Zadanie 3.4. (Dr hab. P. Czembor, profesor Instytutu)

Opis merytoryczny

Nowe źródła genetyczne i celowane markery molekularne dla hodowli odpornościowej jęczmienia. 

Osoba odpowiedzialna (w instytucie badawczym): Dr hab. P. Czembor, profesor Instytutu

CEL:

1. Poszukiwanie, identyfikacja i charakterystyka nowych źródeł i genów odporności na rdzę karłową (Puccinia hordei) i mączniaka prawdziwego (Blumeria graminis f. sp. hordei) w jęczmieniu;
2. Selekcja linii jęczmienia o podwyższonej odporności na rdzę karłową i mączniaka prawdziwego;
3. Opracowanie celowanych markerów molekularnych dla hodowli odpornościowej jęczmienia odpornego na rdzę karłową i mączniaka prawdziwego.

UZASADNIENIE:

Jęczmień uprawny (Hordeum vulgare L.) zajmuje jedno z czołowych miejsc pod względem powierzchni uprawy i wielkości plonu na świecie. Polska jest ważnym producentem jęczmienia, pod względem areału upraw zajmuje siódme miejsce w Europie (FAOSTAT, 2018). Istotnym czynnikiem limitującym wielkość plonu i jakość uzyskiwanego ziarna jęczmienia są choroby grzybowe. Wśród patogenów o największym negatywnym wpływie na plon są mączniak prawdziwy (Blumeria graminis f. sp. hordei) oraz rdza karłowa (Puccinia hordei). Duża powierzchnia upraw jęczmienia w Polsce, która wynosi prawie 975 tys. ha (GUS, 2018), stosowanie form jarych, jak i ozimych oraz umiarkowany klimat sprzyjają utrzymywaniu się patogenów oraz rozwojowi epifitoz. Straty w plonach powodowane przez choroby grzybowe w sprzyjających warunkach mogą osiągać nawet 50% i więcej. Intensywna ochrona chemiczna upraw budzi społeczny opór oraz prowadzi do selekcji ras patogenu odpornych na fungicydy. Stosowanie odmian odpornych w uprawach jest spójne z zaleceniami Integrowanej Ochrony Roślin Dyrektywa 2009/128/WE (2009), z celami Wspólnej Polityki Rolnej Unii Europejskiej na lata 2021–2027 oraz Strategią Zrównoważonego Rozwoju Wsi, Rolnictwa i Rybactwa 2030.

W odmianach jęczmienia uprawianych w Polsce zidentyfikowano tylko 15 genów odporności na mączniaka prawdziwego (Ml). Obecnie w literaturze opisano jak dotąd 27 genów odporności na rdzę karłową (Rph). Wykorzystywanie w hodowli tylko pojedynczych genów odporności stwarza zagrożenie jej szybkiego przełamania przez nowe warianty patogenu o nowych właściwościach chorobotwórczych. Strategią zwiększającą trwałość i efektywność odporności jest stosowanie piramid wykorzystujących wiele genów warunkujących odporność o zróżnicowanym mechanizmie: warunkowanej genami głównymi i genami o charakterze ilościowym  ang. Quantitative Trait Loci, QTL), w tym efektywnych w stadium rośliny dorosłej (ang. Adult Plant Resistance APR). Silnie zawężona pula genowa współczesnych odmian jest zagrożeniem dla trwałości i efektywności odporności.

W zadaniu zostaną wykorzystane linie jęczmienia wyprowadzone z tzw. odmian miejscowych (ang. landraces). Odmiany miejscowe są niejednorodne genetycznie, często zawierają unikatowe cechy, które zostały wyparte z współcześnie uprawianych odmian. Brak barier krzyżowalności umożliwia łatwe i bezpośrednie wykorzystanie odmian miejscowych w uzyskiwaniu materiałów wyjściowych na potrzeby programów hodowlanych jęczmienia.

