CC BY
12УДК 635.21:632.444.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНОФОНДА КЛУБНЕНОСНЫХ ВИДОВ РОДА SOLANUM ДЛЯ ЗАЩИТЫ КАРТОФЕЛЯ ОТ ФИТОФТОРОЗА
В.А. Колобаев*, Е.В. Рогозина**
Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург Всероссийский НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова, Санкт-Петербург
Изложены результаты многолетних исследований образцов диких видов картофеля по устойчивости к Phytophthora infestans (Mont.) de Bary и межвидовой гибридизации с целью создания исходного материала для селекции на горизонтальный тип устойчивости к болезни. Сформулированы основные принципы выведения сложных межвидовых гибридов, сочетающих устойчивость к заражению возбудителем фитофтороза со способностью подавлять его размножение.
Ключевые слова: картофель, Phytophthora infestans, дикие виды, межвидовые гибриды, конвергентные скрещивания, конидиеобразование.
Значительное поражение посадок картофеля фитофторозом, приводящее к большим недоборам урожая обусловлено, прежде всего, способностью возбудителя болезни, оомицета Phytophthora infestans (Mont.) de Bary к быстрому размножению и широкому распространению. Реализации потенциальной способности патогена к массовому размножению и тотальному поражению картофеля способствуют возделывание восприимчивых сортов и метеоусловия, благоприятные для развития P. infestans. - моросящие дожди, высокая (более 80%) влажность воздуха. При этом происходит непрерывный, нарастающими темпами, процесс размножения гриба.
Массовое поражение фитофторозом, охватывающее все растения в посадке картофеля, осуществляется путем автозаражения (Степанов, 1962). На восприимчивых сортах этот процесс сопряжен с образованием большого количества ино-кулюма и приводит к эпифитотийному развитию болезни. Восприимчивые сорта не только теряют до 50% урожая из-за поражения фитофторой, но и служат накопителями инфекции. На относительно устойчивых сортах размножение гриба замедляется, поражение фитофторозом ослабляется. Отбор по устойчивости к заражению ведет к выявлению образцов картофеля, способных сдерживать размножение гриба, накопление инокулюма и,
тем самым, устранять опасность эпифито-тийного развития болезни.
В настоящее время в природных популяциях фитофторы, характеризующихся широким спектром генов вирулентности, защитное действие R-генов расоспецифи-ческой устойчивости не проявляется. Поэтому ослабить поражение картофеля фитофторозом способна лишь устойчивость горизонтального типа, обеспечивающая эффективную защиту независимо от расового состава популяции патогена. В современных условиях различия в степени поражения образцов картофеля Р. infestans определяются уровнем их горизонтальной устойчивости.
При посещении опытной станции в То-луко (Мексика) мы наблюдали полное отмирание ботвы и отсутствие урожая клубней у сорта Хуанита, имеющего 4 гена расоспецифической устойчивости, но не обладающего горизонтальной устойчивостью. При широком разнообразии генов вирулентности в популяции фитофторы наличие у картофеля генов вертикальной устойчивости не смогло компенсировать дефицит горизонтального типа устойчивости. По той же причине в условиях г. Пушкина (Санкт-Петербург) при эпифи-тотии фитофтороза в 2009 г. сильно поразился ряд сортов, имеющих по нескольку генов расоспецифической устойчивости.
В то же время слабое поражение фитофторозом некоторых межвидовых ги-
бридов, обладающих различными R-генами, может быть обусловлено тем, что их родительские формы, взятые в скрещивания как источники вертикальной устойчивости, обладали также и горизонтальной устойчивостью, неучтенной исследователем. При создании первых гибридов с диким клубненосным видом Solanum demissum Lindl. исследователи контролировали наследование R-генов, но вместе с ними могли быть унаследованы и гены горизонтальной устойчивости от дикорастущего родителя. Вполне возможно, что большая популярность и успешное возделывание сортов "демиссоидного типа", отмечаемые в конце 20 столетия, основаны не только на выявленных у них R-генах, но и обусловлены не выявленными генами горизонтальной устойчивости, унаследованными от S. demissum. Сорта, содержащие два-три R-гена, характеризуются неспецифической устойчивостью к комплексу рас P. infestans (Патрикеева, Харитонова, 1976). Мы объясняем это тем, что в создании таких сортов было использовано несколько источников устойчивости, передавших гибридному потомству не только разные R-гены, но и гены горизонтальной устойчивости различного происхождения (Патрикеева, Колобаев, 1988). При сравнении в условиях жесткого инфекционного фона сортов картофеля, "свободных от R-генов", с гибридами, имеющими гены R1, R10, R11, и потомством сорта Stirling (созданного с участием видов S. demissum и S. microdontum) установлено, что все формы, несущие R-гены, обнаруживают более высокую устойчивость к фитофторозу. Генетическая основа такой устойчивости неясна, но эф-
Методика исследований
фект, обеспечиваемый "слабыми" R-генами или другими сцепленными с ними генами, статистически значим (Stewart et al., 2003).
