CC BY
206
УДК 633 11 6324 Л. Я. ПЛОТНИКОВА
Р. И. РУТЦ Н. А. ЖАРКОВ М. Г. ЕВДОКИМОВ Л. А. ГОРОДЕЦКАЯ
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина
Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, г. Омск
УСТОЙЧИВОСТЬ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ СЕЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ,
ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ МЕЖВИДОВЫХ ГИБРИДОВ TRITICUM AESTIVUM X T. DURUM
В статье представлены данные о генетическом контроле устойчивости твердой пшеницы к бурой ржавчине, полученные при изучении тетраплоидных растений, отобранных из F2 поколения межвидовых гибридов Triticum aestivum х T. durum. На стадии проростков сорта твердой пшеницы защищены от болезни двумя или тремя расоспецифическими генами и комплексом факторов неспецифической устойчивости. Эти сведения необходимы для создания сортов пшеницы с длительной устойчивостью к болезни. Ключевые слова: бурая ржавчина, твердая пшеница, мягкая пшеница, гены устойчивости.
Юго-западная Сибирь — регион массового возделывания мягкой и твердой пшеницы. Развитие бурой ржавчины, вызываемой патогенным грибом Puccinia triticina Erikss., приводит к регулярным потерям урожая от 10 до 50 % [1]. Для надежной защиты урожая необходимо создавать и использовать сорта пшеницы с разными генами и механизмами устойчивости. По данным Всероссийского института защиты растений (ВИЗР), индекс восприимчивости вида твердая пшеница Triticum durum Desf. в три раза ниже, чем у мягкой пшеницы T. aestivum L., а сорта западносибирской селекции высоко устойчивы к местной агрессивной популяции P. triticina [2, 3]. Выявление природы устойчивости T. durum к бурой ржавчине и перенос ее генов в геном T. aestivum представляет интерес для создания сортов с длительной устойчивостью к болезни. Как правило, при ин-трогрессии чужеродного материала проводят многократные насыщающие скрещивания с культурой-реципиентом, при этом комплексы генов, защищающих устойчивый вид, рассеиваются. В связи с этим изучение селекционного материала, полученного на первых этапах межвидовой гибридизации, представляет интерес для понимания генетического контроля видовой устойчивости к болезни.
Целью работы было исследование генетического контроля устойчивости к бурой ржавчине твердой пшеницы на примере тетраплоидных форм, полученных путем отбора из межвидовых гибридов T. aestivum х T. durum.
Материалом для исследований служили яровые сорта твердой пшеницы (Омская янтарная, Омский кристалл, Ангел) селекции Западно-Сибирского
селекцентра (СибНИИСХ, г. Омск), а также межвидовые гибриды, полученные скрещиванием восприимчивого сорта мягкой пшеницы Омская 36 с одним из сортов твердой пшеницы. В Б1 были получены нестабильные пентаплоиды с геномным составом ААВВБ. После их самоопыления в поколении Б2 под цитологическим контролем были отобраны тетра-плоидные 4п формы с геномом ААВВ и случайным распределением хромосом мягкой и твердой пшеницы. В качестве стандарта рассматривали развитие болезни на восприимчивом сорте мягкой пшеницы Омская 36.
Развитие ржавчины оценивали по типу реакции в баллах и по степени поражения в процентах [4, 5]. К устойчивым относили растения с типом реакции 0 — 2, к восприимчивым — 3 — 4 балла (балл 0 — нет пустул; балл 1 — микроскопические пустулы окружены зоной некроза, балл 2 — мелкие пустулы окружены зонами некроза; балл 3 — пустулы среднего размера окружены зоной хлороза, балл 4 — крупные пустулы) В полевых условиях на делянках проводили глазомерную оценку развития болезни на флаговых листьях на стадии молочно-восковой спелости растений. Во время эпифитотий сорт мягкой пшеницы Омская 36 был восприимчив к болезни (4 балла/100 % и 4 балла/90 % в 2007 и 2009 гг. соответственно). Сорта твердой пшеницы Омская янтарная, Омский кристалл, Ангел были иммунны или высоко устойчивы (0 баллов, 1 балл / 5 %, 0 баллов соответственно).
