CC BY
1048
УДК 635.21:632.938.1
Вестник защиты растений, 2, 2003
ЮЖНОАМЕРИКАНСКИЕ КУЛЬТУРНЫЕ ВИДЫ КАРТОФЕЛЯ КАК ГЕНЕТИЧЕСКИИ ИСТОЧНИК ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ПАТОГЕНАМ
С.Д.Киру*, С.В.Палеха*, С.А.Маковская**, М.В.Патрикеева**, Л.П.Евстратова***
*Всероссийский НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова, Санкт-Петербург **Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт Петербург ***Петрозаводский ГУ, Республика Карелия, Петрозаводск
В статье приведены результаты исследований по комплексной оценке образцов мировой коллекции картофеля ВИР на устойчивость к основным болезням и вредителям. Проведен многолетний лабораторно-полевой скрининг образцов южноамериканских культурных видов картофеля. Выделены генетические источники устойчивости к грибным, вирусным болезням и золотистой картофельной нематоде, представляющие ценность для селекции картофеля.
Мировая коллекция картофеля ВИР, насчитывающая более 9000 образцов, широко используется селекционерами как исходный материал для создания новых сортов. Тем не менее, селекционеры испытывают большую потребность в новых генетических источниках устойчивости к наиболее вредоносным патогенам картофеля - золотистой картофельной нематоде, вирусным болезням, фитофторозу, обыкновенной парше, ризоктониозу и др.
Одним из самых богатых источников форм, обладающих устойчивостью к этим патогенам, являются южноамериканские культурные виды картофеля, число образцов которых в коллекции достигает 3380. Значительную часть коллекции составляют образцы тетраплоидного полиморфного вида Solanum andigenum. Южноамериканские культурные виды приобрели большое значение для селекции картофеля. Только в нашей стране в минувшем столетии было создано около 100 сортов с их участием (Костина,1971) благодаря тому, что они обладают не только хозяйственно ценными признаками (скороспелость, короткий период покоя, короткие столоны, высокое качество клубней, устойчивость к механическим повреждениям, заморозкам), но также и устойчивостью к таким патогенам, как рак, парша обыкновенная, серебристая
и порошистая, ризоктониоз, альтернариоз, макроспориоз, фитофтороз; вирусы X,Y, M,S,L, картофельная золотистая и стеблевая нематоды и др. (Букасов,Камераз, 1972).
В настоящее время самыми вредоносными для картофелеводства России являются фитофтороз Phytophthora infestans, ризоктониоз Rhizoctonia solani, парша обыкновенная St^ptomycies scabies, вирусы картофеля X,Y,S^ и золотистая картофельная нематода Heterodera rostochiensis. Поэтому задачей исследований 1997-2001 гг. было комплексное изучение картофеля из коллекции ВИР с целью выделения форм, обладающих устойчивостью к выше названным патогенам.
Совместными исследованиями было изучено 645 образцов 9 культурных видов мировой коллекции картофеля из Аргентины, Боливии, Колумбии, Перу, Эквадора и Мексики (Лехнович,1972; Каталог мировой коллекции ВИР,1989,1999). Образцы были отобраны после предварительной трехлетней визуальной оценки на устойчивость к болезням. Полевая и лабораторная оценка на устойчивость к болезням и золотистой картофельной нематоде проводилась по методикам НИИКХ (1980), ВИР (1986) и ВИЗР (2001).
Устойчивость к
Фитофтороз. После обнаружения фитофтороустойчивых диких видов картофеля селекция на устойчивость к этому заболеванию стала проводиться на
ибным болезням
основе реакции сверхчувствительности. Однако повсеместно, где есть условия для развития этого патогенна, через определенное время появляются новые ра-
Вестник защиты растений, 2, 2003 сы, которыми начинает поражаться ранее устойчивая форма. Поэтому селекция на основе лишь одной сверхчувствительности, определяемой наличием R-генов, недостаточна. В последние годы селекционеры уделяют больше внимания этому вопросу, ориентируя свою работу в сторону создания сортов с нерасоспеци-фической устойчивостью (Umaerus, Umae-rus,1994). Это полигенный тип устойчивости, который определяется многими факторами, в том числе более длительным "инкубационным" периодом распространения инфекции на растении после явных признаков заболевания, меньшей споруляцией (Toxopeus,1959; Umaerus, 1969; Black,1970).
