Пантєлєєв В.К. Імунологічні основи створення стійких до IPuccinia recondita/I Rob. et Desm. If. sp. tritici/I Eriks. сортів пшениці в Україні

Короткий зміст

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

На основі аналізу літературних даних щодо ступеня вивченості вірулентності популяцій P. recondita f. sp. tritici в цілому (Kolmer, 1989, 1990, 1992, 1996; Manninger, 1994; Mahdyan et al., 1997; Gaikwad et al. 1996; Алексеева і ін.., 1990; Михайлова, 1991;) і в Україні зокрема (Лесовой, Суворова, 1981, 1986, 1990; Слюсаренко, Бабаянц, 1985; Слюсаренко, 1994; Бабаянц і ін, 1998), генетики вірулентності патогену (Haggag et al., 1973; Dyck, Samborski, 1974; Samborski, Dyck, 1976), ефективності відомих генів стійкості         (Singh, 1991; Boskovic, 1989; Denissen, Putten, 1991; Тиришкін, 1987; Юсупов, 1987; Лобачев, 1992; Лісовий і ін, 1992), імуно­логічних особливостей вихідного для селекції матеріалу (Борисенко, 1976, 1983; Скуригіна, 1978, 1982, 1984; Лесовой, Лоханская, 1991; Будашкина, Калініна, 1996; ), генетичних основ стійкості пшениці до збудника хвороби (Слюсаренко, 1986, 1994; Мережко, 1989; Bansal, Saini, 1990; Сорокина і ін, 1991, Dyck, 1993; Sawhney et al., 1992, 1994, 1996; Sharma, Nagarajan, 1996) зроблено ряд узагальнень.

1. Незважаючи на досить широку географію досліджень в плані вивчення поліморфізму вірулентності P. recondita f. sp. tritici і тенденцій у її зміні та ефективності і цінності для селекції генетичних систем стійкості (Lr-генів), систематичні дослідження у цих напрямках в цілому в України відсутні, що свідчить про їх актуальність.

2. Відомості щодо генетики патогенності P. recondita f. sp. tritici у вітчизняній літературі відсутні. В зарубіжній літературі вони уривчасті (Haggag et al., 1973; Dyck, Samborski, 1974; Samborski, Dyck, 1976),  стосуються ендемічних рас патогена і тому не дають відповіді на питання щодо потенційних можливостей зміни вірулентності збуд­ника хвороби і виникнення нових високовірулентних і високо­агресивних рас в популяціях патогена, що становили б реальну загрозу для існуючих в Україні і знов створюваних сор­тів пшениці.

3. Незважаючи на чисельність досліджень щодо пошуків джерел та донорів стійкості до P. recondita f. sp. tritici, їх результати неможливо безпо­середньо використати в практичній селекції в конкретному регіоні, бо вони в більшості прово­дились на природному інфекційному фоні, стосуються різних регіонів, між ними існують значні проміжки часу. Аналіз світової літературі за останні 15-20 років свідчить також про відсутність фунда­ментальних розробок і узагальнень, пов’язаних з формуванням банків генів стійкості пшениці до збудника бурої листкової іржі.

4. Інформація щодо генетичних основ стійкості пшениці до хвороби, що є в літературі, не є повною і закінченою, бо дослідження проводились у різних регіонах, дослідники використовували різний вихідний матеріал і різні генотипи патогену. В зв’язку з цим одержані результати мають розрізнений характер, що не дає можливості використовувати їх безпо­середньо в селекційних програмах. Як свідчить аналіз літератури, саме дослідження з генетики імунітету рослин є тим напрямком у вивченні взає­мо­відносин в системі рослина-живитель - патоген, результати якого дають можливість протиставити новим високовірулентним расам патогену висо­коефективні гени стійкості. Такі дослідження повинні проводитись система­тично в кожному регіоні, проте потреба в їх результатах особливо відчу­вається в періоди, коли втрачають ефективність гени, що захищають сорти, які займають великі посівні площі в декількох регіонах.

Матеріали і методика досліджень

Вірулентність популяцій збудника бурої іржі пшениці вивчали впродовж 1988-1998 рр. на 26-ти районованих у різний час в Україні і перспективних сортах озимої пшениці. Виділення моноізолятів збудника хвороби, їх розмноження і інокуляцію сортів-диференціаторів здійснювали в культурі ізольованих листків на бензимідазолі (Михайлова, Квитко, 1970). Для ідентифікації рас використовували міжнародний набір сортів-диференціаторів (Шопина, 1964), а для визначення біотипів раси 77 - додатковий (Лесовой, Шкоденко, 1975).

