Курчакова Л.Н., д.с.-х.н.

ГНУ ВНИИЛ Россельхозакадемии

Особенности генетического контроля

устойчивости пшеницы к септориозу

Особенности генетического контроля устойчивости растений к септориозам очень сложны и слабо изучены. Характер наследования устойчивости к септориозам совершенно отличается от наследования устойчивости к ржавчинным болезням. На это указывал еще в 1968 году профессор У.К. Легеринг из США на международной конференции по ржавчинным болезням во время дискуссии по септориозу. Он сказал, что если вы работаете в области септориоза, забудьте все, что вы знаете про ржавчину (Bronnimann, Fossati, 1974).

Не смотря на слабую изученность этого вопроса проведенный нами анализ научной литературы позволил приоткрыть завесу на особенности генетических закономерностей устойчивости пшеницы к септориозам. Так, в 1987 году А.И. Моргунов сообщал о том, что устойчивость к септориозу пшеницы носит количественный характер. Исследования, проведенные F.X. Laubscher (1966), W.A.Shipton (1971), J. Frecha (1973) позволили сделать вывод о моногенном, доминантном типе наследования устойчивости к этому заболеванию. Исследованиями A. Bronnimann (1974) был выявлен, а позднее подтвержден F.X. Kleijer (1980), M.A Camacho-Casas (1989), R. Ecker с коллегами (1989) и X. Zhang с коллегами (2001), преимущественно аддитивный, полигенно обусловленный тип устойчивости к септориозу. Исследованиями L.R. Nelson, G.E. Gates (1982) при оценке гибридов от скрещиваний пяти сортов пшеницы на заражение Leptosphaeria nodorum Muller [неполная стадия - Septoria nodorum (Berk.)] установлено преобладание аддитивного действия генов устойчивости, доминирование и гетерозис. Аддитивным действием генов устойчивости характеризовались сорта Oasis и Blueboy II. У гибридов от скрещивания с восприимчивым сортом Mc Nair 1813 наблюдался гетерозис по устойчивости. Сорта Oasis и Blueboy II, по их мнению, могут быть использованы в селекционных программах для быстрого увеличения устойчивости к Septoria nodorum.

По сообщению G.A. Kleijer, A. Bronnimann и A. Fossati (1977), устойчивость сорта Oasis определяется тем же геном, что и сорта Adas 66, который имеет доминантный ген устойчивости к S. nodorum, по крайней мере в фазу «всходы». Значительное влияние доминантных генов на устойчивость к септориозу установлено и у Бразильского сорта пшеницы Cotipora. К тому же этот сорт может быть использован в селекции как потенциальный источник устойчивости пшеницы к S.nodorum в фазу флагового листа и период колошения. Так, скрещивая этот сорт с американским сортом Coker 84-27, характеризующимся устойчивостью в фазе флагового листа, может быть получено потомство, высокоустойчивое к заражению септориозом в разные фазы развития пшеницы (Bostwick, Ohm, Shaner, 1993).

По сообщению Л.Г. Тырышкина и М.А. Ершовой (2004) с помощью гибридологического анализа устойчивости к септориозу колоса (S.nodorum) установлено, что устойчивость по типу более длительного латентного периода болезни на образце MN81330 контролируется двумя доминантными комплементарными генами, не сцепленными с геном устойчивости к бурой ржавчине Lr24, генами, детерминирующими окраску колеоптиля, и малыми генами, повышающими экспрессию главных генов. Устойчивость к изоляту JS389 сорта Безостая 1 могла быть обусловлена доминантным геном. Влияние генов модификаторов выражалось у этого сорта также в проявлении устойчивости к септориозу (Eyal et. al., 1982). О большом влиянии на устойчивость к S.nodorum генов модификаторов, локализованных в хромосомах 1A, 6A, 3D, 5D и 6D, указывали H. Walag и A. Dzieglo (1986).

