Диагностика устойчивости сортов яровой пшеницы и ячменя к обыкновенной корневой гнили кондуктометрическим методом

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, № 5

УДК 633.1:632.4:631.524.86:57.087

ДИАГНОСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ СОРТОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ К ОБЫКНОВЕННОЙ КОРНЕВОЙ ГНИЛИ КОНДУКГОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Л.Н. КОРОБОВА1, 2, Т.А. ГУРОВА1, О.С. ЛУГОВСКАЯ1

Известно, что стрессоустойчивость растений — генетически закрепленный признак. У сортов яровых зерновых культур, чувствительных к возбудителю обыкновенной гнили Bipolaris sorokiniana Schoem., модифицируются процессы запасания энергии, интенсивность дыхания, активность ферментов, синтез сахаров и аминокислот, поглощение калия у растений, нарушается целостность мембран, что приводит к частичной потере электролитов из клеток. Степень устойчивости (толерантности) сорта к инфицированию выявляют по потере урожайности (агрономическая устойчивость к болезни) и по изменению физиологических, биохимических и биофизических процессов в ранние фазы вегетации (биологическая устойчивость). Мы апробировали кондукто-метрический метод оценки устойчивости растений в лабораторных (искусственное инфицирование в установке искусственного климата; 15 сортов яровой пшеницы и ячменя) и вегетационнополевых (сосуды без дна; 4 сорта яровой пшеницы, показавших в лабораторных условиях контрастные результаты) экспериментах. Корреляционные связи между разными индикаторами ранней реакции яровой пшеницы и ячменя на биотический стресс оказались достаточно тесными и статистически доказываемыми. Обнаружено, что электрофизические показатели клеточных мембран листовой ткани проростков изменялись пропорционально длине корней и ростков 14-суточных растений, а также интегральному показателю их роста и развития — биомассе, отражая состояние заболевших растений адекватно биометрическим, фитопатологическим и физиологическим показателям, а также потерям урожайности у сорта.

Ключевые слова: стрессоустойчивость, обыкновенная корневая гниль, ростовые реакции, проницаемость клеточных мембран, кондуктометрический метод, сорта яровой пшеницы и ярового ячменя.

Keywords: stress resistance, common root rot, growth responses, cell membrane permeability, conductance-measuring method, spring wheat and barley varieties.

Стрессоустойчивость растений — генетически закрепленный признак. У яровых зерновыж культур устойчивость к корневой гнили контролируется полигенами (малыми генами), которые не обеспечивают полной защиты сорта, но снижают скорость распространения инфекции (1, 2). Степень устойчивости сорта к возбудителю обыкновенной гнили Bipolaris sorokiniana Schoem. проявляется в виде реакции растений на патологический процесс и токсины возбудителя (гельминтоспорал, прегельминтоспо-рол, виктоксинин и др.) (3-5). У чувствительных сортов при этом меняются процессы запасания энергии, интенсивность дыхания, активность ферментов, синтез сахаров и аминокислот, поглощение калия (6-8), нарушается целостность мембран, что приводит к частичной потере электролитов из клеток. Позже отмеченные изменения выражаются снижением продуктивности. У растений устойчивых сортов в ответ на инфицирование B. sorokiniana начинают формироваться приспособительные реакции: повышается суммарное содержание макро- и микроэлементов в клетках, токсины возбудителя инактивируются ферментами и связываются в комплексных соединениях (9-10).

Степень устойчивости (толерантности) сорта к инфицированию выявляют по потере урожайности (агрономическая устойчивость к болезни) и по изменению физиологических, биохимических и биофизических процессов в ранние фазы вегетации растений (биологическая устойчивость). Биологическую устойчивость сорта к инфицированию можно определить инструментальными методами. Они должны быть экспрессными,

особенно при постановке экспериментов в камерах искусственного климата, и иметь высокую производительность, что важно на ранних этапах селекции. Перечисленными достоинствами инструментальных методов обладает кондуктометрия. Регистрируемые кондуктометром биофизические характеристики четко проявляются с началом защитно-приспособительных реакций растения к стрессовому воздействию патогена, что позволяет выявить специфику ответа сорта на заражение до появления видимых повреждений корней.

Цель предпринятых исследований — показать, что кондуктометри-ческий метод определяет биологическую устойчивость сортов яровой пшеницы и ячменя к обыкновенной гнили адекватно общепринятым агрономическим, физиологическим и позволяет ранжировать сорта по степени устойчивости к болезни.