В последнее время полевая устойчивость, будучи независимой от расового состава популяций патогена, приобрела большое значение для селекционной работы в связи с распространением пато-типа А-2 и превалированием сложнови-рулентных рас патогена уже в начале развития фитофтороза (Malcolmson, Killick,1980). Наибольшей ценностью в этом случае характеризуются некоторые формы S.andigenum. Формы этого вида ценны не только тем, что обладают полевой устойчивостью, но и тем, что они вы-сокофертильны и хорошо передают эту устойчивость половому потомству (Killick,Malcolmson,1973; Будин,Соболева, 1982). Поэтому межвидовые гибриды, полученные от скрещиваний с формами, обладающими высокой полевой устойчивостью к фитофторозу, как правило, сохраняют эту устойчивость в течение длительного периода (Яшина,1972; Бу-дин,1985).
Оценку на устойчивость к фитофто-розу проводили в Пушкинских лабораториях ВИР в два этапа: полевая визуальная оценка и лабораторная оценка методом искусственного заражения отделенных листьев, взятых с вегетирующих растений в поле, клубней, а также сеянцев от самоопыления клонов образцов, выделенных в результате первого этапа. Заражение проводили смесью наиболее агрессивных рас фитофторы (Hodgson, 1961; Методические указания, НИИКХ,
1961). Оценку устойчивости вели по 9-балльной шкале: 1- очень низкая устойчивость, 3- низкая, 5- средняя, 7- высокая, 9- очень высокая. При заражении использовалась высококонцентрированная суспензия: до 30 конидий в поле зрения микроскопа при 120-кратном увеличении. Заражали листья взрослых растений и сеянцы в фазе 5-6 листьев. Для искусственного заражения сеянцев высевали по 300 семян каждого образца. Степень поражения сеянцев определяли на 4-10 сутки после их заражения путем опрыскивания суспензией гриба. Полевую оценку проводили в течение 4-5 недель с начала проявления фитофтороза.
Оценка показала высокую степень устойчивости к данному патогену большинства (около 2/3) образцов культурного вида S.andigenum, выделенных после полевого изучения. Количество устойчивых сеянцев от самоопыления многих образцов превышало 50%. Среди остальных видов число устойчивых форм было незначительным, но, тем не менее, формы с высокой горизонтальной устойчивостью были выделены у диплоидных видов S.phureja, S.rybinii sensu lato, S.gonioca-lyx, триплоидного вида S.mammiliferum и пентаплоидного S.curtilobum (табл.1,2).
Таблица 1. Устойчивость к фитофторозу различных подвидов S.andigenum при искусственном заражении сеянцев от самоопыления Число Распределе- ш ^
в ние образцов л - м „-
Подвид S ft о ÍT CO по баллам Ус- S Л чц из
о rt тоичивости оа
ft тр
Ю о 1-3 5-7 8-9 сб >í О
Colombianum 7 36 14 3 19 53
Mediamericanum 2 9 5 0 4 44
Ecuatorianum 1 5 3 0 2 40
Tarmense 9 20 4 4 12 60
Centraliperuvianum 7 17 2 0 15 88
Australiperuvianum 11 24 5 2 17 71
Bolivianum 14 27 4 3 20 73
Argentinicum 10 30 11 1 18 60
Ризоктониоз (черная парша клубней), парша обыкновенная и серебристая. В 1997-2000 гг. оценивали устойчивость к
этим патогенам по поражаемости предварительно отобранных четырех клубневых потомств визуально здоровых растений образцов культурных видов. Всего было проанализировано на устойчивость клубней к вышеуказанным патогенам 410 образцов. Каждый образец из-за небольшого числа имеющихся в коллекции клубней был представлен четырьмя клонами.
