Введение к работе
Актуальность темы. Бурая или листовая ржавчина (возбудитель Puccinia triticina Erikss, syn.: P. recondita Roberge: Desm. f. sp. tritici (Erikss) CO. Johnston) - одна из наиболее распространенных и вредоносных болезней мягкой пшеницы Triticum aestivum L. Ежегодные потери урожая пшеницы от поражения листовой ржавчиной в нашей стране достигают 4,5%, в случае, когда эпидемия развивается рано и инфекция сохраняется до полного созревания пшеницы, потери возрастают до 50-70% урожая (Пруцков, 1970; Русаков, 1938; Чумаков, 1964).
Наиболее экономически выгодным и экологически безопасным методом борьбы с листовой ржавчиной является возделывание устойчивых сортов. Создание такого рода сортов на первом этапе включает поиск доноров эффективных генов устойчивости к болезни.
В настоящее время известно 63 локализованных в хромосомах Т. aestivum Lr (от leaf rust) генов устойчивости к листовой ржавчине (Mcintosh et al., 2007, Mcintosh et al., 2009). Большинство из них не эффективны против «современной» популяции листовой ржавчины в России. Из проростковых генов устойчивости только Lr9, Lr\9, Lr24 и Lr41 высокоэффективны в России (Тырышкин, 2006; Тырышкин и др., 2006). При этом ген Lrl9 уже потерял свою эффективность в Поволжье и Волго-Вятском регионе (Вьюшков, 1998; Коваленко и др., 2003), отмечено появление клонов патогена, вирулентных к гену Lr24 в Поволжье (Маркелова, 2007), сообщается о потере эффективности гена Lr9 в Западной Сибири и на Урале (Мешкова и др., 2008).
Вследствие этого особое внимание должно быть уделено поиску доноров эффективных генов возрастной устойчивости (adult resistance). В СССР, а затем и в России выделено большое количество образцов мягкой пшеницы, устойчивых к болезни в фазе флаг-листа. Эти образцы идентифицированы достаточно давно и могут быть восприимчивы в настоящее время из-за изменения расовой структуры популяций P. triticina за последние годы.
Одним из возможных путей поиска источников возрастной устойчивости рассматривается изучение местных пшениц. По наблюдениям Н.И. Вавилова местные сорта пшеницы Дагестана, Азербайджана, Грузии представляют исключительную ценность для индивидуального отбора на устойчивость к ржавчине (цит. по Михайлова, 2006); местные формы из Китая, Северной Индии описаны как обладающие резко выраженным иммунитетом к болезни (Вавилов, 1986). Примером перспективности изучения местных форм является идентификация эффективных генов устойчивости к листовой ржавчине у местного сирийского сорта пшеницы Safas (Аманов, Одинцова, 1985) и у местного иранского образца PI 289824 (Obert et al., 2005).
Цель работы - выявить разнообразие яровой мягкой пшеницы по эффективной возрастной устойчивости к листовой ржавчине и изучить генетический контроль признака.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить изменчивость структуры популяций P. triticina в течение се-
зона вегетации хозяина для обоснования сбора инокулюма при создании искусственных инфекционных фонов для оценки устойчивости пшеницы к листовой ржавчине;
оценить пораженность ржавчиной ранее выделенных источников возрастной устойчивости пшеницы к «современной» популяций P. triticina;
оценить проростковую и возрастную устойчивость к листовой ржавчине образцов яровой местной пшеницы и выделить высоко устойчивые формы;
изучить разнообразие выделенных устойчивых к ржавчине образцов яровой местной пшеницы по электрофоретическому спектру глиадинов и ДНК маркерам;
разработать метод постуляции генов устойчивости взрослых растений к листовой ржавчине у проростков пшеницы;
изучить характер наследования устойчивости к ржавчине у выделенных образцов яровой местной пшеницы.
