Materiály k přednáškám Základy fytopatologie. Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP v Olomouci. Verze LS 2011/12, předmět BOT/ZFP

Transkript

1 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/

2 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 A. Lebeda, B. Mieslerová

3 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

4 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

5 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.

6 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.

7 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 recipientníbuňky bakteriofág TRANSFORMACE přenos genetické informace do recipientních buněk prostřednictvím DNA z buněk donora.

8 MECHANISMUS VARIABILITY BAKTERIÍ PŘES PARASEXUÁLNÍ PROCES

9 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 CROSSING- OVER u diploidních splynuvších jader, která se množí vedle haploidních jader 3. VEGETATIVNÍ HAPLOIDIZACE diploidních jader bez meiózy Jevy parasexuality a heterokaryózy jsou velmi časté u vláknitých mikroskopických hub (Penicillium, Aspergillus) a byly pozorovány i u homothalických Hymenomycetidae, jsou velmi důležité pro šlechtění na produkci účinných látek, jako např. antibiotik.

10 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.

11 SROVNÁNÍ POHLAVNÍHO CYKLU A PARASEXUÁLNÍHO CYKLU Pohlavní rozmnožování Vysoce organizovaná a často taky přísně načasovaná událost, která je geneticky programovaná 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. Během meiózy, ke crossing-overu pravděpodobně dochází v každém homolognímpáru chromozómů a mnohonásobný crossover je běžný. V meiózi, k segregaci dochází vysoce organizovaným způsobem během 2 specializovaných jaderných dělení. Parasexualita Zahrnuje sekvenci ne zcela častých událostí, které se zdají být spíše příležitostné než v určitém plánu Jaderná fůze je izolovaná událost, není zprostředkovaná pomocí párovacích typů, nebyla nalezena ve specializovaných strukturách a zahrnuje pouze jednotlivá jádra. Během somatické rekombinace, ke crossing-overu běžně dochází pouze u jednoho nebo několika chromozómů, a nikdy to není tak často jako u meiózy. Somatická haploidizace se pravděpodobně vyskytuje jako výsledek postupné ztráty chromozómů z aneuploidního jádra (2n-1) během několika mitotických dělení než je ustanoven stabilní haploid

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

13 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.

14 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.

15 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

16 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

17 SCHÉMA KONCEPTU ZÁKLADNÍ INKOMPATIBILITY A ZÁKLADNÍ KOMPATIBILITY (Lebeda, 1984) Rostlina - mikroorganismus Preformované obranné mechanismy; iniciace obecných obranných reakcí Základní inkompatibilita (interakce nehostitel-nepatogen) Obecné obranné mechanismy neúčinné Základní kompatibilita (hostitel-patogen) Obecné metabolické a genetické obranné mechanismy hostitele (druh) Nespecifická inkompatibilita -kompatibilita Vysoce specifické metabolické a genetické adaptace hostitele (odrůda, linie, kmen) Specificky diferencovaná inkompatibilita -kompatibilita Specifický komplex metabolických a genetických obranných mechanismů hostitele (odrůda atd.) Specificky nediferencovaná inkompatibilita -kompatibilita

18

19 ÚROVNĚ VARIABILITY ROSTLIN A JEJICH PATOGENŮ

20 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, 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.

21 Výskyt vztahu gen proti genu Triticum Ustilago tritici Hordeum Erysiphe graminis Solanum Phytophthora infestans Linum Melampsora lini Triticum - Puccinia graminis

22 Evoluce genů virulence, rezistence a avirulence

23 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 Genotyp patogena hostitele Av 1 - av 1 av 1 R r 1 r 1 + +

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

25 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

26 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.

27 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.

28 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 F 2 a F 3 generaci je časově náročné. Sledování reakcí odrůd k většímu počtu ras patogena.

29 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).

30 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.

31 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 F 2 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.

32 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

33 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

34 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

35 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.

36 SROVNÁNÍ VERTIKÁLNÍ A HORIZONTÁLNÍ REZISTENCE

37 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.

38 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.

39 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.

40 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.

41 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)= n v / n Pearsonova fenotypová analýza -frekvence všech faktorů virulence frekvence výskytu každého faktoru je 0,5.

42 Genetická rovnováha v populacích patogenů Model genetické rovnováhy Hardy- Weinbergův zákon H D.R =2 H- heterozygoti D dominantní homozygoti R recesivní homozygoti Teorie: Ve velké panmiktické populaci zůstávají genotypové i genové frekvence nezměněny z generace na generaci Předpoklady: 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

43 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.

44 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.