CC BY
27
ПОЛИМОРФИЗМ КАЗАХСТАНСКИХ ПОПУЛЯЦИЙ ГРИБА PUCCINIA TRITICINA ERIKS. ПО ВИРУЛЕНТНОСТИ И SSR-МАРКЕРАМ
© Гультяева Е.И.*, Ахметова А.К.Ф, Карабаев М.К.Ф, Кохметова А.М.*, Шайдаюк Е.Л.*, Аристова М.К.А, Галымбек К.*
Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург Представительство СИММИТ в Центральной Азии и Закавказье, Республика Казахстан, г. Астана Институт биологии и биотехнологии растений, Республика Казахстан, г. Астана
Проведен анализ полиморфизма популяций гриба Puccinia triticina, собранных в Северном, Восточном и Юго-Восточном Казахстане в 20062015 гг., по вирулентности и SSR-маркерам. Все тестированные изоля-ты были авирулентны на почти изогенных линиях серии Thatcher (Tc) ТсЬтЯ, ТсЬг19 и ТсЬт24. Вариабельность по типу инфекции наблюдали на линиях ТсЬт2а, ТсЬг2Ь, Тс14Ь, ТсЬт15, ТсЬт20 и ТсЬт26. Среди изученных 169 монопустульных изолятов выявлено 8 фенотипов вирулентности. Фенотипы THTTR и THTTQ, различающиеся между собой по вирулентности к гену устойчивости Lr20, были общими для трех казахстанских популяций. Показано высокое межпопуляционное сходство между тремя региональными популяции по вирулентности и фено-типическому составу В результате микросателлитного анализа полиморфизм выявлен по 13 локусам. Североказахстанские и юго-восточные изоляты P. triticina характеризовались сходным уровнем генетического разнообразия. Не выявлено значимой генетической дифференциации по SSR-маркерам между северной и южной популяциями Казахстана.
Бурая ржавчина (возбудитель Puccinia triticina Eriks.) - распространенное и вредоносное заболеваний яровой и озимой пшеницы в Казахстане [1, 2]. Заболевание встречается повсеместно в регионах возделывания яровой и озимой пшеницу [1]. Ежегодные потери урожая составляют 3,5-4,5 %. При раннем развитии эпифитотии потери урожая могут достигать 40-60 % [3].
Возделывание генетически разнообразных по устойчивости сортов пшеницы позволяет предотвратить массовые эпифитотии бурой ржавчины. Для осуществления успешной иммуногенетической защиты необходима инфор-
* Ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ защиты растений, доцент.
* Представительство СИММИТ в Центральной Азии и Закавказье. " Институт биологии и биотехнологии растений.
* Всероссийский НИИ защиты растений.
мация о расовом составе популяций патогена. Популяционные исследования бурой ржавчины на территории Казахстана проводятся с 1960 г. В этот период выявлены различия в расовом составе в южной и северной частях Казахстана [4]. В период 1980-2005 гг. показано широкое распространение и доминирование расы 77 во всех казахстанских популяциях [5-6]. В 20062008 гг. выявлено 22 патотипа гриба; наиболее широкими спектрами вирулентности характеризовались патотипы ТКТ/Н, ТКР/Н, ТТР/Н и ТКР/Н [6-7].
Имеется несколько предположений о возможных направлениях заноса инфекции на территорию Казахстана. Показано, что источником инфекции для Северного Казахстана могут служить пораженные посевы озимой и яровой пшеницы, выращиваемые на западе республики и сопредельных областей России. За счет превалирующих западных ветров в период вегетации пшеницы создаются благоприятные условия для воздушного заноса инфекции [1]. По данным других исследователей, заражение яровой пшеницы в Северном Казахстане происходит за счет заноса спор воздушными потоками из южной части Казахстана, где возделывают озимую пшеницу и отсутствуют географические барьеры [2, 8]. И.Г. Одинцова и Л.Ф. Шеломо-ва [9] в 1980-е годы на основании появления изолятов, вирулентных к гену Ьг2б в западно-азиатской части России, где производственные сорта с этим геном не выращивались, сделали предположение о возможной миграции спор с территории Северного Кавказа. При этом, Т.В. Павлова и Л.А. Михайлова [10] считают возможность такого заноса совсем незначительной, поскольку проникновению воздушных потоков препятствует циклон, действующий между Каспийским и Аральским морями, и антициклон, спускающийся с севера по Западной Сибири.