Научная новизна. Выявлена высокая сезонная изменчивость генетической структуры популяций P. triticina из Северного Кавказа и Северо-Западного региона. Показано, что при изучении структуры популяций P. triticina по вирулентности к почти изогенным линиям серии Тэтчер следует, анализировать выборки объемом более 50 клонов возбудителя. Для создания искусственного инфекционного фона необходимо собирать инокулюм патогена с разных генотипов хозяина несколько раз в течение вегетационного сезона.
Показано, что известные гены возрастной устойчивости мягкой пшеницы Lrl2, Lr\3, Lr22h и Lr34 не эффективны против «современной» популяций возбудителя листовой ржавчины из России.
Подавляющее большинство ранее выявленных источников возрастной устойчивости пшеницы к листовой ржавчине в настоящее время восприимчиво к болезни. Высокий уровень возрастной устойчивости образцов мягкой пшеницы к листовой ржавчине обусловливается сочетанием генов Lr\3 и Lr34.
В результате изучения 2100 образцов яровой местной пшеницы выделены 24 формы из Казахстана, обладающие высоким уровнем возрастной устойчивости к болезни. В результате анализа электрофоретического спектра глиадинов и 4-х ДНК маркеров показано, что выделенные образцы мягкой пшеницы генетически очень близки либо идентичны.
Выявлено, что молекулярные маркеры F 1.2245, Xgwm630, Xgwml30 и Xbarc352 не позволяют надежно идентифицировать образцы пшеницы, имеющие гены возрастной устойчивости LrlO, Lr\3 и Lr34, с которыми они, по литературным данным, сцеплены.
Впервые показана специфическая индукция экспрессии генов устойчивости LrlO, Lrll, Lr\2, Lr\3, Lr27+3\, Lr34, Lr46 и Lr52 отрезках листьев пшеницы под действием комбинации абиотических факторов (бензимидазол + температура); это явление может быть использовано для быстрой и надежной идентификации данных генов у образцов пшеницы.
Доказано, что возрастная устойчивость 11 образцов местной пшеницы из Казахстана контролируется двумя комплементарными рецессивными генами, одним из которых является ген Lr\3.
Практическая ценность результатов исследований. Впервые показано, что при изучении возрастной устойчивости пшеницы к листовой ржавчине растения следует инокулировать уредоспорами P. triticina, собранными на разных генотипах, несколько раз за сезон вегетации хозяина. Выделенные по возрастной устойчивости к листовой ржавчине генетически охарактеризованные образцы местной пшеницы (кк-36619, 36627, 36684, 36708, 36758, 36762, 36778, 36685, 36872, 37128, 37159), могут быть рекомендованы для использования в селекции. Разработанный метод идентификации генов возрастной устойчивости у ювенильных растений пшеницы может быть использован для постуляции генов LrlO, Lrll, Lrl2, Lrl3, Lr27+31, Lr34, Lr46 и Lr52. Показано, что ДНК маркеры F 1.2245, Xgwm630, Xgwml30 и Xbarc352 не могут быть использованы для идентификации образцов пшеницы, имеющих, либо не имеющих гены устойчивости LrlO, Lr\3 и Lr34.
Апробация работы. Результаты исследований доложены или представлены на: научной конференции «Стратегия и тактика защиты растений» (Минск, 2006); международных научно-практических конференциях «Вави-ловские чтения» (Саратов, 2007, 2008); II Вавиловской международной конференции (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых (Казань, 2008, 2009); международных конференциях «Информационные системы диагностики, мониторинга и прогноза важнейших сорных растений, вредителей и болезней сельскохозяйственных культур» (Санкт-Петербург, 2008, 2010); конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, 2008, 2009); 12-й международной конференции по ржавчинам и мучнистой росе злаковых (Ан-талия, Турция, 2009).
Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 8 - статьи в изданиях, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 108 страницах, содержит 12 рисунков, 22 таблицы. Состоит из введения, 5 глав, выводов, практических рекомендаций. Список литературы включает 215 наименований, в том числе 101 - на английском языке.
