CC BY
36
УДК 635.64:632.4
ВЛИЯНИЕ МАТЕРИНСКОЙ ФОРМЫ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ РАСТЕНИЙ ТОМАТА ПРИ ПОРАЖЕНИИ АЛЬТЕРНАРИОЗОМ
Лупашку Г.А., Григорча С.В., Михня Н.И.
Институт генетики, физиологии и защиты растений АНМ, г.Кишинэу, ул. Лесная, 20; тел. 521179, e-mail: galinalupascu@gmail.com
Реакция томата на культуральные фильтраты грибов Alternaría в лабораторных условиях и естественной инфекции возбудителей альтерна-риоза в полевых условиях обусловлена в основном генотипом растения-хозяина. Материнская форма гибридов томата влияет в сильной степени на уровень, ориентацию и вариансу генных действий и взаимодействий растения в ответ на заражение, что свидетельствует о необходимости учета ее устойчивости при гибридизации.
Ключевые слова: томат, грибы Alternaría, устойчивость.
Введение
Хотя томат культивируйся в широких пределах климатический условий, рост и развитие растений подвержены сильному влиянию биотических и абиотических факторов среды [15]. В связи с этим создание устойчивых к неблагоприятным стрессовым факторам генотипов томата, обладающих одновременно хорошими показателями продуктивности и качества, является приоритетным направлением для сельского хозяйства многих стран мира, в том числе для Республики Молдова [10]. В числе лимитирующих факторов роста и развития растений томата в наших условиях можно отметить альтернариоз, фузариоз, столбур, ранние заморозки, засуха во время плодообразования [4, 22]. По общепринятому мнению, экологическая устойчивость томата является одной из наиболее перспективных стратегий борьбы с альтернариозом. В рамках программ по созданию долговременных источников устойчивости особое внимание уделяется вопросу взаимодействия генотипа растения с патогенами и абиотической средой, поскольку отсутствие сортов с долговременной устойчивостью связано не только с высоким полиморфиз-
мом и адаптивностью патогенов, но и с сильными неспецифическими взаимодействиями указанных факторов [21].
В своих фундаментальных исследованиях Н.Н. Балашова показала, что «устойчивость растений к патогенам и способность последних поражать растения взаимосвязаны прежде всего через систему генотип — среда». При этом предполагается формирование коадап-тированных генетических систем, обусловливающих устойчивость растений к патогенам и абиотическим факторам среды. Системы рассматриваются в качестве основных элементов эволюционной «памяти» вида, памяти об экологических ситуациях прошедших поколений, включающих абиоту и биоту, в том числе и поражение патогенами [1].
Согласно некоторым данным, селекция томата на устойчивость к альтернариозу за последние десятилетия не достигла заметных результатов из-за культивирования сравнительно небольшого количества сортов с высокой резистентностью, а также из-за количественной, полигенной природы признака, зависящего в сильной степени от условий среды. Кроме того в ряде случаев устойчивость к болезни коррелирует с нежелательными признаками, что ограничивает использование этих сортов в качестве доноров в селекционных программах [13].
В последнее время большое внимание уделяется эколого-генети-ческой организации количественных признаков [3, 6]. Генотип включает множесто генов, взаимодействующих как целостная система и фенотипическое проявление какого-либо признака — результат этого взаимодействия. Известны два типа взаимодействия — аллельных и не-аллельных генов. Взаимодействие неаллельных генов, называемое еще эпистазисом, имеет фундаментнальное значение для понимания структуры и реализации генетических путей и эволюционной динамики комплексных генетических систем. Развитие функциональной геномики и системных концепций в биологии, а также способности выявления генетических основ эволюции представляет собой новое понимание важности исследования взаимодействия генов для создания унифицированной системы количественных признаков [24]. Недооценка этих эффектов может упростить во многом понимание особенностей наследуемости комплексных признаков [11], усложняя при этом усилия по локализации локусов количественных признаков (QTL — Quantitative Trait Loci). С другой стороны, разработка новых методов выявления QTL во многом повышает эффективность создания моделей возникновения эпистазисов [9, 12, 19, 20, 23, 27]. Все более очевидным становится тот факт, что на уровень вариабельности фенотипа влияет не только генотип и внешняя среда, но и материнские эффекты [2], имеющие большое значение для эволюции и адаптивности организмов к внешней среде [8]. Прямые материнские эффекты физического характера влияют на фенотипические характеристики потомков во время их начального развития (например, влияние цитоплазмы на величину семени), в то время как непрямые (ге-
нетические) материнские эффекты влияют на фенотип потомков как на ранних, так и на поздних стадиях онтогенеза. Некоторые эволюционные теории утверждают, что материнский эффект — это механизм адаптации к меняющимся флуктуациям внешней среды [14, 16, 17]. Материнский эффект и его роль для роста и развития растения в основном рассматривается с точки зрения экологических постулатов. Намного меньше работ относительно влияния материнского фактора на взаимодействие генов, вовлеченных в формирование признака и его наследуемость. В ряде работ сообщается об участии различных действий и взаимодействий генов (генных эффектов) томата в реакции растений на патогены (Alternaría spp.). Омечено, что на этапе ювенильного растения устойчивость томата к A.solani проявила себя как рецессивный, полигенный признак, имеющий в основе аддитивные и аддитивно х аддитивные эффекты, а на этапе взрослого растения проявилась высокая варианса доминантных и доминантно-доминантных эффектов. При этом в реципрокных скрещиваниях отмечено изменение магнитуды вариансы различных генных эффектов [26], что свидетельствует об участии материнского фактора в общей генетической вариансе признака.