Ефективність генів стійкості пшениці до бурої іржі (Lr-генів) вивчали в період з 1973-1985 рр. по відношенню до найбільш поширених на території України в популяціях патогену расам і біотипам. В 1973-1975 рр. патоген у наших дослідженнях був представлений расами 52, 149, 61 і 12 і біотипами 9, 20, 21,23, 27, 28, 34 і 37 раси 77, а канадська серія ізогенних ліній - генами Lr1, Lr2, Lr2a, Lr2b, Lr2⁴, Lr3, Lr3a, Lr3b, Lr3x, Lr9, Lr10, Lr12, Lr13, Lr14, Lr14x, Lr16, Lr17, Lr18 i Lr19. В період 1976-1980 рр. найбільш поширеними були раси 149, 12, 6 і біотипи раси 77 - 15, 16, 20, 23, 24, 25, 27, 28 і 37. В дослідження були включені ізогенні лінії з генами Lr1, Lr2, Lr3, Lr4, Lr5, Lr6, Lr7, Lr8,  Lr9, Lr10, Lr12, Lr13, Lr14, Lr15, Lr17, Lr18, Lr19, Lr20, Lr22, Lr23, Lr25, Lr26. У  1981-1986 рр. використовували раси 52, 12, 16,  біотипи  раси 77 15, 16, 20, 21, 23, 27, 34, 36 і ізогенні лінії Lr1, Lr2,  Lr3,  Lr9, Lr10, Lr10a,  Lr12, Lr13, Lr14, Lr14a, Lr19, Lr20, Lr21, Lr22, Lr23, Lr24, Lr25, Lr26, Lr27 i Lr28.

Починаючи з 1987 р. реакції Lr-ліній визначали по відношенню до ізолятів      P. recondita f. sp. tritici, виділених безпосередньо із його популяцій на районованих і перспективних сортах озимої пшениці.

При вивченні мінливості внаслідок статевого процесу в природних умовах виявляли проміжні рослини-живителі - види рутвиці Тh. minus  i Th. flavum, в кінці травня - на початку червня із зрілих ецій на їх листках виділяли по 100 моноізолятів із кожного виду і ідентифікували їх за загальноприйнятою методикою (Шопина, 1964). Паралельно з виділенням і вивченням ізолятів P. recondita f. sp. tritici з природних еціопопуляцій проводили їх виділення і з популяцій, одержаних в результаті штучного зараження рослин рутвиці видів Тh. minus  i Th. flavum.

Одержання теліоспор окремих культур патогену (рас і біотипів), необхідних для інбридингу і гібридизації і припинення періоду їх спокою проводили за розробленими нами спеціальними методиками (Лесовой, Пантелеев, Пархоменко, 1980).

Вивчення генетичних основ вірулентності біотипів 9, 15, 20 і 36 раси 77 прово­дили шляхом аналізу потомства інбридингу в межах кожного із цих біотипів а також аналізу потомств реципрокних схрещувань між ними за схемою: 20 ´ 9  і  9 ´ 20;  15 ´ 9  і  9 ´ 15;  36 ´ 9  і  9 ´ 36. В межах кожної інбредної і гібридної комбінації виділяли по 40-50 еціоізолятів. Їх вірулент­ність вивчали на додатковому наборі сортів-диференціаторів, ізогенних лініях з високо­ефективними генами Lr9, Lr19 i Lr23, а також сорті Дариця. Статистичну обробку результатів аналізу розщеплень гібридів за вірулентністю проводи­ли методом “хі-квад­рат” (Рокицкий, 1964).

Матеріалом для пошуків джерел стійкості відносно збудників бурої іржі на різних етапах органогенезу рослин - проростків в теплиці і дорослих рослин у полі на штучних інфекційних фонах, борошнистої роси і частково септоріозу в полі на природному інфекційному фоні були 637 сортозразків озимої і 266 сортозразків ярої пшениці різного еколого-географічного походження. Визначення типів імунності до збудника бурої іржі як в теплиці, так і у полі проводили за шкалою Мейнса і Джексона (Шопина, 1967), ступінь  ураження рослин бурою іржею - Т.Д.Страхова (1951), ураженість бо­рош­нистою росою - Е.Е.Гешелє (1978), а в окремі роки і септоріозом - за шкалою В.Ф.Пересипкіна, С.М.Коваленка (1981). При вивченні імуноло­гічних властивостей останньої серії сортозразків (1996-1998 рр.) для уніфіка­ції оцінки результати переводили в бали у відповід­ністю з “Міжна­родним класифікатором РЕВ” (1984). Кластерний аналіз іму­но­логічних властиво­стей сортозразків озимої пшениці проводили на ПЕОМ за допомогою пакета стандартних прикладних програм         “Statistica - 5,0”.