В лабораторных условиях оценивали развитие болезни на листьях растений на стадии проростков. Для изучения генетического контроля признака
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (108) 2012 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (108) 2012
устойчивости семена 4п-растений межвидовых гибридов поколения Б2 высевали в почву семьями (из комбинации Омская 36 х Омская янтарная — 2, Омская 36 х Омский кристалл — 3, Омская 36 х Ангел — 2 семьи). Оценку устойчивости к ржавчине проводили на отсеченных листьях с применением 0,04 %-го раствора бензимидазола, поддерживающего их жизнеспособность [6]. Отрезки листьев отдельно заражали суспензиями урединиоспор (10 — 12 тыс. спор/мл) двух монопустульных изолятов Р. ЫНапа из западносибирской популяции. Генотип изолятов по признаку вирулентности определяли на наборе почти изогенных линий сорта Тэтчер с Ьг-генами устойчивости к бурой ржавчине. Изолят 1 был ави-рулентен к генам Ьг9, Ьг19, Ьг26, Ьг28, Ьг36, Ьг38 (генотип Р9Р19Р26Р28Р36Р38), изолят 2 — к генам Ьг26, Ьг28, Ьг36 (генотип Р26Р28Р36). На листьях восприимчивых растений каждой семьи под микроскопом с помощью окуляр-микрометра определяли размеры 30 пустул гриба, их площадь вычисляли по формуле площади эллипса. Результаты обрабатывали с помощью однофакторного дисперсионного анализа. В качестве повторностей рассматривали развитие болезни на отдельных листьях. Достоверность гипотез о количестве генов устойчивости проверяли с помощью критерия с2 [7].
Эксперименты в лабораторных условиях подтвердили восприимчивость сорта мягкой пшеницы Омская 36 к бурой ржавчине (4 балла/38 — 40 %). Сорта твердой пшеницы были иммунны к изоляту 1, а при заражении изолятом 2 на листьях сорта Омская янтарная появлялись микроскопические пустулы, окруженные зоной некроза (1 балл), а на листьях сорта Омский кристалл — более крупные пустулы, также окруженные зоной некроза (балл 2). Сорт Ангел (табл. 1).
В потомстве 4п растений выявлены устойчивые и восприимчивые растения, что свидетельствует о расщеплении по признаку устойчивости. Согласно теории Флора [8], результат взаимодействия (устойчивость или восприимчивость) зависит от взаимодействия продуктов генов устойчивости растений и генов авирулентности патогенов. При этом достаточно совпадения генов устойчивости и авирулент-ности по одной паре комплементарных генов растения и паразита, чтобы растения проявляли несовместимость. В наших исследованиях изолят 1 нес 6 генов авирулентности (Р9Р19Р26Р28Р36Р38), а более агрессивный изолят 2 — только 3 гена (Р 26Р28Р36), что объясняет различия в результатах взаимодействия растений с разными изолятами.
В ходе двух циклов самоопыления тетраплоидов (в Б2 и Р3) генетический материал распределялся случайно между растениями, поэтому расщепление было изучено в отдельных семьях. В комбинации Омская 36 х Омская янтарная в семье 1 при заражении изолятом 1 наблюдалось расщепление по устойчивости растений близкое к теоретически ожидаемому соотношению Ш : 3Б, что соответствует одному рецессивному гену устойчивости. При заражении изолятом 2 все растения были восприимчивы. Это свидетельствует о том, что рецессивный ген устойчивости преодолен изолятом 2, т.е. является расоспецифическим. В семье 2 той же комбинации при заражении двумя изолятами проявлялись устойчивые и восприимчивые растения. При этом часть растений была устойчива к изоляту 1, часть — к изоляту 2, остальные — к двум изолятам, что свидетельствует о независимом распределении в потомстве генов устойчивости. При заражении изолятом 1
проявлялось расщепление, близкое к 13Я : 3Б, что соответствует присутствию одного доминантного и одного рецессивного генов устойчивости. При заражении растений изолятом 2 расщепление соответствовало соотношению Ш : 3Б, что указывало на действие одного рецессивного гена, т.е. доминантный ген не эффективен против изолята 2. Поскольку при заражении семьи 1 изолятом 2 рецессивный ген был преодолен, то, вероятно, рецессивные гены в семьях 1 и 2 различаются. На основании изучения взаимодействия двух семей растений с двумя изолятами гриба можно предполагать, что сорт Омская янтарная защищен от болезни по крайней мере 1 доминантным и 2 рецессивными генами с расоспецифическим эффектом.
В комбинации Омская 36 х Омский кристалл в семье 1 наблюдалось расщепление, близкое к соотношению Ш : 3Б при заражении двумя клонами. Однако, одни и те же растения показывали разную реакцию при заражении разными изолятами, что свидетельствует о присутствии разных сцепленных рецессивных генов устойчивости у гибридов. В семье 2 при заражении изолятом 1 было выявлено действие одного доминантного гена, а при заражении изолятом 2 — одного рецессивного гена. В семье 3 при заражении двумя изолятами выявлено расщепление близкое к соотношению 7Я : 9Б, что соответствует присутствию у растений 2 независимых рецессивных генов устойчивости. Один из них был близок по проявлению с рецессивным геном, выявленным в семье 1 по взаимодействию с изолятом 2. Таким образом, в результате изучения взаимодействия трех семей растений с двумя изолятами гриба можно предполагать присутствие у сорта Омский кристалл 1 доминантного и 2 рецессивных расоспецифических генов.
