Iglesias románicas catalanas de Vall de Boí

GREGOVÁ – Katarína OLŠOVSKÁ – Jana REPKOVÁ – Soňa GAVURNÍKOVÁ –

Katarína BOJNANSKÁ

Within research experiments in years 2008-2009 we evaluated some genotypes of Triticum aestivum L., Triticum spelta L., Triticum dicoccon SCHRANK and Aegilops L. from Slovakia and several countries of the world. Purposes of this work was evaluation and characterise of wheat genetic resources and their wild relatives for agromorphological traits, technological quality, molecular markers and screening physiological parameters of selected genotypes under environmental stress and quantitative resistance diseases. We determined agromorphological traits, that highest seed yield show Timber, Venistar, Bardotka, Simila, Mulan, Gulliver, Biscay and Barryton species. Species origin Kl. Escudo from Argentina and Poshana from Ukraine show the highest values of wheat technological quality. We used here technology of multivariate analyses. We made molecular analyses of Aegilops and tetraploid wheat. These results suggest subspecies polymorphism. Complex of physiological, morphological and phenological methods have been used to analyse, which determinate their both productivity as well as traits characterizing improved tolerance or, opposite, sensitiveness to drought. The results show that higher leaf cuticular resistance and osmotic adjustment of plants under conditions of reduced water availability and to improved tolerance of primary photosynthetic reactions to water stress and high temperature.

Key words: wheat, genetic resources, technological quality Úvod

Pšenica v celosvetovom meradle patrí medzi najdôležitejší potravinové zdroje. Mnohé medzinárodné a národné výskumné programy sú zainteresované v šľachtení pšenice, pričom pre pestovateľskú prax boli vytvorené úrodné odrody pšenice. Avšak, moderné odrody pšenice majú úzky genetický základ. Súčasťou práce s genetickými zdrojmi pri jednotlivých druhoch je aj popis znakov a vlastností za účelom rozlíšenia a detekcie hospodársky najcennejších genotypov pre ďalšie využitie v šľachtiteľských programoch alebo v pestovateľskej praxi. V súčasnosti sa na vyhodnocovanie rozdielov medzi genotypmi a taktiež medzi populáciami používajú moderné metódy detekcie ako sú molekulárne a biochemické markéry. Napriek tomu sa morfologické znaky naďalej používajú ako rozlišovacie kritériá. Hlavným zdrojom génov pre šľachtenie pšenice sa postupne stávajú diploidné a tetraploidné pšenice a ich vnútrodruhová variabilita. Diploidné a tetraploidné pšenice sú zaujímavým biologickým materiálom z historického, geografického i genetického hľadiska. Avšak využiteľné poznatky a charakteristika diploidných a tetraploidných pšeníc často chýbajú, napriek tomu patria k najcennejším zdrojom. Niektoré z nich majú gény, ktoré sa nenachádzajú v odrodách hexaploidnej pšenice a môžu byť cenné pri zvyšovaní ich odolnosti proti biotickým a abiotickým faktorom. Štúdium tetraploidných a diploidných foriem pšenice priťahuje viac pozornosti a preto sa na tento účel začali intenzívne používať molekulárne markéry. Zásobné bielkoviny sú považované za vhodné markéry pre štúdium genetických zdrojov pšenice (Gregová et al. 2006). Výsledky ukázali, že vysokomolekulové glutenínové gény Aegilops tauschii v syntetických hexaploidných pšeniciach zlepšili technologickú kvalitu (Hsam a kol. 2001, Wieser a kol.2003). Potenciálne využiteľné v tejto sfére sa javia aj divorastúce a kultúrne formy tetraploidných pšeníc. Príkladom je rozšírenie pestovania tetraploidnej pšenice Kamut v USA a Európe, ktorej taxonomické zatriedenie nie je doteraz celkom jasné, pravdepodobne je to blízka forma T. turgidum ssp. durum alebo T. turgidum ssp. polonicum (Khlestkina et al. 2006). Je predpoklad, že aj medzi ostatnými tetraploidnými pšenicami sa nachádzajú genotypy s podobnými vlastnosťami, ktoré bude možné v budúcnosti využiť v rámci organického šľachtenia. Pri štúdiu možností využitia genetických zdrojov sa fyziologickým procesom nevenuje dostatočná pozornosť, pričom, napr. fotosyntéza je primárnym zdrojom energie pre všetky životné procesy, ktoré závisia od mechanizmov príjmu, distribúcie vody v rastlinách, od ktorých je v prirodzených podmienkach závislá vodná bilancia. Všetky sú závislé od aklimačných a adaptačných reakcií fotosyntetického aparátu.

