CC BY
7УДК 631.524.86:633.11:632.3
Е.А. Волуевич
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В СЕЛЕКЦИИ МЯГКОЙ ПшЕНИЦЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К МУЧНИСТОЙ РОСЕ (обзорная статья)
ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27
Введение
Болезни и вредители сельскохозяйственных культур наносят значительный ущерб растениеводческой отрасли, снижая урожай и качество продукции. Использование химических средств защиты растений приводит к увеличению пе-стицидной нагрузки на окружающую среду. Кроме того, в популяциях вредоносных организмов накапливаются генотипы с мутациями резистентности к разным химическим классам фунгицидов и инсектицидов, что снижает эффективность их применения и требует разработки новых препаратов. В этой связи, менее дорогостоящим и экологически чистым способом борьбы с болезнями и вредителями является создание устойчивых сортов. Для успешной селекции необходим мониторинг частоты генов вирулентности в популяциях патогенов с учетом путей их миграции, а также создание
сортов на основе диверсификационных стратегий. На современном уровне пока возможны диверсификационные стратегии селекции только для некоторых культур и к небольшому числу патогенов, то есть диверсификацион-ные стратегии на первичном уровне, который предполагает создание сортов, различающихся по генам устойчивости, и их территориальное размещение. В связи с биологическими особенностями разных видов вредоносных патогенов используются определенные генетические подходы к выведению резистентных сортов, направленные на увеличение длительности сохранения устойчивости. В настоящей статье будет рассмотрена диверсификационная стратегия селекции мягкой пшеницы на устойчивость к вредоносной и распространенной болезни этой культуры - мучнистой росе.
Биологические особенности возбудителя мучнистой росы пшеницы и вредоносность
Мучнистая роса встречается на пшенице во всех районах мира, где возделывается эта культура. Возбудитель мучнистой росы - био-трофный грибной патоген Blumeria graminis DC. f. sp. tritici Marchai (синоним Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici Marchai) относится к классу Ascomycetes, порядку Erysiphales, семейству Erysiphaceae. Мучнистая роса, как правило, развивается на листьях, но гриб может поражать все надземные части растения. На поверхности пораженных органов патоген появляется в виде белого налета, который постепенно превращается в плотные колонии мицелия грязно-серовато-коричневого цвета. В условиях умеренного климата в течение вегетации растений гриб дает около 10 генераций путем бесполого размножения гаплоидными конидиями. При этом на поверхности листа в 1 см2 может сформироваться до 100 тыс. конидий, что обусловливает возникновение 2000
мутаций на локус в сутки на 1 га площади посева пшеницы. Патоген легко преодолевает большие расстояния с помощью ветра. На примере возбудителя мучнистой росы ячменя было зарегистрировано, что по основному направлению ветра популяция B. graminis Г sp. hordei распространилась на 110 км за 36 дней [1]. Споры также разносятся с дождем и брызгами.
Патоген имеет регулярный половой процесс, в результате которого образуются аскоспоры. Их фомирование начинается при повышении температуры и старении растения-хозяина, в то время как бесполое размножение конидиями в этот период уменьшается, а затем прекращается. Аскоспоры разносятся ветром даже при высокой влажности воздуха после дождя, то есть в условиях, которые неблагоприятны для рассеивания конидий [2]. Смесь аскоспор и конидий, образовавшихся
на яровой пшенице, формирует инокулюмом для озимой пшеницы. Популяция возбудителя мучнистой росы увеличивается в течение осени на озимой пшенице до наступления холодов, ограничивающих ее дальнейшее развитие. Гриб зимует обычно в узлах кущения в виде мицелия. В морозные зимы, вызывающие серьезное повреждение озимой пшеницы, численность популяции патогена значительно снижается. Клейстотеции - плодовые тела с сумками, содержащими аскоспоры, - сохраняются на пожнивных остатках. Весной гриб развивается на озимой пшенице и конидии переносятся ветром на яровую пшеницу. С августа по октябрь созревают и высвобождаются аскоспоры, которые поражают всходы озимых. В засушливых районах тех стран, где выращивается только яровая пшеница, сумки формируются медленно, и аскоспоры созревают только после перезимовки, весной они поражают яровую пшеницу.
Возбудитель мучнистой росы принадлежит к патогенам высокого эволюционного риска, так как имеет половое и бесполое размножение [3]. В результате ежегодного полового процесса производится много новых комбинаций аллелей. Последующие циклы бесполого размножения могут быстро увеличить частоту отобранных комбинаций аллелей, поэтому разрушение эффективности генов устойчивости и чувствительности к фунгицидам происходит достаточно быстро. Стратегия эпифитотии гриба в основном базируется на быстром инфекционном цикле, большой споруляционной способности и высокой эффективности инфек-
ции. Увеличение степени развития болезни происходит не только вследствие появления новых поражений на растениях, но что более важно, путем увеличения размеров уже присутствующих колоний. Имея такие биологические особенности, возбудитель мучнистой росы быстро преодолевает устойчивость сорта, контролируемую главными генами: обычно в течение 3-4 лет возделывания на больших площадях, но это может происходить и быстрее - за 1-3 года [4].