В комбинации Омская 36 х Ангел в семье 1 выявлен один доминантный ген, обеспечивающий иммунитет растений к двум изолятам гриба. При заражении семьи 2 изолятом 1 показано расщепление близкое к соотношению 15Я : 1Б, что соответствует присутствию двух доминантных независимых генов устойчипвости. При заражении семьи 2 изолятом 2 выявлено присутствие одного доминантного гена устойчивости, сходного по проявлению с геном в семье 1. Таким образом, сорт Ангел защищен по крайней мере двумя доминантными генами, из которых один обеспечивает иммунитет к двум, а другой — к одному изоляту Р. ШИста.
Ранее испанскими исследователями было показано, что сорта твердой пшеницы защищены расоспецифическими генами Ьг 11, Ьг16, Ьг30 [9]. Использованные в нашей работе изоляты несли гены вирулентности, обеспечивающие преодоление перечисленных генов, но сорта Омская янтарная, Омский кристалл и Ангел оставались устойчивы к болезни. Это свидетельствует о том, что сорта западносибирской селекции были защищены комбинациями других генов устойчивости. Разные результаты взаимодействия растений из отдельных гибридных комбинаций с изолятами показывают, что сорта защищены разными генами устойчивости.
Приведенные выше данные о разделении растений на устойчивые и восприимчивые были получены на основании типов реакции, учитывающих качественные особенности взаимодействия (некроз, хлороз). Однако на всех гибридных растениях, включая восприимчивые, наблюдалось резкое снижение количественных признаков болезни — плотности пустул, определяемой по степени поражения, и их размеров.
Результаты; взаимодействия сортов пшеницы; и тетрзплоидиьзх межвидовых гибридов с изолятами Рисс1ша 1т11!сша
Сорт, гибршцгия комбинация ь семья Иэолят 1 Иэолят 2 Гены устойчивости
Тип реакция/ степень поражения. балл/% Соотношение растений Р : 8 X Чаект Тип реакции/ степень поражения, балл/% Соотношение растений Р : Б
К4 Фактическое Теоретическое В 3 Фактическое Теоретическое
Омска!? 36 — стандарт - 4,0/3&,5 0:10 - - - 4.0//0,4 0:10 - - -
Омска» ян гарная е/о - 10:0 - - 1,0/18,4 - 10:0 - - 1 доминантным -{-2 рег.ессгвных
Омский кристалл е/о - '0:0 - - 1,6/15,2 - 10:0 - - 1 доминантный + 2 рецессивных
Ангел, о/о - 10:0 - - а/о - 10:0 - - 2 доминантных:
Омска» 36 х Омская янтарная Семья 1 Семья 2 0/0 1,8/9/ 3,8/15.1 3,9/19,3 &28 10 : 5 1 :.3 13 : 3 0,98 2,09 0,3/3,5 3.6/22,1 3,5/20,3 0 : 34 6-; 9 _ : 3 £,80 1 рецессивный 1 дрминзнтншй + 1 рецессивный
Омска» 36 х Омский кристалл. Семья 1 Семья 2 Семья 3 1 Д/5,5 ®Г2/2Л 0/0 4,0/12,2 4Р0/8,3 4,0/5,1 12 ; 30 27 : 15 15 : 20 1 : 3 3 = Т 7 : 9 0,29 2,57 0/1 1.2/2СД 0/0 1.5/10.2 3,2/24,2 3,5/'4,2 3,5/' 5Р3 9 ; 33 12 :: 30 18 : '7 : : 3 ' ;3 7 :9 0,29 0,29 0,34 1 рецессивный 1 доминантный 2 рецессивных
Омска» 36 х Ангел Семья 1 Семья 2 о/о 0/0 4,0/ 5,3 4,0/5,1 13 : 12 31 : 4 3 : I 15 : 1 з,:о 1,60 0/0 0/0 3,8/18,1 3,6/9 3 20::: 22 ; '3 3:1 3 ; 1 1,32 2,75 1 доминантный 2 ^ОМИНоНТНЫХ
НСР«.«> огз/2/: 0,2/3,2 - - 0,3/4,1 0,6/Э.Й - - - -
Примечание: ‘Л — устойчивые, £к" — вссприи&гчивые растения.
