CC BY
88
УДК 633.11:581.573.4
ИЗУЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К МУЧНИСТОЙ РОСЕ (ВШМЕЫА вВАМтШЕ SP. ТЫТ1С1ООЮУ.) СОРТОВ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ (ТЫТ1СиМ АЕSTIVUМ1.)
Т.В. ЛЕБЕДЕВА, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Е.В. ЗУЕВ, кандидат биологических наук, главный научный сотрудник
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова, ул. Большая Морская, 42, 44, Санкт-Петербург, 190000, Россия E-mail: riginbv@mail.ru
Резюме. Изучено 284 сорта мягкой пшеницы по устойчивости к мучнистой росе Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) в условиях Ленинградской области (г. Пушкин). Популяция гриба имела гены вирулентность к Pm 1, Pm2, Pm3a-d, Pm4a, Pm5a, Pm6, Pm7, Pm8, Pm9, Pm16, Pm 19. Тест-линии с PmKu и Pm 12 были иммунны к грибу. Высокую устойчивость как в фазе «проростков», таки «колошение-цветение» показали образцы: к-64649, к-64656, к-64657, к-64997, к-64998 (Россия); к-65257 (Украина); к-64433, к-64434, к-64436 (Швеция). Для идентификации генов устойчивости проводили гибридизацию сортов между собой, а также с восприимчивыми образцами и линиями - носителями эффективных генов PmKu и Pm 12. Согласно анализу расщеплений F2 на устойчивые и восприимчивые растения, все сорта характеризуются моногенным контролем резистентности к Bgt. Образцы к-64997и к-64998имеют общий ген устойчивости. Один и тот же ген контролируетустойчи-вость к Bgt образцов из Швеции. Устойчивость к мучнистой росе сортов из России, Швеции и Украины контролируется разными генами, которые отличаются от высокоэффективных факторов PmKu (T. spelta) и Pm12(Aegilops speltoides). Ключевые слова: пшеница, мучнистая роса, устойчивость, наследование, гены.
Для цитирования: Лебедева Т.В., Зуев Е.В. Изучение устойчивости к мучнистой росе (Blumeria graminis f. sp. tritici Golov.) сортов мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.)//Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 7. С. 17-19.
Мучнистая роса - одна из наиболее распространенных и вредоносных болезней зерновых культур. Заболевание пшеницы вызывает узкоспециализированный гриб ВЮтепа graminis ^ sp. М^а (Вд^. Оно проявляется на обеих сторонах листьев (больше на верхней), листовых влагалищах, стеблях, а в годы сильного развития болезни, даже на колосковых чешуях.
Поражение мучнистой росой снижает продуктивность растений пшеницы на 10-60% в зависимости от климатических условий [1].
Среди сортимента мягкой пшеницы крайне мало сортов, обладающих иммунитетом к мучнистой росе. Поэтому постоянный поиск новых эффективных генов устойчивости к болезням и внедрение их в производственные сорта - необходимый этап селекции.
Цель исследований - мониторинг состава популяции В1итепа graminis^ sp. Ша, выявление устойчивых к Bgt сортов мягкой пшеницы и изучение их фитопато-логических и генетических характеристик.
Условия, материалы и методы. Исследования проведены в 2010-2013 гг. в лабораторных условиях и на полях ВИР (г. Пушкин). В работу включены 284 образца яровой мягкой пшеницы коллекции ВИР. Оценивали реакцию проростков и взрослых растений пшеницы на популяцию Вд^ Коллекция яровой пшеницы включала образцы разных стран. В основном они относились к сортиментам России (97 образцов), Канады (19), Украины (16), Пакистана (13), Казахстана (12), Турции (12) и Австралии (12). Сортименты
Польши, Чехии, США и Швеции представлены 1-10 образцами. Инокулюмом послужила популяция гриба Bgt, собранная с восприимчивых растений пшеницы в поле в условиях Северо-запада Европейской части России. Мониторинг изменения популяции гриба-возбудителя мучнистой росы проводили с использованием изогенных линий сорта Chancellor и тест-сортов с известными генами устойчивости Pm1, Pm2, Pm3a-d, Pm4a, pm5a, Pm6, Pm7, Pm8, Pm9, Pm12, Pm16, Pm19. Оценку заболевания в фазе проростков делали при искусственном заражении популяцией гриба согласно методическим указаниям [2]. Выращивание растений и инкубирование на них гриба проводили на светоустановке в режиме 12 ч со светом при температуре 16°С; 12 ч без света при 13°С. Семидневные проростки заражали путем стряхивания конидий с сильно пораженных мучнистой росой растений пшеницы.