Мучнистая роса является одной из наиболее вредоносных болезней пшеницы в странах с умеренным климатом, бурное развитие этой болезни наблюдается в Великобритании, Германии, Китае, России, Северной и Восточной Африке, на Юго-Востоке США, в Южной и Западной Азии, Японии [5]. Более сильно она распространена. В Европе споры возбудителя мучнистой росы пшеницы разносятся с Запада на Восток. Их распространение происходит по западно-европейскому пути (из Марокко и Испании - в Скандинавию), а также восточноевропейскому пути (из Турции и Румынии - в Скандинавию) [6]. В связи с этим на местные популяции гриба воздействует приток спор из отдаленных районов.
Потери урожая от мучнистой росы составляют от 13 до 34% [7, 8], при сильном поражении посевов - до 50% [9]. В Беларуси эта болезнь практически ежегодно достигает эпифитотий-ного уровня [10]. Мучнистая роса уменьшает ассимиляционную площадь листьев и разрушает хлорофилл, снижает кустистость растений и задерживает колошение.
Генетические подходы в селекции на расоспецифическую устойчивость
Селекция сортов пшеницы ведется на расоспецифическую и нерасоспецифическую устойчивость. Селекция на расоспецифическую устойчивость предполагает использование в скрещиваниях доноров с эффективными главными Pm-генами резистентности (Pm - powdery mildew). Устойчивость обычно проявляется в виде реакции сверхчувствительности на листьях [5]. Сорта с генами расоспе-цифической устойчивости характеризуются резистентностью на протяжении всего вегетационного периода растений, начиная со стадии проростков. Однако они быстро становятся восприимчивыми. Основная причина эрозии
их устойчивости - адаптация популяции возбудителя мучнистой росы в результате половой рекомбинации, мутаций, миграции на дальние расстояния и сильного давления отбора, оказываемого главными генами резистентности, содержащимися в сортах.
Считается, что пирамидирование эффективных главных генов обеспечивает более длительную устойчивость. Однако пирамиды оказываются уязвимыми, если включенные в них гены используются одиночно в других сортах и в популяции патогена присутствует комплементарная к ним вирулентность [11]. Если при мониторинге популяции патогена
обнаружено появление новых фенотипов вирулентности, преодолевающих используемую пирамиду генов, то можно предполагать, что в целях предотвращения потери устойчивости следует увеличить численность генов пирамиды. Однако предсказать длительность устойчивости сорта в зависимости от числа присутствующих у него генов резистентности невозможно. Самая большая опасность при включении новых главных генов в генные пирамиды заключается в том, что сильное однонаправленное давление отбора в отношении соответствующих аллелей вирулентности в популяции патогена может приводить к эволюции патотипа, преодолевающего комплекс этих генов [12]. Если одна и та же комбинация генов устойчивости используется широко, то будет наблюдаться более сильное давление отбора на соответствующую комбинацию аллелей вирулентности в популяции возбудителя. Если это происходит, то эффективность пирамиды данных генов устойчивости будет разрушена. Таким образом, несмотря на то, что присутствие в сорте нескольких эффективных генов должно обеспечивать более длительную устойчивость [12], такая устойчивость может способствовать накоплению генотипов патогена, несущих многие гены вирулентности, если осуществляется высокое давление отбора на возбудителя болезни [13].
Для успешной селекции на расоспецифи-ческую устойчивость необходимо располагать информацией об эффективности главных генов резистентности, а также их наличии в донорах. Кроме того, для целенаправленного отбора предпочтительных генотипов в гри-бридных поколениях желательно использовать ДНК-маркеры, разработанные к генам устойчивости.
Для исследования эффективности генов устойчивости впервые в 2010 году был проведен мониторинг частоты встречаемости генов вирулентности в белорусской популяции гриба. Инфекционный материал возбудителя мучнистой росы собирали на коллекционном участке в Минской области, где произрастали около 500 яровых и озимых сортообразцов различного географического происхождения. Встречаемость генов вирулентности исследовали, используя набор, включающий 21 тестер с одиночными генами (8 изогенных линий и
13 сортов), а также 5 сортообразцов, содержащих от двух до пяти генов устойчивости. Оказалось, что только пшеничный ген Pm3b и ген от ржи Pm20 были среднеэффективны-ми. Частота вирулентных к ним клонов составляла 8,7% при оценке изогенной линии Chul/8*Chancellor и образца KS93WGRC28 соответственно [14]. Низкоэффективными оказались гены Pmla, Pm3a, Pm3d, Pm6, Pm7, Pm16, Pm17 с частотой вирулентности в пределах 21-50%. Неэффективны гены устойчивости Pmla, Pmle, Pm2, Pm3c, Pm3f, Pm3g, Pm4a, Pm4b, Pm5a, Pm5b, Pm10, к которым в белорусской популяции гриба присутствовало более 50% вирулентных изолятов. Средне-эффективной оказалась комбинация четырех генов у сорта Sappo (Pm1a+2+4b+9); низкоэффективными были комбинации трех генов у сорта Normandie (Pmla+2+9) и пяти генов у сорта Nemares (Pm1a+2+4b+6+9); неэффективной - комбинация двух генов у сорта Chinese Spring (Pmll+15).