Cieľom práce bolo hodnotenie a charakterizácia genetických zdrojov pšenice a jej divorastúcich predchodcov na agromorfologické znaky, technologickú kvalitu, molekulárnych markérov a skríning fyziologických parametrov vybraných genotypov pri environmentálnom strese a rezistencie voči chorobám.

Materiál a metódy

K naplnenie cieľov sme založili sme v jesenných mesiacoch v roku 2008-2009 poľné pokusy so s genotypmi pšenice letnej f. ozimnej so štandardnými odrodami Venistar, Ilona, Torysa, Ilias, Bardotka a Astella. Celkovo sme analyzovali 112 odrôd pšenice letnej f. ozimnej (Triticum aestivum, L.) pochádzajúcej

Zborník zo 6. vedeckej konferencie, Piešťany : CVRV, 2010

44

z rôznych krajín sveta (ARG, AUT, BGR, CZE, DEU, FRA, GBR, HUN, CHN, ITA, KAZ, MEX, NLD, RUS, SRB, SUN, SVK, TUR, UKR, URY, USA, YUG), mnohoštetu získaného na území Slovenska a v zahraničí, genotyp pšenice špaldovej zo zberovej expedície (SVKKOR2006-52) a genotypy pšenice dvojzrnovej (BVAL 212011, CGN 11486, CGN 11488, CGN 8104, Roncal, TRI 5329 a UAO 300133.

Hodnotili sme fenologické, morfologické a kvalitatívne znaky podľa s klasifikátora pre rod Triticum a Aegilops. Hodnotenie technologickej kvality vybratých odrôd pšenice letnej f. ozimnej sme vykonali podľa požiadaviek na kvalitu potravinárskej pšenice, ktoré stanovuje STN 46 1100-2 Potravinárske obilniny, Časť 2: Zrno potravinárskej pšenice letnej. V ďalšej časti sme extrahovali, separovali, vizualizovali gluteníny podľa štandardnej techniky SDS-PAGE pre pšenicu (Wrigley et al., 1992). Okrem týchto pokusov sme v nasledujúcej fáze v poľných podmienkach analyzovali nešpecifickú rezistenciu genotypov tetraploidnej pšenice Triticum turgidum ssp. dicoccum voči múčnatke trávovej. V laboratórnych podmienkach sme uskutočnili molekulárne analýzy 30 genotypov Aegilops cylindrica, pričom sme sa zamerali na sledovanie DNA polymorfizmu pomocou RAPD markérov a takisto pomocou mikrosatelitov. V rámci tretej časti úlohy sme parametrizovali vlastnosti divorastúcich predchodcov pšenice z rodu Aegilops a genotypy pšenice letnej formy ozimnej. V spoločných experimentoch s realizačným tímom bola pripravovaná metodológia a testované protokoly pre štúdium autoregulačných a rastovo-produkčných vlastností, ako aj morfologických a fyziologických parametrov na rôznych druhoch Aegilops. Výsledky boli štatisticky hodnotené softvérovým balíkom MS Office a štatistickým softvérom STATISTICA 9Cz.

Výsledky a diskusia

V nadväznosti na ciele vyplývajúce z projektu sme pokračovali v zhromažďovaní genotypov pšenice a jej divorastúcich príbuzných druhov a ich hodnotením v špeciálnych škôlkach a v laboratórnych experimentoch pre potreby ďalšieho výskumu a šľachtenia pšenice.