Создание сортов картофеля, устойчивых к поражению фитофторозом, немыслимо без включения в селекционный процесс диких родичей картофеля, характеризующихся сильно выраженной устойчивостью к заражению P. infestans. В настоящее время уже использованы в селекции картофеля на устойчивость к различным патогенам 28 диких видов, из которых восемь видов - из североамериканского генцентра: S. demissum, S. midemissum Juz, S fendleri A.Gray, S. polytrichon Rydb., S. stoloniferum Schlechtd, S. vallis-mexici Juz, S. verrucosum Schlechtd, S. bulbocastanum Dun., и 20 видов южноамериканского происхождения: S. chacoense Bitter., S. commersonii Dunal. ex Poir, S. acaule Bitt, S. megistacrolobum Bitt., S. raphanifolium Card. et Hawkes, S. infundibuliforme Phil, S. spegazzinii Bitt., S. famatinae Bitt. et Wittm., S. kurtzianum Bitt. et Wittm, S. vernei Bitt. et Wittm. ex Engl, S. bukasovii Juz. ex Rybin, S. catarthrum Juz., S. gourlayi Hawkes, S. leptophyes Bitt., S. multidissectum Hawkes, S. berthaultii Hawkes, S. micro-dontum, S. simplicifolium Bitt, S. maglia Schlechtd. и S. leptostigma Juz. (Рогозина, 2012).
Необходимость расширения генетической базы селекции и привлечение нового исходного материала обусловлено постоянным процессом приспособления вредных организмов. С учетом вышесказанного, основной целью работы являлось создание источников неспецифической устойчивости картофеля к фитофторозу на основе широкого привлечения дикорастущих видов р. Solanum.
Исходным материалом для выявления источников устойчивости к P. infestans служили образцы диких клубненосных видов р. Solanum из коллекции ВИР. Пораженность сеянцев и клоновых растений дикого картофеля фитофторозом оценивали в конце вегетационного периода (август-сентябрь), когда в коллекционном питомнике картофеля популяция патогена была представлена расами, включающими все гены вирулентности (М.В.Патрикеева, неопубл.). В каждой семье сеянцев оценивали пораженность растений по стандартной 9-балльной шкале, по ито-
гам наблюдений вычисляли средний балл поражения фитофторозом. Устойчивость клоновых растений определяли по итогам трехлетних наблюдений. Статистическая обработка данных выполнена с помощью программы STATISTICA 6.1.
Скрещивания между диким и культурным картофелем проведены в теплице на отделенных стеблях (методом декапитации). Гибридное потомство и потомство от самоопыления клонов межвидовых гибридов оценено на стадии сеянцев и, повторно, - в первой клубневой репродукции.
Потомства от самоопыления непоражавшихся в поле гибридов первого поколения (F-1) от скрещиваний культурного картофеля с устойчивыми образцами диких клубнеобразующих видов Solanum (семьи F-2) подвергли искусственному заражению смесью рас P. infestans с широким спектром генов вирулентности (v-1...v-10). Инокуляцию сеянцев проводили в фазе рассады, используя суспензию, содержавшую 20 конидий в поле зрения микроскопа при 120х. Среди сеянцев, сохранившихся здоровыми на фоне искусственного заражения и при последующем испытании на инфекционном фоне, отбирали отдельные индивидуумы, которые сохраняли в виде клонов. Клоны использовали для конвергентных скрещиваний, проводимых между такими устойчивыми гибридами, которые унаследовали это каче-
Результаты
Оценена устойчивость на естественном инфекционном фоне к фитофторозу более 2700 растений-сеянцев - генеративное потомство 55 диких клубнеобразующих видов Solanum, представителей североамериканских серий Verrucosa, Demissa, Longipedicellata, Polyadenia, Trifida, Pin-natisecta, Cardiophylla, Bulbocastana и южноамериканских серий Piurana, Acau-lia, Megistacroloba, Glabrescentia, Bukaso-viana, Lignicaule, Tarijensia, Simpliciora. Результаты изучения фитофтороустой-чивости 35 видов, представленных тремя и более образцами, приведены в таблице 1.
Половое потомство видов дикого картофеля на естественном инфекционном фоне характеризуется разнообразием ответных реакций на заражение P. infestans. У видов обеих филогенетических групп выявлена широкая амплитуда изменчивости (от сильного поражения до отсутствия симптомов заболевания). Вариабельность обнаружена между видами, внутри видов и внутри отдельных семей сеянцев, то есть генераций разных коллекционных образцов (табл. 1).
В наших опытах не поражались фи-тофторозом (балл 9, стандартное отклонение sx= 0) все сеянцы двух образцов североамериканских видов S. demissum (к-15177), S. polytrichon (к-7423). Незначительное поражение (баллы 7-8, sx= 0-1) обнаружено у сеянцев образцов североамериканских видов Solanum brachy-carpum Corr. (кк-24192, 24196), S. demis-sum (кк-3287, 3355, 3362, 8459, 15173, 18487, 18521, 20000, 23306, 24892), S.
ство от разных видов Solanum. Этот принцип подбора родителей использовали при 2- и 3-кратных конвергентных скрещиваниях.
Клоны, выделенные среди гибридов от конвергентных скрещиваний, испытывали на инфекционном фоне, а затем слабо поразившиеся фитофторо-зом (балл 8 и 9) оценивали при заражении отделенных листьев дозированной инфекцией. Учитывали заражающую концентрацию инокулюма, инкубационный период, рост пятен фитофтороза, а также ко-нидиеобразование патогенна, выросшего на испытуемых образцах межвидовых гибридов. Для этого по 3 диска диаметром 1 см пораженной фитофторозом ткани листа, встряхивали в пробирке с 3 мл воды. В полученных смывах подсчитывали число конидий в 7 полях зрения микроскопа при 120х.