В некоторых европейских странах, из которых не исключен занос спор гриба в Республику Беларусь, также проводятся исследования структуры популяции патогена по признаку вирулентности с целью изучения эффективности генов устойчивости и прогноза их использования в селекции. Так, в Дании частота вирулентности составляла 100% к гену Pm5, 80-90% к Pm8 и 40-90% к Pm2 (по данным оценки 1985-1986 гг.) [15]. Комбинация генов Pm4b+6 обеспечивала хороший уровень защиты. Сорта Kosack (Pm4b+u) (u - unknown), Sleipner (Pm2+6+8) и Holger (Pm6+u) были наиболее устойчивы. Отмечалась некоторая вирулентность к Pml, Pm4a, Pm3a, Pm3b, Pm3c, несмотря на то, что сорта с этими генами устойчивости в Дании не выращивались широко. В Голландии в 1970-х годах частота вирулентных изолятов к генам Pmla, Pm2, Pm3b, Pm6 и Pm8 была небольшой. Наиболее распространенными оказались изоляты с вирулентностью к Pm5, наименее - к Pm4b [16]. Отмеченная в 1980-1990 гг. вирулентность к генам Pmla, Pm2, Pm3a-d, Pm4a, Pm4b, Pm5a, Pm6, Pm8 и Pm9 обусловлена увеличением выращивания сортов пшеницы, содержащих эти гены [15-17]. В Германии гены Pm4b и Pm5 потеряли эффективность, также как и гены Pm2, Pm6, Pm8 и все их совместные комбинации [18].
В Венгрии за период с 1970-х годов по 2007год было показано, что 60% изменений в частоте вирулентных генов объясняется набором культивируемых сортов [19]. В 2001-2008 гг. меньшую частоту вирулентности выявили по отношению к гену РтЗЬ (24,7%), в то время как к Pm3d она составляла 27,3%; к комбинации генов Рт1+2+9 -41,3%; к гену Рт1 - 48,7%. Около 100% составляла частота вирулентных изолятов к генам Рт2, РтЗс, Рт4а, Рт5, Рт6 и Рт8 [19]. В Беларуси ген Pm3d был низкоэффективным при анализе частоты встречаемости изолятов в 2010 году [14].
В Болгарии изучение структуры популяции возбудителя мучнистой росы в 2001-2003 гг. показало наибольшую эффективность генов Рт7, РтЗЬ, РтЗс и Рт1+2+9 [20]. По результатам изучения в 2004-2006 гг. высокую эф-
фективность имели гены Pm7, Pm3b, Pm3c и комбинация генов Pm1+2+9 [21]. Однако в Беларуси эта комбинация генов оказалась низкоэффективной, по данным мониторинга популяции гриба в 2010 году было выявлено 44,4% вирулентных изолятов к сорту Normandie [14].
В Литве исследование структуры популяции патогена с использованием дифференциаторов с генами Pm1, Pm2, Pm3a, Pm3b, Pm3c, Pm4a, Pm4a+, Pm4b, Pm4b+, Pm5, Pm6, Pm7, Pm8, Pm17, Pm1+Pm4b, Pm1+Pm2+Pm9, Pm2+Pm6, Pm2+ PmMld показало их неэффективность. Сравнительно меньшую частоту вирулентных изолятов наблюдали только к генам Pm4a (Khapli), Pm4a+ (Tp 309/A) и Pm17 (Amigo): в диапазоне от 20,7% до 37% (средние данные за 3 года) [22].
Генетические подходы в селекции на возрастную устойчивость
Сорта с медленным развитием болезни, частичной, возрастной (APR - adult plant resistance) устойчивостью характеризуются задержкой проявления болезни, уменьшением роста и репродукции патогена на взрослых растениях [23]. Она обычно оценивается по снижению развития болезни на флаговом (и подфлаговом) листе, так как возрастные гены начинают экспрессироваться с периода появления этого листа. Если сорта имеют только этот тип устойчивости, то проростки могут поражаться в слабой или средней степени [24, 25]. Возрастная устойчивость обычно нера-соспецифическая и в таких случаях является длительной, но она может быть также расоспе-цифической, что было доказано экспериментально [26]. С нерасоспецифической устойчивостью к мучнистой росе связаны локусы частичной устойчивости к листовой и желтой ржавчине (Lr34/Yr18/Pm38 и Lr46/Yr29/Pm39) (Lr - leaf rust, Yr - yellow rust) [27-29]. Они присутствуют в различной зародышевой плазме и контролируют частичную устойчивость к трем грибным патогенам в течение нескольких десятилетий [29-32].
Медленное развитие мучнистой росы чаще всего наследуется как количественный признак [33, 34]. Например, генетический анализ с использованием двух серий моносомных линий показал участие 14 хромосом в детерминации полевой устойчивости к мучнистой росе немецкого сорта Diplomat [35]. Однако
возможно и простое наследование при проведении генетического анализа в строго контролируемых условиях среды, например, у сорта Genesee был выявлен один доминантный расоспецифический ген частичной устойчивости [36]. Отбор по фенотипу на частичную полевую устойчивость к мучнистой росе часто затруднен в присутствии генов расоспецифи-ческой устойчивости, которые могут маскировать эффект генов частичной устойчивости, если являются эффективными. Кроме того, гены расоспецифической устойчивости могут обусловливать реакции частичного поражения болезнью в поле, когда частота соответствующей вирулентности в популяции патогена является низкой [37].