Na zberovej expedícia v Azerbajdžane (AZESVK2009) sme zozbierali 109 vzoriek (Aegilops 36, Cicer 1, Hordeum 9, Onobrychis 1, Secale 1, Triticale 1 a Triticum 60), ktoré zahrnovali druhy Aegilops biuncialis, Aegilops cylindrica, Aegilops speltoides, Aegilops tauschii, Aegilops truncialis, Cicer arietinum, Hordeum spontaneum, Hordeum vulgare, Onobrychis ssp, Secale cereale, Triticale, Triticum aestivum, Triticum aestivum, f. veljutineum, Triticum araraticum, Triticum boeticum, Triticum dicoccoides, Triticum dicoccum, Triticum durum, Triticum ispahanicum, Triticum monococcum, Triticum palaeocolchicum, Triticum persicum, Triticum spelta, Triticum timopheevii, Triticum turgidum, Triticum uraratum a Triticum vavilovii. Prehľad a zoznam zozbieraných genetických zdrojov rastlín je spracovaný v databáze a s využitím geografického informačného systému ArcGIS boli spracované mapy zberu genetických zdrojov rastlín. Získané a spracované dáta nám poskytujú informáciu o lokalite - regióne - krajiny, prehľad o vývoji pozorovaného územia, ktoré sú využiteľné pre plánovanie v ochrane genofondu, životného prostredia, ako aj pre agroenvironmentálne štúdie a ďalšie prognózy. Na základe zberovej expedície v centre vzniku pšenice je potrebné zdôrazniť, že zhromažďovanie genetických zdrojov rastlín slúži pre aplikovaný výskum pri tvorbe nových genotypov s vysokou technologickou kvalitou a odolnosťou k nepriaznivým faktorom prostredia.

V škôlke hodnotenia sme hodnotili 112 odrôd pšenice letnej f. ozimnej, pričom boli stanovené základné štatistické charakteristiky dĺžky vegetačnej doby, výšky porastu, poliehania, odolnosti voči múčnatke, hrdze pšeničnej, hrdze trávovej, bieloklasosti, septoria plevová, HTZ, úroda zrna na jednotku plochy, počet klasov na m2_{, dĺžka klasu, počtu kláskov v klase, počtu zŕn v klásku, počtu zŕn v klase a hmotnosti zrna z klasu. V}

prvom roku hodnotenia v úrode zrna v porovnaní s kontrolnou odrodou Astella lepšiu úrodu zrna mali odrody Timber; Venistar; Bardotka; Simila; Mulan; Gulliver; Biscay a Barryton. V dĺžke vegetačnej doby mali veľmi krátku vegetačnú dobu odrody Shaan 8007-7, MV Toborza, MV Regiment, GK Ati, GK Kapos, Shark-4, Zagore a GK Bokros. V priemerných hodnotách jednotlivých znakov a vlastností sme odrodami pšenice letnej f. ozimnej pozorovali vysokú variabilitu.

Pre vymletie kvalitnej múky pre pekárske účely je potrebná pšenica s hodnotami mokrého lepku v sušine najmenej 25 % a číslom poklesu najmenej 220 s. Týmto požiadavkám vyhovelo zo 112 vzoriek u mokrého lepku 72 vzoriek, t.j. 64,3 % vzoriek, u čísla poklesu 105 vzoriek, t.j. 93,8 % vzoriek. Pre výber vzoriek na pečenie sú vhodné genotypy Globus a Hybred z Nemecka, ktoré majú farinografické číslo kvality, vývin cesta a stabilitu cesta na úrovni silnej múky, ale pravdepodobne nízky mokrý lepok negatívne ovplyvnil väznosť vody. Z celkového hodnotenia vzoriek sú najzaujímavejšie vzorky č. Kl. Escudo z Argentíny, Exquisit z Rakúska a Poshana pochádzajúca z Ukrajiny, ktoré sa vyznačujú vysokou kvalitou a stabilitou parametrov, vzorky č. Kl. Escudo a Poshana tvarom farinografickej krivky, vzorka Exquisit aj obsahom obsahom popola.

