SUPERVISOR
محمد جوان نیکخواه (استاد مشاور) بهرام شریف نبی (استاد راهنما)
STUDENT
Asieh Vasighzadeh
اسیه وثیق زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Genetic structure and virulence diversity of Pyrenophora teres populations causing the barley net blotch disease in Iran
Net blotch caused by Pyrenophora teres Drechsler (anamorph Drechslera teres [Sacc.] Shoem) is a major foliar disease of barley ( Hordeum vulgare ) worldwide and causes economic loss. The fungus, exists in two forms, designated P. teres f. teres and P. teres f. maculata , which induce net form net blotch (NFNB) and spot form net blotch (SFNB), respectively. However, no clear morphological or life cycle differences between the two forms of P. teres have been identified, these forms could be differentiated based on their genetics and symptom on host leaves. In this study, 160 isolates were provided from barley and uncultivated grass such as Avena sativa and Hordeum murinum collected from Izeh (Khuzestan), Farasfaj (Hamadan), Shabestar (Azarbaijan sharghi), Jafarabad (Ardabil) and Bandar Torkaman (Golestan). Morphological features of all isolates were investigated. In order to confirm the morphological identification, sequences of GPDH and ITS regions were amplified for 9 and 21 isolates, respectively and they were used in phylogenetic study. Based on result of morphological examination and phylogenetic analysis, we conclude that the isolates from barley and Hordeum murinum were Pyrenophora teres and one isolate from A. sativa was P. lolii . Host studies have shown the genetics of resistance to the two forms of P. teres to be independent. So, it is necessary to identify the form of species for each isolate and study each form independently. For identification the form of species, form/mating type-specific Primers were used. Based on different size of fragment amplified by these primers, form of the isolates can be determined. Result from using these primers show that isolates collected from Izeh, Farasfaj, Shabestar and Bandar Torkaman were identified as PTM while most of isolates from Jafarabad were identified as PTT. In order to confirm the form designations by these primer sets, some isolates were inoculated on barley leaves. The symptoms examination on inoculated leaves and also sequence of MAT locus confirm the result from using mentioned primer set. Cross inoculation of P. teres isolates from all hosts, uncultivated grasses and cultivated barley, showed that uncultivated grasses could be as an inoculum sources for cultivated barley epidemics and also contribute in pathogen evolution. Also, in this study, in order to investigate the genetic structure of P. teres populations in Iran, we amplified and analyzed 7 microsatellite loci in152 isolates collected from five provinces. Analysis of the SSR data confirm the result of form/mating type-specific primers. Cluster analysis using the SSR data and UPGMA procedure revealed that all tested isolates clustered in two distinct (PTT and PTM) groups. AMOVA also revealed highly significant differences among the two forms of P. teres (PhiPT = 0.693, P = 0.001), PTT and PTM, distributing 65% of the total genetic variation. Based on these result, hybridization is rare or absent under field conditions in Iran. In order to investigate the genetic structure of PTM populations, we remove Jafarabad population which most of isolates were PTT and analyzed the SSR data of 116 PTM collected from 4 provinces. Significant genetic differentiation (PhiPT = 0.112, P = 0.001) was found among four PTM populatio 89 % of genetic variation occurred within populations and 11 % between populations. Cluster analysis conducted in Tess indicated the presence four genetic groups. We find correlation with geographic origin in the cluster analysis of 116 PTM isolates collected from four provinces of Iran. Principal coordinate analysis (PcoA) showed results similar to those obtained with Tess and separate four geographical populations by horizontal and vertical axes. Based on principal coordinate analysis, Izeh and Hamadan showed the least genetic