Методика. Лабораторные и вегетационно-полевые опыты выполняли в пос. Краснообск Новосибирской области. Объекты исследования в лабораторных опытах — 12 сортов Triticum aestivum L. и три сорта Hordeum vulgare L. Использовали сорта мягкой яровой пшеницы селекции Сибирского НИИ растениеводства (Новосибирская обл., пос. Краснообск) и Сибирского НИИ сельского хозяйства (г. Омск). В первом случае это были ранние сорта Новосибирская 15, Полюшко, среднеранние Обская 14, Новосибирская 29 и среднеспелые — Новосибирская 89, Удача, Александрина, Легенда, Новосибирская 31, во втором — среднеспелый сорт Светланка, среднепоздние Омская 35 и Омская 18. У ярового ячменя изучали среднеспелые сорта Новосибирский 80 и Биом селекции Сибирского НИИ растениеводства и среднеранний сорт Арна селекции Казахского НИИ земледелия (Алматинская обл., пос. Алмалыбак). В вегетационно-полевых экспериментах использовали четыре сорта Triticum aestivum L.: Полюшко, Обская 14, Новосибирская 29, Новосибирская 31.

Лабораторные опыты проводили в 2005-2010 годах по схеме: контроль (семена без инфекции), опыт (семена, искусственно инфицированы B. sorokiniana). Заражали наклюнувшиеся семена споровой суспензией трех среднепатогенных изолятов с инфекционной нагрузкой 5000 конидий в капле суспензии возбудителя на одно зерно (предварительно споры подсчитывали в камере Тома-Горяева). Использованные изоляты B. sorokiniana выделяли из корней яровой пшеницы (11), их патогенность установили по методике Лачицовой-Лангольф (12). Далее растения выращивали (до учетов) в рулонах в водной культуре (7) в течение 2 нед в установке искусственного климата при температуре 22 °С, освещенности 5000 лк и влажности 60 %. Повторность экспериментов 6-кратная.

Вегетационно-полевые опыты выполняли в 2007-2009 годах. Использовали инфицированные B. sorokiniana семена и почву (в соответствии с двумя существующими в природе способами передачи инфекции). Схема опытов: контроль — семена без инфекции, почва заражена возбудителем ниже порога вредоносности (< 20 спор/г почвы); опыт — семена инфицированы, почва с высокой инфекционной нагрузкой (> 100 спор/г). Как в лабораторных, так и в вегетационно-полевых экспериментах семена предварительно обеззараживали, используя химический протравитель Raxil Ultra («Bayer CropScience AG», Германия) в дозе 0,25 л/т (контроль осуществлялся методом микоанализа). После этого в опытных вариантах в почву вносили выращенный на кукурузной муке с песком инокулюм возбудителя. Его количество рассчитывали так, чтобы на одну зерновку приходилось 5000 конидий (или более 100 спор/г почвы). Объем нагрузки контро-

лировали методом флотации (13). Почвой (чернозем выщелоченный сред-негумусный) набивали сосуды без дна объемом 8 кг, которые закапывали на фитоучастке биополигона, размещая рендомизированно (14) с пространственной изоляцией контроля и опыта. Повторность опыта 6-кратная. В каждый сосуд высевали по 20 зерен пшеницы. Опыт продолжался до учета зерновой продуктивности растений.

В лабораторных экспериментах определяли следующие показатели: биофизические (кондуктометрическая оценка) — удельную электропроводность (УЭП) и электрическую емкость водных вытяжек листьев (15), физиологические — биомассу ростков и корней (16), морфометрические — длину ростков и корней (16), а также всхожесть и индекс развития болезни (17). В вегетационно-полевых опытах устанавливали электропроводность и электрическую емкость водных вытяжек листьев, фотосинтетический потенциал (18), индекс развития болезни и урожайность. Показатели регистрировали в течение всей вегетации.

Кондуктометрические характеристики учитывали с помощью лабораторного кондуктометра КЛ-С-1 (ООО «Сибпромприбор», г. Барнаул, Россия) и цифровых измерителей Ь, С, Я, Е 7-8 и Е 7-12.

Статистическую обработку данных выполняли в программах БМЕ-БЕСОЯ (19) и МВДГГАВ.