исследований
hougasii Согг.(к-8818), S. stoloniferum (кк-2492, 2534, 2536, 3527, 3533, 19327, 21359, 21618, 21622), S. polyadenium Greenm. (кк-24408, 23547), S. pinnatisectum Dun (кк-9152, 21955, 21956, 24414), S. vallis-mexici(к-8473) и образцов южноамериканских видов Solanum a vilesii Hawkes et Hjerting (кк-20158, 20884), S. doddsii Согг.(к-20709), S. okadae Hawkes et Hjerting (к-2092Ц S. berthaultii (кк-7635, 23147, 24270), S. microdontum (кк-9726, 16799).
Выявлена гетерогенность по реакции на P. infestans (балл 5-6, sx= 2-3) в семьях некоторых образцов североамериканских видов S. fendleri, S. hjertingii Hawkes, S. polytrichon, S. stoloniferum, S. cardiophyllum Lindl., S. pinnatisectum, S. jamesii Torr., S. bulbocastanum. Среди видов южноамериканской группы гетерогенность обнаружена по реакции на фитофтороз (балл 5-6, sx= 1.6-3) в семьях S. chacoense, S. abancayense Ochoa, S. avilesii, S. alandiae Card., S. incamayoense Okada et Clausen, S. multiinterruptum Bitt., S. okadae, S. vernei (табл. 1).
Различия в поражении сеянцев фи-тофторозом на естественном инфекционном фоне у большинства изученных видов статистически достоверны, но влияние фактора "семья" на степень поражения заболеванием не одинаково у разных видов (табл. 1). Принадлежность к определенному образцу оказывает наибольшее влияние (73-94% общей изменчивости) на степень поражения фитофторозом сеянцев видов S. verrucosum, S. demissum, S. brachycarpum, S. stoloniferum, S. leptophyes,
Вестник защиты растений, 1, 2013 S. multiinteiTuptum, S. sparsipilum (Bitt.) Juz. et Buk., S. microdontum. Особенности коллекционного образца определяют от 39 до 66% изменчивости степени поражения фитофторозом сеянцев видов S. fendleri, S. polytrichon, S. papita Rydb., S. trifidum Corr, S. chacoense, S. alandiae, S. abancayense, S. doddsii, S. famat-
inae, S. hondelmannii Hawkes et Hjerting, S. su-crense Hawkes, S. vernei, S. berthaultii, S. gandarillasii Card. Незначительно влияет фактор "семья" (от 19 до 32% общей изменчивости) на поражение фитофторозом сеянцев видов S. hjertingii, S. jamesii, S. cardiophyllum, S.pinnatisectum, S. acaule.
Таблица l. Поражение на естественном
фитофторозом сеянцев диких видов картофеля инфекционном фоне (Пушкин, 2000-2010)
Виды К-во Характеристика семей* h2x**
семей 1-2 3-4 5-б 7-8 g
Североамериканские
S. verrucosum 5 1 (0) 2 (0-1.б) 2(0-1) 8g
S. brachycarpum 3 1 (0) 2 (0-0.5) g4
S. demissum 24 4(0-1) 4 (0.8-2.3) 5(0-1) 10 (0.5-0.8) 1 (0) g0
S. fendleri 11 g(0-1) 1 (2) 1 (2.3) 52
S. hjertingii 5 4 (1.б-2.5) 1 (2.2) 2g
S. papita 4 2 (0) 2 (2.б-2.8) 47
S. polytrichon 12 б(0-1) 4(0-3) 1 (2.3) 1 (0) б1
S. stoloniferum 27 б(0-1) 5 (1-2.б) б (0-2.7) 10(0-2) 7g
S. trifidum 4 2(0-1) 2 (0) бб
S. jamesii б 2 (1) 3 (3) 1 (3) lg
S. pinnatisectum 8 1 (3) 2 (2) 5(0-2) lg
S. cardiophyllum g 5(0-1) 3(2-3) 1 (3) 24
S. bulbocastanum 4 1 (1) 2 (1.б-2.8) 1 (3) Кс.
Итого 13 122
Южноамериканские
S. acaule 3 3(0-1) 32
S. chacoense 13 б(0-1) 5(1-2) 2(0-2) бб
S. abancayense 4 1 (1) 2 (0-1.б) 1(2) 41
S. alandiae 14 2(0-1) g(0-3) 3(1-1.7) 39
S. avilesii 3 1 (3) 2 (0-0.5) Кс.
S. doddsii 5 3(0-2) 2 (0-1.3) 54
S. famatinae 3 2 (0.б-1.7) 1 (0) 47
S. hondelmannii б 4(0-1) 2(0-1) 57
S. incamayoense 4 2 (2) 2(0-3) Кс.
S. leptophyes 3 2 (0) 1 (1) 8б
S. medians 4 3 (0) 1 (0) Кс.
S. multidissectum 5 1 (1) 4(0-2) Кс.
S. multiinterruptum 4 2 (0) 1 (0) 1 (2) 73
S. okadae 5 3 (2.2-2.5) 1 (3) 1 (2) Кс.
S. oplocense 4 1 (1) 3(1-2) Кс.
S. sparsipilum 5 2(0-1) 2(1-1.7) 1 (1) 73
S. sucrense 4 3(0-1) 1 (2) 54
S. vernei б 4(0-1) 1 (1) 1 (1.б) б0
S. vidaurrei 3 3(0-1) Кс.
S. berthaultii 7 3(0-3) 1 (1) 3 (0-1) 53
S. gandarillasii 5 4(0-1) 1 (0) 51
S. microdontum б 1 (1) 2(0-1) 3 (0-1) 74
Итого 22 11б
•Количество семей с соответствующим баллом поражения, и лимиты min-max по шкале 1-9, где 1- очень сильная степень поражения (более 70% листовой поверхности), 9- поражение отсутствует (Будин, 1997);
**h2x (р<0,001) - показатель силы влияния фактор "семья" на поражение сеянцев фитофторозом (по Сне-декору), н.с. - различия между семьями несущественны (недостоверны).
