A martonvásári agrárkutatások hatodik évtizede
SZÁRAZSÁGTŰRÉSI VIZSGÁLATOK GABONAFÉLÉKEN BÁLINT ANDRÁS FERENC1, SZIRA FRUZSINA1, GALIBA GÁBOR1, JÄGER KATALIN2, FÁBIÁN ATTILA2 ÉS BARNABÁS BEÁTA2 1
Genetika és Növényélettan Osztály, 2Növényi Sejtbiológia Osztály
Bevezetés Napjaink egyik legnagyobb kihívása olyan mezőgazdasági növények nemesítése, melyek az abiotikus stresszek – szárazság, magas és alacsony hőmérséklet, UV sugárzás – károsító hatását jobban elviselik. A szárazság az egyik legnagyobb károkat okozó abiotikus stresszfaktor, mely évről-évre komoly termésveszteségeket okoz termesztett növényeinknél. Szárazságtűrő fajták nemesítése így kiemelkedően fontos, azonban a jelleg komplexitása miatt nehéz feladat. A Genetika és Növényélettan Osztályon már a ’90-es években is végeztünk ozmotikus stressz- és szárazságtűréssel kapcsolatos kísérleteket, melyek célja elsősorban a toleranciában szerepet játszó élettani paraméterek azonosítása volt. Az ezredforduló után a kísérletek célja azon lókuszok azonosítása lett, melyek mind az ozmotikus, mind a szárazságstressz elleni toleranciában szerepet játszanak. A kenyérbúza közeli rokona a diploid árpa (Hordeum vulgare L.), mely nem csak gazdaságilag jelentős haszonnövény, de egyszerű genomszerkezete miatt modellnövényként is használható a genetikai vizsgálatoknál. Az árpán kapott eredmények a közeli rokonság miatt átvihetők búzára is, ezért genetikai vizsgálataink elkezdéséhez az árpát választottuk. A utóbbi évtizedekben a Kárpát-medence klimatikus viszonyait egyre inkább jellemzi, hogy a gabonafélék termésfejlődésének és érésének időszakában a csapadékhiányhoz magas hőmérséklet társul. Míg a növények szárazságstresszre adott válasza széles körűen kutatott terület, addig a kombinált szárazság- és hőstressz búza generatív fejlődésére gyakorolt hatásáról kevés számú irodalmi adattal rendelkezünk. A Növényi Sejtbiológia Osztályon 2005től vizsgáljuk az őszi búza (Triticum aestivum L.) egyedfejlődésének generatív szakaszában fellépő vízmegvonás, valamint a szimultán vízmegvonás és a magas hőmérséklet ivarsejtek kialakulására és szemtermés fejlődésére gyakorolt hatását. Mivel a generatív fejlődési fázisban levő növények együttes stressz hatására bekövetkező terméscsökkenése rendkívül összetett folyamatok eredménye, ezek mélyreható feltárásához szükséges a struktúra (sejt- és szöveti szerkezet) és a funkció (anyagcsere- és génexpressziós változások) összekapcsolása.
43
BÁLINT A. F. és mtsai
A különböző egyedfejlődési fázisokban elvégzett ozmotikus stressz- és szárazságtűrési kísérletek összehasonlítása Összehasonlító vizsgálatainkhoz 7 árpa genotípust vizsgáltunk meg három egyedfejlődési fázisban (csíranövény, fiatal növény és felnőtt korban) vízkultúrás és talajos kísérleti rendszerben. Csíranövény tesztben vizsgáltuk a vonalak PEG kezelés hatására bekövetkező hajtás- és gyökérhossz csökkenését. Fiatal növény tesztben, vízkultúrás kísérleti rendszerben tanulmányoztuk a genotípusok ozmotikus stressz hatására bekövetkező biomassza csökkenését. A virágzás alatt bekövetkezett vízelvonás hatását a termésparaméterekre talajos rendszerben vizsgáltuk. A kísérletek eredményei megmutatták, hogy a csíra- és fiatalnövény-korban kapott eredmények nem minden genotípus