Степень устойчивости оценивали по шкале качественной реакции. Показателями устойчивости сортов к мучнистой росе служили интенсивность и характер спороношения, качественные реакции тканей растений в ответ на внедрение патогена (некрозы и хлорозы). Через 7 дн. после инокуляции определяли степень поражения первого листа, используя шкалу Е.Б. Майнса и С.М. Дитса [3]. К классу устойчивых относили растения, поражение которых не превышало 1 балла, умеренно устойчивых - 2 балла, восприимчивыми считали растения с поражением 3 и 4 балла. Дополнительно отмечали наличие хлорозов, некрозов и степень их выраженности.
Взрослые растения оценивали в поле на естественном фоне заражения грибом в фазе колошения и цветения по шкале Смилякович и др. [2]: 0 - отсутствие поражения;
1 - очень слабое поражение в виде мелких подушечек или слабого налета на листьях или междоузлиях нижнего яруса;
2 - умеренное количество подушечек на нижнем ярусе; 3 -среднее поражение (массовое развитие подушечек главным образом на нижнем ярусе, на верхнем ярусе отдельные рассеянные пятна); 4 - сильное поражение (подушечки по всему стеблестою, иногда поражен колос).
Для изучения наследования устойчивости к заболеванию, сорта Воевода, Фаворит, Вышиванка, SW Vales, SW Milljet и SW Vinjett скрещивали с восприимчивыми Сибирка Ярцевская (Россия) и QW530.2.12 (Канада), кроме того, проведена гибридизация сортов между собой, а также с носителями известных генов Лютесценс 13 (PmKu), Wembley 14.31 (Pm12) и 485ае5 (Pm12). Анализ наследования устойчивости сортов пшеницы к мучнистой росе проводили в контролируемых условиях освещенности и влажности. Данные расщепления в F2 по степени устойчивости к мучнистой росе потомства индивидуальных растений F1 объединяли после статистической обработки на однородность. Статистическая обработка оценочной базы данных выполнена с помощью программы Microsoft Excel 2010.
результаты и обсуждение. Анализ изогенных линий сорта Chancellor и линии с известными генами устойчивости позволил охарактеризовать изменения популяции гриба в условиях Ленинградской обл. (г. Пушкин) за период 19802012 гг. (табл. 1). Согласно нашим наблюдениям, а также результатам других исследователей [4] гены Pm 1a, Pm2 и Pm3a-c не были эффективными для защиты растений от поражения грибом с 70-х гг. прошлого века, то есть популяция
Таблица 1. реакция тест-сортов и линий мягкой пшеницы на заражение популяцией В. graminis Т sp. в фазе проростков
Сорт, линия Ген Pm Локализация Источник устойчивости 80-е гг. 90-е гг. 20012010 гг. 2012 г. Доля вирулент ных клонов (Европа, 90-е гг.), %**
Axminster/8Cc Pm1a 7AL T. aestivum S* S S S 90
Ulka / 8Cc Pm2 5DS не известен S S S S 32-100
Asosan / 8Cc Pm3a 1AS T. aestivum S S S S 40-60
Chul / 8Cc Pm3b 1AS T. aestivum S S S S нет данных
Sonora / 8Cc Pm3c 1AS T. aestivum S S S S нет данных
Kolibri Pm3d 1AS T. aestivum - - I S нет данных
Khapli / 8Cc Pm4a 2AL T. dicoccum R* S S S нет данных
Armada Pm4b 2AL T. carthlicum R S S S 80-100
Hope Pm5 7BL T. dicoccum S I S S 78-100
Tp114/2 Starke Pm6 2BL T.timopheevii R R S S 74-100
Transec Pm7 4BS4BL-2RL Secale cereale R R S S нет данных
Disponent Pm8 1BL1BS S. cereale R S S S до 100
Normandie Pm1+2+9 7AL T. aestivum I I S I нет данных
Wembley 14.31 Pm12 6BS-6BS-6SL Ae. speltoides - R R R нет данных
BRG 3N Pm16 5BS T.dicoccoides - R R S нет данных
Amigo Pm17 1AL1RS S. cereale - - S S нет данных
XX186 Pm19 7D Ae. tauschii - R R S нет данных
*S - восприимчивость; R - устойчивость; I - промежуточная реакция. **данные S. H. K. Hsam, F. J. Zeller, 2002 [4]
Bgt имела вирулентные клоны к этим факторам.
