Narůstající lidská populace spolu se změnou klimatu představují výzvu vzhledem k nutnosti uspokojit rostoucí požadavky na produkci plodin, které jsou zdrojem naší obživy. Obiloviny zahrnující i pšenici, nejrozšířenější plodinu na světě, mají pro zajištění dostatku potravin klíčový význam. Jejich produkce je ohrožena mimo jiné různými původci biotického stresu. Houbový patogen Blumeria graminis způsobuje chorobu obilovin známou jako "padlí", která může vést k významnému snížení výnosu. Dosud převažující kontrolní opatření spočívají v aplikaci fungicidů a ve využití rasově specifických genů rezistence (R geny) v pěstovaných kultivarech. Tyto strategie však úplně nesplňují požadavky na udržitelnou a trvalou ochranu plodin. Přestože je využití rezistence vůči chorobám velmi žádoucí, je nutné hledat zdroje trvalé rezistence, případně vhodně kombinovat R geny.
Tato práce stručně shrnuje současné poznatky o interakcích hostitele a patogenu s důrazem kladeným na patosystém obilovin a padlí travního. V první řadě obsahuje obecné informace o studovaných organismech a zvláště o jejich genomech. Dále se práce zabývá různými typy interakcí hostitele a patogenu, které vedou k rezistenci. Kromě toho jsou zde probrány i nejdůležitější aspekty přístupů, které jsou v současnosti používány pro identifikaci interagujících komponent.
Na uvedená teoretická východiska následně navazují dva prezentované výzkumné projekty. První z nich se zabývá hostitelskou rostlinou, v tomto případě pšenicí. Vzhledem ke zúžené genetické základně moderních kultivarů jsou introgrese z příbuzných druhů cenným zdrojem genetické diverzity. Za tímto účelem byl do chromozomového ramene 4AL pšenice seté přenesen lokus pocházející z tetraploidního druhu Triticum militinae poskytující kvantitativní rezistenci k padlí travnímu. Hlavním cílem tohoto projektu bylo poziční klonování zodpovědného genu/genů, které umožní objasnit mechanismus této částečné, širokospektrální rezistence a usnadní její využití při šlechtění. Druhý z projektů řešený paralelně byl pak zaměřen na genetickou diverzitu patogenu a na soubor jeho efektorů avirulence. Výsledky tohoto výzkumu nabízí slibnou perspektivu udržitelné strategie rezistence k padlí travnímu obilovin založenou na znalosti populace patogenu. Kromě toho poznatky získané v rámci obou projektů přispívají k našemu porozumění složité problematiky interakcí hostitele a patogenu a odolnosti vůči chorobám.
Anotace v angličtině
Increasing human population along with climate change represent a challenge to meet growing demand of food crop production. Cereals including wheat, the most widely cultivated crop, have a major importance in global food security. Apart from other factors, production is threatened by diverse biotic stress agents. Fungal pathogen Blumeria graminis causes a powdery mildew disease on cereals which can result in significant yield losses. To date, control measures have consisted predominantly in application of fungicides or deployment of major resistance (R) genes in grown cultivars. However, these strategies do not fully meet requirements for sustainable and durable crop protection. Although employing disease resistance is highly desirable, it is necessary to seek durable sources of resistance or to rationally deploy appropriate combinations of R genes.
This thesis presents a concise summary of state-of-the-art knowledge on plant-pathogen interactions with emphasis laid on the pathosystem of cereals and powdery mildew fungus. First, it contains general information about studied organisms and especially about their genomes. Second, it deals with different types of plant-pathogen interactions resulting in resistance and finally, the most important aspects of current approaches used for identification of interacting components are discussed.
As a follow-up to the provided theoretical background, two research projects are presented. The first one was conducted on host plant represented by bread wheat. Due to the limited gene pool of modern elite cultivars, introgressions from related species have been acknowledged as a rich source of genetic diversity. A powdery mildew resistance QTL had been therefore previously introgressed from tetraploid Triticum militinae to T. aestivum chromosome arm 4AL. The main goal of this project was map-based cloning of underlying gene(s) to elucidate mechanism of this partial, broad-spectrum resistance and facilitate its deployment in breeding. Additionally, the second project focusing on the pathogen genetic diversity and the repertoire of its avirulence effectors was addressed in parallel. The results of this research offer a promising perspective of pathogen-informed strategies for sustainable powdery mildew resistance in cereals. Moreover, findings acquired within both projects contribute to our knowledge on the complex problematics of plant-pathogen interactions and disease resistance.