В связи с вышеизложенным целью наших исследований было выявление роли материнского фактора у томата в проявлении генных эффектов при реакции растений на патогены Alternaría spp.
Материалы и методы
Материалом для исследований послужили родительские сорта томата Gloría, Jubiliar, Атласный, Застава, Mihaela, Maэстро, реци-прокные гибриды Ft и F2, и беккроссные гибриды первого поколения. Опыты проводили в лабораторных и полевых условиях.
Грибы Álternaría alternata, A.consortiale и A.solani были выделены нами из больных листьев растений томата на среде PDA (Potatoes Dextrosis Agar). Культуральные фильтраты (КФ) были приготовлены на основе жидкой питательной среды Чапек-Докс. Грибы выращивали в течение 21 суток при температуре 24°С в темноте [5].
Семена томата были замочены в КФ в течение 18 час. После ополаскивания дистиллированной водой они были помещены в чашки Петри и проращивались в термостате в течение 6 дней при температуре 23 °С. В качестве тест-параметра реакции растений на патоген послужила длина корешка. Этот параметр наиболее отзывчив на действие КФ.
В полевых условиях опыт был заложен в рассадной культуре, с соблюдением норм и технологии возделывания томата. Условия 2013 года были эпифитотийными для альтернариоза томата в наших условиях. Оценка степени поражения листьев велась по 5-балльной шкале.
Влияние материнского фактора было определено на базе реци-прокного эфекта (re - reciprocal effect) по формуле: re = (b - a) / (B - A), где А и В — значения признака у родительских форм, а — гибрида
¿A х ?B; b — реципрокного гибрида ^B х ?Л. Положительное значение г (г > 0) означает отцовский эффект, а отрицательное (г < 0) — материнский. Абсолютное значение г (|г|) представляет собой отно-стельную оценку этих эффектов в единицах, равных разнице значений признака у родительских форм (B - Л) [25, 28]. Генные эффекты (действия и взаимодействия генов) определили по методу Гамбля (1962) [18]. Полученные данные обрабатывали методами дисперсионного анализов в пакете программ STATISTICA 2007.
Результаты и их обсуждение
Для иммуногенетических исследований системы растение х патоген прежде всего следует выявить вклад каждого компонента в источник вариабельности признака резистентности. В указанных целях факторный анализ представляет большие информационные возможности [7].
Двухфакторным дисперсионным анализом нами выявлено, что при обработке семян КФ грибов Alternaría (A.alternata, A.consortiale, A.solani) на этапе всхожести семян наибольший вклад в источнике вариабельности признака вносит генотип томата (97,3%). Роль вида гриба и взаимодействия генотип томата х вид гриба имела несущественное значение: 0,3-1,9% (табл.1).