Результаты. Кондуктометрический метод достаточно чувствительно определял различия в толерантности сортов яровой пшеницы и ячменя к обыкновенной гнили. Используемые нами биофизические диагностические показатели состояния инфицированных растений, а также длина корней и ростков 14-суточных растений, их биомасса (как интегральный показатель роста и развития) изменялись сходным образом (рис. 1, табл.).

100

80

60

40

20

і . :і _

и оЛ \\1ма1г

Омская 35 Омская 18 Светланка

Сорт

Омская 35 Омская 18 Светланка

Рис. 1. Удельная электропроводность водных вытяжек листьев (А) и биомасса проростков (Б) при инфицировании ЫроЬипъ ъогокХтипа 8сИоеш. у яровой пшеницы (сорта селекции Сибирского НИИ сельского хозяйства, г. Омск; камера искусственного климата).

Характеристика реакции на инфицирование возбудителем корневой гнили Віроїат $огокіпїапа 8сИоеш. у сортов ярового ячменя

Сорт Вариант УЭПХ10-3, См/м Длина проростков, см Сухая биомасса 10 проростков, г

Новосибирский 80 Контроль 3,4 16,2 3,3

Инфицирование 4,6 12,0 1,1

Биом Контроль 4,9 22,4 1,2

Инфицирование 5,0 21,3 1,1

Арна Контроль 4,8 17,3 6,0

Инфицирование 7,4 9,4 2,8

НСРо5 по фактору А (сорт) 0,5 3,8 1,8

НСРо5 по фактору В (инфицирование) 0,4 3,2 1,6

НСРо5 по взаимодействию АВ 0,7 5,5 2,1

Примечание. УЭП — удельная электропроводность. Сорта ячменя Новосибирский 80 и Биом — се-

лекции Сибирского НИИ растениеводства (Новосибирская обл. пос. Краснообск); сорт Арна — селекции

Казахского НИИ земледелия (Алматинская обл., пос. Алмалыбак).

Корреляционные связи между разными индикаторами ранней ре-

акции яровой пшеницы и ячменя на биотический стресс были достаточно тесными и статистически доказываемыми. Так, для 15 изученных в лабораторных опытах сортов пшеницы и ячменя сила попарной связи между всхожестью, длиной, биомассой, степенью пораженности корневой системы (индекс развития болезни) проростков и УЭП вытяжек листьев составила соответственно -0,68 (10 % уровень достоверности)-----0,91 (5 % уро-

вень достоверности), -0,66 (10 % уровень достоверности) — -0,87 (5 %

уровень достоверности), -0,66 (10 % уровень достоверности)-----0,88 (5 %

уровень достоверности) и 0,60 (10 % уровень достоверности) — 0,86 (5 % уровень достоверности).

Тесной оказалась также зависимость между заболеваемостью растений и электрической емкостью вытяжек листьев при поражении обыкновенной гнилью у ряда сортов яровой пшеницы (г = 0,88+0,12), что впоследствии нашло отражение при построении дендрограммы.

Если сравнить устойчивые к обыкновенной корневой гнили и поражаемые сорта по диапазону отклонений приведенных параметров, то у яровой пшеницы определяемые кондуктомет-рическим методом результирующие различия были больше, чем разница в морфометрических характеристиках растений. Так, у чувствительных к внедрению вирулентных штаммов патогена сортов пшеницы электрофизические показатели отличались от аналогичных у устойчивых на 30-57 %, а стандартно учитываемые биометрические показатели — не более чем на 20 %. У ячменя морфометрические и электрофизические отклонения у неодинаковых по устойчивости к патогену сортов были сопоставимыми.

В полевых условиях биофизические характеристики клеток заболевших растений яровой пшеницы также изменялись синхронно с физиологическим и фитопатологическим состоянием сортов. У сортов в условиях 2008 года электрофизические процессы в листьях инфицированных растений относительно контроля усилились в ряду: Обская 14 ^ Полюшко ^ Новосибирская 31 ^ Новосибирская 29 (соответственно на 11,1; 17,3; 33,0 и 41,2 %). Аналогичным образом при инфицировании повышалась пораженность корневой системы и уменьшалась площадь листовой поверхности (рис. 2). Расчеты показали, что в паре УЭП—индекс развития болезни (ИРБ) г = 0,85+0,007 и й = 0,72 (й — коэффициент детерминации), в паре УЭП—изменение фотосинтетического потенциала (ФП) г = 0,63+0,060.

Поскольку УЭП как биофизический показатель целостности для клеточных мембран листьев четко отразил реакцию на болезнь у сортов яровой пшеницы, кондуктометрическая оценка их устойчивости к обыкновенной гнили соответствовала потерям урожая зерна. В частности, на силь-

Е*.