В 2007 г. казахстанские популяции были охарактеризованы по полиморфизму микросателлитных локусов [8]. В работе использовали изоляты Р. М(1ста, собранные в Южном Казахстане в 2002 и 2004 гг. и Северном - в 2005 г. Показано высокое сходство между популяциями южной и северной частей Казахстана по вирулентности и 88Я-полиморфизму, а также их существенные отличия от популяций Кыргызстана, Узбекистана, Таджикистана, Армении, Азербайджана и Грузии. Предполагается, что это связано с наличием географического барьера - Тянь-Шаньского горного массива, который пролегает непрерывно вдоль границы между Южным Казахстаном и Кыргызстаном и частично по границе между Узбекистаном и Южным Казахстаном. При этом выявлено высокое сходство казахстанских популяций со всеми российскими [11].
Цель настоящей работы - оценка полиморфизма популяций Р. МИста, собранных в северном, восточном и юго-восточном регионах Казахстана в 2006-2015 гг., по вирулентности и микросателлитным маркерам. Материалом исследований служили листья пшеницы с урединиепустулами, собранные на производственных посевах и экспериментальных полях в юго-восточном, северном и восточном Казахстане в 2006, 2011, 2014 и 2015 гг. (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика инфекционного материала бурой ржавчины
Место сбора Год Образец пшеницы - источник инфекционного материала (число изолятов)
Юго-Восток Казахстана (SR)
Алматинская обл. 2006 Сорт не известен (11)
Алматинская обл. 2014 Сапалы (10), Алмалы х ГФ70/2 (10), Алмалы х Ора1а 85 (10)
Северный Казахстан (NK)
Акмолинская обл. 2011 Шортандинская 95 (10), Астана (10), Акмола 2 (10)
Костанайская обл. 2014 Сорт не известен (10)
Акмолинская обл. 2014 Акмола 2 (12)
Акмолинская обл. 2015 Лютесценс 919 (5), Астана 2 (5), Лютесценс 52 (5), Акмола 2 (5), Эритроспермум 24-02-10 (5) Безим Хакассия (5), FKP-110/8 (5), Лютесценс 52 (5)
Северо-Казахстанская обл. 2015 Волошинка (5), Астана (5), Омская 35 (5), Шортандинская 95 улучш. (5)
Костанайская обл 2015 Жетысу (5)
Восточный Казахстан (EK)
Восточно-Казахстанская обл. 12015 |Белорусский (5), сорт не известен (5)
Для получения монопустульных изолятов и изучения полиморфизма популяций P. triticina по вирулентности использованы методы лабораторного культивирования патогена [12]. Для сравнения результатов, полученных с использованием отрезков листьев, инфекционный материал 2015 г. дополнительно был проанализирован на интактных растениях. Тип реакции определяли по шкале E.B. Mains и H.S. Jackson [13]. Всего изучено 167 монопустульных изолятов. Все изоляты охарактеризованы по признаку вирулентности на наборе почти моногенных линий пшеницы. Для обозначения фенотипов использована буквенная номенклатура, основанная на определении вирулентности к группам из пяти Lr-линий: 1 - Lr1, Lr2a, Lr2c, Lr3a; 2 -Lr9, Lr16, Lr24, Lr26; 3 - Lr3ka, Lr11, Lr17, Lr30; 4 - Lr2b, Lr3bg, Lr14a, Lr14b; 5 - Lr15, Lr18, Lr19, Lr20 [14].
Для определения буквенного кода фенотипов, вычисления индексов внут-рипопуляционного разнообразия и различий между популяциями по вирулентности использовали пакет программ Virulence Analysis Tool (VAT) [15].
С использованием 18 SSR-маркеров [16-17] проведено генотипирование четырех изолятов P triticina из Юго-Восточного Казахстана, 13 из Северного и 1 из Восточного. Для определения размера SSR-аллелей использовали генетический анализатор ABI Prism 3500 (ABI-Hitachi, Япония). Показатели, характеризующие структуру популяций патогена по SSR-маркерам, рассчитывали с помощью пакетов программ GenAlEx 6.5 - Genetic Analysis in Excel (http://biology.anu.edu.au/GenAlEx/) и NTSYSpc, Version 2.2 (Exeter Software, Setauket, NY).
