Стратегия селекции пшеницы на устойчивость к ржавчинным заболеваниям

УДК 632.938.1

Стратегия селекции пшеницы на устойчивость к ржавчинным заболеваниям

Е.Д. КОВАЛЕНКО, А.И. ЖЕМЧУЖИНА, М.И. КИСЕЛЕВА, Т.М. КОЛОМИЕЦ, А.А. ЩЕРБИК

Интенсивное развитие ржавчинных заболеваний в странах с разным климатом обусловлено пластичностью и высокой репродуктивной и миграционной способностью их возбудителей. В России наиболее распространена бурая ржавчина, что объясняется, главным образом, однотипностью сортов пшеницы и бесконтрольным возделыванием сортов с неэффективными генами расоспецифической устойчивости на больших площадях.

Устойчивость сорта является важнейшим элементом интегрированной защиты растений от болезней, стабилизирующим сельскохозяйственное производство и снижающим риск загрязнения окружающей среды. Проблема не только в России, но и в других странах мира заключается в том, что вновь создаваемые сорта быстро теряют устойчивость из-за появления новых вирулентных рас патогена. Поэтому основным направлением в международной селекции зерновых культур на иммунитет к болезням является создание сортов с длительной устойчивостью, сохраняющей свою эффективность в различных агро-экосистемах в благоприятных для развития болезни условиях не менее 10 лет [4].

Селекция на длительную устойчивость подразумевает следующие этапы:

изучение изменчивости популяций возбудителей болезни, постоянный контроль за появлением новых, потенциально опасных рас;

создание и отбор исходного материала для селекции устойчивых сортов.

Изучение изменчивости популяций возбудителей болезни, постоянный контроль за появлением новых, потенциально опасных рас. Популяции возбудителей болезней формируются под влиянием биотических и абиотических факторов внешней среды. Возникновение новых рас происходит в результате постоянно действующих мутационных и рекомбинационных процессов. Новые расы ржавчинных заболеваний очень быстро распространяются и вызывают сильные эпифи-тотии на посевах зерновых культур в разных странах и континентах из-за высокой репродуктивной и миграционной способности.

Так, новая раса стеблевой ржавчины пшеницы иО-99 впервые была идентифицирована в Уганде в 1988 г, а затем появилась и быстро распространилась в Восточной и Северной Африке, Передней Азии, вызывая опустошительные эпифитотии на посевах ранее устойчивых сортов в Кении, Эфиопии, Йемене, Судане и Иране. Это обусловлено не только вирулентностью, но и высокой агрессивностью и адаптивной способностью к широкому спектру температурных условий.

В связи с появлением расы иО-99 СИММИТ и ИКАРДО была принята Международная программа по выявлению новых потенциально опасных рас не только стеблевой, но и других видов ржавчины [6], организованы международные инфекционные питомники, где высеваются сорта-ловушки с устойчивым генотипом и местные сорта. В них проводится постоянный контроль за появлением новых рас на ранее устойчивых сортах.

Оценка сортов и селекционных образцов из 22 стран и международного центра показала, что 80 % из них были высоко восприимчивы к иО-99.

Для создания устойчивых к стеблевой ржавчине сортов была разработана международная селекционная программа, предусматривающая отбор устойчивых к расе иО-99 образцов в инфекционных питомниках разных стран мира и использование генов расоспецифической устойчивости (в разных комбинациях), малых генов с эффектом длительной устойчивости и Sr 2 - гена, обусловливающего замедленное развитие болезни [6].

Проблема появления и быстрого накопления новых рас, преодолевающих устойчивость сортов с эффективными генами, характерна и для бурой ржавчины. Для изучения изменчивости популяций возбудителя бурой ржавчины нами в течение многих лет проводился анализ структуры популяций гриба в основных регионах России: Центральном, Центрально-Черноземном, СевероКавказском, Поволжском, Волго-Вятском, Западно-Сибирском,Вос-точно-Сибирском.