V rámci hodnotenia genotypov pšenice sme klasifikovali 112 odrôd pšenice s použitím 18 agro- morfologických popisných znakov a 11 ukazovateľov technologickej kvality pšenice vyhodnotením nameraných výsledkov modernými technikami mnohorozmernej analýzy dát. Využitím metódy hlavných komponentov (PCA) sme získali štatisticky významné tri komponentné osi, kde prvá komponentná os zachytila 32,8 % celkovej variability, druhá komponentná os zachytila 23,6 % variability, spolu PC1 a PC2 zachytili cca 56,4 % variability hodnoteného súboru, PC3 zachytila už len 13,2 % variability. Spolu všetky 3 komponentné osi pokryli cca 70 % variability hodnoteného súboru 112 odrôd pšenice. Najväčší vplyv na

Zborník zo 6. vedeckej konferencie, Piešťany : CVRV, 2010

45

klasifikáciu odrôd pšenice mali znaky: dĺžka vegetačnej doby (dni), poliehanie (9-1), AUDPC, HTZ (g), úroda zrna (t/ha), dusíkaté látky (%), mokrý lepok (%), číslo poklesu (s), vývin cesta (min), stabilita cesta (min), mäknutie cesta po 10 min. od začiatku testu (FJ) a mäknutie cesta po 12 min. od dosiahnutia maxima (FJ).

Na obr. č.1 je ilustrované prirodzené zoskupovanie hodnotených odrôd pšenice a na obr. č.2 sú premietnuté hodnotené deskriptory. Z oboch grafov vyplýva, že v kladnom kvadrante PC1 a PC2 sa zoskupujú odrody pšenice, ktoré charakterizuje číslo poklesu, vývin cesta a stabilita cesta, v protiľahlom zápornom kvadrante PC1 a PC2, tento kvadrant je reprezentovaný odrodami pšenice na základe technologických charakteristík mäknutie cesta po 10 min. od začiatku testu (FJ) a mäknutie cesta po 12 min. od dosiahnutia maxima. Odrody pšenice nachádzajúce sa v zápornom kvadrante PC1 a kladnom kvadrante PC2 sú charakteristické spoločnou dĺžkou vegetačnej doby, poliehaním porastu a úrodou zrna. Kladný priestor PC1 a záporný priestor PC2 reprezentujú kvalitatívne parametre, obsah dusíkatých látok, s ním súvisiaci obsah mokrého lepku, hmotnosť tisíc semien a hodnoty AUDPC.

Aktiv. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ₁₈ 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 ₄₁ 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Faktor 1: 32,78% -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 F ak tor 2: 23, 59% Ak Dĺžka vegetačnej doby (dni)

Poliehanie (9-1)

AUDPC HTZ (g) Úroda zrna ( t/ha)

NL (%) Mokrý lepok (%) Číslo poklesu (s)

Vývin cesta (min) Stabilita cesta (min)

Mäknutie cesta po 10' od zač. testu (FJ) Mäknutie cesta po 12' od dosiahnutia max. (FJ)

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Faktor 1 : 32,78% -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 F ak tor 2 : 23, 59 %

Obr. 1: Hlavné komponenty pre agro-morfologické znaky a technologické ukazovatele kvality súboru 112 odrôd pšenice v rovine dvoch najvýznamnejších komponentných osí PCI - PC2 s uvedením časti celkovej informácie v percentách, ktorú obsahuje príslušný hlavný komponent.

Obr. 2: Hlavné komponenty pre agro-morfologické znaky a technologické ukazovatele kvality - deskriptory

V rámci molekulárnych analýz sme použili päť RAPD markerov, tieto neprodukovali taký polymorfizmus, ktorý by bol dostačujúci na odhalenie vnútrodruhového polymorfizmu druhu Aegilops cylindrica. PCR-SSR primery série Xgwm produkovali u tohoto druhu takisto nízky počet DNA fragmentov, pomocou ktorých nebolo možné detekovať vnútrodruhový polymorfizmus. Na základe molekulárnych analýz môžeme konštatovať, že genetická diverzita slovensko-maďarských genotypov mnohoštetov je len o niečo nižšia (0,325) ako diverzita arménskych genotypov (0,375), ktoré predstavujú genetické centrum najväčšej genetickej diverzity mnohoštetov. Molekulárne analýzy tetraploidných pšeníc uskutočnené pomocou AFLP metódy mali za cieľ detekovať DNA polymorfizmus. Predbežné výsledky naznačujú, že existuje polymorfizmus nielen medzi jednotlivými poddruhmi Triticum turgidum, ale aj v rámci poddruhov.

