ИММУНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР И КАРТОФЕЛЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Вестник защиты растений, 1, 2000 3

УДК 635.64.632.938.1

ИММУНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР И КАРТОФЕЛЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ

О.С.Афанасенко, М.М.Левитин, Л.А.Михайлова, В.А.Колобаев, Т.Ю.Гагкаева

Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург

Обобщены данные по иммунологическому обоснованию селекции зерновых культур и картофеля к наиболее опасным болезням. Представлены результаты многолетних исследований популяций возбудителей бурой ржавчины пшеницы, сетчатой пятнистости ячменя и фузариоза колоса и закономерности их распределения в пространстве. Охарактеризовано современное состояние генетических коллекций доноров устойчивости пшеницы, ячменя и картофеля, созданных в ВИЗР. На примере бурой ржавчины пшеницы и сетчатой пятнистости ячменя показаны принципы осуществления генетического менеджмента болезней.

Одна из важнейших задач селекции растений - создание устойчивых к болезням сортов. В мировой аграрной науке эффективное решение этой проблемы базируется на комплексе фундаментальных и прикладных исследований, которые можно объединить в 4 основных направления: расширение генетического разнообразия устойчивости растений; изучение генома растений, разработка теоретических основ генетики устойчивости и генетики взаимоотношений растений-хозяев и патогенов; рациональное использование генетических ресурсов устойчивости растений к болезням на основании данных о закономерностях изменчивости популяций патогенов во времени и в пространстве; разработка новых методов селекции растений на устойчивость.

В ВИЗР осуществляются исследования облигатных и гемибиотрофных патогенов пшеницы, ячменя и возбудителя фитофтороза картофеля. Конечная цель исследований - осуществление генетического менеджмента болезней зерновых культур и картофеля (рис.1). На рисунке очерчены основные задачи, поэтапное решение которых необходимо для осуществления этой цели. Это, прежде всего, изучение изменчивости популяций патогенов по вирулентности с целью установления их ареалов и путей миграции спор, изучение устойчивости хозяина, в частности генетики устойчивости, и, наконец, на основании этих результатов - генети-

ческий менеджмент болезней. В данном сообщении представлены результаты исследований по указанным направлениям, касающиеся таких вредоносных болезней пшеницы, как бурая ржавчина, фузариоз колоса, а также сетчатой пятнистости ячменя и фитофтороза картофеля.

Для анализа структуры популяций патогенов по признаку вирулентности необходим хорошо дифференцирующий популяции набор сортов. Общепринятые в международной практике стандартный набор сортов-дифференциаторов популяций возбудителя бурой ржавчины и серия изогенных линий сорта Thatcher показывали неудовлетворительную дифференцирующую способность по отношению к популяциям в бывшем СССР, а для возбудителя сетчатой пятнистости такой набор вообще отсутствовал. В результате длительной и кропотливой работы по оценке реакций многих сортов пшеницы к большому числу клонов возбудителя из различных районов бывшего СССР, генетического анализа образцов пшеницы, перспективных по дифференцирующей способности, был создан новый набор сортов-дифференциаторов для возбудителя бурой ржавчины (Тырыш-кин,Михайлова,1989). В набор входят линии Thatcher с генами Lr1 и Lr2а, сорта Кавказ, SNW N5, К-47700, Гуан-Фу-Най, Jubiley, Magnus, Majestic.

По инициативе ВИЗР совместно с международным коллективом из Германии, Чехии и Словакии был создан меж-

дународный набор шртов-дифферен-циаторов для анализа популяций возбудителя сетчатой пятнистости, состоящий из 12 образцов ячменя, который в настоящее время используется как в нашей

стране, так и за рубежом, что позволяет получать сравнимые данные по структуре географических популяций (Афана-сенко и др.,1995) (табл.1).