Широкое использование гена Pm1 в сортах пшеницы было предопределено тесным сцеплением с ним генов Lr20 и Sr15. Ген Pm2 широко распространен в европейских сортах пшеницы в сочетании с Pm4 и Pm6, которые в то время были высокоэффективны ко многим популяциям Bgt. и интенсивно использовались в селекции на устойчивость к мучнистой росе [4]. Изогенные линии сорта Chancellor с Pm3a, Pm3b и Pm3c, по нашим данным, также из года в год поражаются болезнью. Вирулентность к Pm3d была достаточно низкой до 2000 г., однако, сейчас поражаемость грибом сорта Kolibri с Pm3d составляет 2-3 балла. Единичные хорошо развитые пустулы Bgt на сорте Weihenstephan M1 (Pm4b) были замечены нами в середине 70-х гг. Причиной появления биотипов с вирулентностью к Pm4b также было широкое использование Pm4 в селекции озимой и яровой пшеницы. В нашей работе генетический анализ выявил наличие эффективной аллели Pm4 у 10 из 20 исследованных устойчивых сортов шведской селекции [5]. Реакция на заражение линий с генами Pm5a (сорт Hope) и Pm9 (сорт Normandie) зависит от инфекционной нагрузки и температурных условий выращивания [4].
Тесное сцепление гена Pm6 и гена, контролирующего устойчивость к стеблевой ржавчине, наблюдали в линиях CI 12632 и CI 12633, производных от T. timopheevii Zhuk. Сорта с Pm6 были популярны во многих странах и занимали достаточно большие площади. Линии оставались устойчивыми в наших опытах до конца 90-х гг. прошлого века. Продолжительное использование гена Pm6 привело к увеличению соответствующей вирулентности в популяции Bgt. Сейчас растения пшеницы с доминантным геном Pm6 не защищены от гриба на всех фазах онтогенеза [5].
Кроме генов Pm4 (от T. carthlicum Nevski) и Pm6 (T. timopheevii Zhuk.) высокую эффективность имели гены Pm7и Pm8, интрогрессированные в геном мягкой пшеницы от ржи Secale cereale L. Сегодня мы наблюдаем у сортов Salzmïinder 14/44, Zorba и Кавказ (Pm8) поражение грибом не только листьев, но и колосьев. Линия Transec (Pm7) умеренно восприимчива к болезни при заражении проростков [5].
Ранее выделенная по устойчивости к мучнистой росе линия мягкой пшеницы XX 186 (Pm19 от Aegilops tauschii Coss.), в наших опытах сильно поражалась в проростках (4 балла); восприимчивость линии Amigo с Pm17 составляла 2 балла. Два года назад мы заметили пустулы на прежде
устойчивой линии BRG3N с геном Pm16, производной от T. dicoccoides Körn. ОтAe. speltoidesTausch. в геном мягкой пшеницы передан ген Pm12. Линия Wembley 14.31 (Pm12) на сегодняшний день в условиях г. Пушкина эффективно защищена от поражения Bgt на всех этапах развития.
Таким образом, в 70-80 гг. в условиях Ленинградской обл. (г. Пушкин) популяция Bgt уже поражала сорта с генами устойчивости Pm1a, Pm2, Pm3a-c, Pm4a, Pm8. С 90-х гг. зарегистрированы клоны, вирулентные к Pm6 и Pm7. Отмечено поражение сортов Kolibri (Pm3d) и Amigo (Pm17). Сегодня в популяции Bgt присутствуют клоны, вирулентные к генам устойчивости Pm1a, Pm2, Pm3a-d, Pm4a, Pm5, Pm6, Pm7, Pm8, Pm9, Pm16, Pm17, Pm19 и авирулентные к Pm12.
Из 284 изученных образцов мягкой пшеницы непоражались (баллы 0-1) грибом популяции с изложенной генетической характеристикой в фазах проростков и колошения Лю-тесценс 13 (к-64649), 485ае5 (к-64656), 393ае9-1 (к-64657), Воевода (к-64997), Фаворит (к-64998), Мерцана (к-65454), Тулайковская 110 (к-65449) из России; Вышиванка (к-65257) из Украины; SWVals (к-64433), SW Milljet (k-64434), SW Vinjett (к-64436) из Швеции. Остальные исследованные образцы были восприимчивы к заболеванию.