Изучение более 2700 сеянцев 55 видов дикого картофеля выявило гетерогенность по реакции на фитофторы образцов клуб-необразующих видов Solanum, депонированных в коллекции ВИР в виде ботани-
ческих семян. Семенная репродукция образцов дикого картофеля представлена популяциями, которые различаются по степени поражения и размаху изменчивости признака. Популяция сеянцев может
быть гомогенно устойчивой или слабо поражаемой (средний балл 7-9), гомогенной среднепоражаемой (средний балл 5-7), гомогенно восприимчивой (средний балл 13), вариабельной (средний балл 2-7). В изученной нами выборке видов картофеля североамериканской группы образцы гомогенные, устойчивые или слабо поражаемые фитофторозом составляют 23% (рис. 1А). Доверительный интервал генеральной доли образцов такого типа в изучен-
ной совокупности клубнеобразующих видов Solanum составляет 16-30% (а=0.95).
В изученной выборке видов картофеля южноамериканского происхождения образцы гомогенные, представленные слабо поражаемыми растениями, составляют 8.2% (рис. 1Б). Доверительный интервал генеральной доли образцов такого типа в изученной совокупности клубнеобразующих видов Solanum составляет 3.5-12.9% (а=0.95).
Рис. 1. Распределение популяций сеянцев северо- (А) и южноамериканских (Б) видов картофеля по степени поражения фитофторозом
Образцы дикого картофеля, все генеративное потомство которых слабо поражается фитофторозом, являются надежными источниками устойчивости. В целом встречаемость таких образцов выше в североамериканской группе видов. Наши данные подтверждают мнение К.З.Будина (1997) о большей вероятности нахождения устойчивых к фитофторозу форм именно среди образцов диких видов картофеля Мексиканского генцентра. Образцы гомогенные среднепоражаемые фитофторозом также чаще встречаются у североамериканских, чем южноамериканских видов картофеля: 9% и 6% соответственно (рис. 1, 2).
В каждой из исследуемых групп видов из разных генцентров значительная часть образцов (36%) гетерогенна, содержит генотипы от восприимчивых до слабо поражаемых фи-тофторозом (балл 2-7). У ранее не использованных в селекции видов серии ВикаБошапа: Б. ауНеБп (кк-20884, 20158), Б. а1аЫке (к-21240), Б. ^^п (кк-20709, 20704), Б. шиШ-кЛепирШт (к-18809), Б. тсатауоепве (к-9825), Б. okadae (кк-20921, 20175, 20177) обнаружены сеянцы слабо (балл 7-9) или средне (балл 5-7) поражаемые фитофторозом.
Вариабельность генеративного потом-
ства видов картофеля при взаимодействии с P. infestans на естественном инфекционном фоне обусловлена генетическими различиями семенных репродукций дикого картофеля, а также действием внешних факторов. Внутрипопуляцион-ный полиморфизм свойственен диким видам картофеля и в местах их естественного произрастания (Rivera-Pena, 1990). При испытании на устойчивость к фитофторо-зу генеративного потомства S. demissum, S. stoloniferum (растений, полученных из семян, собранных in situ в Мексике), наблюдали их расщепление на устойчивые и восприимчивые к болезни формы (Парашкина, 1973).
Дифференциация по устойчивости к фитофторозу растений, выращенных из ботанических семян дикого картофеля из коллекции ВИР, выявлена у южноамериканских видов S. neorossii Hawkes et Hjerting, S. hondelmannii, S. incamayoense, S. tarijense Hawkes, S. mochiquense Ochoa, S. chancayense Ochoa и североамериканских видов S. fendleri, S. stoloniferum, S. polytrichon, S. jamesii, S. pinnatisectum, S. bulbocastanum (Зотеева, 1997; Яковлева, Дубинич, 2000).
Проведенные исследования указывают на полиморфизм по признаку устойчиво-
1) ср.7-9, s2 0-1.7; 2) ср.5-7, s21.2; 3) ср.1-3, s20-2; 4) ср.2.8, s20-16
1) ср.7-9, s20-1.7; 2) ср.5-7, s21.2; 3) ср.1-3, s20-2; 4) ср.2.8, s20-16
Вестник защиты растений, 1, 2013 сти к фитофторозу большинства диких видов, депонированных в виде ботанических семян в коллекции ВИР. Константность характеристик образцов клубнеоб-разующих видов Solanum по устойчивости к патогенам, в т.ч. устойчивости к P. infestans, имеет важное практическое значение, так как облегчает выбор надлежащих компонентов для межвидовой гибридизации. Такая информация позволит селекционерам проводить более обоснованный выбор источников устойчивости среди диких видов картофеля.
Гибридные популяции, полученные с использованием образцов пяти видов дикого картофеля: S. simplicifolium (к-5400), S. polytrichon (к 5345-2), S. verrucosum (к-8473), S. pinnatisectum, S. berthaultii (к-8510), служили источниками устойчивости к P. infestans (Колобаев, 2001). В таких популяциях в результате искусственного заражения выявлено более 70% устойчивых сеянцев, среди которых отобраны генотипы для закладки клонов и вовлечения их в последующие скрещивания. При использованной методике отбора могли сохраняться здоровыми почти исключительно лишь сеянцы, обладающие высокой горизонтальной устойчивостью. Искусственное заражение сеянцев в фазе рассады не только избавляло гибридные популяции от лишнего груза восприимчивых сеянцев, но и давало возможность выявить родительские формы, наиболее способные к передаче гибридному потомству свойства устойчивости. Перечисленные образцы дикого картофеля можно расценивать как эффективные источники устойчивости к фитофторе, способные передавать свойство сильно выраженной горизонтальной устойчивости своим гибридам, полученным от скрещивания с культурным картофелем. При этом у ряда гибридов устойчивость к фитофторе успешно сочеталась с высокой продуктивностью и хорошим качеством клубней.