Рис.1. Иммунологическое обоснование селекции ячменя на устойчивость к Pyrenophora teres

Таблица 1. Международный набор сортов-дифференциаторов для анализа структуры популяций возбудителя сетчатой пятнистости ячменя по признаку вирулентности

№р. Образец №жаталога ВИР (к) и CI

1 1. Canadian CI 2750, к 25282

Lake Shore

2. Харбин CI 4929, к 19282

3. к 8755 к 8755

II 4. к 20019 к 20019

5. CI 4207 CI 4207

6. Manchurian CI 739

III 7. Тифанг С 4407-1, к 25284

8. Diamond к 29192

9. CI 9825 CI 9825, к 25275

IV 10. С 5791 CI 5791, к 25273

11. CI 9820 CI 9820

12. CI 9819 CI 9819, к 25274

Использованы как дифференциаторы _в странах_

США, Россия, Польша, Чехия

Россия, Польша, Австралия, США, Чехия Россия

Польша, США, Чехия Аргентина, Польша, США, Австралия, Чехия

Россия, Чехия Дания, США, Польша, Австралия, Канада, Франция Канада

США, Польша, Австралия, Чехия

С использованием этих и других наборов и изогенных линий проведены многолетние исследования популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы и сетчатой пятнистости ячменя на территории СНГ. Установлено, что существуют по крайней мере 5 в той или иной мере изо-

лированных популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы: европейская, кавказская, западно-азиатская, среднеазиатская и дальневосточная. Зона Поволжья является пограничной между европейской и западно-азиатской популяциями. Здесь встречаются фенотипы, ха-

рактерные для обеих популяций (Ми-хайлова,1996). По нашим данным, вероятность миграции между европейской и закавказской популяциями достаточно высока; вероятность миграции между азиатской и европейской - значительно ниже. Популяции патогена различаются по темпу изменчивости: азиатская популяция более стабильна, чем закавказская и европейская. Если до 1988 г. кавказская популяция практически не имела сходства с европейской, то с 1989 года сходство непрерывно увеличивалось, и до настоящего времени оно сохраняется высоким. В 1996 г. в Европейской части СНГ отмечено нарастание частоты фенотипов гриба, вирулентных к сорту Кавказ (Lr26), в некоторых районах до 100%, тогда как в предыдущие годы она не превышала 5%. Несколько повысилось сходство между европейской и западно-азиатской популяциями гриба.

Определение частоты встречаемости вирулентных к моногенным линиям пшеницы сорта Thatcher клонов патогена показало, что наиболее эффективны для защиты пшеницы от листовой ржавчины во всех регионах России гены Lr9, Lr19, Lr24.

В отличие от популяций бурой ржавчины, занимающих огромные ареалы, популяции возбудителя сетчатой пятнистости имеют очаговое распределение в пространстве. Этот вывод был сделан на основании сравнения отдаленных и близко расположенных популяций гриба по признаку вирулентности, морфолого-культуральным свойствам и по структуре генома, выявляемой методом УП-ПЦР (Афанасенко,1996; Mironenko,2000). Наличие изоляции, связанной с биологическими особенностями гриба, в том числе миграционными возможностями, обуславливает отсутствие взаимовлияния при формировании отдаленных и близко расположенных (в пределах одной области) популяций P.teres; изоляция усиливает межпопуляционную дифференциацию, возникающую в том числе и за счет разнонаправленного влияния на формирование популяций патогена генотипов восприимчивых сортов ячменя.

Другой, не менее важный объект наших исследований - фузариоз колоса зерновых культур. Опасность этого заболевания заключается в том, что помимо снижения урожайности зерновых культур до 20-30% оно ухудшает химико-технологические качества зерна, приводит к загрязнению его опасными для человека и животных микотоксинами.

Это заболевание встречается на всей территории России, но особенную опасность представляет для зерновых культур в южных регионах России - эпифи-тотии фузариоза колоса происходят на Северном Кавказе почти каждые 4 года. Фузариоз зерна проявляется также в Центральном и Северо-Западном районах Нечерноземья, где заболевание проявляется чаще в скрытой форме, но зараженность семян довольно высокая -в отдельные годы в некоторых областях северо-запада она достигает 36% на ячмене, 28% на ржи и 17% на овсе (Левитин и др.,1994).

Популяционные исследования проведены с наиболее опасным для зоны Сев. Кавказа возбудителем F.graminearum. Выборки клонов из разных точек Краснодарского и Ставропольского краев, а также из Северной Осетии, имели высокий показатель сходства по морфологическим, электрофоретическим, физиологическим признакам и по концентрации микотоксина дезоксиниваленола (ДОН).

