Studies on the histology of partial resistance in barley to leafrust, Puccinia hordei

In de gerst (Hordeum vulgare) - dwergroest (Puccinia hordei) relatie zijn twee typen van resistentie te onderscheiden, namelijk overgevoeligheidsresistentie en partiële resistentie. Deze typen kunnen beschouwd worden als voorbeelden van Van der Plank's verticale en horizontale resistentie respectievelijk. Laatstgenoemd type is vermoedelijk beduidend duurzamer dan de overgevoeligheidsresistentie, maar over het mechanisme dat aan partioble resistentie ten grondslag ligt is nog maar zeer weinig bekend.

Partiële resistentie (PR) wordt gekenmerkt door een verminderde epidemie opbouw in het veld ondanks een vatbaar reactietype tussen waard en pathogeen. uit macroscopisch onderzoek is gebleken dat een lange ontwikkelingsduur van de schimmel, een lage infectiedichtheid en een lage sporenproduktie per urediosorus de belangrijkste componenten van PR zijn.

Onderzoek naar de histologische achtergrond van de lage infectiedichtheid in partieel resistente genotypen vormt het onderwerp van de eerste twee artikelen van dit proefschrift. In de laatste drie artikelen wordt door middel van histologisch onderzoek PR vergeleken met overgevoeligheidsresistentie en met de niet-waard reactie.

Het eerste artikel betreft een onderzoek naar de appressorium vorming door P.hordei op zaailingen van de zeer vatbare gerstlijn L94 en van 11 gerstlijnen die een matig tot hoog niveau van PR bezaten. De 11 weinig vathare gerstlijnen uit deze studie bleken niet reproduceerbaar te verschillen van L94 in het aantal door appressoria bezette huidmondjes per vierkante centimeter bladoppervlak. Dit wijst erop dat infectiedichtheidsverschillen ten gevolge van PR veroorzaakt worden door mechanismen die werken na de appressoriumvorming. Het bleek dat zelfs op de niet-waardsoort tarwe, waarop P. hordei g een symptomen veroorzaakt, niet minder appressoria werden gevormd dan op L94. Gerst en tarwe hebben een soortgelijke epidermisstructuur welke waarschijnlijk de stimuli verschaft die de schimmel in staat stellen de huidmondjes te vinden en er appressoria op te vormen. Op een sla genotype trad geen appressoriumvorming op. op deze niet-waardsoort, met een epidermisstructuur die sterk verschilt van die van Gramineae, onthreken waarschijnlijk de stimuli die de schimmel in staat stellen huidmondjes te vinden.

In een onderzoek beschreven in het tweede artikel werd gebruik gemaakt van fluorescentie microscopie om de ontwikkeling van P.hordei in zaailingen van partieel resistentie gerstlijnen te bestuderen. Het bleek dat de infectiedichtheidsverschillen tussen de partieel resistente genotypen en de zeer vathare L94 berusten op verschillen in frequentie van "vroege abortie" van P.hordei kolonies. Deze vorm van abortie trad op wanneer 66n tot zes haustoriummoedercellen waren gevormd. Vroege abortie in partieel resistente lijnen ging slechts zelden samen met necrose van mesophyl cellen in de waard. Er werd aangetoond dat ook verschillen in aggressiviteit tussen dwergroest isolaten hoofdzakelijk berusten op verschillen in frequentie van vroege abortie. Het feit dat een hoge frequentie van vroege abortie werd gevonden in verscheidene niet verwante gerstgenotypen wijst erop dat het mechanisme dat aan PR ten grondslag ligt, deel uitmaakt van een algemeen in gerst voorkomend systeem.

Het effect van genen voor PR werd vervolgens bestudeerd bij aanen afwezigheid van genen voor overgevoeligheid (derde artikel). Het bleek dat de vroege abortie ten gevolge van PR niet alleen optrad bij afwezigheid van een overgevoeligheidsreactie maar ook bij overgevoeligheid ten gevolge van het resistentiegen Pa7. Ook het vertragende effect van PR genen op de schimmelgroei bleef merkbaar bij aanwezigheid van Pa7. Wanneer een overgevoeligheidsreactie ten gevolge van het Pa3 gen optrad, waren de effecten van PR genen minder duidelijk waarneembaar. De reactie van Pa3 is veel eerder in het infectieproces waarneembaar dan die van Pa7. Pa3 veroorzaakt evenals PR genen abortie van een belangrijk deel van de kolonies direct na de vorming van 66n tot zes haustoriummoedercellen. Een belangrijk verschil tussen de vroege abortie door PR genen en het Pa3 gen is dat de abortie in het laatste geval geassocieerd is met necrose van waardcellen.

Het onderzoek beschreven in het vierde artikel toonde aan dat er een grote overeenkomst bestaat in histologie van de PR reactie en de niet-waard reactie bij dwergroest en bruine roest in gerst en tarwe. Beide reacties werden gekarakteriseerd door een hoge frequentie van vroege abortie met weinig of geen necrose van mesophylcellen. Bij P. hordei op tarwe en P. recondita secalis op gerst bestond de niet-waard reactie uit een vroege abortie van vrijwel alle kolonies. P. recondita tritici was, ondanks een hoge frequentie van vroege abortie, in staat tot reproductie te komen op vier gerstlijnen met een zeer laag niveau van PR tegen P. hordei , maar niet op vier lijnen met een hoog niveau van PR. Mogelijk gaat een laag niveau van PR tegen P. hordei samen met een minder effectieve nietwaard reactie tegen P. recondita tritici .

Onderzoek naar de haustoriumvorming door P.hordei in vathare, partieel resistente en overgevoelige gerst zaailingen en de nietwaardsoort tarwe (vijfde artikel) bevestigde de overeenkomst tussen de PR en niet-waard reacties. Bij beide afweersystemen bleek vroege abortie geassocieerd te zijn met een mislukken van de haustoriumvorming zonder necrose van de mesophylcel. De vroege abortie met necrose ten gevolge van het Pa3 overgevoeligheidsgen bleek op te treden kort na de vorming van het eerste haustorium.

Uit de studies kan geconcludeerd worden dat PR en overgevoeligheidsresistentie essentieel verschillende afweersystemen zijn. PR is, evenals de niet-waard reactie, voornamelijk een llpre-haustorium incompatibiliteitll, overgevoeligheidsresistentie een "post-haustorium incompatibiliteit". Men neemt wel aan dat overgevoeligheidsgenen werken binnen een systeem dat gesuperponeerd is op een basis resistentie-pathogeniteitssysteem. De niet-waard reactie zou berusten op een niet-herkenningsreactie in dit basis systeem. De resultaten van het onderzoek waarop dit proefschrift is gebaseerd wijzen erop dat PR genen behoren tot het basis resistentie-pathogeniteitssysteem.