По надежности передачи гибридам высокой устойчивости к фитофторе особо выделились скрещивания с использова-
нием вида S. simplicifolium. Во всех 20 гибридных популяциях, полученных от скрещиваний с различными сортами, получали устойчивые к фитофторе гибриды. Иногда их количество доходило до 80%. Высокая устойчивость к заражению фитофторой, унаследованная гибридами F-1 от своих дикорастущих родителей, передавалась и последующим поколениям гибридов. Она проявлялась у многих сеянцев от самоопыления устойчивых гибридов, сохранялась в потомствах от беккрос-сов с культурными сортами, усиливалась в результате конвергентных скрещиваний. Мы выявили клон в поколении BC F-2 от скрещивания (S. polytrichon MPI) х MPI (MPI- селекционный клон, интродуциро-ванный из Института им. М.Планка, Германия), не уступавший по уровню устойчивости исходному источнику устойчивости.
Все варианты скрещиваний с использованием межвидовых гибридов характеризовались расщеплением по уровню устойчивости и другим признакам, но во всех гибридных популяциях можно было найти устойчивые к фитофторе сеянцы. Для практики селекции важно, чтобы унаследованная от диких сородичей устойчивость к фитофторе не утрачивалась в результате беккроссов с культурными сортами, проявляясь на высоком уровне у ряда беккроссов - потомков в сочетании с хорошей продуктивностью. Самоопыление устойчивых гибридов способствовало не только закреплению свойства устойчивости, но и усилению ее выраженности. В инцухт-потомствах устойчивые генотипы встречались чаще. Больше всего устойчивых гибридов получено в потомствах от конвергентных скрещиваний.
Они давали гибридные популяции с более высоким процентным содержанием устойчивых к фитофторе сеянцев, чем потомства от самоопыления их родителей. Кроме того, в результате конвергентных скрещиваний между гибридами, унаследовавшими устойчивость от разных видов Solanum, были получены трансгрессивные рекомбинанты, превосходившие по уров-
ню устойчивости своих родителей. Многие гибриды от конвергентных скрещиваний выдерживали инфекционную нагрузку, способную заражать родительские формы, использованные в конвергентных скрещиваниях. Сильно выраженная горизонтальная устойчивость к поражению фи-тофторозом, имевшая различные формы проявления, была отмечена особо часто у сложных межвидовых гибридов, полученных в результате З-кратных конвергентных скрещиваний. Отмеченный позитивный эффект можно объяснить взаимодействием генов устойчивости различного видового происхождения. Обогащение генетической основы гибридов, проявивших повышенную устойчивость, было связано с включением в их генеалогию нескольких видов Solanum. В результате трехкратных конвергентных скрещиваний были получены гибриды, имевшие в своей родословной 4 и даже 5 видов. Такие скрещивания способствовали увеличению разнообразия форм проявления устойчивости к фитофторе.
Ниже приведены родословные наиболее устойчивых межвидовых гибридов, созданных в результате З-кратных конвергентных скрещиваний с участием нескольких клубненосных видов Solanum:
Клон 1З-09: {[(S. verrucosum х MPI) х Licar-na] х [(S polytrichon x MPI) x MPI]} x {[(S sim-plicifoliumxMPI) х Mariella] х Desire}.
Клон 19-09 /{[(S. berthaultii х Тайга) х Omega] х / [(S. polytrichon х MPI) х MPI]} х {[(S. simplicifoliumx MPI) х Gitte] х Hera}/ х Добрыня.
Клон 40-09: /{[(S. simplicifoliumx MPI) х Gitte] xHera} х [(S. polytrichon х MPI) MPI]/ х / [(S. berthaultiiх Тайга) х Omega] х (S. pinnatisectun х Fausta)/.
Несколько неожиданной была частая встречаемость в потомствах от трехкратных конвергентных скрещиваний гибридных генотипов, способных подавлять размножение фитофторы. Заметим, что во всех гибридных популяциях, полученных при проведении предшествующих скрещиваний, вели отбор на устойчивость к заражению. На способность образовывать
Вестник защиты растений, 1, 2013 конидии внимание не обращалось. В таблице 2 приведены результаты подсчетов числа конидий в смывах с пораженной фитофторозом ткани листьев от гибридов различного происхождения.
Таблица 2. Интенсивность конидиеобразования фитофторы, на листьях устойчивых гибридов _картофеля_
Проис-хождение Источники устойчивости К-во образ-цов Доля образцов (%), давших в смывах конидий (шт. в поле зрения микроскопа при х120)
<5 5-10 ^ 250- > 20
Однократное* S. simplicifolium, S.polytrichon 34 41,2 41,2 2,9 2,9 11,8
Трех-кратные** S. simplicifolium, S. polytrichon, S. pinnatisectun, S. berthaultii, S. verrucosum 25 60,0 28,0 4,0 8,0 0
*Однократное конвергентное скрещивание. **Трехкратные конвергентные скрещивания.
