Moderní biotechnologie zasahují výrazně do šlechtění rostlin a ovlivňují kvalitu produktů. Jsou užitečné i v případě šlechtění na odolnost k houbovým chorobám.  Jednu z významných houbových chorob představují fuzariózy klasu, které nejen že snižují výnosy, ale jsou původci zdraví škodlivých mykotoxinů.

Zvyšování odolnosti využitím genetických zdrojů může být značně usnadněno genetickou modifikací a v poslední době  i tzv. novými bio technikami. Příspěvek přináší souhrn současného stavu a perspektiv  u ječmene a pšenice.

Fuzariózy klasu jsou nejvýznamnější klasovou chorobou obilnin.  Napadení patogeny z rodu Fusarium negativně ovlivňuje výnos, hygienickou i technologickou kvalitu.

Mezi původce klasových fuzarióz v naší republice patří cca 15 druhů rodu Fusarium. Druhy F. graminearum a F. culmorum produkují trichotheceny typu B. Nejvíce sledovaným mykotoxinem z této skupiny je deoxynivalenol (DON), setkat se můžeme i s dalším trichothecenem typu B, kterým je nivalenol (NIV). DON patří k méně toxickým trichothecenovým mykotoxinům, je ale považován za indikátor možného výskytu dalších toxičtějších trichothecenů. Dalším významným mykotoxinem produkovaným  druhy F. graminearum a F. culmorum je  rovněž zearalenon (ZEA) a jeho deriváty. Mykotoxiny patřící do skupiny trichothecenů A  (T- a HT-2 toxiny a další) jsou produkovány zejména patogeny F. sporotrichoides, F. langsethiae a F. poae, které jsou nalézány na ovsu. Globální oteplování a klimatické změny přispívají k rozšiřování dříve méně běžných druhů fuzárií. Důsledkem toho se spektrum mykotoxinů v různých komoditách rok od roku mění a bývá výrazně pestřejší  (Miraglia a kol.., 2009). Rod Fusarium je schopen produkovat i další sekundární metabolity, tzv. “emerging” (nově se objevující) mykotoxiny, jako např. fusaproliferin, beauvericin, enniatiny a moniliformin.

Expozice trichothecenům může u konzumentů vyvolat nevolnost, zvracení, dále poškození jater, endokrinního a nervového systému.  Zearalenon má výrazné estrogenní účinky (Creppy, 2002) a může přecházet i do mléka určeného pro lidskou výživu  (Mirocha a kol., 1981).

Vedle značných zdravotních rizik, která napadení patogeny z rodu Fusarium představuje pro konzumenty a hospodářská zvířata, dochází také k řadě technologických problémů při zpracování  ječmene pro výrobu piva.   Postulkova  a kol. (2016) udávají, že nejdůležitějším faktorem indukce primárního gushingu (přepěňování piva) je infekce obilovin vláknitými houbami, které produkují povrchově aktivní proteiny, tzv. hydrofobiny.  Pro zpracovatele i spotřebitele je významné sledovat výskyt mykotoxinů v produkčním řetězci ječmen – slad - pivo. Mykotoxiny jsou poměrně stabilní sloučeniny a mohou přecházet z kontaminovaného ječmene až do piva. DON se může vyskytovat v pivu, jsou-li suroviny použité pro jeho výrobu kontaminované (Papadopoulou a kol., 2004). Jeho hlavním rostlinným metabolitem je deoxynivalenol-3-glukosid (D3G), který vykazuje sníženou toxicitu vůči rostlinám, a to jako takzvaný maskovaný mykotoxin (Varga  a kol., 2013). Kostelanská a kol. (2011a) zjistili, že v průběhu sladování klesly  hladiny DON přibližně na polovinu jeho hodnoty ve vstupní surovině, naopak koncentrace D3G se zvýšily přibližně dvakrát.  Tyto nárůsty jsou přičítány hlavně aktivitě amylolytických enzymů, které se uplatňují v průběhu klíčení ječmene a způsobují štěpení vazeb škrobu, kde je D3G pravděpodobně vázán. Dalším vysvětlením je také „ de novo “ produkce mykotoxinů z plísní na povrchu zrn. DON a jeho metabolit D3G patří mezi nejčastěji se vyskytující mykotoxiny ve sladu a v pivu v Evropských zemích (Kostelanská a kol, 2011b). Papadopoulou-Bouraoui  a kol. (2004) provedli výzkum 313 vzorků piv z evropských zemí.  DON se vyskytoval v 272 vzorcích s koncentrací v rozmezí 4,0 – 56,7 μg·l-1. Běláková  a kol. (2013) sledovali výskyt DON v 119 pivech z obchodní sítě České republiky. DON byl nalezen v 89 vzorcích s koncentrací v rozmezí 2,00 – 44,00 μg·l-1. Legislativní limit pro výskyt DON v pivu nebyl dosud stanoven. V roce 1999 byl stanoven Evropským úřadem pro bezpečnost potravin (EFSA) tolerovatelný denní příjem (TDI) pro DON na 1 μg.kg-1 tělesné hmotnosti.