Возрастная устойчивость длительна благодаря нерасоспецифичности, вследствие чего оказывается менее сильное давление отбора на популяцию гриба [38]. Однако длительность устойчивости может быть определена лишь после продолжительного времени выращивания сорта на большой площади в регионе, где патоген вызывает регулярные эпифитотии [39]. Так, например, британский сорт Maris Huntsman постоянно проявлял больший уровень устойчивости к мучнистой росе, чем другие сорта, несущие аналогичную комбинацию неэффективных генов Pm2+6 [5]. Немецкие сорта, имеющие неэффективную комбинацию Pm-генов, такие как реализованные в 1995 году Tambor (Pm2+5) и в 1970 году Habicht
(Pm5+6), а также Ramiro (1989 г.), Miras (1984 г.) и Zentos (1989 г.) без главных Pm-генов характеризуются хорошей количественной устойчивостью, несмотря на интенсивное использование в практическом земледелии. Известно, что сорта Zentos, Ramiro и Miras (TAW) имеют в своей родословной российский сорт Мироновская 808. Мироновская 808 обладает количественной устойчивостью к мучнистой росе, которая сохранялась в Германии в течение длительного периода времени (1970-1982 гг.) несмотря на то, что в этой стране 43% площади под пшеницей было занято данным сортом [40]. Ранее сообщалось о высокой стабильности количественной устойчивости к мучнистой росе сорта Knox и его производных, которая не изменилась в течение 20 лет [23]. Сорт Massey, производный Knox 62, начали выращивать в Вирджинии в 1981 году [41] и до сих пор он устойчив к мучнистой росе на стадии взрослых растений [42]. Выявлено, что долговременную возрастную устойчивость американских сортов Knox 62 и Massay обеспечивают 2-3 гена [43].
Создание сортов с частичной (количественной) устойчивостью возможно за счет остаточного эффекта преодоленных генов расоспеци-фической устойчивости. Так, установлено, что некоторые неэффективные расоспецифические гены устойчивости (Pm3c, Pm3g, Pm4b) вносят остаточный эффект в возрастную устойчивость [44, 45]. Сообщалось также, что расоспецифи-ческий ген Pm5a, возможно, обусловливает возрастную устойчивость в сочетании с другими Pm-генами [46]. В условиях Словакии выявили два сорта (Century и Vercors) с количественной устойчивостью, которые имеют частично эффективные (к некоторой доле изолятов в популяции гриба) главные гены Pm17 и Pm3a в комбинации с геномpm5c соответственно [47].
В полевых условиях Беларуси также была оценена эффективность одиночных генов и их комбинаций по проценту поражения третьего листа сверху и флагового листа растений [48]. Высокую устойчивость в 2001-2002 гг. наблюдали у сортообразцов с одиночными генами: Aristide (Pm3g), Transec (Pm7), Haven/T. dicoccoides (Pm16), Amigo (Pm17), KS93WGRC28 (Pm20), Fresco (MlFr), Spark (PmMlTo). Слабое поражение болезнью имели сорта с комбинацией 2-5 генов: Compal
(Pm2+4b), Maris Huntsman (Pm2+6), Булава (Pm2+6), Brock (Pm2+MlTa2), Sorbas (Pm4b+6), Mercia (Pm5b+MlTa2), Hereward (Pm8+MlHe2), Normandie (Pm1a+2+9), Axona (Pm2+3d+Mld), Kenja Civet (Pm2+3c+6), Apollo (Pm2+4b+8), Crossbow (Pm2+5+6), Knirps (Pm2+4b+6+8), Nemares (Pm1a+2+4b+6+9).
Проведенная в 2012 году полевая оценка также выявила высокую устойчивость некоторых сортов с известными генами и их комбинациями. Такой устойчивостью характеризовались яровые сортобразцы Transec (Pm7), Тулай-ковская 5 (PmAg), Тулайковская 10 (PmAg), Maris Dave (Pm2+Mld), Wembley/Ae. speltoides (Pm12+MlSo), Axona (Pm2+3d+Mld), Banti (Pm1+2 + 3d+6). Высокий уровень полевой устойчивости наблюдали у озимых сортов Soissons (Pm3g), Amigo (Pm17), KS93WGRC28 (Pm20), Spark (PmMlTo), Tambor (Pm2+5), Estica (Pm2 + 6), Булава (Pm2 + 6), Mercia (Pm5b+MlTa2).
Некоторые сортообразцы, несущие гены Pm7, Pm17, Pm20, PmMlTo, сохраняли хороший уровень полевой устойчивости к белорусской популяции возбудителя мучнистой росы более 10 лет. Высоко устойчивы, по данным оценки ряда лет, были сорта Тулай-ковская 5 и Тулайковская 10 с геном PmAg (2009-2012 гг.), Tambor с Pm2+5 (2008-2012 гг.), Булава с Pm2+6 (2001-2012 гг.), Mercia с Pm5b+MlTa2 (2001-2012 гг.). Эти сорта характеризовались устойчивостью как третьего листа сверху, так и флагового листа. Сорта Axona с Pm2+3d+Mld (оценки 2001-2012 гг.) и Banti с Pm1+2+3d+6 (2009- 2012 гг.) были более устойчивы на флаговом листе, чем на третьем листе сверху, то есть проявляли устойчивость по типу медленного развития мучнистой росы. Такую же устойчивость в условиях Беларуси имел сорт Estica с комбинацей генов Pm2+6 по данным оценок 2008-2012 гг.
