CC BY
23
УДК 633.11:632.938 Доктор биол. наук ЛГ. ТЫРЫШКИН
(СПбГАУ, [email protected])
ИЗМЕНЕНИЕ ВИРУЛЕНТНОСТИ ВОЗБУДИТЕЛЯ ЛИСТОВОЙ РЖАВЧИНЫ ПШЕНИЦЫ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ
Пшеница, листовая ржавчина, температура, гены устойчивости, вирулентность
Вирулентность возбудителя листовой ржавчины Рис ста IгШста Епкзв. к генотипам пшеницы согласно современным научным представлениям определяется аллельным состоянием его генов вирулентности. Вирулентность гриба (восприимчивость хозяина) наблюдается в том случае, если всем аллелям устойчивости растения противостоят строго специфичные для них (комплементарные) аллели вирулентности патогена; если хотя бы одному аллелю устойчивости противостоит аллель авирулентности гриба, то наблюдается реакция авирулентности патогена (устойчивости растения) [1]. Однако известны многочисленные случаи изменения устойчивости определенного генотипа пшеницы к конкретным генотипам патогена под действием температуры [2], что объяснялось температурочувствительностью некоторых Ьг генов. Так, например, в качестве температурочувствител ьиых описаны гены Ьг 2а, 2Ь, 10, 11, 13,14а, 14Ь, 16, 18, 20, 23, 24, 34, 37 [2]. Отметим, что влияние температуры на экспрессию конкретного гена устойчивости должно теоретически приводить к одинаковому изменению вирулентности у всех генотипов гриба, однако известно из литературных данных, что такие изменения происходят дифференцировано для различных изолятов патогена. Альтернативным теоретическим объяснением влияния температуры на реакцию хозяина на заражение патогеном может быть изменение под действием данного фактора вирулентности возбудителя болезни, а не устойчивости хозяина; нам неизвестны публикации, в которых рассматривалась бы такая возможность, а тем более проверка ее экспериментальным путем. Цель настоящей работы - экспериментальная проверка данной гипотезы.
Т а б л и ц а 1. Количество пустул Р. Ыйста на отрезках листьев линий с Ьг генами устойчивости при различных температурах
Линия с Ьг геном Температура, °С
22 15
16 18,1 19,1
14а 14,5 20,2*
49 19,7 21,4
10 21,3 21,2
22а 9,5
17 5,2 7,7
48 20,3 20,3
26 10,7 15,3*
35 22,5 15,5*
15 1,5 3,7*
2Ь 11,4 6,5*
37 10,1 13,5*
1 8 11,6*
38 10,4 18,2*
14Ъ 19,6 21,8
36 9,1 13,1*
23 11,4 15,7*
2а 9,6 10,7
29 1,8 6,4*
* - различия достоверны при Р = 0.99.
В первом эксперименте растения 19-и почти-изогенных линий сорта Тэтчер выращивали на светоустановке (22°С, постоянное освещение - 2500 люкс) в кювете на смоченной водой вате. Отрезки листьев (1,5 см в длину) десятидневных проростков раскладывали в 3 кюветы на вату, смоченную водой, и заражали популяцией возбудителя листовой ржавчины (сбор на Дагестанской опытной станции ВИР, 2014 г.). Кюветы заворачивали в полиэтилен, накрывали стеклом и помещали на сутки в темноту при температурных режимах 22°С, 15°С и 30°С. Затем пленку снимали и кюветы размещали на светоустановке при 22°С. Через 7 суток подсчитывали количество пустул Р. 1гШста на каждом отрезке листа. Статистическую обработку данных проводили с помощью двухфакторного дисперсионного анализа [3]. Результаты эксперимента представлены в табл. 1.
При выдерживании отрезков листьев в течение суток после инокуляции патогеном при 30°С пустулы возбудителя на экспериментальном материале отсутствовали. Согласно данным дисперсионного анализа выявлено значимое влияние линий, температуры (22°С и 15°С), а также их взаимодействия на количество пустул Р. &Шста. Существенные различия в данном показателе отмечены для 12 линий (табл. 1) (НСРод = 2,5). Результаты могут рассматриваться как влияние температуры на экспрессию генов устойчивости этих линий и/или как влияние фактора на изменение вирулентности некоторых клонов патогена.
Таблица 2. Количество пустул Р. Мйста на отрезках листьев линий с Ьг генами устойчивости при заражении популяцией патогена, инкубируемой в течение 2 часов при различных температурах
Линия с Ьг геном Температура инкубации суспензий уредоспор, °С
22 30 15
16 9,8 7,9* 9,7
14а 8 8,6 11,8**
49 11,1 3,7* с) 2**
10 11,9 6,1* 10,9
22а 5 3,2* 2,5**
17 3,9 3,1 3,7
48 11,2 9,2* 10,5
26 4 3 6,3**
35 11,2 6,6* 4
15 3,2 0* 2,1
2Ь 4,5 2,8* ] 4**
37 9,3 5,5* 7 4**
1 3,4 0,9* 3,3
38 5,7 5,6 11,2**
14Ь 4,6 0,6* 4,8
36 3,7 1,2*
23 4,1 4,7 5 4**
2а 2,6 1,4 1,8
29 0,9 1,2 0,3
34 9,2 2,2**
20 2,6 4,4* 0,3**
18 4,9 5,2 2,2**
* - отличия от варианта 22°С достоверны при Р = 0.99; ** - отличия от варианта 22°С достоверны при Р = 0.99.