Таблица 2. Выделенные образцы примитивных культурных видов картофеля, обладающие устойчивостью к фитофторозу (Ф) и вирусам (1996-2000)
Виды № Ф X Y Ы S
S.phureja к-1815 + + + + +
S.phureja к-9836 + + + +
S.rybinii к-5141 + +
S.rybinii к-8583 +
S.rybinii к-8858 +
S.rybinii к-9366 +
S.rybinii к-3644 + +
S.rybinii к-11546 +
S.stenotomum к-16222 +
S.stenotomum к-16911 + +
S.goniоcalyx к-9379 + +
S.goniocalyx к-8864 +
S.ajanuiri к-7377 + +
S.cardenasii к-9845 + + +
^епшЫятеПшт к-1185 + + +
S.mammiliferum к-8864 +
S.curtilobum к-5646 +
№- номер образца по каталогу ВИР.
Поражаемость клубней возбудителями ризоктониоза, парши обыкновенной и серебристой после зимнего хранения картофеля в немалой степени обусловлена условиями предыдущего полевого сезона. Периоды вегетации растений 1997 и 1999 гг. характеризовались повышенными среднемесячными температурами и недостаточным количеством осадков по сравнению со среднемноголетними данными. Особенностью полевого сезона 2000 г. явилось избыточное количество осадков при среднемесячных температурах, близких к среднемноголетним показателям.
Иммунологическую оценку поражае-мости клубней возбудителями трех видов парши проводили по 6-балльной шкале в соответствии с методикой НИИКХ (1980), модифицированной Л.П.Назаровой (1986). По степени восприимчивости к заболева-
Вестник защиты растений, 2, 2003 ниям коллекционных образцов были установлены следующие уровни поражения: практически устойчивый (0-0.1 балла); слабопоражаемый (1 балл); средне-поражаемый (2 балла); сильно поражаемый (3-4 балла).
При анализе материалов скрининга генофонда культурных видов картофеля применяли методы многомерного статистического анализа - факторного, кластерного и пошагового дискриминантного (Ким и др.,1989). Факторный и кластерный анализы позволили провести классификацию коллекционного материала на каждом из вышеуказанных уровней и выделить образцы, обладающие практической устойчивостью клубней к одному, к двум или трем патогенам одновременно.
Для выделения образцов, обладающих устойчивостью к заболеваниям независимо от вариабельности условий среды по годам, использовали результаты классификаций коллекционного материала за ряд лет.
Анализ результатов оценки позволил выделить среди образцов полиморфного культурного вида S.andigenum генотипы, сочетающие одновременно устойчивость клубней к двум заболеваниям: ризокто-ниозу и парше обыкновенной - к-8142, к-10326, к-17682 ^р. australiperuvianum), к-5541 ^р. bolivianum), к-8155 ^р. centraliperuvianum), к-8174, к-8209 ^р. peruvianum); ризоктониозу и парше серебристой - к-11856 ^р. argentinicum). Лишь один образец к-4520 ^р. australiperuvianum) обладал устойчивостью одновременно к трем болезням.
При изучении географического происхождения образцов S.andigenum, устойчивых к одному, двум или трем патогенам, установлено, что резистентные к ризоктониозу образцы были интродуци-рованы в основном из различных районов Перу (Куско, 3640 м н.ур.м., Хунин, 3850 м, Пуно, 3300 м), Боливии (Коча-бамба, 3680 м, Ла Пас, 3100 м); к парше обыкновенной - из Перу (Апуримак, 3830 м) и Колумбии (Усме, 3720 м; Курипамба, 3550 м); к парше серебристой - единичные образцы из Аргентины (Тукуман,
Вестник зашиты растений, 2, 2003 2960 м, Катамарка, 3330 м) и южной части Перу (Куско, 4080 м).
