The virulence of Finnish Pyrenophora teres f. teres isolates and its implications for resistance breeding

Abstract

Puolella Suomen viljanviljelyalasta kasvaa ohraa. Yleisin ohran kasvitauti on lehtiä vioittava verkkolaikku, jonka aiheuttaja on kotelosieniin kuuluva Pyrenophora teres Drechsler. Taudinkestävyys on ympäristöystävällinen ja taloudellinen keino hallita pieneliöiden aiheuttamia kasvitauteja. Taudinaiheuttajan tuntemus on taudinkestävyysjalostuksen perusta. Taudinaiheuttajan yleisyyden lisäksi on huomioitava taudinaiheuttajan virulenssi (taudinaiheuttamiskyky) ja sen muuntelun todennäköisyys. Taudinaiheuttajan kyky muuntua tuo mukanaan riskejä, joiden ennakoiminen on oleellinen osa onnistunutta taudinkestävyysjalostusta. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää luotettavat ja tehokkaat menetelmät Pyrenophora teres f. teres virulenssin testaamiseksi ja selvittää, mikä on suomalaisten P. teres f. teres isolaattien virulenssi ja miten se huomioidaan taudinkestävyysjalostusohjelmassa. Aineisto koostui vuosina 1994 2007 Suomesta 19 paikkakunnalta kerätyistä 239 P. teres f. teres isolaatista sekä 200 laboratoriossa tuotetusta suvullisten P. teres risteytysten jälkeläisisolaatista. Tutkimus osoitti, että kasvihuoneessa toteutettava virulenssitesti on luotettava ja taloudellinen menetelmä P. teres f. teres -sienen virulenssin kuvaamiseksi. Ympäristöolosuhteiden, lämpötilan, valon ja ilmankosteuden tulee olla testeissä vakioidut, jotta eri testien tulokset ovat keskenään vertailukelpoiset. Tartukkeen itiöpitoisuus sekä havainnoitavan ohralehden ikä vaikuttivat merkittävästi virulenssin ilmenemiseen. Sitä vastoin ohran siemenen koko, P. teres -isolaattien morfologiset ominaisuudet, itiöntuottokyky tai kasvunopeus agar-maljalla eivät vaikuttaneet virulenssiin. Tutkimuksessa määritettiin ohragenotyypit, joiden reaktiot ilmentävät P. teres -sienen virulenssia eri maissa ja joita suositellaan käytettäväksi kansainvälisesti. Virulenssia tehokkaasti mittaaviksi ohragenotyypeiksi osoittautuivat: c-8755, c-20019, CI 5791, CI 9825, Canadian Lakeshore, Harbin, Prior, Skiff, ja Harrington. Suomalaisten P. teres f. teres -isolaattien virulenssi on pysynyt muuttumattomana vuosien 1994 ja 2007 välillä. Tulokset osoittivat eroja taudinaiheuttajan aggressiivisuudessa mutta erot isolaattien virulenssissa olivat harvoin merkittäviä. Yksikään testatuista P. teres f. teres -isolaateista ei ollut virulentti ohragenotyypeillä CI 5791 ja CI 9819. Toisin kuin laboratoriotesteissä, Suomen ohrapelloilla ei havaittu suvullisesta lisääntymisestä johtuvaa virulenssin muuntelua. Tutkimustulokset osoittivat, että suomalaisissa ohralajikkeissa esiintyy pitkäkestoista verkkolaikunkestävyyttä. Tämä on saavutettu laajoilla perinteisiin menetelmiin perustuvilla risteytyksillä, sekä testaamalla jalostusaineistoa jo ensimmäisten sukupolvien aikana eri ympäristöissä luonnon tartunnalle altistettuna. Tutkimuksessa valikoitui jalostustyössä aiemmin käyttämätöntä, hyvin verkkolaikun kestävää ohramateriaalia. Laaja-alaisuudeltaan ja tehokkuudeltaan poikkeavien taudinkestävyyslähteiden käyttö on suositeltavaa, jotta P. teres -isolaattien muuntumista sekä tästä aiheutuvaa taudinkestävyyden murtumisen riskiä voidaan hillitä. Ohragenotyypit c-8755, CI 9825 ja CI 5791 ovat suositeltavia uusia verkkolaikun kestävyyslähteitä käytettäväksi suomalaisessa ohranjalostuksessa. Näillä on toisistaan poikkeava yhdysvaikutus eri P. teres f. teres -isolaattien kanssa, ja kaikki genotyypit ovat erityisen kestäviä suomalaisia P. teres f. teres -isolaatteja vastaan.

In Finland, barley, Hordeum vulgare L., covers 50 % of the total acreage devoted to cereal cultivation. The most common disease of barley in Finland is net blotch, a foliar disease caused by the ascomycete Pyrenophora teres Drechsler. Disease resistance based on plant genes is an environmentally friendly and economical way to manage plant diseases caused by biotic stresses. Development of a disease resistance breeding programme is dependent on knowledge of the pathogen. In addition to information on the epidemiology and virulence of a pathogen, knowledge on how the pathogen evolves and the nature of the risks that might arise in the future are essential issues that need to be taken into account to achieve the final breeding aims. The main objectives of this study were to establish reliable and efficient testing methods for Pyrenophora teres f. teres virulence screening, and to understand the role of virulence of Pyrenophora teres f. teres in Finland from a disease resistance breeding point of view. The virulence of P. teres was studied by testing 239 Finnish P. teres f. teres isolates collected between 1994 2007 originating from 19 locations, and 200 P. teres progeny isolates originating from artificially produced P. teres matings. According to the results of this study, screening for P. teres f. teres isolates on barley seedlings under greenhouse conditions is a feasible and cost efficient method to describe the virulence spectrum of the pathogen. However, the environmental conditions of temperature, light and humidity, need to be stable to achieve reliable and comparable results between different studies. Inoculum concentration and the seedling leaf used to gauge virulence had significant effects. Barley grain size, morphological traits of P. teres isolates, spore production and growth rate on agar did not affect the expression of virulence. A common barley differential set to characterize the P. teres virulence was developed and is recommended to be used globally: c-8755, c-20019, CI 5791, CI 9825, Canadian Lakeshore, Harbin, Prior, Skiff, and Harrington. The virulence spectrum of Finnish P. teres f. teres isolates collected in 1994-2007 was constant both within and between the years. The results indicated differences in the pathogen s aggressiveness and in barley genotypes resistance. However, differences in virulence were rarely significant. No virulent reactions were recorded on barley genotypes CI 5791 and CI 9819. Unlike in laboratory conditions, no indications of changes in virulence caused by the sexual reproduction have been observed in Finnish barley fields. In Finland, durable net blotch resistance has been achieved by introducing resistance from other barley varieties using traditional crossing methods, including wide crossing, and testing the breeding material at early generations at several sites under natural infection pressure. Novel resistance is available, which is recommended to minimize the risk of selection of virulent isolates and breakdown of currently deployed resistance. Barley genotypes c-8755, CI 9825 and CI 5791 are potential resistance sources to be used in Finnish barley. They differed in their reaction to the P. teres f. teres isolates collected globally and all of them showed excellent resistance to Finnish P. teres f. teres isolates.