Population structure of Pyrenophora teres, the causal agent of net blotch of barley

Abstract

Pinta-alansa perusteella ohra on tärkein viljelykasvi Suomessa, mutta ohran satoa heikentää Pyrenophora teres Drech. -sienen aiheuttama ohranverkkolaikkutauti. Ohranverkkolaikku on ohran merkittävin tauti Suomessa. Tauti vähentää sadon määrää ja mallastuslaatua. Taudille aroilla lajikkeilla sairastunut lehtipinta-ala on vuosittain keskimäärin 40 % Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen (MTT) virallisten lajikekokeiden perusteella. Viljelyn tehostuessa on pyritty taloudellisempaan ja kilpailukykyisempään tuotantoon, joka tarkoittaa mm. tilojen erikoistumista tiettyyn tuotantosuuntaan (yksipuolistumista) ja aikaa vievien muokkausmenetelmien korvaamista nopeammilla suorakylvömenetelmillä. Viljelyn yksipuolistuminen ja kasvijätteen määrän lisääntyminen pellon pinnassa ovat omiaan edistämään kasvitautien, kuten ohranverkkolaikun, säilymistä vuodesta toiseen. Lisääntyvä tautipaine saattaa vaatia enemmän kemiallista kasvinsuojelua, jolle ympäristöystävällisempi vaihtoehto olisi ohranverkkolaikun kestävä ohralajike. Tässä tutkimuksessa selvitettiin ohranverkkolaikkutaudin aiheuttajan populaation rakennetta. Saadun tiedon avulla voidaan arvioida taudinaiheuttajan populaation muunteluun vaikuttavia tekijöitä ja valikoitumisen nopeutta viljelyolosuhteissamme. Kasvinsuojeluaineiden käyttö sekä taudinkestävien lajikkeiden viljely voivat muokata taudinaiheuttajan populaatiota torjuntamenetelmiä paremmin kestäväksi. Taudinaiheuttajan populaation muunteluun vaikuttavien tekijöiden ymmärtäminen auttaa arvioimaan, kuinka nopeasti populaatio voi valikoitua torjuntamenetelmiä kestäväksi. Tässä työssä keskityttiin pääasiassa tutkimaan suomalaisia P. teres populaatioita, joita edustavat tautikannat oli kerätty vuosien 1989-2003 välillä eri puolilta Suomea. Varsinaiset peltopopulaatiot kerättiin Lounais-Hämeestä sekä Ylistarosta. Lisäksi mukana oli kaksi venäläistä peltopopulaatiota sekä kokoelma australialaisia P. teres -kantoja. Tutkimus osoitti, että P. teres -kannat olivat erittäin muuntelevia molekyylimerkkien perusteella (AFLP), mutta suomalaiset populaatiot olivat vähiten muuntelevia. Populaatiot olivat erilaistuneet niin peltojen kuin paikkakuntienkin välillä. Ohranverkkolaikkutaudin aiheuttajan erilaistuminen peltojen välillä oli ilmeistä myös virulenssitestauksen ja prokloratsi-kasvinsuojeluaineen siedon perusteella. Prokloratsin sietotesti antoi viitteitä, että kasvinsuojeluaine voi valikoida tautikantoja. Tästä syystä kemiallisessa torjunnassa tulisi välttää saman tehoaineen käyttöä sekä peittaus- että kasvukauden aikaisena kasvinsuojeluaineena. Suomesta ja Venäjältä kerätyt taudinaiheuttajakannat olivat kaikki ohranverkkolaikun verkkotyyppiä, vaikka 70-luvulla taudin molemmat oiretyypit: verkko- ja laikkutyyppi olivat yhtä yleisiä Suomessa. Taudinaiheuttajan molempia pariutumistyyppejä löydettiin yhtä yleisesti, vaikka suvullisen lisääntymisen merkitystä ja esiintymistä Suomessa on epäilty. Populaationäyte Krasnodarista, Mustanmeren rannalta, erosi kaikista muista populaatioista ollen erittäin muunteleva, mutta vain toista pariutumistyyppiä. Australiassa molemmat pariutumistyypit sekä oiretyypit olivat yleisiä. Tutkimuksessa ei varsinaisesti selvitetty syitä, jotka ovat johtaneet populaatioiden erilaistumiseen paikkakuntien välillä. Tämän työn havainnot (suvullisen lisääntyminen, toisen oiretyypin yleistyminen Suomessa ja populaatioiden erilaistuminen usealla tasolla) korostavat monipuolisen kasvinsuojelun tarvetta, vaikka viljelymenetelmät muuttuvatkin. Siemenen terveydestä huolehtimalla voidaan taudinaiheuttajan leviämistä estää niin peltojen kuin eri maidenkin välillä. Suvullisen lisääntymisen mahdollistavia olosuhteita ei tutkittu tässä työssä, mutta sairastuneen kasvijätteen jääminen pellon pintaan ja ohran viljely yksipuolisesti todennäköisesti lisäävät suvullisen lisääntymisen mahdollisuutta. Taudinaiheuttajan suvullinen lisääntyminen lisää taudinaiheuttajan muuntelumahdollisuuksia ja torjuntatarvetta. Viljelykierrolla voidaan vähentää taudinaiheuttajan säilymistä, kun valitaan ei-isäntäkasvi seuraavaksi vuodeksi, vaikka tautista kasvimateriaalia jäisikin pellolle. Verkkotyypille kestävien ohralajikkeiden tullessa viljelyyn tulisi kiinnittää huomiota laikkutyypin mahdolliseen uudelleen yleistymiseen. Tässä tutkimuksessa kerätyt näytteet olivat kaikki verkkotyyppiä, vaikka molemmat oiretyypit ovat olleet yhtä yleisiä 70-luvulla. Syytä muutokseen ei tiedetä. Tämä tutkimus vahvisti oletusta, että oiretyyppien aiheuttajat olisivat luonnossa erillisiä populaatioita, jotka eivät luonnossa lisäänny keskenään. Taudinkestävyyden kestävä käyttö ohran viljelyssä vaatii taudinaiheuttajan muuntelun seuraamista jatkossakin sekä kasvinsuojelun muuttuviin tarpeisiin vastaamista. Taudinaiheuttajan populaatio valikoituu helpoimmin, jos yleisesti käytetään yhteen torjuntamekanismiin perustuvaa menetelmää kuten yhden tehoaineen kasvinsuojeluainetta tai yhteen suurivaikutteiseen geeniin perustuvaa taudinkestävyyttä. Torjuntatehon säilymistä tulisi seurata ja tarvittaessa käyttää vaihdellen tehoaineita ja tehoaineyhdistelmiä tai vastaavasti vaihdella ohralajikkeita, joissa on eri suurivaikutteisiin geeneihin perustuva taudinkestävyys tai käyttää kvantitatiivista (pienivaikutteisiin, useaan geeniin perustuvaa) taudinkestävyyttä.