Во втором эксперименте суспензии Р. ТгШста в воде выдерживали в течение 2 часов при температурах 22°С, 15°С и 30°С и затем использовали для инокуляции отрезков листьев 22 линий пшеницы. Кюветы с зараженными листьями помещали на светоустановку при 22°С и через 7 суток подсчитывали количество пустул. Выявлены существенные различия по данному показателю для 19 линий при их заражении суспензиями одной и той же популяции возбудителя болезни, выдержанных
при разных температурах (табл. 2) (НСР = 1,7). Согласно данным дисперсионного анализа на количество пустул Р. {гШста существенно влияли факторы генотипа линий, температуры и их взаимодействия. Полученные данные могли бы быть объяснены снижением жизнеспособности или агрессивности популяции при выдерживании уредоспор в суспензиях при разной температуре, однако этому противоречит значимое взаимодействие линия х температура (Бф = 10,7 > Рт = 1,75; Р = 0.99). Поскольку в данном эксперименте отсутствовало влияние температуры непосредственно на растения, с нашей точки зрения единственным объяснением результатов может быть изменение фенотипа вирулентности части генотипов патогена под действием данного абиотического фактора среды. При этом как повышенная, так и пониженная температура в зависимости от линии могли приводить как к увеличению, так и снижению частот вирулентных клонов Р. ШИста.
Для подтверждения полученных данных в третьем эксперименте 11 почти-изогенных линий сорта Тэтчер выращивали на ватных валиках в 3-х кюветах. Через 12 суток после прорастания семян проростки размещали горизонтально в кюветах, выложенных смоченной водой ватой, и равномерно опрыскивали водными суспензиями уредоспор популяции Р. 1тШста, в течение 2 часов инкубируемых при 22°С, 15°С и 30°С (в последнем варианте в силу технических причин температура варьировала в пределах 28-3 5°С). Через сутки растения возвращали в горизонтальное положение, а через 12 суток после инокуляции первые листья срезали и на отрезках срединной части листа длиной 4 см подсчитывали количество пустул патогена. Существенные различия по числу пустул выявлены для всех линий при их заражении суспензиями одной и той же популяции возбудителя болезни, выдержанных при разных температурах (табл. 3) (НСР = 1,2).
ТаблицаЗ. Количество пустул Р. 1гШста на иитактных проростках линий с Ьг генами устойчивости при заражении популяцией патогена, инкубируемой в течение 2 часов при различных температурах
Линия с Ьг геном Температура инкубации суспензий уредоспор, °С
22 30 15
2а 2.8 0,7* 2,7
11 15.9 4,7* 7 7**
12 15.9 12,1* 8,4**
23 11.2 1,3* 13,2**
38 12.5 4,7* 13,8**
14Ь 5.5 2,5* 10,1**
20 5.2 2,4* 3,7**
34 .14.5 2,2* 3,7**
18 6.5 6,6 5,4
26 6.5 1,4* 12,1**
10 15.4 5,4* 12,9**
* - отличия от варианта 22°С достоверны при Р = 0.99; ** - отличия от варианта 22°С достоверны при Р = 0.99.
Как и в опыте с отрезками листьев все факторы (линия, температура и их взаимодействие) оказывали существенное влияние на пораженность растений возбудителем листовой ржавчины. Таким образом, подтверждается вывод об изменении фенотипа вирулентности к конкретным Ьг генам устойчивости клонов Р. 1тШста под действием температуры, причем эти изменения происходят как от авирулентности к вирулентности, так и наоборот, в зависимости от генотипа линии и температурного режима инкубации суспензии уредоспор возбудителя болезни. Отметим, что данный вывод сделан на основе статистического анализа результатов 2-х независимых экспериментов.
Таблица 4. Типы реакции клонов возбудителя ржавчины на отрезках проростков линий сорта Тэтчер, изогенных по Ьг генам устойчивости, при их размножении на растениях восприимчивого сорта при разных температурах
*- 0, 1,2- авируленгность, 3 - вирулентность.