Úspešné pestovanie plodín v určitej lokalite závisí od dvoch základných faktorov, a to od vplyvu prevládajúceho prostredia na rast a vývin plodiny a od odrody, ktorá sa hodí do daného prostredia a musí vedieť efektívne využívať zdroje, ktoré má v prostredí k dispozícii pre to, aby vytvorila úrodu. Udržanie vysokého turgoru v listoch počas sucha je zabezpečená buď zlepšenou činnosťou koreňovej sústavy v príjme vody či efektívnym zatvorením prieduchov a redukciou neužitočného výparu vody listami, alebo schopnosťou redukovať osmotický a vodný potenciál niektorými anatomickými a morfologickými charakteristikami.

Merania realizované na listoch 10 genotypov Aegilops označených číslami, boli realizované aj merania na listoch pšenice (Triticum aestivum L., cv. Torysa). Z výsledkov vyplýva, že, Aegilops cylindrica Host. sa svojimi vlastnosťami viac približuje pšenici v porovnaní s ostatnými sledovanými botanickými druhmi Aegilops, čo sa ukazuje aj na stanovených hodnotách plochy zástavkových listov a kutikulárnej transpirácii. Aj v rámci toho istého druhu však môžeme nájsť pomerne značné rozdiely v priepustnosti kutikuly. Z meraní na 30 genotypoch pšenice sa ukázali výrazné odlišnosti v hodnotách vodného potenciálu listov z dôvodu rozdielnych charakteristík (koreňa, hydraulickej vodivosti, vodivosti prieduchov, voskovatenia nadzemných častí, inklinácie či pohybov listov). Pre hodnotenie genetických zdrojov je však podmienkou, aby vyselektovaný znak vykazoval dostatočnú genetickú variabilitu, vyšší stupeň dedivosti než samotná úroda, a naviac, aby selekcia znaku bola rýchla a ľahko merateľná. Z fyziologických znakov, ktoré sú vhodné pre selekciu a majú vzťah k úrode, sú dôležité tzv. konštitučné znaky, ktoré zabezpečujú funkčnosť rastliny aj v podmienkach stresu. Výsledky štúdia biofyziky fotosyntézy na úrovni PSII (analýzou energetiky reakčných centier a svetlozberných antén) poukazujú na rozdielny index výkonnosti študovaných druhov. Už

Zborník zo 6. vedeckej konferencie, Piešťany : CVRV, 2010

46

samotný O-J-I-P test ukazuje rozdielnu flexibilitu v prvej fáze fotosyntézy v podmienkach stresu, ako pre druhy Aegilops, tak aj krajové odrody a široký súbor študovaných genotypov.

Adaptácia plodín na vysokú teplotu má význam v horúcich podmienkach často sprevádzaných nedostatkom vody. Počas sezóny 2009 boli merané hodnoty teploty porastu blížiace sa k 40 stupňom, čo ukazuje na potrebu venovať termotolerancii fotosyntetického aparátu zvýšenú pozornosť. Ukázalo sa, že divorastúci príbuzní a krajové odrody sú napr. odolnejšie voči vyšším teplotám než súčasné moderné odrody. Táto vlastnosť súvisí jednak so schopnosťou fotoperiodizmu kontrolovať nástup a dĺžku kvitnutia, voskovatenia listov a ich sklonom v poraste, ale aj schopnosťou adaptovať vnútorný obsah buniek koncentrovaním (zahusťovaním) protoplazmy a tvorbou stresových proteínov vrátane proteínov teplotného šoku (heat shock proteins, HSPs). Tieto sa správajú v bunkách ako molekulové šaperóny, ktorých úlohou je ochraňovať a stabilizovať ostatné proteíny membrán a cytoplazmy v podmienkach vysokej teploty.

