Schimbările climatice și influența creșterii rezistenței la boli a grâului

Schimbările climatice și influența creșterii rezistenței la boli a grâului

După cum știm toți, grâul contribuie foarte mult la securitatea alimentară globală. Dar productivitatea grâului este deja amenințată de schimbările climei, compensând astfel unele a câștigurilor de randament din reproducere și alte tehnologii tehnologice.

La nivel global, temperatura medie anuală a crescut din 1881, de câd temperatura se măsoară în mod științific, cu aproximativ 1,0 C. În unele țări din Europa, creșterea a fost de aproximativ 1,5 C, încălzirea fiind deosebit de pronunțată în toți anii secolului XXI, cu excepția anului 2010.

Previziunile schimbării sugerează că această tendință va continua, deși amploarea va depinde de emisiile de CO2 din viitor și de alte emisii de gaze cu efect de seră. Însă, cum afecetază aceste transformări culturile de grâu?

La această întrebare a căutat să răspundă un colectiv de cercetători de la Institutul de Genetică Aplicată din Danemarca, în studiul cu titlul ”Climate change will influence disease resistance breeding in wheat”.

Previziuni climatice

Pentru Europa, proiecțiile privind schimbările climatice (Jacob et al. 2014) sugerează că până la sfârşitul secolului, temperatura medie anuală a aerului ar putea crește în intervalul 1,0-4,5 C sau 2,5–5,5 C (scenariu de emisie RCP8.5),  comparativ cu 1971–2000. O creștere a temperaturii de până la 2,0 C este posibilă până la mijlocul acestui secol.

Comparativ cu perioada 1971–2000, precipitațiile medii anuale vor fi mai scăzute în sudul Europei, pentru a rămâne similare în Europa centrală și mai ridicate în nordul Europei.

În general, în majoritatea zonelor sudice și central-estice ale Europei clima va fi mai uscată și mai caldă în timpul perioadei de creștere a culturii principale de grâu, inclusiv primavara și vara. Acest lucru va crește riscul de evenimente meteorologice extreme, cum ar fi perioadele de căldură și secetă.

Deși problemele legate de bolile culturilor nu vor crește în general până la sfârșitul acestui secol, productivitatea grâului trebuie să fie protejată în special prin ameliorarea stabilitatății randamentului (Miedaner 2018). Creșterea rezistenței, de preferință multi-boală sau rezistență cu spectru larg, împotriva bolilor deja existente și emergente, este o componentă importantă printre altele (de exemplu, eficiența utilizării apei, eficiența utilizării azotului, risc scăzut de adăpostire), pentru a obține randament stabilitate.

Prin urmare, ameliorarea plantelor trebuie să se adreseze atât abioticelor (de exemplu, căldură, secetă, aglomerare, salinitatea), dar și stresului biotic, inclusiv, de exemplu, insecte dăunătoare și agenți patogeni, cum ar fi bacteriile, fitoplasme, viruși, ciuperci, oomicete și nematode.

Utilizarea soiurilor rezistente

Utilizarea de soiuri rezistente sau tolerante este ieftină, din punct de vedere al mediului sănătos și eficient, cu excepția cazului în care agenții patogeni depășesc rapid rezistența plantei. Prin urmare, stabilitatea mediului și durabilitatea rezistenței sunt cruciale.

Aici, sunt în considerare câteva efecte care pot fi cauzate de schimbările climatice:

(1) adaptarea agentului patogen populaţiilor de plante la condiţii mai calde,  rezultând o mai mare rezistență a subpopulației/rasei mai bine adaptate (rugina galbenă),

(2) reapariția vechilor dușmani din cauza temperaturilor în creștere (rugina tulpinii) și

(3) modificarea ansamblării speciilor și produse micotoxine într-un complex de boală (fuzarium, FHB).

Posibilele influențe care rezultă asupra ameliorării bolilor abordările în grâu sunt evidenţiate şi discutate, datele fiind valabile pentru unele țări ale  Europei, inclusiv Danemarca, sudul Suediei și Norvegia, Germania, Belgia, Țările de Jos, Luxemburg, nordul Franței, Irlanda, Regatul Unit, Elveția, Austria, Republica Cehă, Slovacia și vestul Poloniei, Ungaria și România.

Interacțiunile patogenilor

Pentru ca o boală să apară, un agent patogen compatibil și un susceptibil cu gazda trebuie să interacționeze în condiţiile în care mediul trebuie să fie propice pentru boală.

Factorul schimbărilor climatice în acest concept de triunghi al bolii trebuie să fie văzut pe larg, deoarece include pe lângă termenul lung și condițiile climatice dar și alți factori de mediu, de exemplu, tipul de sol, biomul subteran și suprateran și condiţii meteorologice extreme predominante pe termen scurt, deoarece ele influenţează foarte mult şi interacţiunile plantă-patogen.

