PaLAR3 locus in Norway spruce genome and its link to resistance against Heterobasidion parviporum in drought stress
| Title: | PaLAR3 locus in Norway spruce genome and its link to resistance against Heterobasidion parviporum in drought stress |
| Author(s): | Hanström, Neea |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Environmental Change and Global Sustainability |
| Specialisation: | Environmental Change |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2022 |
| Abstract: |
Heterobasidion –sukuun kuuluvien patogeenisten sienten aiheuttama juurikääpäinfektio on merkittävin hävikkipuuta aiheuttava patogeeni kuusella (Picea abies) Pohjoismaissa. Kuusen genomissa leucoantosyanidini reduktaasi -entsyymiä koodaavan PaLAR3 –geenin tiedetään vaikuttavan puuyksilön resistenssiin H. parviporum -juurikääpäinfektota vastaan. Geenin lokuksessa kuusella voi olla AA, AB tai BB alleelit. B-alleelin läsnäolon kuusen PaLAR3 lokuksessa on todettu vaikuttavan kuusen entsyymituotantoon siten, että (+)-catechiini pitoisuudet ovat korkeammat juurikääpäinokulaation jälkeen niillä yksilöillä, joiden PaLAR3 lokuksesta löytyy B-alleeli. Ilmastonmuutoksen seurauksena häiriöt ja muutokset hydrologisissa kierroissa lisääntyvät, ja sään ääri-ilmiöt yleistyvät. Tämän seurauksena kuivuuden uskotaan yleistyvän etenkin pohjoisilla alueilla, lisäten patogeenien ja tuholaisten leviämisen riskiä. Metsänjalostusohjelmilla pyritään jalostamaan metsiä siten, että ne olisivat taloudellisesti tuottavia ja kannattavia tulevaisuudessakin. Tutkimalla kuusen genetiikkaa jalostusohjelmaan voidaan lisätä sellaisia yksilöitä, jotka todennäköisimmin kestävät tulevaisuuden ilmastohaasteet paremmin.
Tässä tutkielmassa tutkittiin kuivuuden vaikutusta juurikääpäinfektion leviämiseen kuusessa kuivuusstressin alaisena. Kuusten PaLAR3 geenin alleelit määritettiin ja tuloksissa tarkasteltiin inokuloidun juurikäävän aiheuttaman nekroosin pinta-alaa suhteessa alleeleihin, puiden kasteluolosuhteisiin, sekä inokuloinnissa käytettyyn juurikääpäkantaan. Tulosten valossa PaLAR3 geenin alleeleilla ei ole vaikutusta nekroosin pinta-alaan. Tilastollisen analyysin perusteella vaikutusta ei havaittu kuivuusstressistä kärsineessä, eikä normaaleissa kasteluoloissa olleessa ryhmässä. Ainoa tilastollisesti merkittävä havainto oli sen, että eri juurikääpäkannat (Hpa1 ja Hpa2) infektoivat eri tavoin. Hpa2 kannan infektiokyky vaikuttaa olevan korkeampi normaaleissa kasteluolosuhteissa. Näiden tulosten valossa metsänjalostusohjelmaan ei tulisi lisätä PaLAR3 geeniä. Tulevaisuudessa tutkimuksen tulisi pyrkiä tutkimaan eri geenien vuorovaikutuksia patogeeni-infektion alaisuudessa. Esimerkiksi kuusella myös toinen geeni (PaLAC5) on jo yhdistetty juurikääpäresistenssiin, ja sen tutkiminen yhdessä PaLAR3-geenin tuottaman entsyymitoiminnan kanssa voisi tuoda ratkaisuja tulevaisuudessa todennäköisesti pahenevaan Heterobasidion –suvun juurikääpäinfektioiden torjumiseksi.
Heterobasidion genus fungi are the most significant pathogens in Finland causing root rot. These fungi infect Norway spruce (Picea abies), causing wood deficit in the forest industry. Leucoanthosyanidin reductase enzyme encoding gene, PaLAR3, has been linked in to the resistance of Norway spruce against H.parviporum induced root rot infections. The alleles in this locus can be AA, AB or BB, and the enzyme production and (+)-catechin concentrations have been proven to be higher in inoculation experiments in individuals with B allele present in their PaLAR3 locus. Climate change is predicted to increase disturbances in not only on the hydrological cycles, but also on the weather conditions. The drought is predicted to increase in the Northern hemisphere, increasing the risk of pathogens to spread into new areas. Forest breeding programs aim to make the forests more profitable and productive in the future as well. By studying the genetics of Norway spruce, it is possible to add more resilient individuals into the breeding program, to tackle the climate challenges the future might hold.
In this Master’s thesis the spreading of the root rot infection under drought stress was studied. The PaLAR3 alleles were determined, and the area of necrosis caused by the fungal infection was compared against the alleles, watering treatments and the fungal strain used in the inoculations. Regarding the results the alleles in an individual’s PaLAR3 locus did not have any effect on the area of the necrosis. There were no statistically significant differences between the watering treatments. The only statistically significant result was that the different fungal strains’ (Hpa1 and Hpa2) infectiveness varied between different watering treatments. This is probably due to the different routes of pathogenesis. Hpa2 strain seems to be more infective in normal watering conditions. However, considering these results the PaLAR3 gene should not be added into the forest breeding program as itself. In the future, the research should focus more on gene interactions, since also other genes (e.g., PaLAC5) have been linked in the resistance against root rot infections in Norway spruce. By studying these genes together, the solutions for the deteriorating situation of the spreading of the fungal diseases could be discovered.
|
| Keyword(s): | Root rot PaLAR3 Drought Stress Heterobasidion juurikääpä kuivuusstressi |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Hanstrom_Neea_06_2022.pdf | 933.6Kb |