CC BY
109
УДК 633.111:632.937.14:577.21
ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЗРОСЛЫХ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ И ВОЗБУДИТЕЛЯ ЛИСТОВОЙ РЖАВЧИНЫ: «ГЕН-НА-ГЕН» ИЛИ «ГЕН-НА-ГЕНЫ»?
© 2014 Л.Г. Тырышкин1, В.Г. Захаров2, В.В. Сюков3, С.Н. Шевченко3
1 Всероссийский НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова, г. Санкт-Петербург 2 ФГБНУ Ульяновский НИИСХ, п.Тимирязевский, , Ульяновская обл. 3 ФГБНУ Самарский НИИСХ, п.Безенчук, Самарская обл.
Поступила в редакцию 15.12.2014
В экспериментах с патотипами Puccinia ЬгШста, вирулентными к высокоэффективным генам устойчивости к листовой ржавчине Ьг 9, 19 и 24, получены данные, которые позволяют предполагать, что преодоление патогеном олигогена резистентности происходит ступенчато: сначала появляются генотипы возбудителя листовой ржавчины, преодолевающие устойчивость проростков, а затем разных по ярусности листьев взрослых растений.
Ключевые слова: яровая пшеница, листовая ржавчина, гены устойчивости, гены вирулентности
Введение. Взаимодействие растение-хозяин - патоген для многих систем, включая мягкую пшеницу и возбудителя листовой ржавчины (Puccinia triticina Erikss., syn=Puccinia recondita Rob ex Desm), подчиняется теории Флора [1, 2] «ген-на-ген». Согласно классическому варианту данной теории каждому олигогену устойчивости (в системе пшеница - листовая ржавчина - Lr гены) соответствует один комплементарный ему ген вирулентности патогена: реакция резистентности наблюдается в том случае, когда растение имеет аллель устойчивости (в большинстве случаев доминантный), а у возбудитель болезни -комплементарный ему аллель авирулентности (в большинстве случаев рецессивный); в остальных комбинациях аллелей генов проявляется реакция восприимчивости (табл. 1).
Если растение-хозяин имеет более одного гена резистентности для проявления устойчивости (авирулентности патогена) необходимо и достаточно, чтобы у растения был хотя бы один аллель устойчивости, которому противостоит аллель авирулентности патогена. В нашей работе было впервые показано, что изогенные по Lr генам резистентности к листовой ржавчине линии пшеницы по- разному поражаются монопу-стульными изолятами возбудителя болезни на разных стадиях онтогенеза [3], что не могло быть
Тырышкин Лев Геннадьевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела генетики. E-mail: tyryshkinlev@rambler.ru
Захаров Владимир Григорьевич, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий отделом селекции. E-mail: ulniish@mail.ru
Сюков Валерий Владимирович, доктор биологических наук, заведующий лабораторией генетики и селекции яровой мягкой пшеницы. E-mail: vsyukov@mail.ru Шевченко Сергей Николаевич, доктор сельскохозяйственных наук, директор. E-mail: samniish@mail.ru
объяснено в рамках классической теории Флора. Цель настоящей работы — проверить применимость теории «ген-на-ген» для взаимодействия взрослых растений пшеницы и P. triticina.
Материал и методика. Растения почти изо-генных линий пшеницы сорта Thatcher с генами устойчивости к листовой ржавчине Lr1, Lr10, Хг14а, Lr15, Lr20, Lr23, Lr26, Lr34, Lr35, Lr36, Lr37 выращивали в кюветах на смоченной водой вате в светоустановке (20-22°С, постоянное освещение 2500 люкс) до стадии 1-2 листа, а также в почве в ящиках в климатической камере (22°С, постоянное освещение 2500 люкс) до колошения. Монопустульные изоляты P. triticina выделяли из популяций патогена, собранных в Среднем Поволжье и поддерживали на листьях сорта Ленинградка. Отрезки листьев проростков линий помещали в кювету на вату, смоченную водой, и заражали изолятами P. triticina. Учет типов реакции на заражение проводили на 7-е сутки после инокуляции по шкале Майнса и Джексона [4]. Клонами, вирулентными к отрезкам листьев (тип реакции 3), заражали интакт-ные проростки линий. Отобрали по 10 изолятов гриба, вирулентных к интактным растениям каждой линии. Этими клонами заражали флаг-листья выращенных в почве линий, а также второй, третий и четвертый лист сверху по ярусу растения (предфлаг-1, предфлаг-2, предфлаг-3). Учет типа реакции на заражение проводили по шкале Майнса и Джексона.