Среди гибридов от 3-кратных конвергентных скрещиваний, имеющих обогащенную генетическую основу, гораздо чаще отмечались образцы, сильно подавляющие конидиеобразование патогенна. А именно, из 25 испытанных образцов большинство (60%) дало в смывах менее 5 конидий, а в смывах от многих (28%) других образцов это количество не превышало 10. Суспензии, содержащие такое небольшое количество конидий, как мы убедились, не способны заразить высокоустойчивые гибриды картофеля.
Таким образом, среди гибридного потомства от 3-кратных конвергентных скрещиваний преобладали высоко устойчивые клоны, которые, если и могли быть заражены концентрированным иноку-люмом, тем не менее, не могли быть источником инфекции для внутриклонового перезаражения растений (автоинфекции). Устойчивые образцы картофеля заражаются инокулюмом, содержащим более 20 конидий в поле зрения микроскопа, чего не было отмечено в смывах ни у одного из 25 изученных высокустойчивых гибридов. Отмеченное явление можно связать с обогащением генной основы у сложных межвидовых гибридов. Таким образом, создан ряд сложных межвидовых гибридов, со-
Вестник защиты растений, 1, 2013
четающих устойчивость к заражению фитофторой со способностью подавлять размножение патогена (Колобаев, 2009). Такие образцы заражались с трудом. Их успешная инокуляция достигалась лишь при высокой инфекционной нагрузке, при нанесении капель суспензии, содержавшей более 40-60 конидий в поле зрения микроскопа.
Получение гибридов от скрещиваний с видами, не привлекавшимися ранее в гибридизацию, может способствовать достижению еще более значимых результатов, в создании гибридных образцов картофеля, превышающих по уровню устойчивости ранее полученные гибриды. Широкое использование генофонда не только поможет повысить уровень устойчивости к фитофторе, сочетать ее с устойчивостью к другим опасным патогенам, но и противостоять изменчивости патогенов гибридные образцы, имеющие богатый и разнообразный по происхождению генетический материал, имеют больше шансов сохраниться здоровыми при появлении нового, более агрессивного патотипа P. infestans. В плане создания высокоэффективных доноров горизонтальной устойчивости к фитофторе могут иметь значение полученные нами гибриды с S. alandiae (к-21240). Являясь тетраплоидами, они успешно беккроссированы культурными сортами картофеля (Рогозина, 2012). Вид S. alandiae, произрастающий in situ в Боливии, не использовали до настоящего времени в селекции, его можно расценивать как резерв повышения горизонтальной устойчивости картофеля к поражению фитофторозом. Обращает внимание, что в потомстве от скрещивания S. alandiae с сортом Atzimba, унаследовавшим горизонтальную устойчивость от мексиканского вида S. demissum (Dicierto Reddik), был выделен клон (24-1), который в скрещиваниях с культурными сортами
Обсуждение результатов исследований
Проведенные исследования позволяют дизацию нескольких источников устойчи-заключить, что прогресс в достижении вости различной видовой принадлежности, высокого уровня горизонтальной устойчи- эволюционировавших в различных регио-вости к фитофторе может быть достигнут нах и, как следствие этого, имеющих раз-путем вовлечения в ступенчатую гибри- личия в наборе генов. Такой подход к со-
давал гибридные популяции с преобладанием устойчивых (балл 7) сеянцев.
В потомстве от самоопыления клона 24-1 (F-2) от скрещивания дикого вида с сортом Atzimba) также оказалось больше устойчивых сеянцев, чем в потомстве от самоопыления исходного источника устойчивости (Рогозина, 2009). Возникновение гибридов с повышенной устойчивостью к фитофторе (трансгрессивные генотипы) могло быть связано с взаимодействием в гибридах генов горизонтальной устойчивости, унаследованных от разных видов Solanum. Такое заключение согласуется с неоднократными случаями повышения устойчивости, наблюдавшимися нами при конвергентных скрещиваниях, которые способствовали комбинированию в получаемых гибридах генов горизонтальной устойчивости различного видового происхождения. Мы провели скрещивания ряда диплоидных южноамериканских видов (S. okadae, S. famatinae, S. avilesiii) с дигаплоидами культурных сортов, а также с посредником S. chacoense, повышающим успех скрещивания. В полученных гибридных популяциях преобладали среднеустойчивые сеянцы, но удалось выделить и несколько устойчивых к фитофторе клонов. Правда, у многих из них уровень устойчивости к фитофторе не превышал ранее достигнутого, полученного при скрещиваниях с другими видами дикого картофеля. Тем не менее, считаем, что гибриды, содержащие генетический материал южноамериканских видов, представляют ценность для использования в качестве компонентов конвергентных скрещиваний с полученными ранее гибридами, содержащими гены горизонтальной устойчивости, унаследованными от мексиканских диких видов.
зданию высокоустойчивых гибридов в свою очередь требует широкого вовлечения в скрещивания генофонда р. Solanum.
В клонах, выделенных из гибридных популяций, полученных при конвергентных скрещиваниях, оказался скомбинирован генетический материал, унаследованный от нескольких диких клубненосных видов Solanum. Это касается не только видов, включенных в вышеприведенные родословные. Сорта культурного картофеля, использовавшиеся в наших скрещиваниях в качестве облагораживающих компонентов, были созданы путем гибридизации генетического материала таких видов как S. demissum, S. semidemissum, S. andigenum, S. stoloniferum, S. vernei. В ходе повторных конвергентных скрещиваний происходила многократная перекомбинация хромосомных наборов от различных видов, а также изменение генетической информации путем мутаций и крос-синговера, чему способствовал часто повторявшийся мейоз. Все это вместе взятое ведет к появлению гибридов, не только сочетающих признаки нескольких видов, но и проявляющих качества, не отмечавшиеся у родительских форм, использованных в гибридизации.