я"

о и

I I § 8

54,7

48,0 44,2

35.0

1 1 1

г5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

Сорт

Рис. 2. Характеристка фитопатологического (индекс развития болезни — ИРБ, диаграмма) и физиологического (фотосин-тетический потенциал за период всходы—рост стебля — ФП, график) состояния у сортов яровой пшеницы на инфекционном фоне: 1-4 — сорта Новосибирская 29, Новосибирская 31, Обская 14, Полюшко (селекция Сибирского НИИ растениеводства, Новосибирская обл., пос. Краснообск). Возбудитель корневой гнили ВхроЫпз зогоктгапа БсЬоеш. (вегетационно-полевой опыт, Новосибирская обл., 20082009 годы).

ном инфекционном фоне сорт Обская 14 снизил урожайность на 30,5 %, остальные изученные сорта — на 40,8-41,5 %.

У сортов яровой пшеницы обнаруженная агрономическая устойчивость к обыкновенной гнили оказалась полностью адекватна полученной при лабораторной кон-дуктометрической оценке биологической устойчивости, поскольку при тестировании в камере искусственного климата сорта Новосибирская 29, Полюшко и Новосибирская 31 тоже были включены в кластер слаботолерантных (малоустойчивых) к болезни (рис. 3). У других сортов селекции Сибирского НИИ растениеводст-

Рис. 3. Кластеризация сортов яровой пшеницы по признаку устойчивости к возбудителю корневой гнили ЫроЬапъ ъогоЫтипа 8сИоеш.: 1 — Полюшко; 2 — Удача; 3 — Новосибирская 29; 4 — Новосибирская 31; 5 — Новосибирская 89; 6 — Новосибирская 15; 7 — Обская 14; 8 — Александрина (по данным кондуктометрических исследований в условиях камеры искусственного климата).

ва биофизическая реакция на заболевание существенно отличалась от характерной для указанного кластера, особенно у сорта Обская 14. Следовательно, кондуктометрический метод показал себя вполне пригодным для ранней диагностики относительной устойчивости к обыкновенной корневой гнили у сортов яровой пшеницы и ячменя и использованию в агрономической и селекционной практике.

Таким образом, установлено, что оценка стрессоустойчивости сортов зерновых культур к обыкновенной гнили, проводимая на стадии проростков по биофизическим показателям состояния клеточных мембран, соответствует снижению биометрических показателей, всхожести и биомассы у испытывающих стресс растений. Кондуктометрический метод более чувствительно отражает реакцию сортов яровой пшеницы на стресс, чем биометрические параметры: разница в электрофизических показателях между чувствительными к внедрению возбудителя обыкновенной гнили сортами пшеницы и устойчивыми сортами составляет 30-57 %, в то время как в изменении биометрических параметров — не более 20 %. Следовательно, кондуктометрический метод ранней диагностики стрессоустойчивости сортов может быть рекомендован для экспресс-отбора перспективного селекционного материала у зерновых культур.

ЛИТЕРАТУРА

2.

4.

6.

Одинцова И.Г. Генетика устойчивости к фитопатогенам. Успехи современной генетики, 1994, 19: 119-132.

Тырышкин Л.Г. Генетическое разнообразие пшеницы и ячменя по эффективной устойчивости к болезням и возможности его расширения. Автореф. докт. дис. СПб, 2011. Акулов А.Ю. Биологические особенности Bipolaris sorokiniana (Sacc. in Sorokin) Shoemaker и диагностика возбудителей корневой гнили и черного зародыша ярового ячменя. Канд. дис. Харьков, 2006.

Берестецкий А.О. Фитотоксины грибов: от фундаментальных исследований — к практическому использованию (обзор). Прикладная биохимия и микробиология, 2008, 44(5): 501-514.

Kumar J., Huckelhoven R., Beckhove U., Nag a raj an S., Kogel K.H. A compromised Mlo pathway affects the response of barley to the necrotrophic fUngus Bipolaris sorokiniana (teleomorph: Cochliobolus sativus). Phytopathology, 2001, 91: 127-133.

Фадеев Ю.Н. Влияние токсинов возбудителя гельминтоспориозной корневой гнили

на фотовосстановление НАЦФ хлоропластами яровой пшеницы. Сельскохозяйственная биология, 1987, 12: 29-34.