Для вивчення генетичних основ стійкості перспективних джерел і доно­рів,  методом інцухту­вання і жорсткого імунологічного контролю (Лесовой, Пантелеев, 1986, 2000) створювали імуно­логічно однорідні ліній донорів і реціпієнта, вдосконаленим нами методом гібриди­зації (Лесовой, Пантелеев, 1988) одержували реципрокні гібриди і проводили гібридологічний аналіз. Ступінь відпо­відності фактично одержаних при розщепленні даних теоретично очікува­ним визначали за допомогою критерію  “хі-квадрат” (Рокицкий, 1964).

Ідентифікацію генів стійкості та встановлення їх тотожності з відомими         Lr-генами проводили шляхом схрещу­вання донорів стійкості з ізогенними лініями з генами Lr9, Lr19, Lr23 і Lr24 з наступним гібридологічним аналізом.

Для ізоляції генів стійкості користувались модифікованим нами  методом бек­ро­сів (Лесовой, Пантелеев, 1986, 2000) на генетичному фоні сор­ту Миронівська 808 з добором на штучному інфекційному фоні гетерози­готних за стійкістю рослин F₁ попе­реднього бекросу  для кожного наступ­ного бекросу у сполученні із добором за фенотипом рекурентного батька у кожному поколінні.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

ДВА ТИПИ СТІЙКОСТІ РОСЛИН ДО ХВОРОБ І МОЖЛИВОСТІ

ВИКОРИСТАННЯ ЇХ В СЕЛЕКЦІЇ

Проведений аналіз  теорії Ван дер Планка вертикальної та горизонтальної стійкості рослин до хвороб. Грунтуючись на аналітичному  та експериментальному матеріалі зроблено висновок, що  горизонтальної стійкості пшениці до збудника бурої іржі в межах активного фізіологічного імунітету у тій інтерпретації, яку вона одержала в роботах Ван дер Планка, не існує. Автор цієї теорії, спираючись на складну ланку гіпотетичних припущень як на об’єктивну реальність, розділив активний фізіологічний імунітет на вертикальну та горизонтальну стійкість. З точки зору теорії таке ділення є сумнівним і вносить багато плутанини у терміни і явища, що за ними стоять: 1) в теорії дуже багато протиріч, які визнаються самим автором; 2) до цього часу відсутні експериментальні підтвердження щодо принципових відмінностей у фізіолого-біохімічних і генетичних механізмах, що обумовлюють обидва типи стійкості, а навпаки – відомі послідовності більше чим у 20 R-генів, що визначають стійкість рослин до різних типів патогенів (грибів, вірусів, бактерій) і шкідників доведена їх схожість, що вказує на однакову їх природу (Озерецковская, Ильинская, Васюкова, 1994; Пороховинова, Лутова,  2000; Тарчевский, Чернов, 2000 і ін.);   3) поняття “горизонтальна стійкість” із часом перетворилось у зібрання не вивчених на даний час а підчас і зрозумілих  фактів, бо все, що не вкладається в поняття “вертикальна стійкість”, відносять до горизонтальної; 4) тривалість і стабільність горизонтальної стійкості слід розглядати не як труднощі подолання патогеном дії її складного полігенного механізму, спрямованого одночасно проти багатьох рас, а типом добору в популяції патогену на сортах з різними рівнями стійкості. З точки зору практичної селекції на імунітет таке ділення недоцільне і навіть шкідливе, бо однобоке використання генів так званої вертикальної стійкості призвело до масового вилучення із селекційного процесу генів довготривалої стійкості з невисоким рівнем фенотипового проявлення (у т.ч. і сумарного ефекту подоланих генів) і не сприяло розробці методів їх ефективного контролю в гібридних поколіннях, починаючи із ранніх етапів селекції.                                                                                                                           

