Exploration of genetic and physiological backround of resistance of barley net blotch coused by Pyrenophora teres f. teres  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
119276
Type K
Principal investigator Mészáros, Klára
Title in Hungarian Az árpa hálózatos levélfoltosságát okozó Pyrenophora teres f. teres elleni rezisztencia genetikai és élettani hátterének feltárása
Title in English Exploration of genetic and physiological backround of resistance of barley net blotch coused by Pyrenophora teres f. teres
Keywords in Hungarian árpa, hálózatos levélfoltosság, Pyrenophora teres, asszociációs térképezés, biotikus rezisztencia
Keywords in English barley, net blotch, Pyrenophora teres, association mapping, biotic resistance
Discipline
Plant pathology, molecular plant pathology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research)
Participants Bakonyi, József
Károlyiné Cséplő, Mónika
Karsai, Ildikó
Starting date 2016-10-01
Closing date 2021-09-30
Funding (in million HUF) 43.547
FTE (full time equivalent) 8.90
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az árpa (Hordeum vulgare L.) világszerte és hazánkban is a négy legfontosabb gabonaféle egyike. Jelentős szereppel bír a humán táplálkozásban és az állati takarmányozásban. A kutatásokban mint modellnövényt használják. Ellenálló fajták termesztése a leggazdaságosabb és leginkább környezetbarát módja a növényi betegségekkel szembeni védekezésnek. A Pyrenophora teres f. teres gomba a hálózatos levélfoltosság okozójaként az árpa egyik legjelentősebb patogénje. Az ellene irányuló rezisztencia hatékonyságát befolyásolja a növény fejlődési állapota és a kórokozó patotípusa. A gomba különböző populációinak eltérő virulencia-összetétele miatt elengedhetetlen az adott régióban előforduló patotípusok ismerete, és az ellenük történő nemesítés. Az árpa széles genetikai bázisának vizsgálata lehetőséget nyújt a már korábban leírt rezisztenciával kapcsolt QTL régiók általános szerepének megerősítésére, vagy újabb régiók kimutatására, valamint a növényi hormonok és antioxidáns enzimek szerepének tanulmányozására a patogenezis folyamán Ennek vizsgálatára biztosít lehetőséget a martonvásári árpa fajtagyűjtemény. Ezen információk segítséget nyújtanának új rezisztenciaforrások nemesítésbe vonására az egész Kárpát-medencében. Ezért a pályázat keretében célul tűztük ki hazai P. teres f. teres izolátumok patotípusainak meghatározását, a martonvásári árpa fajtagyűjtemény hálózatos levélfoltossággal szembeni fiatalkori és felnőttkori ellenállóságának jellemzését, a szalicilsav/jázmonsav hormonrendszer és az antioxináns enzimek szerepének, valamint az ellenállóságért felelős QTL régiók vizsgálatát és a hálózatos levélfoltossággal szembeni rezisztenciáért felelős kromoszóma régiók meghatározását.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hálózatos levélfoltossággal szembeni rezisztencia gének hatékonysága függ a növény fejlődési állapotától és a gomba adott régióban előforduló patotípusaitól, ezért elengedhetetlen a helyi kórokozó izolátumok és patotípusok ismerete és az ellenük történő rezisztencia nemesítés. A világon ismert QTL régiókat két szülő utódnemzedékének vizsgálatával határozták meg. Az így leírt QTL régiók szerepe és pontos helye térképezési populációnként változó, ezért pontos szerepük még tisztázatlan. Az egyes QTL régiók módosítása a mennyiségi tulajdonságok javítása érdekében szintén számos korlátba ütközik. Ezek közül az egyik legfontosabb, hogy az allél-összetétel alapján meghatározott genotípusból nem becsülhető a fenotípus, különösen ha az egyes régiók között episztatikus kölcsönhatás van. Széles genetikai bázis, fajtakör vizsgálata lehetőséget nyújt a már korábban leírt QTL régiók általános szerepének megerősítésére, vagy újabb régiók kimutatására. Viszonylag kevés hálózatos levélfoltossággal szemben hatékony rezisztenciaforrást térképeztek, és ezek többsége tavaszi árpa, habár az őszi árpák is gazdaságilag jelentősek. Igen kevés ismeretünk van a P. teres f. teres fertőzés hatására bekövetkező fiziológiai változásokról, a felhalmozódó reaktív oxigénformák eltávolításának módjáról, valamint e folyamat szabályozásában résztvevő hormonokról. Jelen kutatás az alábbi kérdésekre keres választ: Melyek a betegséget okozó gomba helyi patotípusai és a velük szemben hatékony rezisztencia gének. Milyen szerepet töltenek be az antioxidáns enzimek és növényi hormonok a patogenezis során. Továbbá, mely ismert és új kromoszóma régiók azonosíthatóak szorosan kapcsolt markerek meghatározásával.