1
^1 со ИЯЛУН Е1ЯНН391ЭИВГОХО)1ЭЯУЭЭ г юг (801) ш яинюзя ипньлун ииюио
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (108) 2012
Размеры пустул изолятов Рисс1и1а ШИсша на листьях восприимчивых гибридов пшеницы, мкм2
Сорт, гибридная комбинация, семья Изолят 1 Изолят 2
Омская 36 — стандарт 1286345 1097677
Омская 36 х Омская
янтарная 342126 265347
Семья 1 294006 326512
Семья 2
Омская 36 х Омский
кристалл 234045 216005
Семья 1 166329 122823
Семья 2 137614 153665
Семья 3
Омская 36 х Ангел
Семья 1 216345 196576
Семья 2 177256 141579
НСР0,05 26013 38247
Степень поражения в сравнении с восприимчивым сортом мягкой пшеницы снижалась в 2 — 8 раз, а размеры пустул — в 3,7 — 7,75 раза (табл. 1, 2). По мнению ведущего голландского фитопатолога Пар-левлита [10], снижение количества и размеров пятен болезни, а также подавление размножения патогена относится к неспецифическим факторам защиты и обеспечивает длительную устойчивость растений.
Таким образом, проведенные исследования показали, что сорта твердой пшеницы западносибирской селекции обладают высокой устойчивостью к бурой ржавчине. С использованием тетраплоидных форм, сочетающих хромосомы T. aestivum и T. durum, установлено, что сорта твердой пшеницы защищены 2 — 3 доминантными или рецессивными расоспецифическими генами и комплексом факторов неспецифической устойчивости, подавляющих развитие болезни. Такое сочетание обеспечивает высокую стабильную устойчивость твердой пшеницы к бурой ржавчине.
Библиографический список
1. Санин, С. С. Фитосанитарный мониторинг: современное состояние и пути совершенствования: Проблемы оптимизации фитосанитарного состояния растениеводства / С. С. Санин // Сб. тр. Всерос. съезда по защите растений. Санкт-Петербург, декабрь 1995. - СПб., 1997. - С. 166-176.
2. Михайлова, Л. А. Устойчивость пшеницы к бурой ржавчине / Л. А Михайлова // Идентифицированный генофонд растений и селекция. — СПб. : ВИР, 2005. — С. 513-526.
3. Евдокимов, М. Г. Селекция яровой твердой пшеницы в Сибирском Прииртышье : моногр. / М. Г. Евдокимов. -Омск : Сфера, 2006. - 219 с.
4. Mains, E. B. Physiological specialization in the leaf rust wheat Puccinia triticina Erikss. / E. B. Mains, E.S. Jackson // Phytopathology. - 1926. V. 16, N 1. - P. 89-120.
5. Peterson R. F. A diagrammatic scale for estimating rust intensity of leaves and stem of cereals / R. F. Peterson, A. B. Campbell, A. E. Hannah // Canadian Journal Reseach, 1948. -Sec. C., V. 26. - P. 496-500.
6. Михайлова, Л. А. Лабораторные методы культивирования возбудителя бурой ржавчины пшеницы Puccinia recondita f. sp.
tritici Rob. ex Desm. / Л. А. Михайлова, К. В. Квитко // Микология и фитопатология. - 1970. - Т. 4. Вып. 4. - С. 269-273.
7. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта / Б. А. Доспехов. - М. : Колос, 1985. - 351 с.
8. Flor, H. H. The complementary genic systems in flax and flax rust / H. H. Flor // Advances of Genetics, 1956. - V. 48. N8. - P. 29-54.
9. Del Olmo A. I. 2.14 Search for resistance to leaf rust in durum wheat germplasm / A. I. Del Olmo, J. C. Sillero, D. Rubiales // Proceedings of the 11th International Cereal Rust and Powdery Mildews Conference. Norwich, England, 22-27 August 2004, abstract 2.14. Cereal Rust and Powdery Mildews Bulletin [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.crpmb.org/icrpmc11/abstracts. htm (дата обращения: 12.03.2012).
10. Parlevliet, J. E. Components of resistance that reduce the rate of epidemic development / J. E. Parlevliet // Annual Review of Phytopathology, 1979. - V. 17. - P. 203-222.
ПЛОТНИКОВА Людмила Яковлевна, доктор биологических наук, профессор (Россия), профессор кафедры селекции, генетики и физиологии растений Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина (ОмГАУ).
РУТЦ Рейнгольд Иванович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор (Россия), руководитель селекционного центра Сибирского НИИ сельского хозяйства (СибНИИСХ), член-корреспондент РАСХН. ЖАРКОВ Николай Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник сектора генетики СибНИИСХ.
ЕВДОКИМОВ Михаил Григорьевич, доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник (Россия), заведующий лабораторией селекции твердой пшеницы СибНИИСХ.
ГОРОДЕЦКАЯ Лилия Анатольевна, студентка 43-й группы агрономического факультета ОмГАУ. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 12.03.2012 г.
© Л. Я. Плотникова, Р. И. Рутц, Н. А. Жарков,
М. Г. Евдокимов, Л. А. Городецкая