Ген устойчивости Lr 19 в России и странах СНГ сохранял свою эффективность более 40 лет. После того, как селекционеры стали активно использовать его для получения новых сортов, получивших широкое распространение в Поволжье и в Уральском регионе, появилась новая раса р19 с комплементарным геном вирулентности. Впервые она была обнаружена нами в 1997 г. на посевах пшеницы сортов Л-503 и Л-505 с геном устойчивости Lr19 в Саратовской области [1, 9].

Расы с геном р19 быстро распространились на посевах пшеницы в Центрально-Черноземном, Центральном, Волго-Вятском и других регионах европейской части России. В 2000-2001 гг. они были обнаружены в Западной и Восточной Сибири, в 2003 г. - в Приморском крае. Увеличение посевных площадей под сортами с геном Lr 19 было основной причиной не только быстрого распространения новой расы, но и увеличения частоты встречаемости существующих рас. Так, при расширении посевных площадей под ози-

4 Защита и карантин растений № 9, 2012

мой пшеницей Московская 39 с геном расоспецифической устойчивости Lr 1 частота встречаемости расы с комплементарным геном вирулентности р1 увеличилась с 40 до 100 % (рис. 1).

В 2010 г. нами впервые в западносибирской популяции возбудителя обнаружен новый патоген с геном вирулентности р9, который преодолевал ранее высокоэффективный ген устойчивости Lr 9.

Наши данные за 2000-2007 гг. по изучению эволюции рас возбудителя бурой ржавчины в Центральном регионе подтвердили высокий потенциал его генетической изменчивости. Появление рас с новым сочетанием генов вирулентности отмечали ежегодно (рис. 2).

Направленный отбор и быстрое накопление новых рас Puccinia triticina на ранее устойчивых сортах, занимающих большие посевные площади, требуют постоянного мониторинга популяций возбудителя.

В результате популяционных исследований определяется генофонд вирулентности возбудителя в разных регионахстраны, частота встречаемости рас с разными генами вирулентности, их динамика во вре-

1. Динамика частоты встречаемости гена вирулентности р1 в популяциях Рисстга Мйета в Центральном регионе на озимой пшенице Московская 39

мени и пространстве, что позволяет выявить степень эффективности генов устойчивости и определить основные направления селекции на иммунитет. По нашим многолетним данным, гены устойчивости к патогену по степени эффективности можно условно разделить на 4 группы (табл. 1). Генами, абсолютно эффективными ко всем патотипам во всех регионах возделывания пшеницы, являются Lr24, Lr29, Lr38, 1-г41, 1-г42, Lr45, Lr47. В 2010 г. нами впервые в западно-сибирской популяции возбудителя обнаружен новый патотип бурой ржавчины с геном

2. Эволюция рас Puccinia triticina на территории Центрального региона в 2000—2007 гг.

вирулентности р9, и ранее эффективный ген устойчивости Lr9 стал среднеэффективным.

Генетический анализ устойчивости с использованием рас и патоти-пов, маркированных разными генами вирулентности, служит основой для определения состава инфекционных фонов и отбора исходного материала для селекции устойчивых сортов.

Создание и отбор исходного материала для селекции устойчивых сортов. Как показала история селекции пшеницы на иммунитет к бурой ржавчине, более продолжительную защиту от болезни обеспечивают сорта с возрастной и частичной устойчивостью, сдерживающие эволюцию патогена. Наличие генов возрастной устойчивости в сортах пшеницы способствует медленному нарастанию инфекции из-за более короткого селективного давления популяции на растение [7]. Этот тип устойчивости можно относительно легко комбинировать с расоспеци-фическим типом и тем самым продлевать жизнь сорта.

В последние годы гены Lr37, Lr22a и Lr35, эффективные ко многим популяциям гриба в США и Канаде, широко используются в качестве доноров возрастной устойчивости. Ген Lr 22a, полученный из Triticum taushii и введенный в канадский сорт АС Minto, сохраняет высокую эффективность к болезни уже более 20 лет. Высокой полевой устойчивостью обладают сорта с генами Lr 34, Lr 12, Lr 13 или комбинацией этих генов [5, 7].