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A P. teres f. teres gomba helyi populációjának tanulmányozása és az árpa széles genetikai bázisának vizsgálata lehetőséget nyújt újabb rezisztenciával kapcsolt QTL régiók kimutatására és/vagy a már korábban leírt régiók általános szerepének megerősítésére, . Ezen információk segítséget nyújtanak a hálózatos levélfoltosággal szembeni ellenállóság genetikai hátterének tisztázásában. Másrészről a szalicilsav/jázmonsav hormonrendszer antagonizmusának és az antoxidáns enzimek aktivitásának további tanulmányozása bepillantást nyújt a patogenezis fiziológia hátterébe, melyről még kevés ismeret áll rendelkezésünkre. Továbbá nem ismert a martonvásári árpa fajtagyűjtemény P. teres f. teresszel szembeni ellenállóságának mértéke és genetikai háttere. Ezen adatok segítségül szolgálnak új Magyarországon hatékony rezisztencia források felkutatásában, melyek keresztezésbe vonásával növelhető az új árpafajták hálózatos levélfoltossággal szembeni ellenállósága. Rezisztens árpa fajták termesztése lehetővé teszi a növényvédőszerek használatának csökkentését, így csökken a környezeti terhelés és javul a termesztés gazdaságossága.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az árpa világszerte és hazánkban is a legfontosabb gabonafélék egyike. Mind a humán táplálkozásban, mind a takarmányozásban fontos szerepet tölt be. Ezen túlmenően a genetikai kutatások egyik modellnövénye. A szerteágazó igények kielégítése újabb és újabb fajták nemesítését teszi szükségessé. A növénynemesítés egyik legfontosabb feladata a környezethez alkalmazkodó fajták előállítása. Ennek egyik előfeltétele az adott régióban előforduló kórokozókkal szembeni ellenállóság. Ez mérsékli a növényvédő szerek használatának szükségét, mely környezetvédelmi szempontból igen fontos, valamint a termesztés költségeit is csökkenti. A hálózatos levélfoltosság, melyet a Pyrenophora teres f. teres gomba okoz, világszerte előforduló árpa betegség és jelentős termésveszteséget okozhat, ezért az ellenálló fajták nemesítése elengedhetetlen. Mivel a hálózatos levélfoltossággal szembeni ellenállóságot több gén határozza meg, ráadásul függ a növény életkorától és a fertőző kórokozó régiónként különböző változataitól, a rezisztencia nemesítés igen összetett feladat. Molekuláris markerek segítségével azonban meghatározható, hogy egy adott régióban mely gének vagy kromoszóma szakaszok játszanak szerepet a betegséggel szembeni küzdelemben. Ezen ismeretek segítik a nemesítőket a leghatékonyabb rezisztencia források kiválasztásában és a nemesítés hatékonyabbá tételében. Jelen pályázat ebben kíván segítséget nyújtani a hálózatos levélfoltosságot okozó gomba hazai változatainak azonosításával, az ellenük hatékony rezisztencia források meghatározásával, valamint a betegség ellenállóság élettani és genetikai hátterének néhány részletének tisztázásával.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Barley (Hordeum vulgare L.) is in the four most important cereals in the world and in Hungary. It has a significant role in the world’s food supply and livestock feed and it is a model plant for research. Deployment of resistant cultivars is the most economic and eco-friendly method to control plant diseases. Pyrenophora teres f. teres, the causal agent of net form of net blotch disease of barley, is one of the most important fungal pathogens of barley. The efficiency of net blotch resistance genes depends on the developmental stage of barley and the fungal pathotypes present in the pathogen’s local population. Due to the regional and global diversity in fungal virulence it is necessary to know and breed against the local fungal pathotypes. Screening a wide genetic basis of barley varieties provides a good opportunity to approve the roles of previously described resistance QTLs, or find new ones, and investigate the role of plant hormons and antioxidand enzimes during the pathogenesis. Our barley collection provides an opportunity to study the level and genetic background of resistance to P. teres f. teres. This information gives a benefit, to find new resistance sources for barley breeding programs, in Carpathian basis. Therefore, our aims are to (i) identify and characterise pathotypes of P. teres f. teres in Hungary, (ii) characterise the resistance of the Martonvásár barley collection against the pathogen in seedling and adult plants, (iii) study the role of salicylic acid/ jasmonic acid hormon system and antioxodant enzimes, (iv) resistance QTL composition of the set of barley varieties, and identify chromosome regions conferring net form of net blotch resistance.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The efficiency of net form of net blotch resistance genes depends on the developmental stage of barley and the fungal pathotypes present in the local population of the pathogen. Therefore, it is necessary to know and breed against the local fungal isolates/pathotypes. The QTLs described so far in the world were characterised using bi-parental populations. The resolution of QTL peaks and effects tends to vary greatly among mapping populations and the exact position of the genetic determinant remains uncertain. QTL manipulation to improve the germplasm for polygenic traits also has a number of limitations, the most serious being the inability to predict the phenotype of any given genotype based on its allelic composition, particularly when epistatic interactions influence the target trait. Screening a wide genetic basis of barley varieties would provide a good opportunity to approve the roles of the previously described QTLs, or find new ones. Relatively few net blotch resistance sources have been mapped and the majority of the resistance sources were identified in spring genotypes, although winter cultivars also have a great economic impact. Little is known about the physiological changes, including oxidative burst and hormonal control of defence reaction during infection by PTT. This research is to uncover (i) the net form of net blotch pathogen’s local pathotypes and the effective resistance genes against them,(ii) the role of antioxidant enzymes and plant hormons in this pathosystem. Furthermore, our aim is to identify known genes and/or new chromosome regions conferring net form of net blotch resistance with tightly linked markers.