Narůstající lidská populace spolu se změnou klimatu představují výzvu vzhledem k nutnosti uspokojit rostoucí požadavky na produkci plodin, které jsou zdrojem naší obživy. Obiloviny zahrnující i pšenici, nejrozšířenější plodinu na světě, mají pro zajištění dostatku potravin klíčový význam. Jejich produkce je ohrožena mimo jiné různými původci biotického stresu. Houbový patogen Blumeria graminis způsobuje chorobu obilovin známou jako "padlí", která může vést k významnému snížení výnosu. Dosud převažující kontrolní opatření spočívají v aplikaci fungicidů a ve využití rasově specifických genů rezistence (R geny) v pěstovaných kultivarech. Tyto strategie však úplně nesplňují požadavky na udržitelnou a trvalou ochranu plodin. Přestože je využití rezistence vůči chorobám velmi žádoucí, je nutné hledat zdroje trvalé rezistence, případně vhodně kombinovat R geny.
Tato práce stručně shrnuje současné poznatky o interakcích hostitele a patogenu s důrazem kladeným na patosystém obilovin a padlí travního. V první řadě obsahuje obecné informace o studovaných organismech a zvláště o jejich genomech. Dále se práce zabývá různými typy interakcí hostitele a patogenu, které vedou k rezistenci. Kromě toho jsou zde probrány i nejdůležitější aspekty přístupů, které jsou v současnosti používány pro identifikaci interagujících komponent.
Na uvedená teoretická východiska následně navazují dva prezentované výzkumné projekty. První z nich se zabývá hostitelskou rostlinou, v tomto případě pšenicí. Vzhledem ke zúžené genetické základně moderních kultivarů jsou introgrese z příbuzných druhů cenným zdrojem genetické diverzity. Za tímto účelem byl do chromozomového ramene 4AL pšenice seté přenesen lokus pocházející z tetraploidního druhu Triticum militinae poskytující kvantitativní rezistenci k padlí travnímu. Hlavním cílem tohoto projektu bylo poziční klonování zodpovědného genu/genů, které umožní objasnit mechanismus této částečné, širokospektrální rezistence a usnadní její využití při šlechtění. Druhý z projektů řešený paralelně byl pak zaměřen na genetickou diverzitu patogenu a na soubor jeho efektorů avirulence. Výsledky tohoto výzkumu nabízí slibnou perspektivu udržitelné strategie rezistence k padlí travnímu obilovin založenou na znalosti populace patogenu. Kromě toho poznatky získané v rámci obou projektů přispívají k našemu porozumění složité problematiky interakcí hostitele a patogenu a odolnosti vůči chorobám.
Anotace v angličtině
Increasing human population along with climate change represent a challenge to meet growing demand of food crop production. Cereals including wheat, the most widely cultivated crop, have a major importance in global food security. Apart from other factors, production is threatened by diverse biotic stress agents. Fungal pathogen Blumeria graminis causes a powdery mildew disease on cereals which can result in significant yield losses. To date, control measures have consisted predominantly in application of fungicides or deployment of major resistance (R) genes in grown cultivars. However, these strategies do not fully meet requirements for sustainable and durable crop protection. Although employing disease resistance is highly desirable, it is necessary to seek durable sources of resistance or to rationally deploy appropriate combinations of R genes.
This thesis presents a concise summary of state-of-the-art knowledge on plant-pathogen interactions with emphasis laid on the pathosystem of cereals and powdery mildew fungus. First, it contains general information about studied organisms and especially about their genomes. Second, it deals with different types of plant-pathogen interactions resulting in resistance and finally, the most important aspects of current approaches used for identification of interacting components are discussed.
As a follow-up to the provided theoretical background, two research projects are presented. The first one was conducted on host plant represented by bread wheat. Due to the limited gene pool of modern elite cultivars, introgressions from related species have been acknowledged as a rich source of genetic diversity. A powdery mildew resistance QTL had been therefore previously introgressed from tetraploid Triticum militinae to T. aestivum chromosome arm 4AL. The main goal of this project was map-based cloning of underlying gene(s) to elucidate mechanism of this partial, broad-spectrum resistance and facilitate its deployment in breeding. Additionally, the second project focusing on the pathogen genetic diversity and the repertoire of its avirulence effectors was addressed in parallel. The results of this research offer a promising perspective of pathogen-informed strategies for sustainable powdery mildew resistance in cereals. Moreover, findings acquired within both projects contribute to our knowledge on the complex problematics of plant-pathogen interactions and disease resistance.