Различия выявлены лишь между географически отдаленными популяциями из Краснодарского и Приморский краев. Показано, что частота встречаемости высоко агрессивных клонов в краснодарской популяции составила 75%, в приморской - 24.5%.

Частота встречаемости изолятов, продуцирующих ДОН, была в 3 раза выше в краснодарской, чем в приморской выборке; продуцирующих ZEA в краснодарской популяции было около 42%, а в приморской - 25%, продуцирующих аце-татпроизводные DON - 62% в популяции краснодарской и 27% в приморской (Gagkaeva,Levitin,1997).

Таким образом, в результате наших исследований показано, что на террито-

рии России существуют, как минимум, две локальные, географически изолированные популяции гриба F.graminearum, отличающиеся по морфолого-культу-ральным и биохимическим признакам, токсигенности и агрессивности, причем краснодарская популяция более агрессивная и токсигенная.

Нами проведена работа по оценке устойчивости к болезни исходного материала. Была оценена устойчивость видов пшеницы и эгилопсов различного географического происхождения к северокавказской популяции Fusarium gra-minearum. Большинство устойчивых образцов выявлено у Triticum timopheevii и T.persicum. Вид T^estivum весьма гете-рогенен по признаку устойчивости. Среди рода Aegilops наиболее устойчив к фузариозу колоса Ae.tauschii. Из 56 оцениваемых образцов этого вида 32 были устойчивы к заболеванию (Гагкаева и др.,1993; Гагкаева,Наврузбеков,1995).

Проблема селекции устойчивых к фу-зариозу колоса сортов пшеницы осложнена рядом причин. Одна из них - отсутствие корреляции между степенью по-раженности пшеницы возбудителем фу-зариоза и интенсивностью накопления микотоксинов в растении. Очевидно, при создании исходного материала для селекции необходим отбор образцов, сочетающих устойчивость к болезни со способностью к активной деградации токсинов в растении. Для этого требуется объединение усилий селекционеров с иммунологами и токсикологами.

Ситуация с селекцией на устойчивость к бурой ржавчине весьма неблагоприятна. Сорта с высокой устойчивостью в производстве практически отсутствуют. Необходимо также признать, что отечественные сорта с частичной устойчивостью, районированные в настоящее время и в недавнем прошлом, не отличаются генетическим разнообразием. А, как известно, главное условие предотвращения эпифитотий бурой ржавчины и длительного сохранения эффективной устойчивости - поддержание генетического разнообразия по устойчивости в ареале воз-

делывания пшеницы. Возможны разные способы создания разнообразия, в том числе территориальное размещение генов устойчивости в селекцентрах и, как результат этого, создание и районирование сортов с разными генами устойчивости.

Проблема расширения генетического разнообразия исходного материала для селекции пшеницы, ячменя и картофеля на устойчивость является одной из основных задач наших исследований. Схема выявления эффективных источников специфической устойчивости к возбудителям бурой ржавчины пшеницы и сетчатой пятнистости ячменя включает скрининг образцов в лабораторных условиях с использованием синтетических или природных популяций патогена, испытание выделившихся образцов на искусственном инфекционном фоне с использованием в качестве инокулюма смеси популяций возбудителя из зоны испытания, характеристику эффективности устойчивости образцов путем тестирования представительной выборки клонов из различных географических популяций патогена и экологического испытания источников устойчивости в различных агроклиматических зонах. По данной схеме изучена устойчивость более 10000 сортов и образцов пшеницы к возбудителю бурой ржавчины и более 6000 - ячменя к возбудителю сетчатой пятнистости из различных генетических центров происхождения культуры, а также селекционного и коллекционного материала и коммерческих российских и зарубежных сортов (Каталоги ВИР,1987, 1996; Афана-сенко,1995). Созданы коллекции источников устойчивости пшеницы и ячменя к названным патогенам.