Сортобразцы с некоторыми генами или комбинациями генов имеют высокий уровень полевой устойчивости, начиная со стадии колошения растений, хотя частота вирулентных к ним клонов при лабораторной оценке проростков была существенной. Это имеет отношение, в частности, к носителям генов Pm3g, Pm7, Pm17, из которых только Pm7 - возрастной расоспецифический ген частичной устойчивости. Высокий уровень полевой устойчивости
к белорусской популяции наблюдали у озимого сорта Vlasta по данным оценок 2008-2012 гг. Это лучший по устойчивости к мучнистой росе чешский сорт, полученный от скрещивания Brimstone/S13//Hana и реализованный в 1999 [49]. Сорт Vlasta имеет ген Pmlb, ин-трогрессированный от Triticum monococcum в S13 [50]. Однако с помощью фитотеста ген Pmlb в сорте Vlasta найден не был, но были постулированы гены Pm2 и Pm6, очевидно, полученные от Brimstone (неопубликованные данные Zeller, цит. по [50]). Присутствие только комбинации этих двух генов Pm2+6 не может объяснить высокую полевую устойчивость сорта Vlasta к мучнистой росе, так как другие сорта (например, Estica) с этими же генами были неустойчивы в Чехии в 2002-2005 гг. [49]. В условиях Беларуси сорта Estica и Булава, имеющие комбинацию генов Pm2+6, как уже отмечалось, характеризовались хорошим уровнем полевой устойчивости, хотя по данным мониторинга 2010 г. к каждому из этих генов наблюдалась значительная частота вирулентных изолятов [14].
Пирамидирование расоспецифических главных генов, которые уже преодолены, все-таки не является эффективным решением проблемы генетической защиты сортов пшеницы от мучнистой росы. Ранее об этом сообщалось при анализе устойчивости английских [5] и немецких сортов [18]. Было выявлено, что сочетания малых генов устойчивости к мучнистой росе, которые селекционеры смогли получить в некоторых сортах в прошлом, являются намного более эффективными для достижения экологически стабильной устойчивости к болезни, чем пирамидирование преодоленных генов расоспецифической устойчивости. Так, на протяжении 10-летнего изучения немецких сортов озимой пшеницы с частичной устойчивостью к мучнистой росе, степень их поражения была ниже 10%, несмотря на эпифитотии [18]. Только в особенно благоприятные для гриба годы развитие болезни достигало 20%, что требовало применения фунгицидов. Такая устойчивость не была обусловлена присутствием у некоторых исследованных сортов известных преодоленных генов расоспецифической устойчивости, поскольку аналогичные сочетания генов у других сортов не давали приемлемого уровня частичной устойчивости. В связи с этим мож-
но предположить, что и выявленная в условиях Беларуси высокая полевая устойчивость некоторых сортов с неэффективными расоспецифи-ческими генами или их комбинациями может быть обусловлена и другими (малыми) генами.
В последнее время особое значение приобретает изучение частичной устойчивости, которая, как количественный признак, контролируется полигенами. Если признак является результатом многочисленных малых аддитивных эффектов, то в селекции такую устойчивость использовать сложно. Однако выявление QTLs (quantitative trait loci - количественных локусов), ассоциированных с устойчивостью к мучнистой росе, особенно у сортов с длительной частичной устойчивостью, позволяет использовать их при выведении сортов, адаптированных к местным условиям. Такие исследования были проведены в Норвегии: была изучена генетика резистентности шведского сорта мягкой озимой пшеницы Folke, имеющего долговременную частичную неспецифическую полевую устойчивость к мучнистой росе [37]. Этот сорт адаптирован к условиям Норвегии [51], и он широко культивировался в Норвегии и Швеции в 1980-х и 1990-х годах соответственно. Недавно проведенные тесты на проростках подтвердили нерасоспецифическую природу его устойчивости [52, 53]. Также ни один из QTLs, ассоциированных с длительной устойчивостью к мучнистой росе у сорта Folke, не был картирован в позиции любых известных генов расоспецифической резистентности [54]. Это является дополнительным подтверждением не-расоспецифичности Folke при высоком уровне возрастной устойчивости растений в полевых условиях [51]. Селекция, основанная на QTLs (количественных генах), которые имеет Folke, перспективна в связи с тем, что новые сорта будут иметь устойчивость, которую трудно преодолеть генетическими изменениями в популяции возбудителя мучнистой росы.
Ценным источником для селекции на частичную устойчивость к мучнистой росе является немецкий сорт яровой пшеницы Naxos, который проявляет высокий уровень нера-соспецифической полевой устойчивости. Lu с сотрудниками выявили у Naxos большой QTL -локус количественной устойчивости в хромосоме 1AS вблизи гена Pm3 в экспериментах, проведенных в 6 разных местностях
в Норвегии и Китае. Этот локус объясняет до 35% фенотипической вариации [55]. Naxos имеет еще один важный локус количественной устойчивости в хромосоме 2DL и два малых -в 2BL и 7DS. Кроме Naxos и Folke, высоким уровнем частичной полевой устойчивости обладают немецкий сорт яровой пшеницы Paros
и шведский озимый сорт Mj0lner. Все эти 4 сорта на ювенильной стадии являются восприимчивыми к изолятам патогена, то есть не несут генов расоспецифической устойчивости, поэтому представляют собой высокоценные источники частичной и потенциально длительной устойчивости к мучнистой росе [56].
заключение
Распространение возбудителя мучнистой росы на длинные дистанции требует организации интродукции эффективных генов устойчивости поперек пути основного направления ветра в Европе - с Запада на Восток. Существует необходимость расширения генетического разнообразия устойчивости к мучнистой росе в возделываемых сортах пшеницы. Поиск и интродукция новых генов устойчивости от родственных и чужеродных видов в адаптированные сорта пшеницы - первичные задачи селекционных программ по выведению сортов для выращивания в тех районах, где эта болезнь является проблемой, в том числе в Беларуси. Чем более широкий спектр генетической устойчивости будет создан в адаптированных сортах, тем успешнее может использоваться стратегия диверсификации для контроля болезни, причем, озимые и яровые сорта должны иметь различающиеся гены устойчивости. Прогноз использования генов устойчивости в селекции должен основываться на мониторинге популяции возбудителя мучнистой росы по генам вирулентности.