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Studying local population of the fungal barley pathogen Pyrenophra teres f. teres and screening a wide genetic basis of barley varieties would provide a good opportunity to approve the roles of the previously described resistance QTLs, or find new ones. It can help to clarify the genetic background of resistance to P. teres f. teres. The further investigation of the antagonism between salicylic acid/ jasmonic acid hormone system and activity of antioxidant enzymes provides insight into the physiological background of pathogenesis about which little is known. So far, no data is available on the level and genetic background of net form of net blotch resistance in the barley collection of Agricultural Research Institute of HAS. This information could give an additional benefit, to find new resistance sources for barley breeding programs, in Hungary. Using this resistance sources as parent in breeding programs enables us to increase the net blotch resistance of the new barley cultivars. Production of the resistant cultivars makes it possible to reduces the use of fungicides, to protects the environment and is the most economic way of plant protection.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the most important cereals in the world and in Hungary. It has a significant role in human food supply and livestock feed. Also it serves as an important experimental or model plant for research. To grant the arborescent demands of consumers it is necessary to breed newer and newer cultivars. Deployment of adaptable cultivars is one of the main tasks of plant breeders. Resistance against local pathogens is a prerequisite of the successful breeding. This reduces the use of fungicides, protects the environment and is the most economic way of plant protection. The fungus Pyrenophora teres f. teres, the causal agent of net form of net blotch disease of barley, is widespread all over the world and causes significant yield loss, therefore breeding of resistant cultivars against the pathogen is necessary. Net blotch resistance is determined by several genes and depends on the developmental stage of barley and the pathogen’s pathotypes. Therefore, the resistance breeding is very complex. Using molecular markers offers an opportunity to define genes or chromosome regions that could be effective against the pathogen in a given production area. This information help breeders to choose the most effective resistance sources, making the breeding more effective. We intended to render help to breeders in this project by identifying pathotypes of the net form of net bloth pathogenin its local population, determining the effective resistance sources, as well as by clarifying some details of physiological and genetic background of net form of net blotch resistance.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Egyik célunk az árpapatogén Pyrenophora teres f. teres (PTT) virulenciájának tanulmányozása volt hazai kísérleti telepeken. A vizsgált árpa genotípus x gombaizolátum kombinációk közel felében azonosítottunk virulenciát, és nagyszámú kombinált virulencia-fenotípust találtunk. A virulencia nem volt összefüggésben a gazdanövény fajtájával és az izolátumok földrajzi származásával. Továbbá értékes adatokat kaptunk a gomba hazai és globális populációszerkezetéről, és tudósítottunk a rokon P. chaetomioides faj hazai előfordulásáról zabon. Meghatároztuk 260 árpafajta hálózatos levélfoltossággal szembeni fiatalkori és felnőttkori ellenállóságát, melyek fele ellenálló vagy mérsékelten ellenálló volt. A fiatal és felnőttkori ellenállóság és a szántóföldi rezisztencia között nem volt szignifikáns korreláció, ami e rezisztenciák függetlenségét sugallja. Négy rezisztens őszi árpát azonosítottunk, melyek több P. teres izolátummal szemben mindkét fejlődési fázisban ellenállóak voltak. Ezeket szülőként bevontuk nemesítési programunkba. 305 szignifikáns marker trait asszociációt azonosítottunk, melyek közül a legszorosabb kapcsoltságot a 3H, 6H és 7H kromoszómákon figyeltünk meg. A SA/JA hormonrendszer és az antioxidáns enzimek szerepének vizsgálata során a hormonok és enzimek aktivitásának szignifikáns emelkedését mutattuk ki PTT fertőzés hatására, ennek mértéke függött az alkalmazott PTT izolátumtól és az árpa genotípustól.