При анализе устойчивости образцов озимой и яровой пшеницы из коллекций ВИР в фазе проростков установлено, что генетическое разнообразие по устойчивости у озимой пшеницы выше, чем у яровой. Большинство устойчивых образцов яровой пшеницы из исследованной коллекции в России защищены геном Lr23 (более 50%). Доля генотипов с этим геном среди образцов озимой пшеницы значи-

тельно ниже (около 20%). На высокую представленность гена Lr23 в генотипах яровой пшеницы указывают и результаты гибридологического анализа, проведенного нами; из 11 устойчивых к бурой ржавчине зарубежных сортов яровой пшеницы различного географического происхождения у 8 был идентифицирован ген Lr23. Таким образом, проблема поиска доноров устойчивости к бурой ржавчине у яровой пшеницы стоит более остро, чем для озимой. Это дает основание рекомендовать использование генофонда устойчивости озимой пшеницы для селекции пшеницы яровой (Новожилов и др.,1998).

В ВИЗР проведен гибридологический анализ наследования устойчивости к бурой ржавчине у 48 образцов озимой и яровой пшеницы. Всего идентифицировано не менее 14 генов устойчивости, высокоэффективных в защите от всех популяций патогена, распространенных на территории СНГ. Вместе с тем, у образцов из США новой селекции обнаружена высокая встречаемость гена Lr24. Ранее таким же популярным был ген Lr23. Перспективными для селекции оказались несколько американских линий, созданных с использованием Aegilops tausсhii, и несущие новые гены устойчивости Lr39, Lr40, обеспечивающие устойчивость только в стадии взрослых растений, и ген Lr41, эффективный в течение всего онтогенеза (Михайлова и др.,1987; Гуль-тяева,1993; Mikhailova ег а1.,1994,1996; Mikhailova,Gultyaeva,1996).

Для выявления генетического разнообразия доноров устойчивости ячменя к возбудителю сетчатой пятнистости был проведен гибридологический анализ устойчивости 28 сортообразцов ячменя с использованием оригинальной методики инокуляции гибридных популяций штаммами гриба различного происхождения (Европа, США, Канада, Австралия). Полученные результаты свидетельствуют, что в большинстве случаев в одной комбинации скрещиваний имеется группа штаммов, расщепление к которым одинаково, и, в то же время, к некоторым штаммам обнаруживается расщеп-

ление, свидетельствующее о наличии дополнительных или иных факторов устойчивости. У каждого изученного образца выделено от 2 до 5 генов, детерминирующих устойчивость к P.teres (Афа-насенко и др.,1999,1999а). Результаты анализа расщепления по устойчивости в F2 от скрещивания источников устойчивости между собой и с донорами известных генов устойчивости позволили выявить пул генов устойчивости к P.teres. Он включает в себя 46 генов, 38 из которых выявлены нами впервые; 13 из 38 генов детерминируют устойчивость изученных образцов к отдельным штаммам и, следовательно, относятся к числу частично эффективных.

Обоснована стратегия территориального размещения генов устойчивости ячменя, основанная на данных о пространственном распределении популяций возбудителя сетчатой пятнистости и эффективности генов устойчивости к различным популяциям паразита (рис.2). Предлагается использование как мозаики генов устойчивости, так и одного эффективного гена на большой территории.

Как никогда остро стоит проблема создания доноров горизонтальной устойчивости картофеля к фитофторозу. Для проведения работы по созданию доноров горизонтальной устойчивости, начатой в 1991 г., были использованы полученные в ВИР гибриды от скрещиваний культурных сортов с образцами 9 южноамериканских и 4 североамериканских видов Solanum, проявивших высокую устойчивость к фитофторозу.

Большинство клонов (48), выделившихся по сумме ценных качеств, происходило от скрещиваний S.polytrichon, S.simplicifolium, S.verrucosum. Поддержанию высокого уровня устойчивости способствовал перманентный отбор по этому показателю, повторяемый в ряду семи гибридных поколений, ведущих начало от трех различных источников устойчивости (табл.2). Все гибридные сеянцы подвергались искусственному заражению путем опрыскивания в фазе рассады суспензией конидий сложновиру-

лентных рас патогена при высокой инфекционной нагрузке. При этом сохранялись здоровыми лишь сеянцы с высокой устойчивостью горизонтального типа, что подтверждалось испытанием их на инфекционном фоне. Среди не "страдавших" от фитофтороза сеянцев отбирали

наиболее продуктивные, давшие начало клонам, сочетающим высокую устойчивость с хорошей продуктивностью и качеством клубней. Такие, выделяемые из каждой гибридной популяции, клоны использовали для последующих скрещиваний.