V zájmu ochrany veřejného zdraví je nezbytné udržet množství kontaminujících látek na toxikologicky přijatelných úrovních (Běláková a kol., 2017). Stupeň napadení a kontaminace zrna mykotoxiny ovlivňuje celá řada faktorů, z nichž rozhodující význam má průběh počasí v daném roce (především srážky a teploty) a dále úroveň rezistence/náchylnosti  odrůdy, předplodina a způsob zpracování půdy.  Schaafsma a Hooker  (2007) zjistili, že obsah DON v zrnu je ze 48 % ovlivňován podmínkami prostředí, z 27 % odrůdou a ze 14 – 28 % předplodinou; způsob zpracování půdy přispíval k proměnlivosti v obsahu DON méně než 5 %. Také Polišenská a kol. (2012) zjistili, že úroveň kontaminace ječmene mykotoxiny a složení spektra jejich původců podléhají značné ročníkové variabilitě a statisticky prokázali vliv odrůdy a předplodiny. Zjištěné výsledky potvrdily průkazně vyšší obsah mykotoxinu DON u ječmene pěstovaného po kukuřici.

Šlechtění odrůd odolných vůči fuzarióze klasu je účinným nástrojem ke snižování výskytu fuzarióz v porostech. Získání odolných odrůd je dlouhodobým cílem mnoha šlechtitelských firem produkujících např. ječmen nebo pšenici (Tucker a kol., 2019).

Obecně je odolnost k fuzariózám klasu (FHB) u majoritních obilovin vedle výnosových parametrů centrem pozornosti šlechtitelů nejen v EU, ale po celém světě. V Číně bylo před padesáti léty pěstováno mnoho místních krajových odrůd s vysokou úrovní odolnosti proti FHB. Později sehrálo klíčovou roli kombinování uspokojivé rezistence k FHB a vysokého potenciálu výnosu v komerčních kultivarech. Příkladem může být  Sumai 3, čínský kultivar jarní pšenice, hlavní zdroj rezistence k FHB. V USA a Kanadě umožnila Sumai 3 více než desítku moderních kultivarů používaných k produkci pšenice na severoamerickém kontinentě (Zhu a kol. 2019). Další zdroje rezistence poskytl kultivar brazilské pšenice Frontana, planý druh T. dicoccoides a další místní odrůdy.

 

 

Obr. 1: Klasy šestiřadého a dvouřadého ječmene po umělé  infekci Fusarium culmorum na pozemcích VÚRV, v.v.i.

Odrůdy rezistentní k FHB se většinou spoléhaly na postupnou akumulaci příznivých alel z více zdrojů.  Je  také vidět, že při běžném konvenčním křížení lze využívat geny i mimo primární genový fond. Tak  bylo možné např. přenést mimořádně efektivní rezistenci k FHB z ramene chromozomu Thinopyrum elongatum  na segment ramene Thinopyrum ponticum, který obsahuje další cenné geny včetně Lr19 pro odolnost proti rzi listů a genu Yp pro obsah žlutého pigmentu. Přímo byla tato rezistence přenesena do tvrdé pšenice.  Tyto výsledky dokumentují význam uchování a využití genetických zdrojů. Prostřednictvím  násobného vkládání genů z příbuzných druhů  lze zvyšovat odolnost odrůd k chorobám včetně FHB (Liu a kol, 2017). U ječmenů byla např.  registrována na základě tradičních šlechtitelských postupů odolná odrůda sladovnického ozimého ječmene Lowe (Juskiw  a kol. 2019). 