Results in English
One of our aims was to characterise virulence of the barley pathogenic Pyrenophora teres f. teres (PTT) in experimental stations in Hungary. The tested isolates were virulent in almost half of all isolate × barley differential genotype combinations, and the majority of isolates grouped into different combined virulence phenotypes. Virulence did not seem to be closely associated with host cultivar and geographical origin of fungal strains. Additionally, we obtained valuable data on the fungus’ population structure in Hungary and on a global scale, and reported the occurrence of P. chaetomioides on oat in Hungary. We determined the seedling and adult resistance of 260 barley cultivars to net blotch. Half of them were resistant or moderately resistant. There was no significant correlation among seedling, adult and field resistances, suggesting independent regulation behind these resistance types. We identified four winter barleys that were resistant to several isolates at both developmental stages. These have been involved in our breeding program. Three hundred and five significant marker-trait associations were identified, the strongest association was observed on chromosomes 3H, 6H, and 7H. Examining the role of the salicylic acid / jasmonic acid hormone system and antioxidant enzymes, we showed a significant increase in the activity of hormones and enzymes due to PTT infection, but the extent of this depended on the particular isolate and barley genotype.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=119276
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kunos, Viola ; Cséplő, Mónika ; Bányai, Judit ; Seress, Diána ; Bakonyi, József ; Pál, Magda ; Mészáros, Klára: A szuperoxid-dizmutáz enzimaktivitás indukálódásának és a Pyrenophora teres f. teres fertőzés kapcsolatának vizsgálata eltérő fogékonyságú árpafajtákon., MTMT, 2020
Krép,Sz.G: Árpát fertőző Pyrenophora teres izolátumok formaszintű azonosítása és patotípusai., MATE Növényvédelmi Intézet, 2021
Szakács Antónia Ilona: Árpa fajták (Hordeum vulgare L.) hálzatos levélfoltossággal szembeni rezisztenciájának genetikai vizsgálata., Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2021
Mészáros, K; Szakács, A ; Cséplő, M ; Kunos, V ; Bányai, J ; Bakonyi, J ; Éva, Cs: Investigation of role of ORA59 transcription factor during Pyrenophora teres f. teres infection in barley, MTMT, 2021
Dahanayaka B.A., Vaghefi N., Knight N.L., Bakonyi J., Prins R., Seress D., Snyman L. and Martin, A.: Population structure of Pyrenophora teres f. teres barley pathogens from different continents, MTMT, 2020
Mészáros Klára, Cséplő Mónika, Kunos Viola, Búza Zsófia, Bányai Judit, Seress Diána, Csorba Ildikó, Pál Magda, Vida Gyuda, Bakonyi József: Investigation of net blotch resistance of barley and preliminary data on Hungarian pathotypes of Pyrenophora teres f. teres, In: Brandstetter, Anton; Geppner, Manuela (szerk.) Resistance breeding: From pathogen epidemiology to molecular breeding, Department für Nutzpflanzenwissenschaften Universität für Bodenkultur (2019) pp. 27-29., 2019