Для создания устойчивых сортов пшеницы к мучнистой росе исследователями предложены программы селекции, включающие использование эффективных главных генов устойчивости, их пирамидирование, пирамиды преодоленных главных генов, а также создание сортов с частичной (количественной) устойчивостью. В то же время селекция сортов с частичной устойчивостью предлагается в качестве более надежного направления [5, 23]. Изучение генетики
количественной устойчивости или медленного развития болезни на взрослых растениях является важной задачей. Без знания генетической основы этой ценной формы устойчивости, эффективную стратегию селекции на устойчивость к мучнистой росе разработать трудно. В настоящее время провести различие между количественной и длительной устойчивостью возможно только ретроспективно. Сорта с количественной или сочетанием количественной и качественной устойчивости для условий, где имеет значение проростковая устойчивость, могут быть легко разработаны с использованием молекулярных маркеров [57]. Пирамиды количественных генов с качественными генами увеличат длительность устойчивости [58].
Пирамидирование генов имеет большие перспективы для достижения длительной устойчивости сельскохозяйственных культур к биотическим и абиотическим стрессам [59]. Пирамидирование с использованием молекулярных маркеров к генам устойчивости позволяет осуществлять «укладку» многих генов, что приводит к одновременной экспрессии более одного гена и длительной устойчивости. Генные пирамиды приобретают большое значение для создания генетических источников широкого спектра устойчивости. Эта стратегия должна быть интегрирована в обычные селекционные программы. Повысить эффективность такой селекции позволяет маркер-сопутствующий отбор, который должен использоваться и в Республике Беларусь.
Список используемых источников
1. Limpert, E. Barley mildew in Europe: Evidence of wind-dispersal of the pathogen and its implications for improved use of host resistance and of fungicides for mildew control / E. Limpert // Integrated Control of Cereal Mildews: Monitoring the Pathogen; ed. M.S. Wolfe, E. Limpert. - Dortrecht: Martinus Nijhof Publishers,
1987. - P. 31-33.
2. Development of cleistothecia and early as-cospore release of Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici in winter wheat in relation to host age and climatic conditions / M. Götz [et al.] // Zeitschrift für Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz. -1996. - Vol. 103. - P. 134-141.
3. McDonald, B.A. Pathogen population genetics, evolutionary potential, and durable resistance / B.A. McDonald, C. Linde // Ann. Rev. Phytopathol. - 2002. - Vol. 40. - P. 349-379.
4. Skinnes, H. Breakdown of race specific resistance to powdery mildew in Norwegian wheat / H. Skinnes // Cereal Rusts Powdery Mildew Bull 30. - 2002. - Mode of access: http:// www.crpmb.org. - Date of access: 12.11.2012.
5. Bennett, F.G.A. Resistance to powdery mildew in wheat: A review of its use in agriculture and breeding programmes / F.G.A. Bennett // Plant Pathology. - 1984. - Vol. 33. -P. 279-300.
6. Zadoks, J.C. International dispersal of fungi / J.C. Zadoks // Netherlands Journal of Plant Pathology. - 1967. - Vol. 73, Suppl. 1. - P. 61-80.
7. Effectiveness of adult-plant resistance in reducing grain yield loss to powdery mildew in winter wheat / C.A. Griffey [et al.] // Plant Disease. - 1993. - Vol. 77. - P. 618-622.
8. Leath, S. Effects of powdery mildew, tri-adimenol seed treatment, and triadimefon foliar sprays on yield of winter wheat in North Carolina / S. Leath, K.L. Bowen // Phytopathology. -1989. - Vol. 79. - № 2. - Р. 152-155.
9. Рачински, Т. Съвременната селекция и борбата с ръждите и бряшнестата мана на пшеница / Т. Рачински // Раст. защита. -1980. - Т. 28. - № 8. - С. 5-10.
10. Коптик, И.К. Селекция озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) в условиях Беларуси: дисс. ... доктора с.-х. наук: 06.01.05 / И.К. Коптик; БелНИИЗиК. - Жодино, 1996. - 304 с.
11. Parlevliet, J.E. Resistance of Crop Plants against Fungi / J.E. Parlevliet // Durable resistance; ed. H. Hartleb, R. Heitfuss, H.-H. Hoppe. - Jena: Gustav Fisher Publishers, 1997. - P. 238-253.
12. Pink, D.A.C. Strategies using genes for non-durable disease resistance / D.A.C. Pink // Euphytica. - 2002. - Vol. 124. - P. 227-236.
13. Groth, J.V. Multilines and "super-races", a simple model / J.V. Groth // Phytopathology. -1976. - Vol. 66. - P. 937-939.
14. Булойчик, А.А. Анализ белорусской популяции возбудителя мучнистой росы пшеницы по признаку вирулентности / А.А. Булойчик, В.С. Борзяк // Генетика и биотехнология XXI века: проблемы, достижения, перспективы: материалы
Междунар. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рожд. акад. Н.В. Турбина, Минск, 8-11 окт. 2012 г. / Институт генетики и цитологии НАН Беларуси, X съезд Белорус. общ-ва генетиков и селекционеров; редкол.: А.В. Кильчевский [и др.]. - Минск, 2012. - С. 45.