1. Факторный анализ источника вариабельности всхожести семян томата под воздействием культуральных фильтратов грибов Alternaría
Источник вариабельности Степень свободы Сумма квадратов Вклад в источнике вариабельности, %
Генотип томата 5 8447,9 97,3
Вид Alternaría 3 22,1 0,3
Взаимодействие томат х Alternaría spp. 15 166,7 1,9
Остаточные эффекты 48 49,8 0,6
Изучалось влияние родительского фактора на всхожесть семян реци-прокных гибридов томата. При обработке КФ одного из наиболее часто встречаемых грибов Alternaría (в наших условиях — это был A.alternata) было обнаружено, что только у двух реципрокных гибридов в контрольном варианте—Gloria х Jubiliar/Jubiliar х Gloria и Mihaela х Jubiliar/Jubiliar x x Mihaela имело большее влияние отцовская форма (положительные значения признака). У 3-х других комбинациях, как в контроле, так и в опытном варианте проявились материнские эффекты (отрицательные значения). По сравнению с контрольным вариантом при действии КФ материнский эффект был намного сильнее: -2,57 ... -6,02 (табл.2).
Полученные данные свидетельствуют о том, что в целях уменьшения поражаемости гибридных семян томата грибами Alternaria на этапе всхожести необходимо правильно подобрать направленность скрещивания родительских форм с учетом знания степени устойчивости материнской формы.
2. Влияние реципрокности (г) на всхожесть семян томата при реакции на культуральный фильтрат гриба Л.а1гегшга
Комбинации F1 Контроль КФ A.alternata
Gloria х Jubiliar/Jubiliar х Gloria 0,67 -5,57
Gloria х Атласный/Атласный х Gloria -0,27 -3,33
Gloria х Застава/Застава х Gloria -1,47 -2,57
Mihaela х Maestro/Maestro х Mihaela -0,80 -6,02
Mihaela х Jubiliar/Jubiliar х Mihaela 2,50 -4,99
В эпифитотийных условиях 2013 года для альтернариоза томата были выявлены значительные различия по баллам и частоте поражае-мости сортов и гибридов. Установлены значительные отличия данных показателей и у реципрокных гибридов F1 и F2. При изучении распределения растений в реципрокных скрещиваниях F2 Gloria х Jubiliar/F2 Jubiliar х Gloria на фенотипические классы выявлено, что в том случае, когда более устойчивый сорт Jubiliar был выбран в качестве материнской формы, доля непораженных растений повысилась на 18%, а доля растений с высоким баллом поражения (3-4 балла) снизилась на 31% по сравнению с реципрокным аналогом (рис.).
Установлено, что выбор материнской формы в качестве компонента гибридизации в беккроссных скрещиваниях по модели Гамбле (1962) повлиял на уровень, ориентацию (+/-) и вариансу генных эффектов, вовлеченых в формирование реакции растений на альтернариоз (табл. 3). Включение сорта Gloria в качестве родительского компонента во всех 3-х комбинациях было необходимым для исключения интерпретации материнской формы как случайного фактора. В этой связи можем отметить, что в комбинациях, где этот сорт послужил материнским родителем проявились общие генетические эффекты, способствующие увеличению степени устойчивости (отрицательный знак означает снижение балла поражения): a — у комбинаций Gloria х Jubiliar и Gloria х Zastava, d и aa — Gloria х Atlasnai и Gloria х Zastava и индивидуальные — взаимодействия ad и dd у Gloria х Jubiliar. Значения варианс а и ad имели небольшую долю в общей генетической дисперсии.
Г; Gloria х Jubiliar Fj Jubiliar * Gloria
Рис. Распределение растений томата на фенотипические классы по баллам поражения альтернариозом у реципрокных гибридов F2
3. Влияние материнской формы томата на генные эффекты, участвующие в развитии альтернариоза на этапе созревания плодов
Nr. Беккроссная комбинация m a d aa ad dd
1 Gloria х Jubiliar 1,37+0,16* -0,37+0,29 1,08+0,19* 0,68+0,19* -0,08+0,26 -4,88+0,22*
2 Jubiliar х Gloria 0,54+0,10* 0,18+0,28 4,97+0,14* 3,43+0,14* 0,47+0,25 -4,77+0,19*
3 Gloria x Atlasnai 1,57+0,16* 0,04+0,21 -3,02+0,17* -3,12+0,16* 1,42+0,22* 5,65+0,19*
4 Atlasnai x Gloria 1,70+0,16* 0,50+0,26 -0,94+0,18* -1,28+0,17* 1,88+0,26* 1,95+0,21*
5 Gloria x Zastava 2,56+0,17* -0,69+0,29* -1,33+0,19* -2,03+0,19* 0,90+0,28* 1,53+0,23*
6 Zastava x Gloria 1,77+0,16* 0,00+0,31 2,33+0,19* 2,90+0,18* 1,58+0,30* -7,74+0,23*
& *- р<0,05.
