Resistance of winter cereals to various winter stress factors - inter- and intraspecific variation and the role of cold acclimation

Abstract

Tutkimuksessa selvitettiin syysviljalajien ja lajikkeiden talvenkestävyyttä ja talvenkestävyyteen vaikuttavia tekijöitä sekä kenttäkokeissa että laboratoriotestien avulla. Kenttäkokeet perustettiin vuosittain (1989-1992) kuudelle koepaikalle (Mietoinen, Jokioinen, Pälkäne, Anjalankoski, Laukaa, Sotkamo) ja tämän lisäksi lajikkeet testattiin yhteispohjoismaisen talvehtimisprojektin aikana 11 koepaikalla Ruotsissa, Norjassa, Tanskassa ja Islannissa. Kenttäkokeissa määritettiin lajikkeiden talvehtimisprosentit (eloonjäämis-% keväällä) ja lumihomekestävyys.Talvehtimisprosenttien perusteella laskettiin lajikkeille myös talvenkestävyysindeksit, joita voidaan käyttää vertailuaineistona erilaisissa talvenkestävyystutkimuksissa. Koeaineiston perusteella ruis on syysviljoista talvenkestävin. Syysvehnä ja ruisvehnä ovat talvenkestävyydeltään hyvin lähellä toisiaan ja huomattavasti syysohraa kestävämpiä. Lajikkeet erosivat talvenkestävyydeltään toisistaan tilastollisesti erittäin merkitsevästi kokeissa, joiden aikana oli ollut kylmä ja runsasluminen talvi. Koejakson aikana talvehtimisolosuhteet vaihtelivat suuresti koepaikasta ja vuodesta riippuen, ja lajikkeiden talvenkestävyysjärjestys näytti olevan riippuvainen eri talvistressien yhdistelmästä. Lajikkeiden karaistumista seurattiin syksyllä 1990 ja 1991 pellolta kerätyistä lehtinäytteistä käyttäen pakkastestejä ja näihin liittyviä johtokykymittauksia. Kaikkien syysviljalajien pakkasenkestävyys parani karaisun edistyessä. Tutkittujen ruis-, syysvehnä- ja ruisvehnälajikkeiden pakkasenkestävyydessä ei ollut suuria eroja karaisuvaiheen lopussa, kun taas syysohrien pakkasenkestävyys jäi tutkituista lajeista selvästi heikoimmaksi. Karaisun aikana kasvien aineenvaihdunnassa tapahtuu lukuisia muutoksia, joiden seurauksena myös kasvien kemiallinen koostumus muuttuu. Talvenkestävän syysvehnän 'Linnan' ja huonosti talvehtivan 'Apollon' kuiva-aine, sokeri- ja proliinipitoisuus nousi karaisun aikana ja myös solukalvojen rasvahappokoostumuksessa tapahtui selviä muutoksia. Osa näistä muutoksista näytti olevan sidoksissa myös lajikkeiden talvenkestävyyteen. Lumihome on tärkein talvehtivia kasveja tuhoava bioottinen tekijä. Syysviljalajikkeiden lumihomekestävyyttä tutkittiin sekä kenttäkokeissa, että erilaisilla laboratoriotesteillä, ja syysviljojen lumihomekestävyydessä näytti olevan selviä lajikekohtaisia eroja. Koska eri testimenetelmillä saadut tulokset poikkesivat varsin selvästi toisistaan on mahdollista, että kasvien lumihomekestävyys on useiden erillisten resistenssimekanismien säätelemä. Osa näistä saattaa indusoitua myös ilman kylmäkäsittelyä. Syysviljojen talvenkestävyyttä testataan yleensä kenttäkokeilla. Talvehtimisolosuhteet ovat kuitenkin vain harvoin optimaaliset lajikkeiden talvenkestävyyserojen testaamiseen ja lajikkeiden välisiä eroja on usein vaikea havaita luotettavasti. Parhaimmillaankin kenttäkokeet mittaavat lähinnä lajikkeiden yleistä talvenkestävyyttä, ja lajikkeiden valinta erillisten talvistressien, kuten pakkanen ja lumihome, suhteen on yleensä mahdollista vain laboratotio-olosuhteissa. Laboratoliotesteissä on mahdollista testata kasvien talvenkestävyyden eri osa-alueita altistamalla kasvit erilaisille talvistresseille, tai näiden yhdistelmille. Näin on mahdollista valita erilaisia talvenkestävyyteen liittyviä geenikombinaatioita, joita edelleen yhdistelemällä voidaan kehittää uusia, entistä monipuolisemman talvenkestävyyden omaavia syysviljalajikkeita.

This work was undertaken to study the inter and intraspecies variation in winterhardiness of overwintering cereal species and to find out the reasons foi- this variation. The studied 24 winter wheat (Triticum aestivum L.), 13 rye (Secale cereale L.), 5 triticale (X Triticosecale Wittmack) and 11 barley (Hordeum vulgare L.) cultivars differed highly significantly from each other in winter survival ability determined in field trials during, 1989-1992 at six locations in Finland and at altogether 17 locations in all the Nordic countries, The Field Survival Indexes of cultivars were determined, too. Rye was the most winter hardy species followed by winter wheat, triticale and barley. Since field trials often fail to screen the resistance of plants to specific winter stress factors, such as frost or snow mould, laboratory tests were used to study these factors. On the basis of the results it could he concluded that, during cold acclimation, sugars and proline are accumulated, and the fatty acid composition of the plasma membrane lipid fractions is changed. Cold acclimation enhances frost resistance and general winterhardiness of overwintering cereals, but part of the snow mould (Microdochium nivale (Fries) Samuels & Hallet) resistance may be induced without low temperature treatment. Thus, different resistance mechanisms may he controlling frost and snow mould resistance. The results of this study suggest that general winterhardiness of overwintering species could be enhanced by screening separately resistance mechanisms of plants to various specific winter stress factors and combining these into new cultivars.