В реферате к программе Wheat CAP “Disease resistance. Septoria Tritici Blotch Resistance” указывается на то, что у пшеницы идентифицировано 8 основных генов устойчивости к Septoria Tritici Blotch (STB). Гены Stb1, Stb2 и Stb3 обнаружены у образцов Болгария 88, Veranopolis и Israel 493 соответственно. Другие гены устойчивости Stb4 - Stb8 были найдены соответственно у образцов Tadinia, Synthetic 6x, Flame, Estanzuela Federal и синтетической пшенице W7984. Устойчивость, которую контролировал ген Stb4 в Калифорнии с 1975 года, начала снижаться, но даже в таком случае он может быть эффективен в других регионах.

Единичные доминантные гены устойчивости к S.tritici присутствуют у сортов Bulgaria 88 (Rillo, Caldwell. 1966), Veranopolis (Wilson, 1979), Vilmorin (Gough, Smith, 1985). R.E. Wilson (1985) обозначил различные гены устойчивости к S.tritici у сортов Bulgaria 88, Veranopolis, Israel 493 соответственно Stb 1, Stb 2 и Stb3.

Было установлено, что гены устойчивости к септориозу пшеницы S.tritici у сортов Flame и Hereward являются аллельными. С помощью микросателитных маркеров определено, что ген устойчивости у сорта Flame располагается на коротком плече хромосомы 3А, и он был обозначен Stb6. Кроме того, было сделано предположение, что у сортов Flame, Hereward, Shafir, Безостая 1, Vivant и селекционной линии NSL92-5719 имеется один и тот же ген, Stb6, который соответствует авирулентному гену изолята IPO323. Впервые было продемонстрировано взаимодействие ген на ген у пшеницы для S.tritici (Brading, et al., 2002).

Исследования, проведенные с участием линии пшеницы Transec, позволили сделать заключение о том, что высокий уровень устойчивости у нее связан с наличием частично рецессивного гена, локализованного на пшенично-ржаной транслокации T4BC44BL-2RL или близко связанного с ними (Lupey, et. al., 2000). О наличии двух рецессивных генов устойчивости у сорта Seabreezeze сообщает в 1985 году R.E. Wilson.

Camacho-Casas M.A., Kronstad W.E., Scharen A.L. в 1995 году указывают как на аддитивное, так и неаддитивное действие генов, обуславливающих проявление устойчивости к S. tritici с эффектом доминирования и эпистаза. Исследованиями X. Zhang, S.D. Haley, Y. Jin (2001) также было обнаружено как аддитивное, так и неаддитивное действие генов устойчивости к S. tritici (STB). Образец KS94U338, используемый как устойчивый, характеризовался самой высокой общей комбинационной способностью к STB. Хорошими источниками устойчивости к STB могут являться и Jagger, KS91W005-1-4, характеризующиеся также высокой общей комбинационной способностью.

На аддитивное действии генов при наследовании устойчивости к септориозу пшеницы, указывают и другие исследователи (Nelson, 1980; Nelson and Gates, 1982; Wilson, 1985), а C.A. Wilkinson, J.P. Murphy, R.C. Ruffy (1990) кроме того указывают и на незначительный материнский эффект.

Исследованиями Л.М. Моховой (2008) из Краснодарского НИИСХ установлено, что резистентность к S. tritici может быть как доминантной так и рецессивной, в зависимости от происхождения. Кроме того, установлено, что доноры септориозоустойчивости из южноамериканской и австралийской экологических групп имеют разные типы наследования изучаемого признака. Так у сорта Butts устойчивость обусловлена одним геном, а у сорта Vasco обнаружен полигенный контроль устойчивости. О наследовании устойчивости к S. tritici преимущественно как доминантного признака и редко как рецессивного указывает Ю.В.Зеленева (2008). По результатам ее исследований устойчивость может контролироваться одним или несколькими генами и передаваться по правилам неаллельного взаимодействия генов, комплементарности, эпистаза, полимерии.