esetében vágnak egybe a felnőttkori tesztek eredményével. Mindebből következik, hogy az ozmotikus- és szárazságstressz tűrés fejlődési fázis specifikus jelleg, ezért a stressztoleranciát befolyásoló lókuszok azonosításához a vizsgálatokat minden egyedfejlődési fázisban el kell végezni. Szántóföldi tesztelés kontrollált körülmények között: esősátor automata öntözési rendszerrel és talajnedvesség méréssel 2005-ös évben kezdtük el egy olyan tesztelési rendszer tervezését, mely nagyszámú genotípus – térképezési populációk – szárazságtűrésének tesztelését teszi lehetővé a szántóföldihez hasonló körülmények között úgy, hogy közben a változó időjárás hatását minimalizálni tudjuk. 2006-ban kezdődtek a kivitelezési munkák az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézetének területén, az építési munkák 2007 tavaszán fejeződtek be. A rendszer alapja egy fémvázas fóliasátor, melyet egy esőérzékelővel vezérelt elektromotor mozgat a kísérleti terület fölé. A kísérleti terület a fólia alatt 6 parcellát tartalmaz, melyek között a vízmozgást vízzáró fóliák akadályozzák meg. A parcellák öntözését a talajfelszínre helyezett csepegtető öntözési rendszer biztosítja, melyet egy számítógép vezérel. Az öntözőkomputerrel az öntözés ideje és hossza pontosan szabályozható. Az öntözővíz mennyiségét parcellánként vízórák mérik, illetve a talajba jutatott víz mennyiségét talajnedvesség-mérő szenzorokkal is meg tudjuk határozni. Három parcellán optimális, három parcellán pedig csökkentett vízellátottságon neveljük a növényeket. Az esősátor mellett 3 további parcella található, melyek külső szántóföldi kontrollként szerepelnek. Ebben a rendszerben 240 genotípust tudunk évről-évre 3 vízellátottságon, 3 párhuzamos ismétléssel tesztelni. Az árpa ozmotikus stressz- és szárazságtűrését befolyásoló lókuszok azonosítása három egyedfejlődési fázisban Előkísérletek alapján választottuk ki vizsgálatainkhoz az Oregon Wolfe Barley (OWB) árpa térképezési populációt, melynek vonalait csíra-, fiatalnövény- és felnőttkorban is megvizsgáltuk. 44
Szárazságtűrési vizsgálatok 1H
2H
SLC, SDWC, RLT, SLT, SDWT, RWCC, TGWT,PHT 61.05 SD 2.3
3H
4H
SDWC, QSLT, SDWT, SLT, FLT, TGWC, TGWT, PHT, GYC
6H
7H
SLT, RLT, SDWT
69.4 SD 0.71
LOD=2.6, R 88.25 SD 0.07
5H
LOD=2.7, D
SLC, SLT, SDWT
76.75 SD 0.64 82.6 SD 0.14
, LOD=2.9, D
SLT
133.0 cM
130.5 cM 143.0 cM
163.0 SD 3.80
150.4 cM
LOD=2.35, R LOD=3.2, R/D
SLC, SLT, RLC, SDWC, SDWT, FLT, TGWC, TGWT, OP, GYC
LOD=2.5, R
174.5 cM
210.3 cM 222.3 cM
1. ábra. Az Oregon Wolfe Barley populáció segítségével azonosított ozmotikus stresszt és szárazságtűrést befolyásoló lókuszok. Az egyes lókuszok által befolyásolt tulajdonságok rövidítései a lókusz mellett baloldalt vannak feltüntetve. A LOD értékként a legnagyobb LOD értéket adtuk meg. D (DOM) és R (REC) jelzi, hogy mely szülőtől származik a nagyobb fenotípusos értéket adó allél. Rövidítések: SLC: kontroll hajtáshossz, SLT: kezelt hajtáshossz, SDWC: kontroll hajtás száraztömeg, SDWT: kezelt hajtás száraztömeg, RLC: kontroll gyökérhossz, RLT: kezelt gyökérhossz, RWCC: kontroll relatív víztartalom, TGWC: kontroll ezerszemtömeg, TGWT: kezelt ezerszemtömeg, PHT: kezelt növénymagasság, FLT: virágzási idő, OP: ozmotikus potenciál, GYC: kontroll termés.