distance and Bandar Torkaman population was clearly separated from the other populations. Analyses of multilocus association, genotype diversity and mating type frequency suggest that Farasfaj and Izeh populations reproduce predominantly sexually while Bandar Torkaman and Shabestar reproduce asexually. Overall our study provides evidence for high genetic variation in Iranian PTM populations and high genetic variation may be the substrate for rapid adaptive evolution in this pathosystem highlighting the need for integrated efforts to control the disease. Key Words SSR, P. teres, population structure, evolution, mating types
لکه قهوه ای توری جو (Net Blotch) با عامل Pyrenophora teres یک بیماری برگی مهم جو در سراسر جهان است که خسارت اقتصادی مهمی به این محصول وارد می کند. تاکنون دو فرم از این قارچ گزارش شده است که P.teres f. maculans (PTM) فرم لکه ای و P . teres f. teres (PTT) فرم توری این بیماری را به وجود می آورند. دو فرم PTM و PTT از نظر ریخت شناختی و چرخه زندگی مشابه هستند و تنها بر اساس علایم روی برگ جو و ویژگی های مولکولی از هم تشخیص داده می شوند. این بیماری در اغلب مناطق کشت جو به خصوص در نیمه شمالی کشور که آب و هوای خنک تری دارد به وفور مشاهده شده است. مطالعه ساختار ژنتیکی جمعیت های بیمارگر و روش تولیدمثلی آن، برای پیش بینی پتانسیل تحول آن ضروری است. درحالی که مطالعه ای درباره ساختار ژنتیک جمعیت hy;های ایرانی این قارچ وجود ندارد. در این پژوهش، 160 جدایه از جو و گراس های غیرزراعی از ایذه (خوزستان)، فرسفج (همدان)، جعفرآباد (اردبیل)، بندر ترکمن (گلستان) و شبستر (آذربایجان شرقی) جمع آوری گردید و این جدایه ها از نظر ریخت شناسی مورد بررسی قرار گرفتند. برای تایید شناسایی ریخت شناختی، توالی نوکلئوتیدی نواحی ژنومی ITS-rDNA و گلیسرآلدهید فسفات دهیدروژناز ( gpd ) به ترتیب برای 21 و نه جدایه مورد بررسی قرار گرفت. بررسی فیلوژنی و ریخت شناسی نشان داد که جدایه های به دست آمده از جو و H. murinum به گونه P. teres تعلق داشتند. جدایه به دست آمده از A. sativa به گونه P. lolii تعلق داشت. برای شناسایی نوع فرم جدایه ها، از آغازگرهای اختصاصی فرم/تیپ آمیزشی استفاده شد و نتایج نشان داد که جدایه های به دست آمده از مناطق خوزستان، آذربایجان شرقی، همدان و گلستان از نوع فرم PTM بودند، درحالی که جدایه های به دست آمده از اردبیل اکثرا از نوع PTT بودند. توالی یابی ژن MAT و همچنین مایه زنی برخی از این جدایه ها روی ارقام جو نتایج آغازگرهای اختصاصی فرم/تیپ آمیزشی را تایید کرد. به منظور مطالعه ساختار ژنتیکی جمعیت های قارچ P. teres ، در مجموع، هفت جایگاه ریزماهواره hy;ای برای 152 جدایه از هر دو فرم قارچ از پنج استان تکثیر شد. تجزیه خوشه ای با کاربرد داده های SSR و براساس الگوریتم UPGMA نشان داد که جدایه های بررسی شده بر حسب نوع فرم در دو گروه مجزا قرار می گیرند. همچنین آنالیز واریانس ملکولی تفاوت های به شدت معنادار را در میان دو فرم نشان داد به طوری که 65 درصد تغییرات ژنتیکی بین دو فرم توزیع شد. باتوجه به این شواهد، تلاقی دو فرم قارچ در مزارع ایران بعید به نظر می رسد. به منظور بررسی ساختارژنتیکی جمعیت های قارچ PTM، جمعیت اردبیل از آنالیزها حذف شد. در این مطالعه، تمایز ژنتیکی متوسط و معناداری در میان چهار جمعیت PTM (PhiPT = 0.112, P = 0.001) محاسبه شد و شواهد محکمی برای وجود ساختار ژنتیکی قوی در میان جمعیت های PTM در ایران یافت شد که نشان داد 11 درصد تغییرات ژنتیکی بین جمعیت ها توزیع شده است. همچنین، خوشه بندی Tess و تجزیه و تحلیل PcoA نشان داد چهار گروه ژنتیکی در بین 116 جدایه PTM جمع آوری شده از گیاه جو از چهار استان کشور وجود داشت و جدایه ها براساس منشا جغرافیایی گروه بندی شدند که نشان دهنده ی تحول مستقل این جمعیت هاست. تنوع ژنوتیپی بالا، تعادل گامتی و نسبت مساوی تیپ های آمیزشی در جمعیت های PTM در خوزستان و همدان نشان دهنده وجود تولید مثل جنسی در جمعیت های بیمارگر در این دو منطقه بود. درحالی که، در آذربایجان شرقی و گلستان، جمعیت های PTM در عدم تعادل لینکاژی بودند که نشان می دهد تولیدمثل غیرجنسی در این جمعیت ها غالب است. تنوع ژنوتیپی متوسط در این دو جمعیت و نیز انحراف از نسبت مساوی در فراوانی تیپ های آمیزشی در جمعیت گلستان رد فرضیه تولیدمثل جنسی را در این منطقه حمایت می کند. این مطالعه نشان داد تنوع ژنتیکی بالایی در جمعیت های PTM در ایران نسبت به بقیه مناطق دنیا وجود دارد. این تنوع بالا می تواند بستری برای تحول سریع بیمارگر برای سازگاری در این پاتوسیستم باشد و موید نیاز به کاربرد تلفیقی روش های کنترلی است. کلمات کلیدی: ریزماهواره، P. teres ، ساختار جمعیت، تحول، تیپ آمیزشی