Mészáros, Klára ; Cséplő, Mónika ; Kunos, Viola ; Búza, Zsófia ; Bányai, Judit ; Seress, Diána ;Csorba, Ildikó ; Pál, Magda ; Vida, Gyuda ; Bakonyi, József: Investigation of net blotch resistance of barley and preliminary data on Hungarian pathotypes of Pyrenophora teres f. teres., MTMT, 2019
Mészáros Klára, Cséplő Mónika , Bányai Judit, Karsai Ildikó, Vida Gyula, Bakonyi József: ÁRPAFAJTÁK FIATALKORI HÁLÓZATOS LEVÉLFOLTOSSÁGGAL SZEMBENI ELLENÁLLÓSÁGÁNOK VIZSGÁLATA, MTMT, 2017
Mónika Cséplő, József Bakonyi, Judit Bányai, Ildikó Karsai, Gyula Vida, Klára Mészáros: Studies on the resistance of barley genotypes to Pyrenophora teres f. teres in the seedling stage, MTMT, 2017
Klára MÉSZÁROS , Mónika CSEPLÓ , Viola KUNOS , Judit BÁNYAI , Gyula VIDA and József BAKONYI: Examination of the resistance of barley genotypes to Pyrenophora teres f. teres in the seedling and adult stage, MTMT, 2018
Ildikó Schwarczinger, Judit Kolozsváriné Nagy, Lóránt Király, Klára Mészáros, Judit Bányai, Viola Kunos, József Fodor and András Künstler: Heat Stress Pre-Exposure May Differentially Modulate PlantDefense to Powdery Mildew in a Resistant and Susceptible Barley Genotype, MTMT, 2021
Mészáros Klára, Cséplő Mónika, Kunos Viola, Bányai Judit, Vida Gyula, Bakonyi József: Árpafajták hálózatos levélfoltossággal szembeni fiatal és felnőttkori ellenállóságának vizsgálata., MTMT, 2018
Palágyi A., Bakonyi J., Tar M., Cséplő M. and Csősz M: Isolation and identification of Pyrenophora chaetomioides from winter oat in Hungary, MTMT, 2020
Kunos, Viola ; Cséplő, Mónika ; Buza, Zsófia ; Bányai, Judit ; Seress, Diána ; Csorba, Ildikó ; Pál, Magda ; Bakonyi, József ; Mészáros, Klára: Pyrenophora teres F. teres fertőzés hatása az árpa szalicilsav/jázmonsav és antioxidáns enzimrendszerére, MTMT, 2019
Cséplő, Mónika ; Bakonyi, József ; Kunos, Viola ; Seress, Diána ; Csorba, Ildikó ; Vida, Gyula ; Mészáros, Klára: 2019 Leválasztott levéltechnika alkalmazása árpa genotípusok Pyrenophora teres f. teres-szel szembeni fiatalkori ellenállóságának vizsgálatában, MTMT, 2019
Kunos, Viola ; Cséplő, Mónika ; Pál, Magda ; Bakonyi, József ; Mészáros, Klára: Investigation of the phytohormonal and antioxidant enzymatic changes caused by Pyrenophora teres f. teres infection in barley, MTMT, 2019
Cséplő, M ; Bakonyi, J ; Bányai, J ; Karsai, I ; Vida, G ; Mészáros, K: Studies on the resistance of barley genotypes to Pyrenophora teres f. teres in the seedling stage, MTMT, 2017
Bakonyi J., Seress D., Csorba I., Károlyiné Cséplő M., Kunos V., Poós B. és Mészáros K.: Előzetes adatok a Pyrenophora teres f. teres hazai patotípusairól, MTMT, 2019
Búza Zsófia: A Pyrenophora teres hatása az őszi árpa védekező mechanizmusaira, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2019
Seress D., Marton T.A, Csorba I., Kunos V., Cséplő M., Mészáros K., és Bakonyi J.: A Pyrenophora teres f. teres patotípusai három hazai kutatóintézet tenyészkertjeiben., MTMT, 2021
Schwarczinger Ildikó, Kolozsváriné Nagy Judit, Király Lóránt, Mészáros Klára, Bányai Judit, Kunos Viola, Fodor József, Künstler András: Heat Stress Pre-Exposure May Differentially Modulate Plant Defense to Powdery Mildew in a Resistant and Susceptible Barley Genotype, GENES 12: (5) 776, 2021



Back »