Рис.2. Территориальное размещение генов устойчивости ячменя к возбудителю сетчатой пятнистости

Таблица 2. Создание доноров горизонтальной устойчивости к фитофторозу картофеля, имеющих обогащенную генную основу

Отбор по устойчивости к фитофторозу в последовательном ряду поколений гибридных сеянцев

Источники устойчивости

Само-опыление ус-тойчи-вых гибридов

Бек-кросс

Само-опыление ус-тойчи-вых гибридов

Бек-кросс

Само-опыление ус-тойчи-вых гибридов

Конвергентное скрещи-

Само-опыление ус-тойчи-вых гибридов

Конвергентное скре-щива-ние

S.simplicifolium х х культурный сорт

S.polytrichon х х культурный сорт

S.verrucosum х х культурный сорт

\

х

Сложные гибриды

*Сложные гибриды сочетают гены горизонтальной устойчивости, унаследованные от S.simplicifolium, S.polytrichon, S.verrucosum.

х

х

Сохранению богатого набора генов устойчивости и усилению донорских способностей служило также чередование скрещиваний с самоопылением устойчивых гибридов. Существенное усиление устойчивости и улучшение донорских способностей по этому признаку достигнуто в результате конвергентных скрещиваний между гибридами, унаследовавшими устойчивость от различных видов р.Solanum.

Созданные путем двукратных конвергентных скрещиваний сложные гибриды имеют богатый набор генов горизонтальной устойчивости различного видового происхождения, проявивших хорошую наследуемость в скрещиваниях с культурными сортами и сочетаемость с показателями продуктивности. Эти гибриды не поражались фитофторозом даже при

эпифитотийном развитии болезни. Они представляют дополнительный резерв устойчивости к фитофторозу, не использованный ранее в селекции картофеля.

В последние годы в ВИЗР развернуты фитоиммунологические исследования по возбудителю желтой пятнистости пшеницы и ринхоспориозу ячменя. Развитие желтой пятнистости на пшенице (пире-нофороза), по данным СКНИИФ, достигало эпифитотийного уровня на Северном Кавказе; ринхоспориоз ячменя в отдельные годы с холодной затяжной весной может быть весьма вредоносен (потери урожая до 20%) в условиях северо-запада России. Проводятся исследования по изучению популяций этих возбудителей и по созданию банков доноров устойчивости.

Афанасенко О.С. Характеристика устойчивости некоторых сортообразцов ячменя к различным популяциям возбудителя сетчатой пятнистости Pyrenophora teres (Died.) Drechsler f. sp. teres. /Микол. и фитопат., 29, 4, 1995, с.27-32.

Афанасенко О.С. Изменчивость популяций возбудителей гельминтоспориозных пятни-стостей ячменя и генетический контроль устойчивости к Pyrenophora teres Drechs. Авто-реф. докт. дисс., СПб, 1996, 41 с.

Афанасенко О.С., Зубкович А.А., Макарова И.Г. Генетический контроль устойчивости образцов ячменя к штаммам Pyrenophora teres Drechs. /Генетика, 35, 3, 1999, с.336-340.

Афанасенко О.С., Макарова И.Г., Зубкович А.А. Число генов у ячменя, детерминирующих устойчивость к штаммам Pyrenophora teres Drechs. /Генетика, 35, 3, 1999а, с.341-351.

Афанасенко О.С., Харлеб Х., Гусева Н.Н., Минаржикова В., Яношева М. Международный набор сортов-дифференциаторов популяций возбудителя сетчатой пятнистости ячменя. /Микол. и фитопат., 28, 4, 1995, с.34-42.

Гагкаева Т.Ю., Богуславский Р.Л., Михайлова Л.А., Гультяева Е.И. Оценка устойчивости образцов различных видов пшениц к фу-зариозу колоса. /Тр. по прикл. ботанике, генетике и селекции. Л., 147, 1993, с.27-32.