Eredményeink alapján (1. ábra) egyértelmű, hogy a szárazságtűrésre nagy hatást önmagában egy lókusz sem gyakorol (LOD értékek: 2-3 között, fenotípusos varianciára gyakorolt hatás: 15-30 %), ezért megfelelő mértékű toleranciához több allél megfelelő kombinációjú jelenléte szükséges. Mivel kíváncsiak voltunk arra, hogy az OWB populáció DH vonalaiban azonosított QTL-ek más árpa genetikai háttérben is működnek-e, ezért a 7H kromoszómán azonosított génhez kapcsolt markerrel genotipizáltuk az árpa fajtagyűjteményből véletlenszerűen kiválasztott 40 tavaszi árpa genotípust, amelyeknél két alléltípust sikerült azonosítanunk. Ezeknek a vonalaknak az ozmotikus stressztűrését megvizsgálva megállapítottuk, hogy szignifikáns kapcsolat van az alléltípusok előfordulása és a fiatalkori ozmotikus stressztűrés között. Mindez arra utal, hogy a nagy sűrűségű EST alapú térképekkel azonosított szárazságtűréshez kapcsolt markerek, toleráns genotípusok marker alapú szelekciójára felhasználhatók. 45
BÁLINT A. F. és mtsai
A vízmegvonás és magas hőmérséklet hatása az őszi búza ivaros folyamataira A szárazságstresszt és a kombinált szárazság és hőstresszt, eltérő szárazságtoleranciájú genotípusokon, kontrollált körülmények között, fitotroni klímakamrákban szimuláltuk, a generatív fejlődés legkorábbi fázisában – a meiózis idején, a megporzás után 1-5 napig, és a szemfejlődés 5-9. napja között. A meiózis idején alkalmazott stresszek hatására szignifikánsan csökkent a fertilitás, az ezerszemtömeg és a kalászonkénti szemtömeg mindkét genotípusnál. A pollen megtermékenyítő képességének csökkenésében (23-35%) nem volt szignifikáns különbség a szárazság toleráns Plainsman V és a szárazságra érzékeny Cappelle Desprez fajta között. A Plainsman V kalászok felső harmadainak portokjaiban a mikrosporogenezis korai fázisaiban megrekedt pollenszemek voltak megfigyelhetők a virágzás idején. Az érzékeny fajtánál ezt a kedvezőtlen jelenséget a mikrosporogenezis érintettségéből eredő abnormis pollenformák megjelenése is kísérte. Szövettani vizsgálataink igazolták, hogy a megporzást követő 1-5. nap között fellépő stressz hatására mindkét genotípusnál jelentősen felgyorsult a szemtermések fejlődése a 14. napig. A Plainsman V szignifikánsan jobban tolerálta a két stressztípust, mint az érzékeny fajta, melynél a szárazságstressz 65%-kal, a kombinált stressz 83%-kal csökkentette a kalászonkénti szemtömeget. A terméscsökkenés oka a kalászok felső harmadában bekövetkezett terméselhalás, az endospermium csökkent mértékű sejtesedése, és a vegetatív szervek sérülése miatti tápanyagtranszport csökkenés, illetve elmaradás volt. A szárazságstressz a szemfejlődés 5-9. napja között alkalmazva okozta a legnagyobb mértékű terméskiesést (71-77%), mely elsősorban az ezerszemtömeg drasztikus csökkenéséből eredt. A korábbi kezeléseknél megfigyeltekhez hasonlóan a Cappelle Desprez fajta ebben a fejlődési fázisban is érzékenyebben reagált a kombinált stresszre. A szemtermés fejlődésének 14. napján a kontrollal (2A-D ábra) összehasonlítva az embrió előrehaladott fejlődését (2E ábra), az embrió és a raktározó szövet határán képződő ún. összeroppant sejtréteg kialakulását (2F ábra), az aleuron réteg differenciálódását (2G ábra) és az endospermium nagy mennyiségű A-típusú keményítőszemcse felhalmozását (2H ábra) mutatták ki szövettani vizsgálataink. Mivel a B-típusú keményítőszemcsék a kezelt 14 napos szemtermésekben csupán ritka kivétellel és igen kis számban voltak megfigyelhetők, ezért feltételezzük, hogy azok a fejlődés későbbi időszakában jelennek meg. Ennek igazolására pásztázó elektronmikroszkóp segítségével vizsgáltuk az érett légszáraz szemtermések endospermiumát, de feltételezésünk nem igazolódott be. A felgyorsult fejlődés a tápanyagraktárak kimerülése folytán nem folytatódott a termésérés befejeztéig (3A-H ábra). Míg az érett kontroll szemterméseinek endospermium sejtjeiben nagy számú B-típusú keményítő szemcse volt megfigyelhető (3E és F ábra), addig a kezelt Cappelle Desprez-nél nem (3G ábra), a kezelt Plainsman V szemtermésekben pedig elvétve 46
Szárazságtűrési vizsgálatok
(egyedülállóan vagy kisebb csoportokban) fordult B-típusú keményítő szemcse elő (3H ábra). Az eredményekből kitűnik, hogy a kísérletbe bevont genotípusok a vizsgált fejlődési fázisok közül a korai szemfejlődés 5-9. napja között voltak a leginkább érzékenyek az alkalmazott stresszekre. A két fajtát összehasonlítva megállapítottuk, hogy a Plainsman V fajta nem csupán a szárazságstresszel, hanem a kombinált szárazság és hőstresszel szemben is nagyobb toleranciát mutatott. Megfigyeléseinket igazolták az SZBK Növénybiológiai Intézetével közösen végzett vizsgálatok is, melyek az embrió- és endospermium-specifikus gének expressziójának jelentős megnövekedést mutatták ki a kezelt szemtermésekben.