Результаты и обсуждение. Листья пред-флаг-3 всех линий были восприимчивы к клонам P. triticina, вирулентным к проросткам соответствующей линии. Во всех случаях наблюдали реакцию устойчивости флаг-листьев линий к отдельным изолятам гриба. Частота клонов, авирулентных к флаг-листьям линий с генами
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 16, №95(3), 2014
Таблица 1. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и двух аллелей в локусе вирулентности патогена
Ген вирулентности патогена Ген устойчивости хозяина
RR Rr rr
VV- - - +
Vv - - +
vv + + +
— устойчивость; + - восприимчивость
Lr1, Lr10, Lr14a, Lr15, Lr20, Lr23, Lr26, Lr34, Lr36, Lr37 составила 20, 40, 80, 90, 10, 90, 80, 90, 50 и 100%, соответственно. У ряда линий наблюдали зависимость яруса листьев, на котором проявляется реакция устойчивости, от изолята патогена. Так, у линии с геном Lr10, резистентность проявлялась, начиная с предфлаг-листа-2 (1 изо-лят), предфлаг-листа-1 (1 изолят), либо экспрес-сировалась только у флаг-листа (2 изолята). На линии с геном Lr15 восемь изолятов гриба были авирулентны только к флаг-листу, а один изолят был авирулентен уже на предфлаг-листе-2. К восьми изученным клонам устойчивость у линии с геном Lr23 проявляется уже у предфлаг-листа-2, но к одному изоляту патогена устойчив только флаг-лист. У линии с геном Lr34 против 2-х изолятов P. triticina устойчивость экспресси-руется только у флаг-листа, а против 7-и клонов - уже у предфлаг-листа-1. Аналогично у линии с геном Lr37 устойчивость к 4-м изолятам патогена экспрессируется только у флаг-листа, а к шести - начиная с предфлаг-листа-1.
Полученные данные, очевидно, не могут быть объяснены с точки зрения классической теории «ген-на-ген». В случае ее верности, вирулентность изолята патогена к проросткам и предфлаг-3 листьям конкретной моногенной по гену устойчивости линии указывает на наличие у данного изолята аллеля вирулентности комп-
лементарного гену устойчивости данной линии. Согласно теории Флора, в этом случае растение всегда должно быть восприимчиво к данному клону Р. Ыйота, чего, как описано выше, в данном эксперименте не наблюдается. Единственным объяснением полученных данных, с нашей точки зрения, может быть наличие у патогена нескольких генов вирулентности, комплементарных одному гену устойчивости. При этом на стадии проростков растение и патоген взаимодействуют по типу «ген-на-ген», а на более поздних стадиях по типу «ген-на-гены». Для проявления реакции восприимчивости хозяина паразит должен иметь аллели вирулентности нескольких генов, комплементарных гену устойчивости растения, причем гены вирулентности, скорее всего, взаимодействуют по типу компле-ментарности (в противном случае должны существовать изоляты, авирулентные на листьях нижних ярусов, но вирулентные в листьям более высоких ярусов). Схема взаимодействия при наличии у патогена 2-х генов вирулентности, комплементарных одному гену устойчивости хозяина представлена в табл. 2, а при наличии 3-х генов вирулентности - в табл. 3.
Полученные данные позволяют предполагать, что преодоление патогеном олигогена резистентности происходит ступенчато: сначала появляются генотипы возбудителя листовой ржавчи-
Таблица 2. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и аллелей в локусах 2-х генов вирулентности патогена
Состояние генов вирулентности Ген устойчивости
R- rr
проростки взрослое растение проростки взрослое растение
V1- v2v2 - - + +
vlvl V2- + - + +
vlvlv2v2 + + + +
Vl- V2- - - + +
Таблица 3. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и аллелей в локусах 3-х генов вирулентности патогена
Состояние генов вирулентности Ген устойчивости
R- гг
проростки взрослое растение проростки взрослое растение
предфлаг-l флаг-лист предфлаг-l флаг-лист
V1- V2- V3- - - - + + +
V1- V2- v3v3 - - - + + +
V1- v2v2V3- - - - + + +
vlvl V2- V3- + - - + + +
vlvl v2v2 V3- + + - + + +
Vl- v2v2- v3v3 - - - + + +
vlvlV2-v3v3 + - - + + +
vlvl v2v2 v3v3 + + + + + +
ны, преодолевающие устойчивость проростков, а затем разных по ярусности листьев взрослых растений. Данное предположение является чисто гипотетическим, поскольку гены устойчивости линий, изучавшихся в работе, давно преодолены возбудителем листовой ржавчины.
Для практической проверки данного предположения из сборной популяции P. МЫста (смесь сборов с восприимчивых сортов пшеницы из Северо-западного региона, Среднего Поволжья и западной Сибири) выделили монопустульные изоляты патогена, вирулентные к проросткам изогенных линий с генами устойчивости Ьг 9, 19 и 24, которые в настоящее время являются эффективными во многих регионах Российской Федерации, но в ряде областей уже потеряли
свою эффективность [5-8]. Данными клонами заразили разные по ярусности листья взрослых растений линий серии Тэтчер. Результаты эксперимента приведены в табл. 4.