Agostinelli a kol. (2012) udávají, že základem šlechtění na rezistenci by měla být fenotypová selekce.  Kromě tradičních šlechtitelských postupů se nabízí využití moderních metod.  Patří sem (1) selekce pomocí molekulárních markérů, které lze použít v návaznosti na genotypovou selekci k extrakci linií, jejichž fenotypová hodnota byla prokázána a které jsou homozygotní pro alely rezistence na hlavním  (2) genomická selekce, jako perspektivní nástroj šlechtitelů (3) využití postupů genetického inženýrství  nebo-li GMO a v poslední době i (4) cílená editace genomu (Mare a kol. 2020).

Vzhledem k tomu, že bylo dosaženo značné míry poznání o struktuře a funkci genomu ječmene a pšenice stejně jako jiných rostlinných druhů, lze pracovat ve šlechtění se sofistikovanými nástroji. V genetických zdrojích byly identifikovány geny odolnosti, které jsou založeny polygenně a označují se jako QTL (quantitative trait loci). Byly nalezeny QTL s větším účinkem, tj. vysvětlující až čtvrtinu variability znaku a byly vyvinuty jednoduché molekulární (DNA) markéry. Příkladem jsou markéry pro odolnost z odrůdy Sumai3 nebo odrůd ječmene, např. odrůdy Chevron nebo Frederickson (Miedaner a Korzun, 2012). Začínalo se s markéry typu RFLP (délkový polymorfismus restrickčních fragmentů), poměrně málo přesnými a pracnými (Waldron a kol. 1999). Nyní se používají markéry založené na PCR (polymerázová řetězová reakce), mapování a hledání zdrojů pokračuje (Xu a kol. 2020).  Selekce pomocí markérů umožňuje sledování malého počtu genů, ale přesto byly úspěšně aplikovány ve šlechtitelských programech u znaků podmíněných geny  resp. jejich alelami velkého účinku nebo  v případě fuzarióz QTL s vyšším účinkem. Úspěšným příkladem je QTL  pro gen Fhb1, který souvisí s odolností k FHB u pšenice. Přítomnost tohoto genu zvyšuje odolnost u komerčních odrůd.   Většina ostatních dosud identifikovaných QTL vykazuje mnohem menší účinky než Fhb1. Tyto QTL jsou distribuovány v mnoha místně přizpůsobených kultivarech, a jsou tedy důležitými QTL pro zlepšení odolnosti FHB. Zde lze využít genomickou selekci. Genomická selekce oproti běžným markérům k tomu využívá DNA markéry, které jsou rozesety po celém genomu a může doplňovat selekci genů odolnosti i o další znaky. V současné době diagnostické markery pro většinu z těchto menších QTL stále nejsou k dispozici; proto může genomová selekce zlepšit přesnost výběru pro tyto QTL a vytvořit vysoce kultivary odolné vůči FHB (Bai a kol 2017).

S rozvojem znalostí o struktuře a funkci genomu, byly identifikovány geny, které zvyšují odolnost vůči klasovým fuzariózám, které lze přenášet mezi druhy nebo genotypy. Koncept popsala Dahleen a kol. 2001. V praxi se jedná např. o konstitutivně se exprimující gen ječmene HvUGT13248, který  je schopen detoxifikovat DON.  Efekt byl potvrzen např. po jeho  přenosu do tvrdé pšenice (Mandala a kol., 2019). Ke zvýšení rezistence k houbovým chorobám se  využívá např. i přenos genu pro chitinázu (Eissa a kol. 2017). Zatím je velmi obtížné získat souhlas s pěstováním transgenní pšenice nebo ječmene nejen v EU.