2. ábra A kontroll (A-D), valamint a termésfejlődés 5-9. napja között együttes hő- és szárazságstressznek kitett (E-H) Cappelle Desprez embriók (A, E), az embrió és endospermium határán kialakuló összeroppant sejtrétegek (B, F), az aleuront határoló anyai sejtrétegek (C, G) és a fejlődő endospermiumok (D, H) fénymikroszkópos felvételei a megporzást követő 14. napon.
3. ábra Légszáraz, megfelezett kontroll (A, B) és a termésfejlődés 5-9. napja között együttes hő- és szárazságstressznek kitett (C, D) Cappelle Desprez (A, C) és Plainsman V (B, D) szemtermések, továbbá az A és B típusú keményítőszemcsék megoszlása ugyanezen genotípusok kontroll (E, F) és kezelt (G, H) szemterméseinek endospermiumában.
47
BÁLINT A. F. és mtsai
Köszönetnyilvánítás Munkánkat a MÖB-DAAD 2005-2006, a GVOP-3.11-2004-05-0441/3.0, az NKFP OM 0018, az OTKA K67987, a Német-Magyar Plant Resource Phase I Nap-Bio, és az AGRISAFE 203288 sz. EU-FP7-REGPOT 2007-1 pályázatok támogatták.
Megjelent publikációk Bálint, A. F., Szira, F., Börner, A., Galiba, G. (2008): Segregation- and association based mapping of loci influencing osmotic tolerance in barley. Acta Biologica Szegediensis, 52, 101-102. Bálint, A. F., Vágújfalvi, A., Szira, F., Börner, A., Cattivelli, L., Dubcovsky, J., Galiba, G. (2008): QTLs and genes for abiotic stress tolerance in cereals: their general role in the environmental adaptation and their developmental-stage specificity.. In: Cereal Science and Technology for Feeding 10 Billion People: Genomics Era and Beyond. 13-17 November 2006. Lleida, Spain. Eds. J.L. Molina Cano et al. Options Médediterranéennes, 197-200. Barnabás, B., Jäger, K., Fehér A. (2008): The effect of drought and heat stress on reproductive processes in cereals. Plant Cell & Environment, 31, 11-38. Fábián, A., Jäger, K., Barnabás, B. (2008): Effects of drought and combined drought and heat stress on germination ability and seminal root growth of wheat (Triticum aestivum L.) seedlings. Acta Biologica Szegediensis, 52, 157-159. Jäger, K., Fábián, A., Barnabás, B. (2008): Effect of water deficit and elevated temperature on pollen development of drought sensitive and tolerant winter wheat (Triticum aestivum L.) genotypes. Acta Biologica Szegediensis, 52, 67-71. Kerepesi, I., Galiba, G., Bányai, É. (1998): Osmotic and salt stresses induced differential alteration in water-soluble carbohydrate content in wheat seedlings. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 46, 5347-5354. Nagy Z., Galiba G. (1995): Drought and salt tolerance are not necessarily linked: a study on wheat varieties differing in drought tolerance under consecutive water and salinity stresses. Journal of Plant Physiology, 145, 168-174. Neumann, K., Weidner, A., Balint, A. F., Varshney, R. K., Börner, A. (2008): Detecting loci for abiotic stress tolerance via segregation- and association-based mapping in barley. European Wheat Aneuploid Co-operative Newsletter, 60-64. Szira, F., Bálint, A., Galiba, G., Varsnhey, R. K., Börner, A. (2006): Mapping of QTLs for drought tolerance in barley at different developmental stages. Vorträge für Pflanzenzüchtung, 70, 113-115. Szira, F., Bálint, A. F., Börner, A., Galiba, G. (2008): Evaluation of drought-related traits and screening methods at different developmental stages in spring barley. Journal of Agronomy and Crop Science, 194, 334-342.
48