Во всех случаях большая часть выделенных клонов были вирулентны только к проросткам соответствующих линий, и только по одному монопустульному изоляту были вирулентны к флаг-листьям линий с генами Ьг 9 и 19. С нашей точки зрения, эти данные доказывают предположение о ступенчатом преодолении эффективности генов устойчивости, и кроме того, подтверждают представление о необходимости наличия у патогена нескольких аллелей вирулентности для развития реакции восприимчивости на взрослых растениях пшеницы.
Таблица 4. Типы реакции на заражение листьев монопустульными изолятами Puccinia triticina почти изогенных линий пшеницы сорта Thatcher с Zr-генами устойчивости к листовой ржавчине
Количество клонов Тип реакции на заражение
первый лист предфлаг-3 предфлаг-2 предфлаг-l флаг-лист
ген Lr l9
l 3 3 3 3 3
l 3 3 0 0 0
8 3 0 0 0 0
ген Lr9
8 3 0 0 0 0
l 3 3 3 3 0
l 3 3 3 3 3
ген Lr24
4 3 0 0 0 0
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 16, №°5(3), 2014
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Flor H.H. Current status of the gene-for-gene concept // Annu. Rev Phytopathol., 1971. Vol. 9. P. 275-296.
2. Flor H.H. The complementary genetic system in flax and flax rusts // Adv. Genet., 1956. Vol.8. P.29-54.
3. Подразделение Lr-генов устойчивости пшеницы Triticum aestivum L. к листовой ржавчине (Puccinia triticina Eriks.) на ювенильные и возрастные: реальность или условность/ Л.Г. Тырышкин, В.Г. Захаров, В.В. Сюков// Сельскохозяйственная биология, 2013. №1. С.74-77.
4. Mains E.B., Jackson H.S. Physiological specialization in leaf rust of wheat, Puccinia triticina Erikss. // Phytopathology, 1926. Vol. 16. P. 89-120.
5. Селекционно-генетическое улучшение яровой пше-
ницы: изд. 2-е исправл. и дополненное/ А.А. Вьюш-ков, П.Н. Мальчиков, В.В. Сюков, С.Н. Шевченко. Самара: СамНЦ РАН, 2012. 266 с.
6. Вирулентность популяций Puccinia Мйста в России в 2000 -2001 гг. / Е.Д. Коваленко, А.И. Жемчужина, Н.Н. Куркова, Ю.А. Стрижекозин // Журнал Российского общества фитопатологов, 2003. С.23 -29.
7. Маркелова Т.С. Изучение структуры и изменчивости популяции бурой ржавчины пшеницы в Поволжье // АГРО XXI. 2007. № 4-6. С. 37-40.
8. Вирулентность патотипов возбудителя листовой ржавчины пшеницы к ТЬ Lr9 в регионах Сибири и Урала/ Л.В. Мешкова Л.П. Россеева, Е.Р. Шрейдер, А.В. Сидоров // Тезисы II Всероссийской конференции «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам. СПб., 2008. С. 70-73.
GENETIC INTERACTION OF ADULT PLANTS AND PATHOGENS OF WHEAT LEAF RUST: GEN-ON-THE-GEN OR GEN-ON-THE GENES
© 2014 L.G. Tyryshkin1 ,V.G. Zakharov2, V.V. Syukov3, S.N. Shevchenko3
1 All-Russian Institute of Plant Industry named after N.I. Vavilov, St-Petersburg 2 Ulyanovsk Research Scientific Institute of Agriculture, Timiryazevskiy, Ulyanovsk Region 3 Samara Research Scientific Institute of Agriculture, Bezenchuk, Samara Region
In experiments with pathotype Puccinia triticina, a virulent to leaf rust resistance genes Lr 9, 19 and 24, there is evidence that that the pathogen to overcome resistance gene occurs in steps: first appear leaf rust pathogen genotypes, overcoming resistance of seedlings and then layering of different leaves of adult plants. Keywords: spring wheat, leaf rust, resistance genes, virulence genes
Lev Tyryshkin, Doctor of Biological Science, Senior Researcher of Department. E-mail: tyryshkinlev@rambler.ru Vladimir Zakharov, PhD, Head of Department of Breeding. E-mail: ulniish@mail.ru
Valeriy Syukov, Doctor of Biological Science, Head of Laboratory of Genetics and Breeding of Spring Bread Wheat. E-mail: vsyukov@mail.ru
Sergey Shevchenko, Doctor of Agricultural Science, Director. E-mail: Samniish@mail.ru