4. Влияние материнской формы томата на вариансу генных эффектов, участвующих в развитии альтернариоза на этапе созревания плодов
Nr. Беккроссная комбинация m a % d % aa % ad % dd % Общая вари-анса
1 Gloria x Jubiliar 3,18 6,46 1,97 78,30 23,81 76,64 23,31 6,70 2,04 160,74 48,88 328,84
2 Jubiliar x Gloria 1,36 5,58 2,42 48,12 20,85 44,09 19,10 5,82 2,52 127,24 55,12 230,85
3 Gloria x Atlasnai 3,20 2,58 1,05 66,21 26,98 61,53 25,07 3,87 1,58 111,25 45,33 245,44
4 Atlasnai x Gloria 3,35 4,90 1,57 77,79 24,89 73,18 23,42 6,19 1,98 150,43 48,14 312,49
5 Gloria x Zastava 3,75 6,21 1,68 90,78 24,38 84,79 22,77 7,34 1,97 183,23 49,21 372,35
6 Zastava x Gloria 3,20 7,81 2,10 85,22 22,93 82,44 22,18 8,94 2,41 187,27 50,39 371,68
Сумма варианс генных эффектов, участвующих в снижении уровня поражаемости были следующие: Gloria х Jubiliar (a + ad) - 52,9%; Gloria х Atlasnâi (d + aa) - 52,1%; Gloria х Zastava (a + d + aa) - 48,8%. Это свидетельствует о сравнительно стабильном вкладе сорта Gloria в качестве материнской формы в защитную реакцию гибридных потомков на грибы Alternaría.
Заключение
На базе факторного анализа выявлен наибольший вклад генотипа томата в реакцию на грибы Alternaría на этапе всхожести семян. При изучении реакции реципрокных гибридов F1 томата на культуральный фильтрат гриба A.alternata установлен высокий материнский эффект на всхожесть семян. Выбор материнской формы, различной по устойчивости к альтернариозу, влияет на распределение растений томата на фенотипические классы в расщепляющихся популяциях F2.
Изучение генных эффектов в комбинациях томата, скрещиваемых по беккроссной схеме (модель Гамбле) на базе реципрокных гибридов F1, показало, что материнская форма влияет на величину, ориентацию и вариансу различных действий (аддитивных, доминантных) и взаимодействий (аддитивно-аддитивных, аддитивно-доминантных и доминантно-доминантных) генов растения-хозяина при реакции на альтернариоз.
Литература
1. Балашова Н.Н. Стратегия селекции растений на устойчивость к патогенам. В: Селекция растений: новые генетические подходы и решения. Кишинев: Штиинца, 1991.- С.224-228.
2. Балашова И.Т. и др. Отбор материнских форм и анализ наследуемости признака «высота растений» у томата в рамках программы ВНИ-ИССОК по узкостеллажной гидропонике. В: Совр. тенд. в сел. и семенов. овощ. культур. Традиции и перспективы. III Межд.научно-практич. конференция (8-9 августа 2012 года), Москва, 2012.- С. 132-142.
3. Драгавцев В.А. и др. Новые подходы к экспрессной оценке ге-нотипической и генетической (аддитивной) дисперсий свойств продуктивности растений. В: Вавиловский журнал генетики и селекции, 2012.-Том 16.- № 2.-С. 427-436.
4. Лупашку Г.А., Ротару Л.И. Взаимосвязь устойчивости томата к фузариозным корневым гнилям и низким положительным температурам. В: Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы. II Межд.научно-практич. конф. (2-4 августа 2010 года). Материалы докл., сообщений.-Том II, Москва, Изд-во ВНИИССОК, 2010.- С.362-369.
5. Методы экспериментальной микологии. Киев: Наукова думка, 1982.— 550 с.
6. Чесноков Ю.В. и др. Эколого-генетическая организация количественных признаков растений и картирование локусов, определяющих агрономически важные признаки у мягкой пшеницы. В: Докл. РАН, 2008.— Том 418.— N 5.— C. 693-696
7. Ahmadi M.R. et al. Interaction between Sclerotinia sclerotiorum virulence and important crop's resistance. In: International Research Journal of Applied and Basic Sciences, 2013.—Vol.5 (9).—P.1180-1183
8. Badyaev A.V. Evolutionary significance of phenotypic accommodation in novel environments: an empirical test of the Baldwin effect. In: Phil. Trans. R. Soc. B., 2009.—364.—1125—1141
9. Bogdan M., Ghosh J.K., Doerge R.W. Modifying the Schwarz Bayesian information criterion to locate multiple interacting quantitative trait loci. In: Genetics, 2004.— 167.—P. 989-999.