Таким образом, скрининг образцов культурных видов из мировой коллекции картофеля ВИР по устойчивости к ри-зоктониозу, парше обыкновенной и парше серебристой показал, что образцы всех видов были неоднородны по восприимчивости к возбудителям парши: от практически устойчивых до сильновосприимчивых. В результате оценки выделено 9 перспективных источников с комбинированной устойчивостью к вышеуказанным патогенам. Изучение географического происхождения образцов, устойчивых к одному, двум или трем возбудителям болезней, позволило заключить, что генетические источники устойчивости следует искать исходя из приуроченности ареалов произрастания форм к определенным географическим районам. В большом разнообразии форм S.andige-num нахождение форм, обладающих устойчивостью к парше серебристой, наиболее вероятно среди образцов, интроду-цированных из Аргентины и южного Перу. Формы, обладающие устойчивостью к ризоктониозу, чаще встречаются среди боливийских и колумбийских образцов, а к парше обыкновенной - среди колумбийских и южноперуанских.
Аналогичная оценка примитивных видов S.rybinii sensu lato, S.stenotomum, S.ajanhuiri, S.chaucha, S.tenuifilamentum, S.mammilliferum и S.curtilobum показала, что их образцы также характеризовались неоднородностью поражения клубней возбудителями разных видов парши. По восприимчивости к ризоктониозу и парше обыкновенной доминировали образцы со слабой и средней степенью поражения клубней, а к парше серебристой - со средней и сильной (табл.3).
Однако для селекции наибольший интерес представляют формы с практичес-
кой устойчивостью к патогенам. Максимальное количество образцов, устойчивых к ризоктониозу, было выявлено в пределах видов Б.дотосаХух (26.3%), Б.рЬигеуа (25.0%), к парше обыкновенной Б.доп1оса1ух (31.6%), Б.туЫпи (26.1%). Высокой устойчивостью к парше серебристой обладали только отдельные представители Б.доп1оса1ух (5.3%), S.stenoto-тит (2.6%), S.тybinii (2.2%).
Таблица 3. Результаты оценки образцов коллекции культурных видов картофеля на устойчивость к ризоктониозу и парше
_(1997-2000)_
Изу- В т.ч. устойчивых к:
чено парше парше
Виды образ- ризо-кто- обык-но- сереб-
цов ниозу венной рис-той
S.goniocalyx 19 5 6 1
S.phureja 16 4 3 1
S.rybinii 92 14 8 2
S.stenotomum 39 6 3 2
S.tenuifilamentum 4 1 1 0
S.mammilliferum 2 0 0 0
S.andigenum 123 23 14 7
Всего 295 53 35 13
В результате полевой оценки было выделено двадцать источников с комплексной устойчивостью к ризоктониозу и двум видам парши. Эти перспективные образцы, сочетающие устойчивость клубней к ризоктониозу и парше обыкновенной, принадлежали к видам S.goniocalyx, S.phuтeja, S.stenotomum, S.тybinii. Одновременную устойчивость к парше обыкновенной и парше серебристой имели только два образца S.тybinii, а к трем болезням - лишь один образец вида S.oniocalyx. Установлено, что в отличие от устойчивых образцов S.andi-депит, основная часть устойчивых образцов примитивных видов имеет боливийское происхождение.
Устойчивость к золотист
Оценка устойчивости к золотистой картофельной нематоде проводилась методом выращивания растений в горшках с почвой, зараженной цистами нематоды (табл.4).
й картофельной нематоде
В каждый горшок вносили по 500 цист с жизнеспособными личинками. Устойчивыми считались растения, которые после 2 месяцев вегетации не имели на корнях
ни одной жизнеспособной цисты. Было изучено более 140 образцов, представляющих 17 форм культурного южноамериканского вида S.andigenum.
В ходе исследований установлена высокая устойчивость к картофельной нематоде форм í.janco pulo, k-3105; f. ocellatum, k-2193; í. chanchacomani, k-5576 и f.siguinchile oruro, k-5550; ssp. boliviense PI 205624 - k-23696, PI 230457 -k-23704 и ssp. australiperuvianum PI 246516 - k-23719.