Cíle disertační práce:
1. Zpracování literární rešerše na téma disertační práce
2. Poziční klonování genu rezistence pšenice vůči padlí travnímu v lokusu QPm.tut-4A: využití BAC kontigů pro odvozování nových molekulárních markerů a jejich integraci do mapy, rozšíření mapovací populace a identifikace markerů v těsné vazbě na QPm.tut-4A, konstrukce radiačního hybridního panelu pro vysokohustotní mapování, konstrukce fyzické mapy oblasti, sekvenování MTP fyzické mapy a identifikace kandidátních genů
3. Vývoj panelu markerů pro genotypování a molekulární charakterizaci izolátů Blumeria graminis f. sp. hordei za účelem studia jejich diverzity, sekvenování genomu vybraných izolátů, bioinformatická analýza sekvencí zaměřená na identifikaci potenciálních efektorů zapojených do interakcí s hostitelem.
4. Zpracování výsledků, jejich interpretace a publikace
Zásady pro vypracování
Cíle disertační práce:
1. Zpracování literární rešerše na téma disertační práce
2. Poziční klonování genu rezistence pšenice vůči padlí travnímu v lokusu QPm.tut-4A: využití BAC kontigů pro odvozování nových molekulárních markerů a jejich integraci do mapy, rozšíření mapovací populace a identifikace markerů v těsné vazbě na QPm.tut-4A, konstrukce radiačního hybridního panelu pro vysokohustotní mapování, konstrukce fyzické mapy oblasti, sekvenování MTP fyzické mapy a identifikace kandidátních genů
3. Vývoj panelu markerů pro genotypování a molekulární charakterizaci izolátů Blumeria graminis f. sp. hordei za účelem studia jejich diverzity, sekvenování genomu vybraných izolátů, bioinformatická analýza sekvencí zaměřená na identifikaci potenciálních efektorů zapojených do interakcí s hostitelem.
4. Zpracování výsledků, jejich interpretace a publikace
Seznam doporučené literatury
Bourras, S., McNally, K. E., Ben-David, R., Parlange, F., Roffler, S., Praz, C. R., Oberhaensli, S., Menardo, F., Stirnweis, D., Frenkel, Z., Schaefer, L. K., Fluckiger, S., Treier, G., Herren, G., Korol, A. B., Wicker, T., Keller, B. (2015): Multiple Avirulence Loci and Allele-Specific Effector Recognition Control the Pm3 Race-Specific Resistance of Wheat to Powdery Mildew. Plant Cell 27: 2991-3012.
Jakobson, I., Peusha, H., Timofejeva, L., Järve, K. (2006): Adult plant and seedling resistance to powdery mildew in a Triticum aestivum x Triticum militinae hybrid line. Theoretical and Applied Genetics 112: 760-769.
Jakobson, I., Reis, D., Tiidema, A., Peusha, H., Timofejeva, L., Valárik, M., Kladivová, M., Šimková, H., Doležel, J., Järve, K. (2012): Fine mapping, phenotypic characterization and validation of non-race-specific resistance to powdery mildew in a wheat-Triticum militinae introgression line. Theoretical and Applied Genetics 125: 609-623.
Parlange, F., Roffler, S., Menardo, F., Ben-David, R.,Bourras, S.,McNally, K. E., Oberhaensli, S., Stirnweis, D.,Buchmann, G., Wicker, T., Keller, B. (2015): Genetic and molecular characterization of a locus involved in avirulence of Blumeria graminis f. sp tritici on wheat Pm3 resistance alleles. Fungal Genetics and Biology 82: 181-192.
Seznam doporučené literatury
Bourras, S., McNally, K. E., Ben-David, R., Parlange, F., Roffler, S., Praz, C. R., Oberhaensli, S., Menardo, F., Stirnweis, D., Frenkel, Z., Schaefer, L. K., Fluckiger, S., Treier, G., Herren, G., Korol, A. B., Wicker, T., Keller, B. (2015): Multiple Avirulence Loci and Allele-Specific Effector Recognition Control the Pm3 Race-Specific Resistance of Wheat to Powdery Mildew. Plant Cell 27: 2991-3012.
Jakobson, I., Peusha, H., Timofejeva, L., Järve, K. (2006): Adult plant and seedling resistance to powdery mildew in a Triticum aestivum x Triticum militinae hybrid line. Theoretical and Applied Genetics 112: 760-769.
Jakobson, I., Reis, D., Tiidema, A., Peusha, H., Timofejeva, L., Valárik, M., Kladivová, M., Šimková, H., Doležel, J., Järve, K. (2012): Fine mapping, phenotypic characterization and validation of non-race-specific resistance to powdery mildew in a wheat-Triticum militinae introgression line. Theoretical and Applied Genetics 125: 609-623.
Parlange, F., Roffler, S., Menardo, F., Ben-David, R.,Bourras, S.,McNally, K. E., Oberhaensli, S., Stirnweis, D.,Buchmann, G., Wicker, T., Keller, B. (2015): Genetic and molecular characterization of a locus involved in avirulence of Blumeria graminis f. sp tritici on wheat Pm3 resistance alleles. Fungal Genetics and Biology 82: 181-192.