Устойчивость Лютесценс 13 определяет ген PmKu, переданный в генотип яровой мягкой пшеницы от T. spelta ssp. kuckuchkianum. Линия 485ае5 имеет в родословной сорт Wembley 14.31, высокую устойчивость которого определяет доминантный ген Pm12от Ae. speltoides. Невосприимчивость к мучнистой росе Лютесценс 393ае9-1
Таблица 2. Расщепление по устойчивости к мучнистой росе в фазе проростков F2 от скрещивания устойчивых образцов пшеницы с восприимчивыми
Соотношение устой-
Комбинация скрещивания чивых и восприимчивых растений X2
фактическое теоретическое
SW Milljet х Сибирка Яр-
цевская 242 : 83 3 : 1 0,05
SW Vales х Сибирка Яр-
цевская 87 : 34 3 : 1 0,27
SW Vinjett х Сибирка Яр-
цевская 162 : 62 3 : 1 0,85
Воевода х QW530.2.12 154 : 43 3 : 1 1,06
Фаворит х QW530.2.12 177 : 48 3 : 1 1,61
Вышиванка х
QW530.2.12 134 : 42 3 : 1 0,13
Таблица 3. Расщепление по устойчивости к мучнистой росе в фазе проростков F2 от скрещивания устойчивых образцов пшеницы
Комбинация скрещивания Соотношение устойчивых и восприимчивых растений X2
фактическое теоретическое
SW Milljet х Wembley 14.31 (Pm12) 177 18 15 1 2,95
SW Vales х Wembley 14.31 (Pm12) 157 10 15 1 0,02
SW Vinjett х Wembley 14.31 (Pm12) 184 14 15 1 0,22
SW Milljet х Лютесценс 13 (PmKu) 550 45 15 1 1,75
SW Vales х Лютесценс 13 (PmKu) 334 27 15 1 0,93
Воевода х SW Milljet 171 12 15 1 0,03
Воевода х SW Vales 223 14 15 1 0,84
Воевода х SW Vinjett 228 20 15 1 1,40
Воевода х 485ае5 (Pm12) 336 29 15 1 1,77
Фаворит х SW Milljet 163 12 15 1 0,34
Фаворит х SW Vales 177 12 15 1 0,00
Фаворит х SW Vinjett 180 15 15 1 0,69
Фаворит х 485ае5 (Pm12) 178 17 15 1 1,51
Фаворит х Лютесценс 13 (PmKu) 189 13 15 1 0,01
Вышиванка х SW Milljet 96 8 15 1 0,37
Вышиванка х SW Vales 200 : 7 15 1 3,19
Вышиванка х SW Vinjett 216 19 15 1 1,34
Вышиванка х 485ае5 (Pm12) 193 14 15 1 0,10
контролирует рецессивный аллель PmSp [6]. Из литературных данных [7] известна родословная шведского сорта SW Vinjett: Tjalve M14/ Tjalve M 15//Canon. Устойчивость к Bgt сорта Tjalve контролируют гены Pm4 + Pm6 + u (u - unidentified). У сорта Canon обнаружены доминантные аллели генов Pm2, Pm3d, Pm4b и Pm6. Сейчас все эти гены не предохраняют мягкую пшеницу от поражения мучнистой росой. Линии M14 и M15 содержат неизвестные гены устойчивости к Bgt от эфиопских местных форм.
По результатам изучения наследования устойчивости к заболеванию у сортов из Швеции SW Milljet, SW Vales и SW Vinjett; образцов Самарского НИИСХ им. Н.М. Тулайкова Воевода, Фаворит и украинского сорта Вышиванка обнаружен моногенный контроль устойчивости к мучнистой росе (табл. 2).
По устойчивости к мучнистой росе в F2 комбинации Воевода х Фаворит (839 : 0), а также среди растений F2 SW Milljet х SW Vales (353 : 0), SW Milljet х SW Vinjett (2 11 : 0), SW Vales х SW Vinjett (160 : 0) расщепления
не наблюдали (табл. 3). Это указывает на идентичность генетического контроля не-поражаемости Bgt исследованных образцов пшеницы.
Кроме того, анализ соотношений устойчивых и восприимчивых к мучнистой росе растений F2 гибридов разных по происхождению образцов пшеницы показал различия генов резистентности у групп образцов из России, Швеции и Украины. Характер расщепления F2 в комбинациях от их скрещивания с тестерами указывает на то, что контроль устойчивости к Bgt у шведских, российских и украинского образца осуществляется доминантными генами, отличными от PmKu и Pm12 (табл. 3).
