Az ELKH Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézete (ATK MGI) Kukoricanemesítési Osztályán újszerű és ígéretes kutatásokat folytatnak a kukorica beltenyésztett vonalainak hidegtűrése szempontjából jelentős tulajdonságok meghatározására. Ennek érdekében a kukorica hidegtűrésének genetikai hátterét az egyik legújabb markerszelekciós módszer (GWAS) segítségével, DArTseq technológia alkalmazásával vizsgálták. Az eredmények alapján a kutatók meghatározták a hidegtűrés javítására alkalmas genotípusok körét, ezáltal a köztermesztésben használt hibridek hideg-ellenállósága tovább javítható. A kutatás eredményeként a kukorica termesztési körzete tovább tolható északi irányba, a hibridek korábban vethetők hazánkban, így a vízhiányra legérzékenyebb időszak, a virágzás nagyobb valószínűséggel zajlik le zavartalanul. Ez nagyban segíti a termékenyülést, és növeli a csövenkénti szemszámot. Az aszály miatt kialakuló terméskiesés ezáltal stabilizálható, jelentősen javítva a kukoricahibridek termésbiztonságát.
Az ATK MGI Kukoricanemesítési Osztályán az elmúlt 70 évben folyamatosan kifejlesztett martonvásári kukoricahibridek az utóbbi két évtizedben mind gyakrabban előforduló aszályos években is kiválóan teljesítettek. A kukoricanemesítés úttörőjeként ismert Dr. Pap Endre nevéhez fűződik az Európában is az első beltenyésztésnek számító Mv 5 hibrid létrehozása Martonvásáron, amely kiváló termőképességéért 1953-ban állami elismerést kapott. Abban az időben az egész kontinensen elterjedt az élenjáró magyarországi kukoricanemesítés és vetőmagtermesztés híre. A Martonvásáron több évtizede intenzívvé vált nemesítési munkáknak és a rövid tenyészidejű hibridek megjelenésének köszönhetően az eredetileg melegkedvelő trópusi növény termesztőterülete egyre északabbra tolódott.
1. kép: Korai vetésű hidegtűrő kukorica a váratlan április közepi havazást követően
(Fotó: Dr. Árendás Tamás, 2017. 04. 20.)
Több évszázadon át a hidegtűrés volt a limitáló tényező a kukorica elterjedésében, ugyanis a hosszú tenyészidejű növény csírázásához és növekedéséhez is magas hőmérsékletre van szükség. Az alacsony hőmérséklet a fiatal növényben fiziológiai kárt okoz, a levelek elszíneződnek, erős lehűlés esetén a teljes növény vagy egyes növényi részek elhalnak.
A kutatók eredeti feltevése szerint a kukoricanövény szárazság- és aszálytűrése szorosan összefügg a hidegtűréssel. A hidegtűrő hibridek előnye, hogy korábban lehet vetni őket, így a vízigény szempontjából legérzékenyebb időszak, a virágzás korábban zajlik le. Ezáltal hosszabb vegetációs idejű és nagyobb hozamú egyedek fejlődhetnek, aminek köszönhetően a hozam magasabb és a betakarításkori szemnedvesség alacsonyabb lesz. A kukorica kelése és kezdeti fejlődése szempontjából a legfőbb befolyásoló tényező a vetés utáni alacsony hőmérséklet és nedvesség (1. kép). A hideg talajban csírázó magvakat gyakran támadják meg gombás fertőzések (Fusarium), ezért a csávázás a korai vetés alkalmazásakor is ajánlott. Az alacsony hőmérséklethez adaptálódó kukorica tehát hidegellenálló, talajgombák ellen rezisztens, továbbá képes alacsony hőmérsékleten növekedni és fejlődni (1. diagram).
1. diagram: 185 hidegkezelt kukoricavonal kelési értékei a kontrollkezelések százalékában
A hidegtűrés vizsgálata céljából a kutatók az elmúlt években fitotroni klímakamrákban cold-test típusú kísérleteket végeztek, amelyek során 185 különböző genetikai háttérrel rendelkező beltenyésztett törzs hideg hatására bekövetkező fenotípusos tulajdonságváltozásait figyelték meg. A kutatók csávázott, Fusariummal fertőzött és kontrollkezeléseket állítottak be. A kezelések függvényében vizsgálták a növények csírázási képességét, klorofilltartalmát és kezdeti fejlődését a 3-4 leveles állapotig. A 8 Celsius-fokon (°C) történő 10 napos hideginkubálást 20 napos, 13,5 °C-ra beállított csíráztatás követte. A kísérlet eredményeként közel 80 beltenyésztett vonal bizonyult hidegtűrőnek.