Опыт получения межвидовых гибридов с горизонтальной устойчивостью к фи-тофторозу позволил сформулировать основные принципы работы по созданию такого материала.
Необходимо преодолеть уровень устойчивости к фитофторе, достигнутый у существующего ассортимента сортов, что можно осуществить с помощью включения в селекционный процесс генетического материала диких и культурных видов картофеля, проявивших максимально выраженную устойчивость к поражению фитофторозом. Привлечение в селекционную программу нескольких источников устойчивости филогенетически различных видов и получение с их участием сложных межвидовых гибридов повышает надежность защитного действия генов устойчивости.
При выборе источника устойчивости следует учитывать способность используемых диких видов - компонентов скрещи-
Вестник защиты растений, 1, 2013 вания передавать свойство устойчивости к фитофторе получаемому гибридному потомству. Источниками устойчивости можно признавать образцы картофеля, дающие в результате скрещиваний с культурными сортами гибридные популяции с преобладанием (не менее 70%) устойчивых сеянцев.
Уровень горизонтальной устойчивости к фитофторе - признака, имеющего полигенную основу, - можно усилить, проведя конвергентные скрещивания между гибридами, унаследовавшими устойчивость от разных клубнеобразующих видов р. Solanum. При этом создаются трансгрессивные формы - гибриды, сочетающие гены устойчивости различного видового происхождения.
Обеспечить защиту от поражения фи-тофторозом может не только устойчивость к заражению P. infestans, но и способность образцов картофеля подавлять конидиеобразование гриба.
Искусственно созданный инфекционный фон гарантирует наличие достаточного количества и качественного состава инокулюма, его равномерное распределение по опытному участку, что способствует формированию одинаковой инфекционной нагрузки для каждого испытуемого образца.
Следование вышеизложенным принципам позволило получить ряд сложных межвидовых гибридов картофеля, представляющих ценность для селекции картофеля в качестве доноров горизонтального типа устойчивости к поражению P. infestans. Надо полагать, что свойственная сложным межвидовым гибридам сильно выраженная горизонтальная устойчивость к возбудителю не наследовалась в готовом виде от какого-либо одного, эффективного источника устойчивости. Она складывалась в процессе чередуемых конвергентных скрещиваний, при которых в получаемые гибриды включался генетический материал нескольких различных видов Solanum. Генная основа горизонтальной устойчивости не представляет собой нечто целое, неделимое, а, вероятно, представлена комплексом генов, различных по структуре, но определяющих одно
общее качество - устойчивость к поражению фитофторозом. В процессе скрещиваний состав этого комплекса может меняться за счет включения новых генов от новых компонентов скрещиваний, а также путем перекомбинации существовавших ранее в форме замены хромосом или действием кроссинговера.
Важным условием достижения успеха при создании доноров устойчивости является вовлечение в скрещивания филогенетически различающихся видов дикого картофеля, эволюционировавших в различных регионах американского континента. Формы проявления устойчивости и уровень ее выраженности у сложных гибридов от конвергентных скрещиваний определяется не только свойствами их исходных родительских форм, но зависит и от характера взаимодействия в полученных гибридах генов различного видового происхождения. Широкое возделывание устойчивых к фитофторе сортов еще более усилит защитный эффект горизонтальной устойчивости и приведет к улучшению фитосани-тарного состояния агроценоза.
Частая встречаемость высокоустойчивых к фитофторе образцов у североамериканских видов дикого картофеля вполне объяснима. Формирование этой группы видов происходило в Мексике, на исторической родине фитофторы, где имела место сопряженная эволюция патогена и растения-хозяина. Несколько неожиданным воспринимается обнаружение горизонтальной устойчивости у некоторых южноамериканских видов дикого картофеля (Я ЪёНЬаиНи, Б. а1апсИаё), произраставших в странах, куда фитофтора проникла лишь в середине прошлого столетия. Проявление устойчивости отмечено и у гибридов этих видов с культурным картофелем. Сложившаяся ситуация объяснима тем, что присутствие патогена способствует лишь отбору мутаций по устойчивости, дает преимущества растениям-носителям мутаций, повышающих устойчивость к патогену. А само возникновение мутаций не определяется наличием патогена. Можно также предполагать, что наличие устойчивых к фитофторе образцов как в Северной, так и в
Южной Америке является проявлением закона гомологических рядов в наследственной изменчивости, сформулированного Н.И.Вавиловым (1935).
Продемонстрированная возможность усиления горизонтальной устойчивости путем конвергентных скрещиваний, дающих гибриды, обладающие генами устойчивости различного видового происхождения, подчеркивает значимость вовлечения в скрещивания широкого и разнообразного генофонда видов рода Solanum. Выявленные устойчивые к фитофторозу гибриды с южноамериканскими видами служат базой для конвергентных скрещиваний, объединяющих генетический материал представителей генофонда, занимающих далеко удаленные ареалы на своей исторической родине.
Следует особо отметить способность устойчивых образцов картофеля подавлять размножение фитофторы, реализации способности устойчивых образцов картофеля к самозащите, что обусловлено в большей мере вследствие возникающего в их посадках дефициту инокулюма, нежели одной лишь устойчивостью к заражению. Как уже отмечалось, подавление размножения патогена и снижение численности его природной популяции может происходить за счет сокращения вторичных источников инфекции у образцов, устойчивых к заражению фитофторой. Количество образуемого инокулюма уменьшается также благодаря длинному инкубационному периоду. Наконец, для многих гибридных образцов, отобранных по устойчивости к заражению, характерна скудная споропродуктивность в сравнении с поражаемым сортом Наяда.