Din fericire, fermierul poate influența această interacțiune prin utilizarea unui soi rezistent la boli, dacă este disponibil, sau prin consolidarea aptitudinii plantei gazdă folosind aporturi adecvate de îngrășăminte și irigații.

Însă, schimbările climatice pot afecta direct și indirect agenții patogeni si bolile respective. O schimbare, cum ar fi precipitațiile alterate, pot avea ca rezultat diferite modificări legate de grâu induse de agenți patogeni care includ în general:

(1) distribuția geografică (de exemplu, extinderea sau retragerea ariei și risc crescut a invaziei agenților patogeni),

(2) fenologie sezonieră (de exemplu, coincidență a evenimentelor ciclului de viață al patogenilor cu creșterea plantei gazdă stadii și/sau antagoniști/sinergiști naturali) și

(3) populație dinamică (de exemplu, iernarea și supraviețuirea plantei, durata perioadei de latență, numărul de generații a agenților patogeni policiclici). Acest lucru poate duce în cele din urmă la modificarea incidenței și severitatății bolii la o anumită zonă cultivată.

Ciclul de viață al agenților patogeni

În general, toate etapele importante ale ciclului de viață ale agenților patogeni fungici (supraviețuire, reproducere, inclusiv importanța modificată a proceselor sexuale vs. asexuate și dispersare), sunt mai mult sau mai puțin influențate direct de temperatură, umiditate, calitatea luminii/ cantitate și vânt.

Agenții patogeni sunt deosebit de sensibili la temperatură. De exemplu, perioadele de incubație și de latență va fi mai scurtă din cauza încălzirii (până la temperatura supraoptimă, când vor fi atinse condițiile), rezultând mai multe generații de agenți patogeni policiclici pe perioadă de creștere (Wojtowicz et al. 2017).

Dar acest lucru poate fi contracarat printr-o scădere în disponibilitatea umidității pentru infecții secundare de succes a agenților patogeni policiclici. Pe de altă parte, toleranța la temperatură a subpopulațiilor se poate dezvolta din cauza schimbărilor climatice sau pentru că au o capacitate ridicată de a migra cu succes în noi locații geografice care se confruntă deja cu condiții mai calde (Chakraborty 2013).

Efectele indirecte sunt mediate prin fiziologia plantă-gazdă și/sau adaptări ale managementului culturilor determinate de schimbările climatice, precum introducerea irigaţiilor, desfiinţarea operațiunii de întoarcere a solului pentru realizarea agriculturii de conservare, și date de semănat decalate, de exemplu, din cauza accelerației dezvoltării culturilor.

Temperaturi medii mai calde ale aerului în unele țări din Europa, mai ales la începutul primăverii de la sfârșitul anilor 1980, au condus deja la avansarea fazelor fenologice a culturilor de câmp, cum ar fi începutul mai devreme al alungirii tulpinii și înflorire (Chmielewski și colab. 2004).

Din fericire, momentul de înflorire poate fi manipulat de fermieri într-o anumită măsură prin ajustarea datelor de semănat și/ sau folosind soiuri cu modele diferite de coacere (timpurie vs. târziu). În consecință, producătorii de semințe trebuie să continue livrarea de soiuri de grâu adecvate și adaptate, asistând fermierii pentru a gestiona schimbările determinate de schimbările climatice, fie ele directe sau indirect.

Condițiile de mediu

Condițiile de mediu pot afecta rezistența la boli (Duveiller et al. 2007), prin modul în care planta gazdă a fost slăbită, fiind posibil ca agentul patogen să fi fost consolidat sau funcția unei anumite gene de rezistență ar fi putea fi influențată. De exemplu, rezistența la o boală poate depinde de temperatură și intensitatea luminii (Chakraborty și colab. 2011). De asemenea, stresul apei poate influența exprimarea rezistenței (Bidzinski şi colab. 2016).

Din pacate, nu există multe cunoștințe specifice și aprofundate disponibile asupra acestui aspect important. Una dintre primele întrebări ar putea fi dacă tipul de rezistență poate fi important. Pentru rezistență, probabil, doar unui număr mic de gene au o funcție dependentă de temperatură, deoarece expresia genelor majore eficiente este destul de stabilă peste medii.

Pentru rezistenţă cantitativă, este bine stabilit că clasamentul de genotipuri s-ar putea schimba foarte mult din cauza site-ului specific și efecte asupra mediului.  Astfel, se pare că este mai probabil ca seceta și stresul termic să influențeze exprimarea acestuia.