Выводы. Обнаружена мобильность состава популяции гриба Blumeria graminis f. sp. tritici в условиях Ленинградской обл. (г. Пушкин). На сегодняшний день в популяции патогена присутствуют клоны авирулентные к гену устойчивости мягкой пшеницы Pm12. При заражении 284 образцов мягкой пшеницы этой популяцией гриба выявлены устойчивые в фазах проростков и колошения образцы из России - Лю-тесценс 13 (к-64649), 485ае5 (к-64656), 393ае9-1 (к-64657), Воевода (к-64997), Фаворит (к-64998), Мерцана (к-65454), Тулайковская 110 (к-65449); Швеции - SW Vals (к-64433), SW Milljet (k-64434), SW Vinjett (k-64436) и Украины - сорт Вышиванка (к-65257). Установлен моногенный контроль непоражаемости мучнистой росой у перечисленных образцов из Швеции и Украины, а также у российских сортов Воевода и Фаворит. Кроме того, показано отличие генетических систем устойчивости к мучнистой росе этих образцов от эффективного гена Pm 12.
Литература.
1. Mwale V.M., Chilembwe H.C., Uluko H.C. Wheat powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. tritici): damage effects and genetic resistance developed in wheat (Triticum aestivum) //Plant Sci. 2014. V. 5. N 1. P. 1-16.
2. Кривченко В.И., Лебедева Т.В., Пеуша X.O. Мучнистая роса злаков. Изучение генетических ресурсов зерновых культур по устойчивости к вредным организмам: Методическое пособие. /Под ред. Е.Е. Радченко. Москва: Россельхозакадемия, 2008. С. 86-105.
3. Mains E. B., Dietz S. M. Physiologic form of barley mildew Erysiphe graminis DC. // Phytopath. 1930. V. 20. N 3. P. 229-239.
4. Hsam S. L. K., Zeller F. J. Breeding for powdery mildew resistance in common wheat (Triticum aestivum L.) // The Powdery mildews. A comprehensive treatise. Ed. by Richard R. Belanger, William R. Bushnell, Aleid J. Dik and Timothy L. W. Carver. APSpress. Minnesota. 2002. P. 219-238.
5. Лебедева Т.В. Генетика устойчивости пшеницы к мучнистой росе //Идентифицированный генофонд растений и селекция / Под ред. Б.В. Ригина, Е.И. Гаевской. СПб: ВИР, 2005. 527-543.
6. Селекционно-генетическое улучшение яровой пшеницы/ А.А. Вьюшков, П.Н. Мальчиков, В.В. Сюков, С.Н. Шевченко// Самара: «Известия Самарского научного центра РАН», 2008. 536 с.
7. Powdery mildew resistance in 155 Nordic bread wheat cultivars and landraces / S.C.Hysing, A. Merker, E. Ziljeroth, R. M. D. Koeb-ner, F. J. Zeller, S. L. K. Hsam // Heriditas. 2007. V. 144. P. 102-119.
STUDIES OF POWDERY MILDEW RESISTANCE (BLuMERIA GRAMINis F. SP. TRITIdGOLOV.) IN VARIETIES OF COMMON WHEAT (TRITICUMAESTIVUM L.)
T.V. Lebedeva, E.V. Zuev
Federal Research Center the N.I. VavilovAll-Russion Institute of Plant Genetic Resources, B. Morskaya, 42,44, St. Petersburg, 190000, Russia Summary. We studied 284 cultivars of common wheat for resistance to powdery mildew Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) under conditions of Leningrad region (Pushkin). The population of fungus had virulence genes for Pm1, Pm2, Pm3a-d, Pm4a, Pm5a, Pm6, Pm7, Pm8, Pm9, Pm16, Pm19.Test-lines PmKu and Pm12 had immunity to this fungus. The next samples showed high resistance both in phase of seedlings and earing and flowering: K-64649, K-64656, K-64657, K-64997, K-64998 (Russia), K-65257 (Ukraine), K-64433, K-64434, K-64436 (Sweden). In order to identify the resistance genes we crossed these varieties with each other, with susceptible lines and with lines-carriers of the effective genes PmKu and Pm12. According to the analysis of disjoining F2 into the resistant and susceptible forms all varieties are characterized by monogenic control of resistance to Bgt. Samples K-64997 and K-64998 have the same gene of resistance. One and the same gene controls resistance to Bgt of samples from Sweden. Resistance to powdery mildew of varieties from Russia, Sweden and Ukraine is controlled by different genes. These genes are different from the highly effective genes PmKu (T. spelta) and Pm12 (Aegilopsspeltoides). Keywords: wheat, powdery mildew, resistance, inheritance, genes.
Author Details: TV. Lebedeva, Cand. Sc. (Biol.), Senior Researcher (е-mail: riginbv@mail.ru); E.V Zuev, Cand. Sc. (Biol.), Leading Researcher. For citation: Lebedeva T.V., Zuev E.V., Studies of powdery mildew resistance (Blumeria graminis f. sp. tritici Golov.) in varieties of common wheat (Triticum aestivum L.). Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. V. 29. № 7. pp. 17-19 (In Russ).