15. Hovm0ller, M.S. Virulensunders0gels-er af byg- og hvedemeldug i Danmark 1987 / M.S. Hovm0ller // Tidskr. Planteavl. - 1987. -Vol. 91. - P. 375-386.
16. Karjalainen, R. The powdery mildew situation on barley and wheat in Finland // Integrated Control of Cereal Mildews: Monitoring the pathogen / R. Karjalainen; ed. M.S. Wolfe, E. Limpert. - The Netherlands: Martinus Nijhoff Publishers, 1987. - P. 61-66.
17. Wiik, L. Mildew populations of barley and wheat in Sweden / L. Wiik // Integrated Control of Cereal Mildews: Virulence Patterns and Their Change; ed. J. Helms-J0rgensen. - Roskilde: Ris0 National Laboratory, 1991. - P. 33-37.
18. Miedaner, T. Effectiveness and environmental stability of quantitative powdery mildew (Blumeria graminis) resistance among winter wheat cultivars / T. Miedaner, K. Flath // Plant Breeding. - 2007. - Vol. 126. - P. 553-558.
19. Virulence of the wheat powdery mildew population and the efficiency of Pm resistance genes / G. Vida [et al.] // 8th International Wheat Conference, Abstracts of oral and poster presentations, St. Peterburg, 1-4 June 2010. - St. Peterburg, 2010. - P. 325-326.
20. Iliev, I. Вирулентност на причинителя на брашнестата мана по пщиницата през периода 2001-2003 г. / I. Iliev // Растениевъдни Науки. - 2006. - Vol. 43, № 4. -P. 344-351.
21. Iliev, I. Virulence Diversity in the Population of the Cause Agent of Powdery Mildew in Wheat - Blumeria gramnis tritici / I. Iliev // Bulgarian Journal of Ecological Science. - 2011. -Vol. 10, № 3. - P. 3-13.
22. Liatukas, Z. Wheat powdery mildew population in Lithuania / Z. Liatukas, V. Ruzgas // Agronomijas Vestis. - 2005. - № 8. - P. 124-128.
23. Shaner, G. Evaluation of slow-mildewing resistance of Knox wheat in the field / G. Shaner // Phytopathology. - 1973. - Vol. 63. - P. 867-872.
24. A major QTL effect controlling resistance to powdery mildew at the adult plant stage / Y. Bougot [et al.] // Plant Breeding. - 2006. -Vol. 125. - P. 550-556.
25. Quantitative trait loci mapping of adult-plant resistance to powdery mildew in Chinese wheat cultivar Lumai 21 / C.X. Lan [et al.] // Molecular Breeding. - 2010. - Vol. 25. - P. 615-622.
26. Hsam, S.L.K. Breeding for powdery mildew resistance in common wheat (T aesti-vum L. em Thell.) / S.L.K. Hsam, F.J. Zeller // The Powdery Mildews: A Comprehensive Treatise; ed. R.R. Belanger [et al.]. - St. Paul, USA: PS Press, 2002. - P. 219-238.
27. Mapping Yr28 and other genes for resistance to stripe rust in wheat / R.P. Singh [et al.] // Crop Science. - 2000. - Vol. 40, № 4. - P.1148-1155.
28. Powdery mildew resistance and Lr34/Yrl8 genes for durable resistance to leaf and stripe rust co-segregate at a locus on the short arm of chromosome 7D of wheat / W. Spielmeyer // Theoretical and Applied Genetics. - 2005. -Vol. 111. - P. 731-735.
29. The adult plant rust resistance loci Lr34/ Yr18 and Lr46/Yr29 are important determinants of partial resistance to powdery mildew in bread wheat line Saar / M. Lillemo [et al.] // Theoretical and Applied Genetics. - 2008. - Vol. 116. -P. 1155-1166.
30. Kolmer, J.A. Genetics of resistance to wheat leaf rust / J.A. Kolmer // Annual Review of Phytopathology. - Vol. 34. - P. 435-455.
31. Lr46: a gene conferring slow-rusting resistance to leaf rust in wheat / R.P. Singh [et al.] // Phytopathology. - 1998. - Vol. 88, № 9. -P. 890-894.
32. Molecular marker mapping of leaf rust resistance gene Lr46 and its association with stripe rust resistance gene Yr29 in wheat / M. William [et al.] // Phytopathology. - 2003. - Vol. 93. -P. 153-159.
33. Roberts, J.J. General resistance (slow mildewing) to Erysiphe graminis f. sp. tritici in Knox wheat / J.J. Roberts, R.M. Caldwell // Phytopathology. - 1970. - Vol. 60. - P. 1310.
34. Effectiveness of adult-plant resistance in reducing grain yield loss to powdery mildew in winter wheat / C.A. Griffey [et al.] // Plant Disease. - 1993. - Vol. 77. - P. 618-622.
35. Chae, Y.-A. Genetic analysis of powdery mildew resistance in wheat cultivar 'Diplomat' / Y-A. Chae, G.W. Fischbeck // Zeitschrift fiir Pflanzenziichtung. - 1979. - Vol. 83. - P. 272-280.
36. Ellingboe, A.H. Genetics of host-parasite interactions / A.H. Ellingboe // Physiological Plant
Pathology; ed. R. Heitefuss, P.H. Williams. - Berlin: Springer-Verlag, 1976. - P. 761-778.