Cu toate acestea, se poate presupune că stresul abiotic nu contracarează complet rezistența cantitativă, ci doar scade gradul de rezistenţă. Fundalul este că, de obicei, multe gene minore contribuie la rezistența cantitativă fiind foarte puțin probabil ca toate genele minore (sau QTL-urile), să fie similare sensibile la temperatură, deși există o lipsă de cercetare pentru a susține această presupunere.

Un motiv ar putea fi că așa-numitele efecte cantitative cauzate de temperatură sau secetă sunt greu de demonstrat experimental, spre deosebire de unul calitativ reacție (da sau nu), mai ales în condiții de teren, deoarece condiţiile de stres abiotic pot nu numai să afecteze mecanismele de rezistență, dar și fiziologia generală a gazdei și creșterea și agresivitatea agenților patogeni în cadrul plantei.

Modificarea importanței relative a fungilor

În unele părți ale Europei, grâul este afectat economic de zeci de boli fungice. Practic, temperaturile mai calde favorizează majoritatea speciilor de ciuperci până la pragul superior de temperatură (Racca et al. 2011). În orice caz, disponibilitatea apei ar putea fi o limitare în viitor.

Unii agenți patogeni, cum ar fi ciuperca Zymoseptoria, la triticale, sunt dependenți de mai multe și considerabile precipitații și o fază de rouă lungă. În consecință,  perioada vegetativă de creștere a grâului în timpul primăverii ajunge în cele din urmă să afecteze randamentul superior al frunzelor.

În schimb, altele, cum ar fi multe specii de Fusarium, pot avea nevoie doar de un singur eveniment de precipitații de aproximativ 2–3 mm în timpul înfloririi, provocând ulterior Fusarium sever (FHB), inclusiv contaminarea cu micotoxine pe soiuri sensibile. Alți patogeni au nevoie doar de rouă peste noapte, precum Puccinia triticina, provocând ulterior rugina frunzelor.

Pe de altă parte, FHB de grâu și ruginile de grâu vor profita mai mult de pe urma încălzirii globale din nordul Europei decât STB, deoarece sunt mai puțin dependente de frecvențe și evenimente relative de precipitații mari, estimate a fi mai puțin frecvente în viitor.

Acest tip de speculații bazate pe cunoștințe legate de importanța viitoare a bolilor grâului (revizuit de Juroszek și von Tiedemann 2013a), sunt în acord cu majoritatea studiilor de simulare, unde modelul bolii la grâu este condus de scenarii privind schimbările climatice și risc de boală bazat pe ecuații matematice.

Simularea evoluției bolilor

Cu toate acestea, rezultatele simulării riscului bolii depind de mulți factori, inclusiv, de exemplu, de:

(1) modelul specific de boală al plantelor,

(2) specificul scenariului privind schimbările climatice și

(3) reducerea specifică la metoda folosită.

Nu în ultimul rând, este important care locații specifice au fost luate în considerare în cursele modelului (de exemplu, zone joase vs. munți, nord vs. sud), deși zonele studiate sunt situate în aceeași țară (Launay et al. 2020).

Oricum, același lucru este valabil și pentru obiectivele de reproducere şi cerinţele care, de obicei, trebuie de asemenea ajustate şi adaptate la locul specific de cultivare din aceeași țară.

Prin urmare, nu este surprinzător faptul că STB este proiectat să crească în unele țări, în timp ce se preconizează că aceeași boală va scădea în altele sau că praful de mucegai din grâu este proiectat să crească în nord, în timp ce se preconizează că va scădea în sud.

Aceste rezultate se bazează pe materiale și metode diferite. Prin urmare, este riscant pentru amelioratorii de plante să deseneze concluzii pe doar câteva studii de simulare legate de o anumită boală a plantelor, rezultând, probabil, creșterea incidenței și severitatea ruginii frunzelor de grâu în acest secol în țările din Europa menționate mai sus.

Alegerea grâului de cultivat

Cu toate acestea, în general, este necesară prudență, deoarece datele despre modelele de boli ale plantelor din trecut și utilizate în prezent pot fi învechite. Însă, un studiu (Gouache et al. 2011) a luat în considerare alegerea grâului în funcție de data recoltei (devreme vs. cultivare târzie în curs de maturizare), pentru a scăpa de impactul sever al bolii la sfârșitul perioadei de cultivare a grâului.

La rândul ei, rugina frunzelor de grâu este simulată pentru a fi favorizată cu mare încredere în opt simulări de schimbări climatice. Rezistenţa la reproducerea ruginei frunzelor este însă foarte solicitantă, deoarece rezistența moștenită monogen în toate etapele răsadului o dau genele cunoscute pentru a deveni ineficiente, adesea într-un timp scurt, din cauza dezvoltării rapide a virulentelor rase de P. triticina.