Линия с геном устойчивости Lr34 в сочетании с другими генами проявляет высокую устойчивость в полевых условиях, а линии с генами Lr37, Lr22a и Lr35 - и в полевых, и в лабораторных условиях. Эти гены могут служить источниками устойчивости к бурой ржавчине.

Частичная устойчивость, или устойчивость замедленного развития «slow rusting», контролируется поли-генно, то есть большим числом генов, по отдельности не имеющих заметного фенотипического эффекта

Таблица 1

Эффективность генов устойчивости пшеницы к Рисспш й№сша на территории России

Частота встречаемости патотипов (%) Гены ювенильной Гены возрастной

устойчивости устойчивости

Эффективные 0 24, 29, 38, 41, 42, 45, 47 22а

Среднеэффективные менее 20 9, 19, 28, 32, 43, 44, 46 12, 13, 35, 37

Низкоэффективные 21-50 2а, 2Ь, 15, 16, 20, 23, 25, 26, 27+31, 39, 40 34

Неэффективные более 50 1, 2с, 3а, 3bg, 3ка, 10, 11, 14а, 14Ь, 17, 18, 21, 30, 33, 36, В 22Ь

и проявляющихся аддитивно. По мнению многих исследователей, этот тип устойчивости имеет следующие преимущества перед сортами с расоспецифической резистентностью: сдерживает эволюцию патогена, снижает риск возникновения эпифитотий, сохраняет урожай и увеличивает продолжительность устойчивости сорта. Конечное выражение общей устойчивости представляет собой результат суммарного взаимодействия количественных признаков - увеличение продолжительности латентного периода, уменьшение числа пустул на единицу поверхности листа и ограничение размеров пустул. Изучение этих параметров позволяет отбирать сор-тообразцы пшеницы с частичной устойчивостью. Успех селекции сортов с длительной устойчивостью всецело зависит от исходного материала, который должен характеризоваться генетическим разнообразием, сдерживать развитие болезни и эволюцию патогенных грибов. Результативность отбора исходного материала зависит от правильного выбора методов оценки устойчивости сортообразцов(составление искусственных инфекционных фонов, отбор фитопатологических и генетических параметров для объективной оценки устойчивости и др.).

По данным литературы и наших многочисленных популяционных и иммунологических исследований, была разработана схема оценки и отбора исходного материала с разными типами устойчивости: расоспецифической, частичной, возрастной, а также с их сочетанием, обеспечивающим вновь создаваемым

сортам продолжительную защиту от болезни:

отбор рас возбудителя бурой ржавчины для создания искусственных инфекционных фонов в условиях питомника, теплицы и камер искусственного климата;

оценка устойчивости сортообразцов пшеницы в условиях инфекционного питомника и теплицы и отбор генотипов с разным типом устойчивости;

определение генотипа расоспецифической и возрастной устойчивости с использованием тест-культур гриба и молекулярных маркеров;

определение основных параметров частичной устойчивости: динамика развития болезни в полевых условиях, латентный период, спору-лирующая способность, количество и размер инфекционных пустул в камерах искусственного климата;

отбор генотипов пшеницы с длительной устойчивостью (возрастной, частичной и их сочетанием).

На разных этапах оценки устойчивости сортообразцов пшеницы к патогену используется различный инфекционный материал. В инфекционном питомнике для инокуляции растений применяют синтетическую популяцию, содержащую смесь нескольких патотипов с известными генами вирулентности или одну высоковирулентную расу с максимальным количеством генов вирулентности. Для определения генотипа расоспецифической устойчивости сортообразцов пшеницы в условиях камер искусственного климата отбирают расы с разным сочетанием генов вирулентности. Для оценки и отбора сортообразцов пшеницы с

частичной устойчивостью, как правило, используют высоковирулентные расы с высоким уровнем агрессивности.