7. П олонский B^., Сурин Н.А. Оценка зерновых злаков на устойчивость к неблагоприятным экологическим факторам. Новосибирск, 2003.

8. Хапилина О.Н. Использование токсичных метаболитов Bipolaris sorokiniana (Sacc.: Sorok.) Shoem. в клеточной селекции яровой мягкой пшеницы на устойчивость к гель-минтоспориозной корневой гнили. Автореф. канд. дис. Астана, 2005.

9. Цурынина Е.П. Роль макро- и микроэлементов в хемоиммунитете растений на примере устойчивости ячменя к обыкновенной корневой гнили (возбудитель Helmintho-sporium sativum). Тез. докл. 11 Bсес. конф. «Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине». Самарканд, 1990: 283-284.

10. Рогинский B.3. Сортовая специфика устойчивости яровой пшеницы к корневой гнили в условиях действия стрессовых факторов. Bестник сельскохозяйственной науки, 1992, 1: 131-138.

11. Методы экспериментальной микологии /Под ред. B^. Билай. ^ев, 1982.

12. Лангольф Э.И. Методика определения патогенности штаммов гриба Bipolaris sorokiniana (возбудителя обыкновенной корневой гнили яровой пшеницы). Науч.-тех. бюл. BАСXHИЛ (Новосибирск), 1981: 24-2б.

13. Ledingham R.J., Chinn S.H.F. A flotation method for obtaining spores of Helminthospo-rium sativum from soil. Canad. J. Bot., 1955, 33(4): 298-303.

14. Цоспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М., I985.

15. Kоробова Л.Н., Гурова Т.А., Голощапова Е.А., Kyцерyбова Н.С., Лугов-ская О.С., Мине ев B.B. Оценка стрессоустойчивости сортов зерновых культур кон-дуктометрическим методом. Новосибирск, 2010.

16. Циагностика растений к стрессовым воздействиям: Метод. реком. /Под ред. T.B. Удовенко. СПб, 1988.

17. Экологический мониторинг и методы совершенствования защиты зерновых культур от вредителей, болезней и сорняков: Метод. реком. СПб, 2002.

18. Bасильчyк Н.С., Евдокимова О.А., Захарченко Н.А., Kyмаков BA., Поздеев А.И., Чернов B.K., Шер K.H. Некоторые приемы и методы физиологического изучения сортов зерновых культур в полевых условиях /Под ред. BA. Kyмакова. Саратов, 2000.

19. Сорокин О.Ц. Прикладная статистика на компьютере. ^аснообск, 2004.

1ГНУ Сибирский физико-технический институт Поступила в редакцию

аграрных проблем Россельхозакадемии, 7 марта 2012 года

б30501 Новосибирская обл., пос. ^ас^обс^ e-mail: lnkorobova@mail.ru, guro-tamara@jandex.ru;

2ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный

аграрный университет,

б30039 г. Новосибирск, ул. Цобролюбова, 1б0

RESISTANCE TO Bipolaris sorokiniana Schoem. IN WINTER WHEAT INDICATED BY CONDUCTOMETRIC METHOD

L.N. Korobova1, 2, T.A. Gurova1, O.S. Lugovskaya1 Summary

Resistance to stresses is known to be under the plant genes control. In winter cereals which are sensitive to a rot pathogen Bipolaris sorokiniana Schoem., the metabolic processes, i.e. the energy accumulation, respiration intensity, enzymatic activity, polysaccharide and amino acids synthesis, K input, cell membrane intactness, change significantly. As a result, a part of intracellular electrolytes are lost. A variety resistance (tolerance) is usually evaluated as the yield loss which indicates an agronomic resistance to disease, and by estimating the physiological, biochemical and biophysical parameters during early vegetation which reflect a biological resistance. We used a conductometric method to estimate the resistance of 15 winter wheat and winter rye varieties under plant inoculation with B. sorokiniana Schoem. in a climatic chamber, and then the 4 winter wheat varieties with contrast characteristics in that test were examined in pot trials. The correlations between different indexes of early plant reaction to biotic stress were shown to be really tight and reliable. It was revealed that the electrophysical parameters of leaf cell membranes changed equal to root and sprouts length in 14-day seedlings, and to their biomass as an integral growth index. Thus, the electrophisical parameters are adequate to biometric, psychopathological, physiological parameters and yield losses, and can be used as the indicators for plant resistance to stress caused by B. so-rokiniana Schoem. infection.