Deși genele de rezistență specifice rasei Lr9, Lr19 și Lr24 sunt încă eficiente în Europa (Serfling et al. 2013), soiurile nou înregistrate devin destul de repede sensibile la rugina frunzelor (Laidig et al. 2020). Astfel, s-a propus folosirea de gene care conferă rezistență plantelor adulte (APR), pt exemplul Lr34, Lr46, Lr67 sau Lr68, pentru reproducere practică (Singh et al. 2011b; Spielmeyer et al. 2013).

Aceste gene, cu excepția Lr68, sunt de asemenea eficiente împotriva mai multor alți agenți patogeni și au fost dovedite a fi durabile. Gena Lr34, de exemplu, oferă parțial rezistență la toate cursele cunoscute de rugina frunzelor, fiind cât se poate de eficientă.

De asemenea, gena Sr2/Yr30, strâns legată de gena Lr27, aparține acestei clase de gene APR parțiale, pleiotrope. Combinațiile de 4-5 dintre astfel de gene au ca rezultat de obicei un mare nivel de rezistență. În germoplasma CIMMYT îmbunătățită apare o diversitate mare pentru rezistența plantelor adulte. Cu toate acestea, doar relativ puține gene sunt caracterizate în detaliu (Singh et al. 2011b).

Prin urmare, o combinație de mai multe gene diferite este o strategie care îmbunătățește rezistența la rugina frunzelor la grâu. De exemplu, au fost raportate 144 QTL unice care au dus la 35 meta-QTL atunci când este proiectat pe harta de referință a grâului (Soriano și Royo 2015).

Cinci provocări

Revizuirea evidențiază mai multe provocări pentru rezistență, în condițiile schimbărilor climatice globale:

(1) creșterea riscului de boli, cum ar fi rugina frunzelor și FHB,

(2) reapariția vechilor inamici, cum ar fi rugina tulpinii,

(3) agenți patogeni foarte adaptabili, cum ar fi P. striiformis,

4) apariția unor agenți patogeni noi, dar necunoscuți,

(5) modificări în Complexe de specii Fusarium, unde cel puțin un individ speciile vor avea condiții de mediu adecvate, indiferent de condițiile meteorologice predominante.

În plus, din punct de vedere fungicid, trebuie luat în considerare faptul că sunt eliberate mai puține fungicide cu un nou mod de acțiune iar creșterea temperaturilor ar putea, de asemenea, să accelereze rezistența la dezvoltarea agenților patogeni împotriva fungicidelor.

Reproducerea modelelor

Toate aceste probleme actuale și viitoare vor contribui la o depășire importantă a reproducerii modelelor. În viitor, soiurile de grâu cu rezistențe durabile la multi-boli sunt necesare în condiții extreme de mediu, cum ar fi căldura și seceta.

Transferul genelor și editarea genomului ar ajuta foarte mult pentru cotracararea acelor boli în care nu sunt disponibile rezistențe native în materiale de reproducție de elită (revizuit de Sánchez-Martin și Keller 2019).

În special, atunci când sunt aplicate noi metode care permit o clonare a genelor mai rapidă decât oricând înainte (revizuit de Hatta et al. 2019), editarea genomului ar fi benefică pentru o reacție mai rapidă a fermierilor la o lume în schimbare, pentru că timpul contează.

Pe termen scurt, rezistența genomică asistată și reproducerea pe distanță va ajuta la screeningul populațiilor mai mari de grâu pentru aceleași costuri (Miedaner et al. 2020b). Acest model se va aplica în special atunci când donatorii de rezistență nu sunt adaptați iar procesul de integrare este realizat.

Întrebarea dacă o reducere a rezistenței la boli din cauza condițiilor de mediu în schimbare a fost legat de modificarea climei plantei, întărirea agentului patogen sau o expresie modificată a unui anumit gen de rezistență, este dificil de răspuns. Totuși, din ce în ce mai mult, cercetătorii încearcă să rezolve această ghicitoare folosind tehnici inovatoare de analiză în laborator.

Acum, sunt disponibile rezultate preliminare referitoare la stresul de temperatură care arată că genele de rezistență specifice au fost influențate, dar cunoașterea dacă stresul hidric poate afecta acţiunea genelor specifice de rezistenţă lipseşte cu desăvârşire în studiul grâului.

Prin urmare, abordările de cercetare adecvate sunt necesare, inclusiv cercetările aprofundate asupra efectului climei și modificarea rezistenței cantitative la boli. A rezuma, grâul este o plantă model ideală pentru a continua cercetările în profunzime.

Însă, accentul nu trebuie să rămână în principal pe genele de rezistență la rugină și stresul termic al acestora, dar ar trebui extinsă la alte gene, importante din punct de vedere economic, de exemplu, rugina frunzelor, rugina tulpinii și FHB și ar trebui să includă și sensibilitatea la stresul hidric, deși vor avea loc probabil interacțiuni complexe.

infoFERMA Magazin