В результате оценки 106 образцов S.andigenum было выделено 9 устойчивых генотипов, интродуцированных из Мексики (4), Перу (3) Аргентины (1) и Колумбии (1). Анализ результатов исследований позволил установить, что, вопреки утверждениям некоторых авторов, устойчивые к нематоде формы можно обнаружить не только в центрах наибольшего распространения паразита
Вестник защиты растений, 2, 2003 (Brodie et al.,2000). Оценка еще раз подтвердила, что этот вид богат формами, обладающими этим ценным признаком.
Таблица 4. Генетические источники устойчивости картофеля к нематоде, выделенные из коллекции Solanum andigenum (1997-2001) Номер Название подвида, каталога разновидности, Происхождение
ВИР_формы
k- ■23691 var. Мисапиш,
ssp. mediamericanum Мексика
k- ■17165 ssp. сolombianum Колумбия
k- ■17172 f.albicaesium,
жр. centraliperuvianum Аргентина
k- ■21683 жр. mediamericanum Мексика
k- ■21655 var. tolucanum,
жр. mediamericanum Мексика
k- ■22034 жр. mediamericanum Мексика
k- ■23700 f.garmendia,
жр. australiperuvianum Перу
k- ■23704 var. huaiгuгu, Перу
жр. austгaliperuvianum
k- ■24516 жр. austгaliperuvianum Перу
Устойчивость к вирусным болезням
По литературным данным, сверхчувствительность к отдельным вирусам установлена у ряда форм культурных видов S.andigenum, S.curtйobum, S.juzep-czuki (СоскеЛат,1943) и S.phureja ^оШакег,1961). Начиная с 1998 г., нами проводилась оценка образцов коллекции культурных видов на устойчивость к основным вирусам картофеля путем искусственного заражения сеянцев от самоопыления методом втирания сока листьев зараженных вирусами растений сорта Гранола. Было оценено 196 образцов 8 культурных видов. В результате было выделено в общей сложности 36 образцов, которые не имели симптомов поражения данными вирусами. В следующем году выделенные образцы были оценены методом иммуноферментного анализа с использованием поливалентных сывороток вирусов В результате 27 образцов подтвердили свою устойчивость (табл.2,5).
Таким образом, по результатам комплексной оценки устойчивыми к различ-
ным вирусам оказались образцы видов S.andigenum и S.phureja - к вирусам Х^,М; S.rybinii к S.stenotomum
к Х^; S.goniocalyx к Х,М; S.ajanhuiri к Х^; S.cardenasii к S,M. Кроме того, как видно из таблицы 3, некоторые образцы обладали устойчивостью одновременно к нескольким вирусам.
Таблица 5. Образцы культурных видов картофеля, устойчивые к основным патогенам
Виды
м
о ÍT
га й
р
ю
о о
К
си ^
га S
а о ft К
о
н &
о
н
и
о
К
и р
ю
си
р
< =S
о
га
^ S рР
£ а^се^и м
и В
о
03
ta
р
ta
р
cu ^
S R
к К
о
ы В
S.andigenum 31 11 8 10 19 14 6 23
S.curtilobum 45 3 - 4 9 1 1 -
S.goniocalyx 62 2 - 2 5 8 3 7
S.phureja 84 4 - 4 14 - 2 14
S.rybinii 68 1 2 5 1 4 1 3
S.stenotomum 35 1 4 2 6 4 1 -
Всего 645 22 14 27 53 35 13 47
Вестник защиты растений, 2, 2003
53
Литература
Будин К.З. Генетические основы селекции картофеля. Л., 1985, 185 с.
Будин К.З., Соболева Т.И. Наследование устойчивости к фитофторе при гибридизации с культурными видами. /Вестник с.-х. науки, 8, 1982, с.120-124.
Букасов С.М., Камераз А.Я. Селекция и семеноводство картофеля. Л., Колос, 1972, с.67-76.
Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 719. Картофель. Культурный вид Solanum andigenum Juz. et Buk. /Сост. С.Д.Киру, В.П.Сдвижкова, СПб., 1999, 22 c.
Каталог мировой коллекции ВИР. Примитивные культурные виды картофеля Южной Америки. Л., 1989, 172 с.
Ким Дж. О., Мюллер Ч.У., Клекка У.Р., Олдендерфор М.С., Блэшфилд Р.К. Факторный, дискриминантный и кластерный анализы. М., 1989, 151 с.
Костина Л.И. Родословная отечественных сортов картофеля. /Тр. по прикл. ботанике, генетике и сел., 46, 1, 1971, с.45-62.
Лехнович В.С. Культурные виды картофеля. Культурная флора СССР. Л., 1971, с.41-302.
Методические указания по оценке селекционного материала к фитофторозу, ризокто-ниозу, бактериальным болезням и механическим повреждениям. Сост. И.М.Яшина, И.И.Шустер и др. М., 1980, 28 с.
Назарова Л.П. Иммунологический анализ генофонда картофеля по устойчивости к ри-зоктониозу для целей селекции. Автореф. канд. дисс., Л., 1986, 16 с.
Яшина И.М. Наследование полевой устойчивости к фитофторе у гибридов и сортов разного происхождения. /Генетика, 4, 6, 1972, с.5-8.
Black W. The nature and inheritance of field resistance to late blight (Phytophthora in-festans) in potatoes. /Am. Pot. J., 47, 1970,
p.279-288.
Brodie B.B., Scurrah V., Plaisted R.L. Release of germplasm resistant to multiple races of potato cyst nematodes. /Am. J. of Potato Res., 77, 3, 2000, p.207-209.
Caligari P., Mackay G., Stewart E., Wastie R.L. A seedling progeny test for resistance to potato foliage blight. /Pot. Res., 27, 1984, p.43-50.
Cockerham G. The reaction of potato varieties to viruses X,A,B and Phytophthora infes-tans Mont.) de Bary). /Ann. Appl. Biol. 30, 1943, p.23-28.
Hodgson W.A. Laboratory testing of the potato for partial resistance to Phytophthora in-festans. /Amer. Pot. J., 38, 1961, p.259.
Killick E.J., Malcolmson J.F. Inheritance in potatoes of field resistance to late blight. /Phys. Pl., 3, 1973, p.121-131.
Malcolmson J.F., Killick E.J. The breeding value of potato parents for field resistance to late blight measured by whole seedling. /Euphytica, 29, 1980, p.489-495.
Rothaker D. Dir wilden und kultiverten mittel - und sudamerikanishen Kartoffelspecies einschlislich der im suden der USA vorkom-medenden Arten. /Shick R., Klinkovski M.(Ed.) Die Kartoffel, Ein Handbuch., 1961, s.131-134.
Toxopeus H.I. Notes on the inheritance of field resistance on the foliage of Solanum tube-rosum to Phytophthora infestans. /Euphytica, 8, 1959, p.357-359.
Umaerus V. Studies of field resistance to Phytophthora infestans. The infection efficiency of zoospores of Ph. infestans as influenced by the host genotype. /Z. Pflanzenzucht, 61, 1, 1969, p.29.
Umaerus V., Umaerus M. Inheritance of resistance to Late Blight. /"Potato Genetics," Ed. J.Bradshow and G. Mackay, S.C.R.Inst, 1994, p.365-401.
SOUTH AMERICAN CULTIVATED POTATO SPECIES AS GENE SOURCES IN BREEDING FOR RESISTANCE TO PATHOGENS S.D.Kiru, S.V.Palekha, S.A.Makovskaya, M.V.Patrikeeva, L.P.Evstratova In the paper are given results of studies on the complex estimation of the VIR world collection of potatoes for their resistance to major pests and diseases. A many-year laboratory-field screening of cultivated potato species samples from South America has been conducted. Gene sources of resistance to fungal, viral diseases and potato cyst nematode are isolated that are of great importance for potato breeding.