V současné době jsou k dispozici vysokokapacitní technologie, které umožnily přečíst genom obilovin, resekvenovat a získat řadu informací o genech a jejich variabilitě v řadě genotypů. Tyto postupy umožňují získávat nové markery, originální alely i jejich alternativy, které zajistí lepší odolnost. V budoucnu je bude možné využít pro  cílenou editaci genomu (např. změna funkce vybraného genu). Nejznámější technologie se dnes označuje jako CRISPR/Cas.

Závěrem lze podotknout, že šlechtění se stále intenzivně pracuje s tradičními přístupy, ale ve šlechtění a jeho směřování hrají stále větší roli informace, které odhalují interakce hostitel-patogen.  Klíčovou roli hrají moderní molekulární strategie. Integrace metod založených na molekulární biologii, jako jsou asociační studie celého genomu a genomová selekce na základě markérů spolu s možnou editací genomu mají stále velkou perspektivu.

 

K tomuto cíli směřuje i řešení projektu národního centra kompetence NCK TN01000062 NCK Biotechnologické centrum pro genotypování rostlin, kde se VÚRV věnuje problematice odolnosti k FHB u ječmene.

 

Příspěvek byl připraven na základě  podpory projektu TACR TN01000062  a podpory MZe CR RO 0418

 

Autor: Jaroslava Ovesná, Jana Chrpová

Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Drnovská 507, 161 06 Praha 6, Ruzyně

 

Použitá literatura

Agostinelli, A.M.,  Clark, A.J.,  Brown-Guedira, G., Van Sanford, D.A.  (2012): Optimizing phenotypic and genotypic selection for Fusarium head blight resistance in wheat. Euphytica, 186 (1): 115-126.   

Bai, G.,  Su, Z.,  Cai, J. (2017): Wheat resistance to Fusarium head blight.  Conference: Symposium on Toxigenic Fusarium Species and Mycotoxins - Challenges and Perspectives held during the Joint Meeting of the Canadian-Phytopathological-Society/Canadian-Society-of-Agronomy Location: ‏ Winnipeg, CANADA Date: ‏ JUN, 2017 Sponsor(s): ‏Canadian Phytopathol Soc; Canadian Soc Agron.

Běláková, S., Benešová, K., Mikulíková, R., Svoboda, Z., Čáslavský, J., (2013): Monitoring výskytu deoxynivalenolu v pivech z obchodní sítě v letech 2009–2012. Kvasny prum., 59 (10-11): 292–295.

Běláková S., Wawroszová S., Benešová K. (2017):  Výskyt mykotoxinů v pivech z obchodní sítě. Kvasny Prum., 63: 293-297.

Creppy, E. E. (2002): Update of survey, regulation and toxic effects of mycotoxins in Europe. Toxikology Letters, 127: 19–28.Dahleen, L.S., Okubara, P.A. Blechl, A,E. (2001): Transgenic approaches to combat fusarium head blight in wheat and barley. Crop Science,‏ 41 (3): ‏ 628-637.  

Eissa, H. F.,  Hassanien, S. E.; Ramadan, A.  M.; et al. (2017): Developing transgenic wheat to encounter rusts and powdery mildew by overexpressing barley chi26 gene for fungal resistence. Plant Methods,   ‏ 13,     Article Number: 41.  

Juskiw, P. E., Oatway, L., Oro, M. et al. (2019): Registration of 'Lowe', a Two-Rowed Malting Barley with Enhanced Resistance to Fusarium Head Blight. Journal of Plant Registrations,   13 ‏(3): ‏ 301-310  

Kostelanská M, Zachariášová M., Džuman Z., Hajšlová J., Ehrenbergerová J., Cerkal R., Vaculová K., Mikyška A., Psota V. (2011): Fusariové mykotoxiny v ječmeni jarním a jejich výskyt v rámci technologického řetězce ječmen-slad-pivo. Kvasny Prum., 58: 209 -2014.

Kostelanska, M., Zachariasova, M., Lacina, O., Fenclova, M., Kollos, A., Hajslova, J. (2011): The study of deoxynivalenol and its masked metabolites fate during the brewing process realised by UPLC-TOFMS method. Food Chemistry, 126: 1870–1876.