Barley, Hordeum vulgare L., is the most important crop in Finland based on cultivated land area. Net blotch, a disease caused by Pyrenophora teres Drech., is the most damaging disease of barley in Finland but is also important in other barley cultivating areas. The pressure to improve the economics and efficiency of agriculture has increased the need for more efficient plant protection methods. Development of durable host-plant resistance to net blotch is a promising possibility. However, deployment of disease resistant crops could initiate selection pressure on the pathogen (P. teres) population. The aim of this study was to understand the population biology of P. teres and to estimate the evolutionary potential of P. teres under selective pressure following deployment of resistance genes and application of fungicides. The study included mainly Finnish P. teres isolates, but population samples from Russia and Australia were also included. Using AFLP markers substantial genotypic variation in P. teres populations was identified among only a few clones. Differences among isolates were least within Finnish fields and significantly higher in Krasnodar, Russia. Genetic differentiation was identified among several populations from northern Europe and from Australia, and between the two forms of P. teres, spot and net type, in Australia. Differentiation among populations was also identified based on virulence (capacity to infect a particular host genotype) between Finnish and Russian populations, and based on prochloraz (fungicide) tolerance in barley fields in the Häme region in Finland. In contrast to previous surveys, the Finnish P. teres populations comprised only P. teres f. teres (net form of net blotch), which was also recovered from Russia, whereas both forms (net and spot: P. teres f. teres and P. teres f. maculata) were found within several fields in Australia. Surprisingly, both mating types were equally common in all but the Krasnodar population. This finding supported the assumptions of sexual reproduction of P. teres in those areas. In conclusion, P. teres populations are differentiated at several levels. Human assistance in dispersal of P. teres on infected barley seed might decrease the differentiation, which would increase plant protection problems caused by this pathogen. P. teres is capable of sexual reproduction in several areas. Based on these findings it is apparent that P. teres has the potential to pose more serious problems in barley cultivation if plant protection is neglected. Therefore, good agricultural practices, including crop rotation and use of healthy seed, are recommended. Problems can be lessened if the spread of this pathogen is reduced. Special attention should be paid to use of fungicides with different modes of action and alternation of fungicides. When resistance genes against net form of net blotch are deployed in barley cultivation in Finland, spot form of net blotch might become more prevalent. This possibility needs to be taken into consideration because the shift in occurrence of forms of P. teres seems to have occurred previously in Finland.