Гагкаева Т.Ю., Наврузбеков Н.А. Оценка видов рода Aegilops L. на устойчивость к фу-зариозу колоса. Тезисы докладов Всеросс.

съезда по защите растений. Л., ВИЗР, 1995, с.176.

Гультяева Е.И., Михайлова Л.А., Одинцова И.Г. Генетический анализ устойчивости к бурой ржавчине линий мягкой пшеницы, производных Agropyron е1о^аШт. /Сб. научных трудов по прикл. ботанике, генетике и селекции. Л., 147, 1993, с.32-35.

Левитин М.М., Иващенко В.Г., Шипилова Н.П., Нестеров А.Н., Гагкаева Т.Ю., Поторочи-на И.Г., Афанасьева О.Б. Возбудители фуза-риоза колоса зерновых культур и форм проявления болезни на северо-западе России. /Микол. и фитопат., 28, 3, 1994, с.58-64.

Лукъянова М.В., Хохлова А.П., Афанасенко О.С., Терентьева И.А., Тюлина Л.Р., Богданова Г.М., Макарова И.Г. Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 684. Ячмень. Источники устойчивости к сетчатому гельминтоспориозу, видам головни, карликовой ржавчине. СПб, 1996, 45 с.

Михайлова Л.А. Структура популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы на территории СНГ. ^Ареалы популяций и направление миграции спор./Микол. и фитопа-тол., 30, 4, 1996, с.84-90.

Михайлова Л.А., Тырышкин Л.Г., Дерова Т.Г. Наследование устойчивости к бурой ржавчине у некоторых сортов озимой и яровой пшеницы. /Генетика, 23, 1987, с.2047-2053.

Новожилов К.В., Левитин М.М., Михайлова Л.А., Гультяева Е.И. Принципы использования исходного материала в селекции пшени-

цы на устойчивость к бурой ржавчине. /Вестник РАСХН, 1, 1998, с.61-64.

Тырышкин Л.Г., Михайлова Л.А. Структура популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы. 1.Подбор сортов-дифференциаторов. /Микол. и фитопат., 23, 4, 1989, с.396-402.

Afanasenko O. Genetic diversity of resistance in a set of barley differentials for investigation of the population structure of Pyreno-phora teres Drechs. Abstracts MCC 2000 (Mendel Centenary Congress). March 7-10, 2000 Brno. Vortr. Pflanzenzuchtg., 47, 2000, p.182.

Gagkaeva T.Yu., Levitin M. Composition of Fusarium graminearum Schwabe populations collected from different regions of Russia. Cereal Research Communications, 25, 3/2, 1997, p.591-593.

Mikhailova L., Mikhova S., Donchev N., Gultyaeva E. Studies of resistance to some dis-

Вестник защиты растений, 1, 2000 eases of wheat samples from Institute for wheat and sunflower "Dobroudja". /Plant Science, 31, 7, 1994, p.60-63.

Mikhailova L.A., Gultyaeva E.I. The detection of wheat leaf resistance genes in 13 winter wheat (Triticum aestivum L.) cultivars. /Cereal Rust and Powdery Mildew Bulletin, 24, 1-2, 1996, p.70-73.

Mikhailova L., Karjin H., Gultyaeva E. Genetics of leaf rust resistance of new wheat accessions developed in Bulgaria. /Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2, 1996, p.711-717.

Mironenko N. Molecular variation and genetic structure in field populations of Pyreno-phora teres causing net blotch of barley. /Abstracts MCC 2000 (Mendel Centenary Congress). March 7-10, 2000 Brno. Vortr. Pflanzen-zuchtg., 47, 2000, p.181.

IMMUNOLOGIC BASES FOR CEREAL AND POTATO BREEDING FOR RESISTANCE TO DISEASES Afanasenko O.S., Levitin M.M., Mikhailova L.A., Kolobaev V.A., Gagkaeva T.Yu.

In the paper, the population studies data on causal agents of leaf rust of wheat, net blotch of barley and head blight of cereals are generalized. Based on these data, the principles of genetic diseases management are established. Current situation with the VIZR collection of donors of resistance of wheat, barley and potato to the most harmful diseases is discussed.