Na potrzeby realizacji zadania będą testowane zupełnie nowe (nie badane dotychczas) linie jęczmienia przy zastosowaniu metody GWAS (ang. Genome Wide Association Studies), w której analizuje się cały genom rośliny na poziomie DNA poszukując metodami statystycznymi sekwencji DNA (markera) powiązanego z cechą (odporności na chorobę). Zastosowanie tej metody  pozwoli na identyfikację zarówno głównych genów odporności, jak i QTL. Szybka i precyzyjna identyfikacja genów odporności z wykorzystaniem nowoczesnych metod molekularnych opartych na sekwencjonowaniu DNA (DArTseq), umożliwi opracowanie markerów molekularnych blisko sprzężonych z pożądanymi genami odporności na potrzeby hodowli odpornościowej i selekcji wspomaganej markerami PCR.

Opracowanie bardziej precyzyjnych i niezawodnych markerów wymaga wykorzystania wysoko zaawansowanych analiz molekularnych i wstępnie scharakteryzowanych materiałów roślinnych. W związku z tym w zadaniu będzie wykorzystana informacja (lokalizacja w genomie jęczmienia i sposób dziedziczenia odporności) o czterech genach odporności zidentyfikowanych w ramach Programu Wieloletniego realizowanego w latach 2015-2020: genów odporności na rdzę karłową zidentyfikowanych w liniach Ph873-2 i Ph4779-4 oraz na mączniaka prawdziwego mlmr i MlMor zidentyfikowane w liniach jęczmienia 173-1-2 i 255-3-3. W celu pogłębienia analiz molekularnych będzie zastosowana nowoczesna strategia molekularna (MutChromSeq lub inna pokrewna), która obejmuje wyprowadzanie mutantów odwróconych (podatnych) z linii odpornych, a następnie izolację i sekwencjonowanie chromosomu zawierającego gen odporności w formie zmutowanej i wyjściowej. Podejście to w sposób precyzyjny pozwoli na identyfikację różnicy sekwencji DNA pomiędzy linią odporną a wyprowadzonym mutantem podatnym zawierającym zmutowany (uszkodzony) gen odporności. Zidentyfikowane różnice w sekwencji DNA umożliwią opracowanie celowanych markerów molekularnych dla danego genu odporności. Opracowane markery molekularne celowane mają 100% wiarygodność, a ich zastosowanie już na poziomie pierwszego liścia znacząco przyspiesza proces selekcji pożądanych (odpornych) genotypów i zmniejsza koszt hodowli poprzez częściową redukcję kosztochłonnych doświadczeń polowych. Każdy nowo zidentyfikowany gen odporności zwiększa dostępną pulę genową dla programów hodowlanych, przedłuża trwałość i efektywność odporności odmian.

HARMONOGRAM:

1. Fenotypowanie polowe roślin dorosłych w warunkach inokulacji naturalnej 400 linii jęczmienia (wyprowadzonych z odmian miejscowych) pod kątem odporności na mączniaka prawdziwego i rdzę karłową.
2. Fenotypowanie w warunkach szklarniowych siewek 400 linii jęczmienia (użytych w  punkcie 1harmonogramu) pod kątem odporności na wybrane izolaty mączniaka prawdziwego i rdzy karłowej o  różnych profilach wirulencji (liczba testów fitopatologicznych -6)
3. Izolacja DNA i rozpoczęcie genotypowania wybranych 376 linii jęczmienia (wymogi techniczne platformy DArTseq, 4 × 94 próbki DNA).
4. Wytworzenie czterech populacji mutantów chemicznych pokolenia M1 otrzymanych z linii odpornych na mączniaka prawdziwego (Bgh173-1-2, Bgh255-3-3) oraz na rdzę karłową (Ph873-2, Ph4779-4) i otrzymanie ziarna pokolenia M2.
5. Rozpoczęcie 1000 testów fitopatologicznych mutantów pokolenia M2 odpowiednio na mączniaka prawdziwego i rdzę karłową w warunkach kontrolowanych i selekcja linii podatnych (mutantów odwróconych).

Planowane na 2021 r. mierniki:

• liczba doświadczeń polowych – 1
• liczba testów fitopatologicznych – 6
• liczba prób – izolacja DNA – 376
• liczba wytworzonych populacji mutantów chemicznych pokolenia M1 – 4
• liczba testów fitopatologicznych mutantów pokolenia M2 – 1000