Liu, H-.  Dai, Y.,  Chi, D., et al. (2017): Production and Molecular Cytogenetic Characterization of a Durum Wheat-Thinopyrum elongatum 7E Disomic Addition Line with Resistance to Fusarium Head Blight Cytogenetic Genome Research, 153:  165 – 173.  

Mandala, G.,  Tundo, S., Francesconi, S. et al. (2019):_Deoxynivalenol Detoxification in Transgenic Wheat Confers Resistance to Fusarium Head Blight and Crown Rot Disease Molecular Plant-Microbe Interactions, 32: 5 – 12.  

Mare, A., Boshoff, W. H. P., Herselman, L. (2020): Molecular breeding of wheat lines for multiple rust and Fusarium head blight resistence Euphytica, 216: Article Number: 163.  

Miedaner T., Korzun, V. (2012):  Marker-Assisted Selection for Disease Resistance in Wheat and Barley Breeding, Phytopathology, 102: 560 – 566.  

Miraglia, M., Marvin, H. J. P., Kleter, G. A., Battilani, P., Brera, C., Coni, E., Cubadda, F., Croci, L., De Santis, B., Dekkers, S., Filippi, L., Hutjes, R.W. A., Noordam, M. Y., Pasante, M., Piva, G., Prandini, A., Toti, L., van den Born, G. J., Vesperman, A. (2009):  Climate change and food safety: An emerging issue with special focus on Europe. Food and Chemical Toxikology,  47: 1009–2021. ISSN 0278-6915

Mirocha, C. J., Pathre, S. V., Robison, T. S. (1981): Comparative metabolism of zearalenone and transmission into bovine milk. Food and Cosmetic Toxicology, 19: 25-30.

Papadopoulou-Bouraoui, A., Vrabcheva, T., Valzacchi, S., Stroka, J., Anklam, E. (2004): Screening survey of deoxynivalenol in beer from the European market by an enzyme-linked immunosorbent assay. Food Additives and Contaminants, 21(6): 607–617.

Polišenská, I.,  Jirsa, O., Matušinsky, P. (2012):  Mykotoxikologická kvalita ječmene sklizeného v ČR v letech 2005-2010.  Kvasný průmysl, 58, (4):  109-114. 

Postulkova, M., Riveros-Galan, D., Cordova-Agiular, K., Zitkova, K., Verachtert, H., Derdelincks, G., Dostalek, P., Ruzicka, M.C., Branyik, T. (2016): Technological possibilities to prevent and suppress primary gushing of beer. Trends in Food Science & Technology, 49: 64–73.

Schaafsma, A.W., Hooker, D.C. (2007): Climatic models to predict occurrence of Fusarium toxins in wheat and maize. International Journal of Food Microbiology, 119: 116–125.

Tucker, J.R., Badea, A.,  Blagden, R.,  Pleskach, K., Tittlemier, S.A., Fernando, W.G.D. (2019): Deoxynivalenol-3-Glucoside Content Is Highly Associated with Deoxynivalenol Levels in Two-Row Barley Genotypes of Importance to Canadian Barley Breeding Programs. Toxins, 11 (6). DOI: 10.3390/toxins11060319

Varga, E., Malachova, A., Schwartz, H., Krska, R., Berthiller, F. (2013): Survey of deoxynivalenol and its conjugates deoxynivaleno-3-glucoside and 3-acetyl-deoxynivalenol in 374 beer samples. Food Additives and Contaminants, 30(1): 137–146.

Waldron, B. L.  Moreno-Sevilla, B., Anderson, J. A., Stack, R. W., Frohberg, B. L. (1999): RFLP Mapping of QTL for Fusarium Head Blight Resistance in Wheat. Crop Science,39, (3), p.805.

Citation metadata

Xu, Q., Xu, F.,  Qin, D. et al. (2020): Molecular Mapping of QTLs Conferring Fusarium Head Blight Resistance in Chinese Wheat Cultivar Jingzhou 66.  Plants-Basel, 9:   1021 doi: 10.3390/plants9081021

Zhu, Z., Hao, Y., Mergoum, M.  et al. (2019): Breeding wheat for resistance to Fusarium head blight in the Global North: China, USA, and Canada, Crop Journal , 7: 730 – 738.