В результате многолетних иммунологических исследований сортов и сортообразцов мировой коллекции ВИР, Американской национальной коллекции и отечественных сортов отобран исходный материал с разными типами устойчивости, который может быть использован для создания сортов пшеницы с длительной устойчивостью к бурой ржавчине [2]. Наибольший интерес представляют генотипы, сочетающие разные типы устойчивости. Несколько неэффективных генов ра-соспецифической устойчивости в сортах обусловливают частичную устойчивость.

Так, в сортах Смена, Курская 2038, Жигулевская был выявлен ген Lr10 с разным количеством неидентифи-цированных генов устойчивости. Изучение динамики развития бурой ржавчины на этих сортах в инфекционном питомнике показало, что чем больше в генотипе дополнительных неизвестных генов, тем выше уровень частичной устойчивости. Так, на контрольном сорте Хакасская к концу вегетации степень развития болезни составляла 100 %, а на сортах с геном Lr10 - от 40 до 65 %. Наименее был поражен сорт Жигулевская, имеющий в своем генотипе, кроме Lr10, ген Lr14b и несколько неизвестных генов.

Таким образом, частичная устойчивость может быть обусловлена наличием нескольких неэффективных генов расоспецифической устойчивости, а ее уровень зависит от количества генов, что подтверждает мнение Нэльсона о генетической природе частичной устойчивости [10].

На уровень частичной устойчивости существенно влияют также гены возрастной устойчивости и их сочетания. Так, продолжительность латентного периода у восприимчивого контроля (сорт Хакасская) была короткой (8,1 дня), у сортов с одним геном возрастной устойчивости Lr22a (Кума, Батько, Краснодар-

ская 99 и линия Lr22a) и двумя генами - Миллениум (Lr12+Lr37), Дельта (Lr13+Lr34) она увеличивалась до 9,8-10,6 дней, что сдерживало развитие болезни в полевых условиях [8]. Полученные результаты подтверждают данные зарубежных исследователей. Для увеличения полезной жизни сорта необходимо комбинировать в нем разные гены возрастной, ювенильной и частичной устойчивости. Для создания сортов с продолжительной защитой от разных возбудителей болезней желательно использовать гены, контролирующие групповую устойчивость к разным патогенам (табл. 2).

Для сохранения длительной устойчивости нужна правильная стратегия и тактика использования генов устойчивости в селекции пшеницы в разных регионах страны.

В случае бурой ржавчины в первую очередь следует учитывать эпифито-тийную ситуацию в регионах, структуру посевных площадей под озимыми и яровыми сортами, наличие заносной инфекции и уровень полиморфизма популяций возбудителя.

Для увеличения продолжительности «полезной жизни» устойчивых сортов предлагаем в основных регионах возделывания озимой пшеницы (Северный Кавказ, Центральный, Центрально-Черноземный, Поволжье) отдавать предпочтение созданию сортов с замедленным развитием болезни («slow rusting») и возрастной устойчивостью, а также с сочетанием разных типов устойчивости.

Таблица 2 Гены, контролирующие групповую устойчивость к разным возбудителям

Lr-гены устойчивости к бурой ржавчине Yr-гены устойчивости к желтой ржавчине Sr-гены устойчивости к стеблевой ржавчине Pm-гены устойчивости к мучнистой р о се

Lr37 Yr17 Sr28

Lr24 Sr24

Lr26 Yr9 Sr31 Pm8

Lr20 Sr15

Lr34 Yr18 Pm38

Lr46 Yr29 Pm39

Lr67 Yr46 Ген неиз-

вестен

Такие сорта будут сдерживать эволюцию патогена и длительно сохранять устойчивость. В Поволжском регионе, где возделывают озимую и яровую пшеницу, необходимо, чтобы создаваемые сорта различались по генам устойчивости. Это будет способствовать сбалансированию патосис-тем (за счет смены направленного отбора в течение сезона), сокращению количества инокулюма и снижению вредоносности болезни.