Зміна вірулентності P. recondita f. sp. tritici, як і інших збудників хвороб, яка відбувається при використанні генів вертикальної стійкості, проблема довічна. І проблема скоріше не у зміні вірулентності, а в можливостях оперативного реагування на неї, що залежить від ряду чинників: наявності банків генів стійкості, відповідних програм по їх використанню і не в останню чергу - відповідного законодавства. Гени так званої вертикальної стійкості Lr9, Lr19, Lr23 і інші подібні їм за фенотиповим проявленням гени широко використовуються в селекційних програмах багатьох країн. На використанні генів вертикальної стійкості грунтуються програми створення  мультилінійних сортів, які за своєю структурою зручні для оперативного реагування на втрату ефективності окремими генами. Такі гени можна було б з успіхом використовувати в мультилінійних сортах і в Україні, але цьому протирічать вимоги Державної комісії по випробуванню сортів с.-г. культур. Такі сорти, створені на основі високопродуктивних районованих сортів методом бекросів, навіть теоретично не можуть перевищувати врожайність стандарту, що виключає їх районування. Вирішення цієї проблеми, на що ми неодноразово наголошували (Лісовий, Пантєлєєв, 1986, 1987) дало б можливість створити стійкі до головніших хвороб аналоги районованих сортів, у т.ч. і мультилінійних.

Активний імунітет рослин, інтерпретований Ван дер Планком як горизонтальна стійкість, потребує глибоких генетичних і фізіолого-біохімічних досліджень, розробки методів  виявлення та ефективного використання його  в селекційному процесі, починаючи з ранніх етапів, як це досить вдало започатковано Л.Т.Бабаянцем, О.М.Слюсаренком (1983, 1984), О.М.Слюсаренком (1985, 1986, 1994) які вивчали саме ці аспекти неспецифічної стійкості пшениці до збудника бурої іржі пшениці. Вважаємо за доцільне збереження терміна “горизонтальна стійкість” відносно категорії пасивного імунітету, природа якого досить добре вивчена, розроблені достовірні методи його виявлення і контролю в селекційному процесі.

ПОЛІМОРФІЗМ ВІРУЛЕНТНОСТІ  ПОПУЛЯЦІЙ P. RECONDITA F. SP. TRTICI  

НА РАЙОНОВНИХ І ПЕРСПЕКТИВНИХ В УКРАЇНІ СОРТАХ ПШЕНИЦІ

Фізіологічна спеціалізація фітопатогенних організмів на рівні раса-сорт є наріжним каменем  фітоімунології, бо її характер обумовлює як успіхи, так і проблеми селекції на імунітет.

 За 9 років  досліджень з популяцій на 26 сортах озимої пшениці, районованих і перспективних в Україні виділено 22 стандартні раси P. recondita  f. sp. tritici і 8  х-рас. До 1996 р. домінуючою була раса 77. Починаючи з 1994 року в популяції  P. recondita f. sp. tritici відбулись суттєві зміни. Головна з них - різке зменшення частоти визначення раси 77. У 1994 р. середня кількість її ізолятів в популяціях патогенів на всіх сортах становила 44,1%, що на 1/3 менше, ніж у 1990 р. У подальшому рівень частоти її знижувався. Зокрема, представленість цієї раси у 1994 р. складала 44,1%, у 1995 р. - 27,2%, а в період 1996-1999 рр. - в межах 15,9-19,2% (табл. 1, рис. 1).

Спостерігається наростання в популяції рас 1, 6, 162, 179, 149, 192, 61, 144. Характерним для цього періоду є зростання частоти визначення слабовірулентних рас 1 і 179. Раса 1 до 1991 р. не була виявлена в популяціях патогену в Україні. Раса 179 до 1996 рр. не була виявлена в популяціях патогену на будь-якому сорті.

Серед нових рас, виявлених в період 1996-1999 рр., була високовірулентна раса 162. Частота її визначення становила 0,1-6,7%. З 1995 р. в популяції                      P. recondita f. sp. tritici постійно виділялись ізоляти раси 141 з частотою 1,2-3,7%., які до цього були відсутні.

Поступово збільшується присутність в популяціях патогену раси 6, Вперше вона була виявлена у 1994 р. з частотою 1,2% , а у 1999 р. частота її зросла до 8,3%. Раси 53, 57, 117, 124, 144 в період 1994-1999 рр. виділяли не кожного року з низькою частотою. Расу 122 також не виділяли, починаючи з 1996 р. Раса 61, навпаки, стабільно виділялась впродовж всього періоду досліджень, за виключенням 1995 р. Постійно присутніми були раси 21 і 52.

В період з 1994-1999 рр. не було виявлено рас 92 і 184, які у 1989-1990 рр. зустрічались з невисокою частотою (0,2-1,2%). Певне, це так звані “раси-одноденки”, які несподівано з’являються в популяціях патогену і незабаром зникають. Раса 147 була виявлена тільки у 1995-1996 рр. з частотою 3,2-4,1%. Починаючи з 1994 р. постійно виділялись х-раси з частотою 5,2-10,0%.