Вариабельность по вирулентности наблюдали на линиях Thatcher c генами Lr2a, Lr2b,14b, Lr15, Lr20 и Lr26. Результаты оценок отрезков листьев и интактных растений были идентичны. Все тестируемые изоляты были
авирулентны на линиях Тс/г9, Тс/г19 и Тс/г24 и вирулентны к остальным 12 линиям-дифференциаторам.
Среди изученных 169 монопустульных изолятов выявлено 8 фенотипов вирулентности (табл. 2). Близкородственные фенотипы THTTR и ТНТ^, различающиеся между собой по вирулентности к гену /г20, были общими для популяций Северного, Юго-Восточного и Восточного Казахстана. Фенотипы группы Р-, авирулентные к гену Lr2а выявлены в юго-восточной популяции.
Таблица 2
Представленность фенотипов Р. 1гШета в Северном, Восточном и Юго-Восточном Казахстане (%)
Фенотип Авирулентность на Тс/г- линиях Сев_11 Сев_14 Сев_15 Вост 15 Юж_06 Юж_14
РНТКН 2а,2Ь,9,15,19,24 0 0 0 0 0 10
тоттд 9, 19,20,24,26 0 5 3 0 0 0
ТОТТЯ 9, 19,24,26 0 0 67 50 0 0
ТШЭД 9,14Ь,19,20, 24 0 0 0 0 0 0
тшж 9,14Ь,19,24 0 0 6 0 0 0
ТНТТд 9,19,20,24 0 57 0 50 0 67
тагга 9, 19,24 100 38 21 0 100 0
Число изолятов 30 22 65 10 11 30
Показатели внутрипопуляционного разнообразия незначительно варьировали между региональными популяциями. Индекс Нея N характеризующий популяции по вирулентности, для юго-восточной популяции составлял 0,8, северной - 0,4, восточной - 0,5, а индекс Шеннона Sh, характеризующий разнообразие по фенотипическому составу - 0,32; 0,26; 0,30, соответственно.
иРвМЛ-дендрограмма генетического сходства по вирулентности между региональными популяциями представлена на рис. 1. Североказахстанские популяции были ближе по сходству с восточно-казахстанскими (индекс Нея N = 0,01), чем юго-восточными N = 0,3; 0,2 соответственно). Однако в целом, эти генетические различия были незначительными, что предполагает определенное сходство между региональными казахстанскими популяциями.
В результате микросателлитного анализа полиморфизм выявлен по 13 локусам. Число аллелей для каждого локуса варьировало от 1 до 3; их размер находился в пределах от 129 до 478 п.о. Всего наблюдали 29 полиморфных аллелей. Уровень наблюдаемой гетерозиготности (Но) в юго-восточной популяции был выше уровня ожидаемой гетерозиготности (Не) для пяти ло-кусов, а в североказахстанской - для трех. Не выявлено аллелей специфичных для отдельных региональных популяций. Североказахстанские и юго-восточные изоляты P triticina характеризовались сходным уровнем генетического разнообразия и не группировались согласно географическому происхождению (рис. 2). Как и в исследованиях !Л. Ко1тег и М.Е.ОМопе7 [11] не
выявлено существенных различий по полиморфизму микросателлитных локусов между популяциями юго-восточной и северной частей Казахстана (Fst = 0.047, Nei Genetic Identity = 0,96).
Рис. 1. UPGMA-дендрограмма генетического сходства казахстанских популяций P. triticina по вирулентности
Рис. 2. Многомерная диаграмма
(Principal Coordinates Analysis (PCoA)) генетического сходства казахстанских изолятов P. triticina по SSR-маркерам
В результате проведенного анализа популяций гриба Р. МИета, собранных в 2006-2015 гг. в разных частях Казахстана, не выявлено существенных изменений в структуре, по сравнению с 2002-2005 гг. [8]. Как и ранее, отмечено высокое сходство между региональными казахстанскими популяциями по вирулентности и 88Я-маркерам.
«Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-04-00464_а».