Клон Линия с Ьг геном устойчивости, температура размножения клона, °с
13 38 23 26 34 1 2а 14Ь 16
30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15 30 22 15
1 3* 3 3 3 3 3 2 2 3 2 3 0 0 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
2 0 3 3 3 3 3 0 2 3 3 0 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 0 3 3
3 0 3 3 3 0 3 2 2 3 0 0 0 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 3
4 3 1 3 0 3 0 3 2 3 0 0 3 0 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3
5 3 3 3 3 0 3 3 2 0 0 3 0 3 3 0 3 3 3 3 3 0 0 3 3 1 3 3
6 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 2 0 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
7 3 3 3 3 3 3 1 2 3 3 1 0 3 3 3 0 0 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3
8 3 3 3 3 3 3 2 2 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 2 1 3 3 3 3 3 3 3
9 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
10 3 3 3 3 3 3 1 3 3 0 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
11 3 3 3 3 3 3 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
12 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 0 3 3 3 3 3 3 0
13 3 3 0 3 2 3 2 2 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3
14 3 3 3 3 3 3 2 3 3 0 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 3
15 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3
16 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 3 3 3 3 3 3
¡к
О ¡33 О
§ О
о §
Для подтверждения сделанного вывода непосредственным наблюдением, а не статистическим методом, в четвертом эксперименте провели изучение устойчивости отрезков листьев 9 почти-изогенных линий к отдельным генотипам возбудителя ржавчины. Из популяции патогена (сбор на поле Ульяновского НИИСХ, 2013 г.) были выделены 16 монопустульных изолятов P. triticina, которые размножали на отрезках листьев восприимчивого сорта пшеницы Ленинградка, помещенных в кюветы при 3-х различных температурах. Размноженные таким образом изоляты использовали для заражения отрезков листьев в воде одних и тех же растений изо генных линий; зараженные отрезки в одной и той же кювете помещали на светоустановку при температуре 22°С. Через 7 суток учитывали типы реакции на каждом отрезке листа по шкале: 0 - отсутствие симптомов поражения; 0; - некрозы без образования пустул; 1 - очень мелкие пустулы, окруженные некрозом; 2 - крупные пустулы, окруженные некрозом либо хлорозом; 3 - крупные пустулы без некроза и хлороза [4]. Типы реакции 0-2 соответствуют авирулентности патогена (устойчивости хозяина), 3 - вирулентности гриба (восприимчивости хозяина). Результаты эксперимента представлены в табл. 4.
Для всех линий показано изменение вирулентности части клонов возбудителя ржавчины при их размножении на одном и том же восприимчивом сорте при разных температурах, причем эти изменения происходят как от авирулентности к вирулентности, так и от вирулентности к авирулентности. Например, клон 4 авирулентен на линии с геном Lr26 при его размножении при 22°С и 30°С, но вирулентен к данной линии после размножения при 15°С; и наоборот, клон 13 авирулентен к данной линии после размножения при 15°С и вирулентен к ней после размножения при 2-х других температурах (табл. 4). Аналогично, клон 3 был авирулентен на линии с геном Lr38 после размножения при 22°С, но вирулентен к данной линии после размножения при 30°С и 15°С, а клон 4 - вирулентен после размножения при 22°С, но не поражал линию после размножения при 30°С и 15°С (табл. 4).
Совершенно очевидно, что и в данном опыте отсутствовало какое-либо влияние температуры на растения, на которых изучалась вирулентность генотипов P. triticina, и единственно возможным объяснением полученных результатов является изменение вирулентности гриба под действием данного фактора. Таким образом, доказано, что изменение частичной устойчивости к листовой ржавчине, по крайней мере, у почти-изогенных линий сорта Тэтчер под действием температуры связано с изменением специфичной вирулентности/авирулентности ряда генотипов возбудителя на авирулентность/вирулентность.
Таким образом, в настоящей работе впервые в мире показана возможность получения фенокопий возбудителя листовой ржавчины по вирулентности/авирулентности к конкретным генам устойчивости пшеницы под действием температуры. Очевидно, что в полевых условиях при изменении температуры один и тот же генотип возбудителя листовой ржавчины пшеницы может различаться по вирулентности к конкретным генам устойчивости хозяина, и сам показатель «вирулентность» является в природных условиях варьирующей величиной.
Кроме того, полученные данные указывают на то, что теория взаимодействия хозяин-патоген «ген-на-ген» не может быть справедливой при взаимодействии проростков пшеницы с изучаемым патогеном, поскольку она предполагает однозначную реакцию конкретного генотипа растения на заражение конкретным генотипом патогена, что, очевидно, не верно по результатам приведенных экспериментов: один и тот же изолят возбудителя ржавчины может быть авирулентным либо вирулентным на одной и той же изогенной линии пшеницы в зависимости от того, при какой температуре он был размножен.
Литература
1. Flor H.H. The complementaiy genetic systems in flax and flax rust // Adv. Genet. - 1956. - V.8. - P.29-54.
2. Mcintosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat Rusts: An Atlas of Resistance Genes // CSIRO Press. Melbourne. - 1995. - 200p.
3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - M.: Колос, 1979. - 416с.
4. Mains E.R, Jackson H.S. Physiological specialization in leaf rust of wheat, Puccinia triticina Erikss // Phytopath. -1926. -V. 16. -№ 1. -P. 89-120.
