Ilias, Alibaba, Alana, Globus, Hedvika, Buteo, Biscay, Etela, Dromos, Rapsodia, Sulamit, Rheia, Florett, Clarus Středně odolné odrůdy: Rez pšeničná Ludwig, Cubus, Darwin, Alibaba, Alana, Meritto, Vlasta, Dromos, Kerubino, Barryton, Rheia, Florett Rez travní Akteur, Ludwig, Cubus, Ilias, Alana, Hedvika, Vlasta, Kerubino, Barryton, Simila, Sakura, Sulamit, Raduza, Anduril, Banquet, Samanta Rez plevová Akteur, Meritto, Vlasta, Samanta Náchylné odrůdy: Rez pšeničná Sulamit, Banquet, Samanta Rez travní Darwin, Batis, Alibaba, Meritto, Buteo, Dromos, Florett Rez plevová Banquet - 33 -
Komplexní odolnost ke rzem: Eurofit, Biscay, Etela, Rapsodia, Mulan, Clarus Perspektivy ve šlechtění na odolnost Do budoucna je pro šlechtění na odolnost perspektivní především šlechtění na komplexní rezistenci nejen ke rzím, ale i k dalším listovým a klasovým chorobám pšenice. Základem je pak hledání nových zdrojů rezistence v rostlinných druzích příbuzných pšenici, nebo výběr materiálů získaných z mezinárodních nebo českých ringtestů. Pro vyšší trvanlivost odolnosti je vhodné využívat šlechtění na různé typy rezistence, předevšm částečnou rezistenci, s tím souvisí i používání a kombinování nových laboratorních, skleníkových a polních metod ve šlechtění. Závěr I když v posledních letech nebyly u nás zaznamenány kalamitní celoplošné výskyty rzí na pšenici, epidemie v různých zemích ukazují, že rzi představují stále velké nebezpečí pro produkci obilnin. Monitorování jejich výskytu v globálním měřítku, výběr stále nových zdrojů rezistence, jejich aplikace ve šlechtění a stálý průzkum virulence v populacích rzi jsou předpokladem pro prevenci proti škodám působeným rzemi na tak významné plodině jakou je u nás i v celosvětovém měřítku pšenice.
- 34 -
V.-VI. Seznam literatury Bartoš P., Ovesná J., Hanzalová A., Chrpová J., Dumalasová, V., Škorpík M., Šíp V., 2004: Presence of a translocation from Aegilops ventricosa in wheat cultivars registered in the Czech Republic. Czech J. Genet. Plant Breed., 40: 31-35. Blažková V., Bartoš, 1999: Effect of the sexual stage of wheat leaf rust on virulence patterns. Cereal Research Commmunications, 27(3): 331-336. Hanzalová A., 2007 , Rzi a jejich rozšíření v České republice , Farmář 13(3): 20-21. Hanzalová A., Bartoš P, 2006: Physiologic specialization of wheat leaf rust (Puccinia triticina Eriks.) in the Czech Republic in 2001-2004. Czech J. Genet. Plant Breed. 42(4): 126-131. Horáková V., Kopřiva R., Mezlík T., 2008: Seznam doporučených odrůd, přehled odrůd 2008. Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský, Brno. Johnston C.O, Browder L.E., 1966: Seventh revision of the international register of physiologic races of Puccinia recondita f.sp. tritici. Plant Disease Reporter, 50: 756-760. Kůdela V. a kol.: Obecná fytopatologie. Academia, Praha. 1989. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F., 1995: Wheat Rusts: An Atlas of Resistance Genes. CSIRO, Cambera. Ravi P. Singh, David P. Hodson, Yue Jin, Julio Huerta Espino, Miriam G. Kinyua, Ruth Wanyera, Peter Njau, Rick W.Ward (2006): Current status, likely migration and strategies to mitigate the threat to wheat production from race Ug99 (TTKS) of stem rust pathogen. CAB Reviews: Perspectives in Agriculture, - 35 -
Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources 22006, 1. No. 054. Stakman E.C., Stewart P.M. & Loegering W., O.1962. Identification of physiologic races of Puccinia graminis var. tritici. Agricultural Research Service E617. (United States Department of Agriculture: Washington DC.). Stubbs, R.W., Prescott J.M., Saari E.E., Dubin H.J., 1986: Cereal Disease Metodology Manual. Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), Mexico. Urban Z., Kalina T.: Systém a evoluce nižších rostlin. SPN. 1980. Zadoks J.C., 1961: Yelow rust on wheat studies in epidemiology and physiologic specialization. Tijdschr Plantenziek 67:69-256. Katalog přípravků na ochranu rostlin, 2008. Kurent, České Budějovice.
- 36 -
Autoři: Mgr. Alena Hanzalová Ing. Pavel Bartoš, DrSc Název: Možnosti snížení ztrát působených rzemi na pšenici Oponenti : Prof. Ing. Vladimír Táborský, Csc. Ing. Vladimíra Horáková Vydal: Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Drnovská 507, 161 06 Praha 6 – Ruzyně Redakce: Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Drnovská 507, 161 06 Praha 6 – Ruzyně Náklad: 100ks Vyšlo v roce 2008 Vydáno bez jazykové úpravy Metodika je poskytována bezplatně a je veřejně přístupná na adrese www.vurv.cz Kontakt na autora:
[email protected] Autoři fotografií, Alena Hanzalová, Veronika Dumalasová, Karel Veverka
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha, 2008 ISBN: 978-80-87011-66-9 - 37 -
Vydal Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Praha – Ruzyně 2008 - 38 -