37. Molecular mapping of partial resistance to powdery mildew in winter wheat cultivar Folke / M. Lillemo [et al.] // Euphytica. - 2012. -Vol. 185. - P. 47-59.
38. Parlevliet, J.E. Durable resistance in self-fertilizing annuals / J.E. Parlevliet // Durable Resistance in Crops; ed. F. Lamberti [et al.]. - New York, USA: Plenum Press, 1983. - P. 347-360.
39. Johnson, R. Durable resistance: definition of genetic control and attainment in plant breeding / R. Johnson // Phytopathology. - 1981. -Vol. 22. - P. 309-330.
40. Meinel, A. Breeding aspects of partial resistance to airborne pathogens in wheat / A. Meinel, O. Unger // Czech. J. Genet. Plant Breed. -1998. - Vol. 34. - P. 103-106.
41. Registration of Massey wheat / T.M. Starling [et al.] // Crop Science. - 1984. - Vol. 24. -P. 1000.
42. Powdery mildew resistance genes in wheat: identification and genetic analysis / M.A. Alam [et al.] // Journal of Molecular Biology Research. - 2011. - Vol. 1, № 1. - P. 20-39.
43. Griffey, C.A. Inheritance of adult-plant resistance to powdery mildew in Knox 62 and Massey winter wheats / C.A. Griffey, M.K. Das // Crop Scitnce. - 1994. - Vol. 34. - P. 641-646.
44. Mapping QTL involved in adult plant resistance to powdery mildew in the winter wheat line RE714 in two susceptible genetic backgrounds / D. Mingeot [et al.] // Plant Breeding. -2002. - Vol. 121. - P. 133-140.
45. Evolution of resistance against powdery mildew in winter wheat populations conducted under dynamic mana-gement. II. Adult plant resistance / S. Paillard [et al.] // Theoretical and Applied Genetics. - 2002. - Vol. 101, № 3. -P. 457-462.
46. Chromosomal location of genes for resistance to powdery mildew in common wheat (Triticum aestivum L. em. Thell.). 6. Alleles at the Pm5 locus / S.L.K. Hsam [et al.] // Theoretical and Applied Genetics. - 2001. - Vol. 102. -P. 127-133.
47. Bojnanska, K. Resistance and genes of resistance against powdery mildew of selected wheat genetic resources / K. Bojnanska // Agriculture (Pol'nohospodarstvo). - 2009. - Vol. 55, № 1. - P. 42-48.
48. Эффективность генов устойчивости к мучнистой росе мягкой пшеницы (Triti-cum aestivum L.) в Беларуси / Е.А. Волуевич [и др.] // Весщ НАН Беларусь Сер^ял. навук. - 2006. - № 3. - С. 51-56.
49. Theoretical Bases and Sources for Breeding Wheat for Combined Disease Resistance / Sip V. [et al.] // Czech J. Genet. Plant Breed. -2005. - Vol. 41, № 4. - Р. 127-143.
50. Zeller, F.J. Progress in breeding for resistance to powdery mildew in common wheat (Triticum aestivum L.) / F.J. Zeller, S.L.K. Hsam // Proc. 9th Int. Wheat Genetics Symp., Saskatoon, 2-7 August 1998. / University of Saskatchewan; ed. A.E. Slinkard. - Saskatoon, Canada, 1998. - Vol. 1. - Р. 178-180.
51. Fajerson, F. Weibulls Folke h0sthvete / F. Fajerson, G. Svensson // Agri Hortique Genetica. - 1982. - Vol. 40. - P. 5-28.
52. Powdery mildew resistance in 155 Nordic bread wheat cultivars and landraces / S.C. Hys-ing [et al.] // Hereditas. - 2007. - Vol.144. -P. 102-119.
53. Race specific resistance to powdery mildew in Scandinavian wheat cultivars, breeding lines and introduced genotypes with partial resistance / M. Lillemo [et al.] // Plant Breeding. -2010. - Vol. 129. - P. 297-303.
54. Huang, X.Q. Molecular mapping of powdery mildew resistance genes in wheat: a review / X.Q. Huang, M.S. Roder // Euphytica. -
2004. - Vol. 137. - P. 203-223.
55. Partial resistance to powdery mildew in German spring wheat 'Naxos' is based on multiple genes with stable effects in diverse environments / A. Lu [et al.] // Theor Appl Genet. -2012. - Vol. 125. - P. 297-309.
56. Race specific resistance to powdery mildew in Scandinavian wheat cultivars, breeding lines and introduced genotypes with partial resistance / M. Lillemo [et al.] // Plant Breeding. -2010. - Vol. 129. - P. 297-303.
57. MlAG12: a Triticum timopheevii-derived powdery mildew resistance gene in common wheat on chromosome 7AL / J.J. Maxwell [et al.] // Theoretical and Applied Genetics. -
2009. - Vol. 119. - P. 1489-1495.
58. Seedling and adult plant resistance to powdery mildew in Chinese Bread Wheat Cultivars and Lines / Z.L.Wang [et al.] // Plant Disease. -
2005. - Vol. 89. - P. 457-463.
59. Joshi, R.K. Gene pyramiding-A broad spectrum technique for developing durable stress resistance in crops / R.K. Joshi, S. Nayak // Biotechnology and Molecular Biology Review. -
2010. - Vol. 5, № 3. - P. 51-60.
Дата поступления статьи 29 октября 2012 г.