Záver

V rámci riešenej problematiky sme v Azerbajdžane zozbierali 109 vzoriek. Na základe zhromaždených vzoriek z tribu Triticeae v centre vzniku pšenice je potrebné zdôrazniť, že biologický materiál tvorí významnú súčasť zachovávaných vzoriek v Génovej banke SR pre aplikovaný výskum pri tvorbe nových genotypov. V priemerných hodnotách jednotlivých znakov a vlastností sme odrodami pšenice letnej f. ozimnej pozorovali vysokú variabilitu. Z hľadiska hodnotenej úrody zrna pozornosť si zaslúžia najmä odrody Timber; Venistar; Bardotka; Simila; Mulan; Gulliver; Biscay a Barryton. Z celkového hodnotenia vzoriek na kvalitatívne ukazovatele sú najzaujímavejšie odrody Kl. Escudo, Exquisit a Poshana, ktoré sa vyznačujú vysokou kvalitou a stabilitou parametrov. V rámci využitia techník mnohorozmernej štatistiky sme zistili, že najväčší vplyv na klasifikáciu odrôd pšenice mali znaky: dĺžka vegetačnej doby, poliehanie, AUDPC, HTZ, úroda zrna, NL, mokrý lepok, číslo poklesu, vývin cesta, stabilita cesta, mäknutie cesta po 10 min. od začiatku testu a mäknutie cesta po 12 min. od dosiahnutia maxima. Na základe molekulárnych analýz môžeme konštatovať, že genetická diverzita slovenských a maďarských mnohoštetov je len o niečo nižšia ako diverzita arménskych genotypov, ktoré predstavujú genetické centrum najväčšej genetickej diverzity mnohoštetov. Adaptácia plodín na vysokú teplotu zohráva významnú úlohu v extrémnych klimatických podmienkach často sprevádzaných nedostatkom vody, čo ukazuje na potrebu venovať termotolerancii fotosyntetického aparátu zvýšenú pozornosť. Ukázalo sa, že divorastúci príbuzní a krajové odrody sú napr. odolnejšie voči vyšším teplotám než súčasné moderné odrody. Predpokladáme, že adaptácia na extrémnejšie teploty môže posunúť optimálnu rovnováhu medzi úrodotvornými prvkami, a teda selekcia genotypov je možná aj na základe vyvinutého testu.

Poďakovanie: Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0770-07.

Literatúra

GREGOVÁ, E. - HERMUTH, J. - KRAIC, JÁN - DOTLAČIL, L. (2006) : Protein heterogeneity in European wheat landraces and obsolete cultivars In: Genetic Resources and Crop Evolution. Roč. 53, č. 5 (2006), s.867-871.

HSAM, S. L. K. – KIEFFER, R. – ZELLER F. J. (2001). Significance od Aegilops tauschii glutenin genes on breadmaking properties of wheat. Cereal. Chem. 78:521-525

KHLESTKINA, E.K. – MARION, S. R. – GRAUSGRUBER, H. – BOERNER, A. (2006): A DNA fingerprinting-based taxonomic allocation of Kamut wheat. Plant Genetic Resources, 4: 172-180, Cambridge University Press

WIESER, H. – HSAM, S. L. K. – ZELLER, F. J.(2003). Relationship betwen the qualitative and quantitative compositions of gluten protein types and technological properties of syntetic hexaploid wheat derived from Triticum durum and Aegilops Tauschii. Ceral. Chem. 80:247-251

WRIGLEY, C. W. (1992) : Identification of cereal varietes by gel electrophoresis of the grain proteins. Heidelberg, Springer-Verlag, 17-41.

Kontaktná adresa autora :

Ing. Pavol Hauptvogel, PhD. Centrum výskumu rastlinnej výroby Piešťany, Bratislavská 122, 921 68 Piešťany, e-mail : [email protected]

Zborník zo 6. vedeckej konferencie, Piešťany : CVRV, 2010

47

HODNOTENIE VYBRANÝCH ZNAKOV DIHAPLOIDNÝCH GENOTYPOV