2. kép: Hidegtűrési kísérlet a fitotroni klímakamrában. A különböző genotípusok eltérően reagálnak a hidegkezelésre. A hidegtűrést a növények föld fölötti szárazanyagtömege és a levelek klorofilltartalma alapján értékelik a kutatók. (Fotó: Pók István)
A kutatók további célja az volt, hogy genomszintű vizsgálatok útján azonosítsák azokat a tulajdonságokat és marker-tulajdonság összefüggéseket, amelyek a legmeghatározóbbak a hidegtűrő genotípusok létrehozásában, így azok későbbi szelekcióját felgyorsíthatják.
1. ábra: A vizsgált kukoricavonalak legvalószínűbb elkülönítése a hidegtűrésük alapján, Bayes statisztikai megközelítéssel, STRUCTURE 2.3.4 szoftvercsomag segítségével, Jaccard-féle dendrogramon ábrázolva
A vizsgált genotípusok rokonsági viszonyainak és a populáció struktúrájának tanulmányozása érdekében a genotípusok genetikai hasonlóságát a szűrt SilicoDArT markeradatok alapján három hasonlósági koefficienssel ‒ Dice, Eucledian, Jaccard ‒ határozták meg, majd az eredményeket hasonlósági mátrixokban ábrázolták (1. ábra). Ezek a hasonlósági mátrixok a szomszédösszevonó (Neighbour-joining) agglomeratív klaszterező analízis alapjául szolgáltak, amellyel a kutatók a filogenetikai rekonstrukciót végezték, és dendrogramokat állítottak elő PAST v.4.02 szoftver segítségével. A fa gyökerét a könnyebb átláthatóság érdekében „final branch” módszerrel határozták meg. A dendrogram csomópontjainak megbízhatóságát „bootstrap” eljárás alkalmazásával ellenőrizték (1000 ismétlés). Színkóddal jelölték azokat a genotípusokat, amelyek a filogenetikai kapcsolatokat vizsgáló szomszédösszevonó klaszteranalízis eredményei alapján legalább 70 százalékos valószínűséggel az egyes alpopulációkhoz tartoznak. A hasonlósági mátrixban lévő információkat főkoordináta-analízissel (principal coordinates analysis; PCoA) ponttérkép formájában jelenítették meg (2. ábra). Az így létrehozott grafikonokon a genotípusok közötti mértani távolság a közöttük lévő genetikai hasonlóságot tükrözi. A genotípusok csoportosulása feltárja a genetikailag hasonló vonalakat, és tükrözi a populációstruktúrát. A Dice hasonlósági koefficiensen alapuló főkoordináta-analízis első két koordinátája a genetikai variancia 11,7, illetve 8,5 százalékát magyarázta.
2. ábra: A genotípusok csoportosulása főkoordináta-analízissel (principal coordinates analysis; PCoA) feltárja a genetikailag hasonló vonalakat, és tükrözi a populációstruktúrát.
A csoportokra bontás során a kutatók a fenotipizált adatok, a klaszter- és a főkoordináta-analízisek eredményei alapján meghatározták a hidegtűrés javítására alkalmas genotípusok körét, ezáltal a köztermesztésben használt hibridek hideg-ellenállósága tovább javítható. A kutatás eredményeként a kukorica termesztési körzete tovább tolható északi irányba, valamint a hibridek korábban vethetők hazánkban, így a virágzási idő is előbbre hozható július elejére vagy akár június végére. A vízhiányra legérzékenyebb fenofázis nagyobb valószínűséggel zajlik le zavartalanul, nagyban segítve a termékenyülést és növelve a csövenkénti szemszámot. Az aszály miatt kialakuló terméskiesés egyik tényezője, a csövenkénti szemszám hektikus változása ezáltal stabilizálható, jelentősen javítva hibridjeink termésbiztonságát.