10. Botnari V., Cebotari V. Legumicultura: Starea actuala §i perspectiva dezvoltarii. Analiza Sectorului Agricol, CAMIB, 2003. —48 p.
11. Carlborg O., Haley C.S. Epistasis: Too often neglected in complex trait studies? In: Nat. Rev. Genet., 2004.— 5.—P. 618-625.
12. Carlborg O., Andersson L. The use of randomisation testing for detection of multiple epistatic QTL. In: Genet. Res., 2002.— 79.— P. 175-184.
13. Chaerani R., Voorrips R.E. Tomato early blight (Alternaria solani): the pathogen, genetics, and breeding for resistance. In: J. Gen.Plant Pathol., 2006.—Vol. 72.—P.335-347
14. Dyer A.R. et al. The role of adaptive transgenerational plasticity in biological invasions of plants. In: Evol Appl., 2010.— 3.—P.179-192
15. Foolad M.R. Genome mapping and molecular breeding of tomato. In: Int. J. of Plant Genomics, 2007.— P. 52.
16. Galloway L.F., Etterson J.R. Transgenerational plasticity is adaptive in the wild. In: Science, 2007.— 318.— P.1134—1136
17. Galloway L.F., Etterson J.R., McGlothlin J.W. Contribution of direct and maternal genetic effects to lifehistory evolution. In: New Phytol., 2009.— 183.— P.826-838
18. Gamble E.E. Gene effects in corn (Zea mays L.). I. Separation and relative importance of gene effects for yield. In: Canadian J. of Plant Science, 1962.— N42.— P.339-348
19. Jannink J.L., Jansen R.C. Mapping epistatic quantitative trait loci with one-dimensional genome searches. In: Genetics, 2001.— 157.—P. 445-454.
20. Kao C.-H., Zeng Z-B. Modeling epistasis of quantitative trait loci using Cockerham's model. In: Genetics, 2002.— 160.—P.1243—1261.
21. McLaren N.W. Evaluation of sorghum hybrids for resistance to the root complex. In: Afr. J. Plant and Soil., 2002.— Vol. 19.— N 1.— P. 37-45.
22. Mihnea N. §i altíi. Poten^ialul genetic de rezisten^a la ar§i|a al soiurilor §i liniilor valoroase de tomate. In: Buletinul A§M, §tiin|ele Vietii, 2009.- 2(308).- P. 64-69.
23. Narita A., Sasaki Y. Detection of multiple QTL with epistatic effects under a mixed inheritance model in an outbred population. In: Genet. Sel. Evol., 2004.-36.- P. 415-433
24. Phillips P.C. Epistasis - the essential role of gene interactions in the structure and evolution of genetic systems. In: Nat. Rev. Genet., 2008.-9(11).- P. 855-867
25. Reinhold K. Maternal effects and the evolution of behavioural and morphological characters: a literature review indicates importance of extended maternal care. In: J. of Heredity, 2002.- 93 (6).- P. 400-405.
26. Thirthamallappa E., Lohithaswa H.C. Genetics of resistance to early blight (Alternaria solani Sorauer) in tomato (Lycopersicon esculentum L.). In: Euphytica, 2000.-Vol. 113.- P.187-193.
27. Yi N., Xu S., Allison D.B. Bayesian model choice and search strategies for mapping interacting quantitative trait loci. In: Genetics, 2003.- 165.- P. 867-883.
28. http://www.geodakian.com/ru/53_Paternal_effect_ru.htm
INFLUENCE OF FEMALE FORM ON INTERACTION OF TOMATO GENES AT INFECTION BY ALTERNARIA
Lupashku G.A., Grigorcha S.V., Mihnya N.I.
Institute of Genetics, Physiology and Plant Protection of Acad.of Sci.
of Moldova,
Kishinev, St. Lesnaya, 20; tel. 521179, e-mail: galinalupascu@gmail.com
Summary. The tomato plants reaction to the culture filtrates of Alternaria fungi in laboratory conditions and in natural infection by Alternaria pathogens in field conditions is determined mainly by the genotype of host plant. The female form of tomato hybrids strongly affects the level, orientation and variance of plant genes actions and interactions in response to infection that indicates the necessity into account the resistance of these forms during hybridization.
Keywords: tomato, fungi Alternaria, resistance.