В Западной и Восточной Сибири, где превалирует яровая пшеница, селекцию можно проводить и на ра-соспецифическую устойчивость. Но, учитывая, что ни один эффективный ген расоспецифической устойчивости не застрахован от быстрого разрушения новыми патотипами гриба, скорость накопления которых зависит от площади, занимаемой новыми сортами, посевы последних не должны превышать 9-10 % [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Жемчужина А.И., Коваленко Е.Д., Кряжева Н.Н. Вирулентность популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы в различных регионах Российской Федерации в 2000 г / Материалы первого съезда микологов России - М., 2002, с. 184-185.

2. Коваленко Е.Д., Киселева М.И., Ко-ломиец Т.М., Жемчужина А.И. и др. Им-муногенетические основы отбора исходного материала для селекции сортов пшеницы с длительной устойчивостью к бурой ржавчине / Материалы 6-ой международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений как основа экологического земледелия и фитосанитарной стабилизации агроэко-систем». - Краснодар, 2010, с. 594-596.

3. Смирнова Л.А. Использование эффективных Lr-генов в селекции пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине. Методические рекомендации - М., 1990, 31 с.

4. Johnson R. Durable resistance to yellow (stripe) rust in wheat and its implications in plant breeding. In N.W. Simmonds & S. Rajaram, eds. Breeding strategies for resistance to the rusts of wheat. - Mexico, DF, CIMMYT< 1988, p. 63-75.

5. German S.E. andKolmer J.A. Effect of gene Lr34 in enchancement of resistance to leaf rust of wheat // Theor. Appl. Genet., 1992, v. 84, p. 97-105.

6. Hodson D.P., Cressman K. et al. Global Cereal Rust monitoring System. - Cd.

Obregon, Mexico, Technical Workshop, 2009.

7. Kolmer J.A. Virulence in Puccinia recondite f. sp. tritici isolates from Canada to genes for adult plant resistance to wheat leaf rust. // Plant-dis. [St. Paul, Minn., American Phytopathological Society], 1997, v. 81 (3), p. 267-271.

8. Kovalenko E.D., Kiseleva M.I., SolomatinD.A.,ZhemchuzhinaA.I. et al. The main parameters of durable resistance to leaf rust in wheat. / 11th International Cereal Rust and Powdery Mildews Conference, 2004, 22-27 August, Norwich, UK.

9. Kurkova N., Zhemchuzhina A., Kovalenko E., Gultyaeva E. et al. The structure, virulence and molecular characterization of Puccinia triticina and Puccinia graminis populations in variuos regions of Russia in 2001-2008. / Abstracts of 8th International Wheat Conference (St. Petersburg, Russia), 1-4 June, 2010.

10. Nelson R.R. Genetics of horizontal resistance to plant diseases. // Ann. Rev. Phytopathol., 1978, № 16, p. 359-78.

Аннотация. Представлен анализ литературных данных и результатов собственных многолетних исследований по влиянию разных генов устойчивости на продолжительность защиты пшеницы от бурой и стеблевой ржавчины. В результате изучения структуры популяций бурой ржавчины выявлены эффективные гены устойчивости и показана роль сортов в изменчивости возбудителей. Предложена стратегия использования генов устойчивости в селекции сортов на устойчивость к бурой ржавчине для разных регионов России.

Ключевые слова. Пшеница, ржавчина, гены устойчивости, гены вирулентности, источники устойчивости, стратегия селекции.

Abstract. The review of the literary data and results of own long-term researches on strategy of use of different resistance genes of wheat for durable protection to stem and leaf rusts are presented. As a result of studying structure of leaf rust populations there were revealed effective resistance genes and the domination role of wheat cultivars in variability of populations of rusts is shown. Strategy of use of leaf rust resistance genes for breeding of wheat cultivars in various regions of Russia is developed.

Keywords. Wheat, rust, genes of resistance, genes of virulence, sources of resistance, breeding strategy.

Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии