Zmena tvaru zrna pri infekcii pšenice hrdzou plevovou

Morfologický popis semien, resp. zŕn sa využíva najmä pri štúdiu génov, pri šľachtení nových odrôd, pri identifikácii druhov alebo aj pri uchovávaní genetických zdrojov v génových bankách. Tieto charakteristiky však možno využiť aj v iných oblastiach výskumu v rastlinnej výrobe.

 

K zmenám vo veľkosti, tvare, farbe a hmotnosti semien v rámci odrody dochádza pôsobením rôznych biotických aj abiotických faktorov počas vývinu, rastu a dozrievania, prípadne neskôr počas skladovania. Môžu byť výsledkom akýchkoľvek zmien vývoja v „normálnom“ prostredí alebo vzniknú ako odpoveď rastlín na zmeny environmentálnych podmienok.

Technicky vzaté, údaje pre morfologickú analýzu semien je možné získať dvoma cestami. Najjednoduchšie je manuálne odmerať dĺžku a šírku jednotlivých semien pomocou posuvného meradla. Tento spôsob je však časovo veľmi náročný a má obrovské limity jednak v počte meraní, ale najmä v ich kvalite a príliš širokej variabilite. Protikladom sú výpočtové metódy, ktoré využívajú technológiu digitálneho zobrazovania a spracovania obrazu. Umožňujú na snímkach automaticky merať rôzne parametre, dokonca aj pri veľmi malých semenách alebo vzorkách s vysokým počtom semien.

Tento spôsob bol použitý pri vyhodnotení poľného pokusu s pšenicou letnou f. ozimnou. Cieľom bolo posúdiť zmeny základných parametrov zŕn pri rôznych úrovniach napadnutia hrdzou plevovou (Puccinia striiformis).

Maloparcelkový poľný pokus bol založený na jeseň roku 2019 v Borovciach na Výskumnom pracovisku NPPC – VÚRV. Obsahoval 5 základných variantov, ktoré boli všetky vystavené len aktuálnemu a prirodzenému infekčnému tlaku hrdzí v danej lokalite a vzájomne sa líšili rôznou úrovňou aplikácie fungicídov (tab. 1). Do obrazovej analýzy a hodnotenia boli dodatočne zahrnuté ešte ďalšie dva varianty, ktoré boli v rovnakých agroekologických podmienkach navyše umelo inokulované hrdzou plevovou vo fáze prvého kolienka (3. 4. 2020).

 

Tab. 1: Aplikácia fungicídov.

Variant	Inokulácia	BBCH 31-32	BBCH 33-37	BBCH 45-51	BBCH 65
V1	nie	–	–	–	–
V2	nie	Comet PRO 0,6 l.ha-1	Balaya 0,75 l.ha-1	Elatus ERA 0,5 l.ha-1	Horizon 250 EW 0,5 l.ha-1
V3	nie	Comet PRO 0,3 l.ha-1	Balaya 0,375 l.ha-1	Elatus ERA 0,25 l.ha-1	Horizon 250 EW 0,25 l.ha-1
V4	nie	Kumulus WG 7 kg.ha-1	Serenade ASO 4 l l.ha-1	Kumulus WG 7 kg.ha-1	Serenade ASO 4 l.ha-1
V5	nie	–	–	–	Horizon 250 EW 0,5 l.ha-1
V6	áno	–	–	–	–
V7	áno	–	–	–	–

 

Pred sejbou bolo realizované základné hnojenie NPK 15-15-15 v dávke 260 kg.ha^-1 a plytké obrobenie pôdy kompaktorom. Odroda PS Sunanka (vyšľachtená na VŠS Vígľaš-Pstruša) bola vysiata 15. 10. 2019. Na jar boli porasty prihnojené LAV v dávke 200 kg.ha^-1 (10. 3. 2020) a 230 kg.ha^-1 (26. 3. 2020). Začiatkom apríla bolo paušálne aplikované herbicídne ošetrenie proti dvojklíčnolistovým druhom burín s účinnými látkami fluorasulan, 2,4D (ethyhexylester), aminopyralid a clopyralid.