Даже в условиях эпифитотии на соседних восприимчивых сортах, такие образцы имели единичные пятна поражения фитофторозом. Это обусловливает не только незначительные потери урожая у слабо пораженных растений, но и уменьшение возможностей повторных заражений листвы. Созданные гибридные образцы, обладают двумя механизмами самозащиты: они могут заражаться лишь при избытке инокулюма; в процессе их выращивание создается дефицит инокулюма.
Взаимодействие этих двух качеств полностью исключает возможность эпифито-тийного развития фитофтороза в посадках таких образцов. Иными словами, высоко устойчивые образцы не только выдерживают массированное воздействие инокулюма, но и способны ослабить интенсивность процесса внедрения патогена.
Показателем справедливости положений, которыми мы руководствовались при проведении работы, служит сам факт создания доноров горизонтальной устойчивости, получивших высокую оценку у селекционеров-картофелеводов. Ряд гибридов от 3-кратных скрещиваний сочетают сильно выраженную устойчивость к фи-
Литература
тофторе (балл поражения 9-8) с хорошей продуктивностью (1500-2000 г/куст). Эти гибридные образцы превосходят возделываемые сорта картофеля по уровню устойчивости к поражению фитофторо-зом и лишь немного уступают им по продуктивности.
При всем этом созданные нами гибридные образцы проявили хорошую донорскую способность по признаку устойчивости, дав при скрещивании с культурными сортами потомства, содержащие устойчивые клоны. Гибридные комбинации картофеля - источники устойчивости к фитофто-розу, созданные в ВИЗР, переданы и сохраняются в коллекции ВИР.
Будин К.З. Генетические основы создания доноров картофеля. СПб, 1997, 38 с.
Вавилов Н.И Закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости. Сельхозгиз, 1935, 1, с. 36.
Зотеева Н.М. Выделение источников устойчивости к фитофторозу из коллекционных образцов северо- и южноамериканских дикорастущих видов картофеля // Актуальные проблемы современного картофелеводства. Минск, 1997, с. 51-53.
Колобаев В.А. Межвидовые гибриды картофеля, подавляющие размножение фитофторы // Использование мировых генетических ресурсов ВИР в создании сортов картофеля нового поколения. СПб, 2009, с. 50-59.
Колобаев В.А. Принципы и методы создания высокоэффективных доноров горизонтальной устойчивости картофеля к фитофторозу. СПб, ВИЗР, 200, 18 с.
Парашкина Л.И. Некоторые морфологические и биологические особенности семенного потомства диких мексиканских видов картофеля, интродуцированных в ВИР в 1968 г.. Автореф. канд. дисс. Л, 1973, 19 с.
Патрикеева М.В., В.А.Колобаев. Селекция картофеля на групповую устойчивость // Науч. труды ВИЗР, Л., 1988, с. 20-26.
Патрикеева М.В., Харитонова З.М. Комплексная устойчивость перспективных сортов и гибридов картофеля к раку и фитофторозу // Тр. ВИЗР, Л, 1976, 49, с. 18-22.
Рогозина Е.В. Дикие клубненосные виды рода Sola-num L. и перспективы их использования в селекции картофеля на устойчивость к патогенам. Автореф. докт. дисс. СПб, 2012, 42 с
Рогозина Е.В. Создание доноров устойчивости картофеля к фитофторозу как развитие творческих идей академика К.З.Будина // Использование мировых генетических ресурсов ВИР в создании сортов картофеля нового поколения. СПб, 2009, с. 104-110.
Степанов К.М. Грибные эпифитотии. М., 1962, 454 с.
Яковлева Г.А., Дубинич В.Л. Устойчивость к фитофторозу образцов коллекции диких и примитивных видов картофеля, депонируемых in vitro // Картофелеводство, Минск, 2000, 10, с. 155-162.
Rivera-Pena A. Wild tuber-bearing species of Solanum and incidence of Phytophthora infestans (Mont.) de Bary on the Western slopes of the volcano Nevado de Toluca. 5. Type of resistance to P. infestans // Potato Research, 1990 (33), р. 479-486.
Stewart H.E., Bradshaw J.E., Pande B. The effect of the presence of R-genes for resistance to late blight (Phytophthora infestans) of potato (Solanum tuberosum) on the underlying level of fied resistance // Plant Pathol., 2003, 52, р. 93-198.
Исследования частично поддержаны грантами
МНТЦ 3714 р, EurAsEC project ITP15.
USING THE GENEPOOL OF TUBER-BEARING SOLANUM SPECIES FOR POTATO PROTECTION AGAINST LATE BLIGHT V.A.Kolobaev, E.V.Rogozina The results of many years' research of wild potato species, their resistance to Phytophthora infestans (Mont.) de Bary and interspecific hybridization are provided in order to create a starting material for selection by horizontal type of resistance to the disease. The main principles are set out for developing the complex interspecific hybrids that combine resistance to infestation with ability to inhibit the pathogen reproduction.
Keywords: potato, Phytophthora infestans, wild species, interspecific hybrid, convergent cross, conidiosporangia formation.
В.А.Колобаев, д.б.н., vizrspb@mail333.com Е.В.Рогозина, к.с.-х.н., rogozinaelena@gmail.com