Список литературы:
1. Турапин В.П., Мостовой В.А. Ржавчинные болезни зерновых культур в Республике Казахстан и борьба с ними. - Алматы: Fылым, 1995. - 141 с.
2. Койшибаев М.К. Болезни зерновых культур: симптомы, распространение и вредоносность, специализация, биологические особенности, структура популяций возбудителей и интегрированная защита посевов. - Алматы: Бастау, 2002. - 368 с.
3. Койшибаев М. Сезонная и многолетняя динамика бурой ржавчины в Северном Казахстане // Итоги и перспектива селекции яровой пшеницы на устойчивость к абиотическим и биотическим факторам внешней среды. -Шортанды. - 2001. - С. 75-84.
4. Куликова Г.Н., Борисенко А.Н. О разновозрастной устойчивости районированных сортов пшеницы к расам бурой ржавчины в Казахстане // Вестник с.-х. науки. - Алма-Ата, 1968. - № 9. - 74 с.
EK
0.029
0.023
0.018
Nei distance, N
0.012
0.007
5. Куликова Г.Н., Жданова В.П., Приходько Л.Ф. Обоснование экологической оценки сортообразцов пшеницы, устойчивых к бурой ржавчине // Вестник с.-х. науки Казахстана. - 1988. - № 5. - 96 с.
6. Рсалиев Ш.С. Иммунологические основы дифференциации и использования возбудителей ржавчины пшеницы в селекции: автореф. на соискание степени д.б.н. - Алмалыбак, Казахстан, 2010. - 44 с.
7. Агабаева А.Ч., Рсалиев Ш.С. Патогенные свойства возбудителя листовой ржавчины пшеницы (Puccinia triticina Eriks.) в Казахстане. - 2013. -Вып. 1. - С. 66-74.
8. Kolmer J.A., Ordonez, M.E. Genetic differentiation of Puccinia triticina populations in Central Asia and the Caucasus // Phytopathology. - 2007. - № 97. -Р. 1141-1149.
9. Одинцова И.Г., Шеломова Л.Ф. Пути селекции на устойчивость в связи с миграцией возбудителя бурой ржавчины пшеницы // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. - 1977. - Т. 56, Вып. 3. - С. 41-44.
10. Павлова Т.В., Михайлова Л.А. Роль миграции спор возбудителя бурой ржавчины пшеницы Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici в формировании популяций и возникновении эпифитотий // Микол. и фитопатол. -1997. - Т. 31, № 5. - С. 60-66.
11. Kolmer J.A., Kabdulova M.G, Mustafina M.A., Zhemchuzhina N.S., Dubovoy V Russian populations of Puccinia triticina in distant regions are not differentiated for virulence and molecular genotype // Plant Pathology. - 2015. -Vol. 64, № 2. - Р. 328-336.
12. Михайлова Л.А., Гультяева Е.И., Мироненко Н.В. Методы исследования генетического разнообразия популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы Puccinia recondita Rob.ex Desm.f.sp. tritici // СПб. - РАСХН. -ВНИИЗР. - Инновац. центр защиты растений. - 2003. - 24 с.
13. Mains E.B., Jackson H.S. Physiologic specialization in the leaf rust of wheat; Puccinia triticina Erikss. // Phytopathology. - 1926. - Vol. 16. - P. 89-120.
14. Long D.L., Kolmer J.A. North American system of nomenclature for Puccinia recondita f.sp. tritici // Phytopathology. - 1989. - Vol. 79. - P. 525-529.
15. Kosman E., Dinoor A., Herrmann A., Schachtel. GA. Virulence Analysis Tool (VAT) // User Manual. - 2008. - http://www.tau.ac.il/lifesci/departments/ plants/members/ kosman/VAT.html.
16. Duan X., Enjalbert J., Vautrin D., Solignac C., Giraut T. Isolation of 12 microsatellite loci, using an enrichment protocol, in the phytopathogenic fungus Puccinia triticina // Mol. Ecol. Notes. - 2003. - Vol. 3. - P. 65-67.
17. Szabo L.S., Kolmer J.A. Development of simple sequence repeat markers for the plant pathogenic rust fungus Puccinia triticina // Mol. Ecol. Notes. -2007. - Vol. 7. - P. 708-710.