Na variante V2 (tab. 1 a 2) boli počas vegetácie aplikované plné dávky štyroch rôznych fungicídnych prípravkov v rozsahu štyroch aplikácií. Variant V3 mal dávku všetkých prípravkov zníženú o polovicu, ale počet aplikácií aj výber prípravkov ostal zachovaný. Variant V4 bol zameraný na ekologickú ochranu a obsahoval štyri samostatné aplikácie dvoch rôznych prípravkov. Variant V5 bol ošetrovaný podľa aktuálneho výskytu hrdze plevovej. Dané podmienky si vyžiadali jednu aplikáciu fungicídu. Kontrolnou skupinou bol variant 1. Tieto rastliny neboli počas vegetačného obdobia ošetrené žiadnymi fungicídnymi prípravkami, rovnako ani rastliny inokulovaných variantov V6 a V7 (tab. 1). Variant V7 bol špecifický ručným zberom a prísnym výberom len rastlín z ohniska najviac postihnutej časti porastu. Obsahuje výlučne zrno z napadnutých rastlín. Variant V6 bol zberaný štandardne, bez selekcie rastlín.

 

Tab. 2: Účinné látky a ich obsah v aplikovaných fungicídnych prípravkoch.

Prípravok	Účinné látky	Obsah ú.l.
COMET PRO	pyraclostrobin	200 g.l-1
BALAYA	mefentrifluconazole pyraclostrobin	100 g.l-1 100 g.l-1
ELATUS ERA	prothioconazole benzovindiflupyr	150 g.l-1 75 g.l-1
HORIZON 250 EW	tebuconazole	250 g.l-1
KUMULUS WG	sulphur	800 g.kg-1
SERENADE ASO	Bacillus subtilis str. QST 713	1.042 × 1012 CFU.l-1

 

HTZ ako jeden zo štandardných úrodotvorných prvkov zodpovedal intenzite vstupov fungicídneho ošetrenia (tab. 3). Konvenčné fungicídy zabezpečili vyššiu priemernú HTZ ako neošetrená kontrola a ekologické prípravky. Na variantoch V6 a V7, kde  bola vykonaná inokulácia hrdzou plevovou, patogén prerástol až na plevy zŕn, čím významne negatívne ovplyvnil HTZ a zároveň aj úrodu a jej kvalitu. Tieto dva varianty vykázali pokles o 14,64, resp. 32,55 % v porovnaní s kontrolným variantom. Porovnanie s plne ošetreným variantom  V2 ukazuje ešte výraznejší prepad hodnôt HTZ, kde strata predstavuje až 22,55, resp. 38,80 %.

 

Tab. 3: Priemerné hodnoty HTZ a morfologických parametrov zrna.

Variant	HTZ (g)	Šírka (mm)	Dĺžka (mm)	Obvod (mm)	Plocha (mm2)
V1	37,98	3,35	6,89	18,04	17,34
V2	41,86	3,48	6,93	18,32	18,17
V3	41,26	3,45	6,99	18,41	18,12
V4	37,30	3,32	6,85	17,92	17,00
V5	39,06	3,38	6,93	18,15	17,58
V6	32,42	3,24	6,89	17,83	16,72
V7	25,62	2,96	6,51	16,81	14,62

 

Dvojrozmerná obrazová analýza ako objektívny nástroj pre posudzovanie veľkého počtu semien a vzoriek efektívne eliminuje subjektivitu a prípadné chyby spôsobené ľudským faktorom. V tomto konkrétnom prípade by bolo veľmi náročné získať korektné údaje v celom rozsahu pokusného súboru. Znamenalo by to manuálne odmerať dĺžku a šírku 3 500 zŕn.

Vstupný materiál pre hodnotenie predstavoval súbor farebných digitálnych snímok zŕn, ktorý bol získaný obyčajným plochým kancelárskym skenerom v rozlíšení 600 dpi. Toto rozlíšenie na takéto účely úplne postačuje. Zrná pšenice boli urovnané na čistom skle skenera pomocou mriežky tak, aby sa neprekrývali a vzájomne nedotýkali. Obraz vo formáte jpg bol snímaný s kontrastným tmavým matným pozadím. Analýza obrazu bola vykonaná v programe SmartGrain (obr. 1).

 

 

K základným parametrom, ktoré popisujú veľkosť zrna, patrí šírka, dĺžka, obvod a plocha, ktorá sa premieta do 2D priestoru. Všetky tieto parametre vykazovali veľmi tesný a štatisticky významný vzťah k HTZ. Ich priemerné hodnoty v pokusnom súbore uvádza tabuľka 3. Najtesnejšia pozitívna korelácia s HTZ bola zaznamenaná pri šírke zrna (Pearsonov koeficient 0,9816; P_val 0,0000).

Formovanie tvaru zrna pšenice a najmä jeho šírky závisí od množstva uložených zásobných látok. Približne 60 – 70 % obsahu zrna pšenice tvorí škrob. Jeho syntéza začína ihneď po odkvitnutí vo všetkých zelených častiach rastliny – v listoch, steblách a neskôr aj v zelených častiach klasu. Pokračuje prakticky až do chvíle, kedy začína porast žltnúť a schnúť. Čím viac zásobných látok dokáže rastlina vytvoriť a uložiť, tým sú hodnoty priemernej šírky zŕn, a tým pádom aj HTZ vyššie, pretože zrná „priberajú“.

Pre úspešnú syntézu škrobu a zásobných látok všeobecne, je nutné mať zdravý a funkčný listový aparát a udržať ho v dobrom stave čo najdlhšie. V generatívnej fáze naň negatívne pôsobia najmä vysoké teploty, ktoré urýchľujú starnutie a skracujú fázu nalievania zrna. Tento faktor je ťažké ovplyvniť, a preto je nevyhnutné dobre zvládnuť kontrolu hubových chorôb, čo je ďalší významný činiteľ vstupujúci do hry.

Pri predčasnom starnutí a odumieraní listovej plochy spôsobenej hrdzou plevovou (obr. 2) dochádza k poklesu tvorby asimilátov a zastaveniu ich ukladania do pletív zŕn. Okrem poškodenia listov hrdza plevová likviduje aj aktívne zelené časti klasov, kde tiež prebieha fotosyntéza, a ktoré prispievajú k tvorbe zásobných látok. Vytvorené zrno tak ostáva chudé a zvráskavené.

 

 

Priemerná šírka zrna je uvedená v tabuľke 3. Graf 1 podrobnejšie zobrazuje percentuálne zastúpenie šírky zŕn v dvadsiatich piatich veľkostných frakciách pre pokusné varianty v rozsahu 1,9 – 4,4 mm. Krivka neošetrovanej kontrolnej skupiny V1 nie je dokonale symetrická a jej ťažisko je mierne posunuté do ľavej vzostupnej časti, to znamená, že početnosť zŕn v užších kategóriách je jednak nižšia a zároveň je týchto kategórií celkovo viac. Ošetrované varianty s nižšou intenzitou fungicídnych vstupov vykazujú podobný tvar krivky (V3, V5). Avšak v prípade intenzívne ošetrovaného variantu V2 sa už ťažisko krivky posúva smerom do stredovej časti, čo znamená, že jeho úroda obsahuje viac priemerných až širších zŕn na úkor tých úzkych. Varianty s veľmi napadnutými rastlinami, t. j. V6 a najmä V7, majú zastúpený ešte vyšší podiel zŕn v užších kategóriách ako kontrolná skupina (V1). Celá krivka distribúcie je v prípade variantu V7 posunutá doľava s maximálnou početnosťou len v kategórii 3,1 – 3,2 mm, pretože zrná boli veľmi poškodené následkom hubovej infekcie. Zároveň oba varianty zhodne vykazujú najnižšie vrcholy kriviek (na osi Y) v rámci pokusných variantov. Pre využitie či spracovanie takejto úrody to môže znamenať, že obsahové látky, kvalitatívne parametre úrody alebo životaschopnosť zŕn, budú vykazovať širšie rozptyly a nízku uniformitu.

 

Dĺžka zrna (graf 2) vykazuje pomerne stabilné zastúpenie jednotlivých veľkostných frakcií v pravej aj ľavej časti krivky, ktorá je symetrická, bez ohľadu na intenzitu fungicídneho ošetrenia. Maximálne zastúpenie vykazovala kategória 7,1 – 7,3 mm, kam patrila približne pätina zŕn (18,4 – 22,2 %). Výnimkou nebola ani kontrolná skupina V1 a dokonca ani inokulovaný variant V6. Výraznejší rozdiel bol zaznamenaný len v prípade variantu V7 s najviac napadnutými rastlinami, ktoré vytvárali kratšie zrná, ale zároveň však stále vykazovali rovnomerné prerozdelenie zŕn vo veľkostných kategóriách z hľadiska symetrie tak, ako aj ostatné varianty (graf 2).

 

Záver

Výskyt a intenzita symptómov hrdze plevovej na pšenici negatívne ovplyvňuje hmotnosť zŕn. Z tvarových zmien, ktoré ju nevyhnutne sprevádzajú, je najvýraznejšia redukcia šírky zrna. Vykazuje pokles priamoúmerne s ubúdajúcou intenzitou ošetrenia. K skracovaniu priemernej dĺžky zrna dochádza až pri závažných a rozsiahlych infekciách, kedy patogén prerastá do klasu a kolonizuje plevy na zrnách (obr. 3).

 

Poďakovanie: „Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Podpora výskumu, vývoja a inovácií medzinárodných projektov NPPC schválených v programe č. H2020 313011W956, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“

 

Autor: Ing. K. Hrčková, RNDr. Ľ. Malovcová, VÚRV Piešťany