Исследования, проведенные Xiaokun Yang (2000) в университете Purdue (США) установлено, что устойчивость к S.tritici у линии SO852 обусловлена доминантным геном, и этот ген аллелен гену устойчивости Stb1 Sullivan, который получен от сорта Bulgaria 88. Кроме того идентифицированы два RAPD маркера H19₅₂₀ и G7₁₂₀₀. RAPD маркер H19₅₂₀ был локализован на хромосоме 5B. Позднее Stephen B. Goodwin (2007) по результатам исследований, проведенным также в университете Purdue, сообщает о картировании генов Stb1 – Stb4 и Stb8 устойчивости к S.tritici соответственно на хромосомах 5BL, 3BL, 6DS, 4DS и 7BL. Все эти гены имеют, по крайней мере, по одному микросателитному маркеру. Два из них (Stb2 и Stb8) были картированы между фланкирующими (flanking) микросателитами. Этот эксперимент в других лабораториях мира позволил определить локализацию 12 генов устойчивости пшеницы к STB за прошедшие 7 лет. Большинство этих генов имеют молекулярные маркеры, которые предлагается использовать в маркерной селекции пшеницы.

Исследованиями, проведенными в университете г. Wageningen M.R. Simon (2003), определена устойчивость гибридных линий и различных сортов пшеницы в стадии взрослого растения и в стадии всходов к 10 изолятам гриба Septoria tritici blotch (Mycosphaerella graminicola). Выявлено, что у линии Synthetic 6x гены устойчивости к изоляту IPO92067 на стадии взрослого растения и на стадии всходов, а к изоляту IPO9301 на стадии всходов, локализованы на хромосоме 7D. Гены хромосом 5А и 5D оказывали незначительное влияние на устойчивость к обоим изолятам гриба на стадии взрослого растения пшеницы.

XUEYI HU, Stephen B., Goodwin, Gregory Shener (1998) США указывают на исследования по молекулярному маркированию устойчивости пшеницы к Septoria tritici. Так при анализе 106 популяций рекомбинантных инбредных линий (RILs) от скрещивания устойчивой линии 72626 Е2-12-9-1 с восприимчивым сортом Arthur было установлено, что один RFLP маркер был тесно сцеплен с геном устойчивости на расстоянии приблизительно 14 сМ. Устойчивость к септориозу у линии 72626 Е-12-9-1 определяется одним доминантным геном.

М.А. Колесовой и Л.Г. Тырышкиным (2007) проведены исследования по изучению генетического контроля признака устойчивости к септориозу 7 образцов Aegilops tauschii (кк-285, 296, 1098, 1124, 1202, 1804 и 1954), проявивших устойчивую реакцию на заражение Septoria nodorum в ювенильную фазу. Растения F₁, 7 комбинаций от скрещиваний устойчивых образцов с восприимчивыми, сильно поражались S.nodorum, что свидетельствует о рецессивном наследовании устойчивости. В F₂ этих комбинаций наблюдали расщепление по устойчивости, не противоречащее теоретически ожидаемому при моногенном рецессивном контроле признака (1R : 3S). Соотношение семей F₃ во всех этих гибридных комбинациях соответствовало теоретически ожидаемому 1R : 2RS : 1S, что подтверждает гипотезу о моногенном контроле признака у 7 образцов Ae.tauschii. В F₂ от скрещивания устойчивых образцов между собой во всех комбинациях наблюдали расщепление по устойчивости, что подтверждает неидентичность генов резистентности у этих форм; во всех случаях оно не противоречило гипотезе о наличии у каждого образца по одному рецессивному гену резистентности (ожидаемое расщепление 7R : 9S). Вместе с тем авторы этих исследований (М.А. Колесова и Л.Г. Тырышкин) делают вывод, что восприимчивость каждого образца хотя бы к одному из 7 случайно выбранных изолятов патогена ставит под сомнение перспективность использования данных генов устойчивости в селекции пшеницы на устойчивость к септориозу.

О взаимосвязи устойчивости к септориозу с морфологическими признаками, существуют противоречивые сведения. Одни исследователи (Пересыпкин, Коваленко, 1974) связывают массовое распространение септориоза с возделыванием короткостебельных сортов озимой пшеницы. Е.В. Пахалкова (1997) указывает на то, что короткостебельные сорта озимой пшеницы способны проявлять устойчивость к септориозу независимо от морфологических особенностей, в частности, длины стебля. P.R.Scott с коллегами (1982) сообщают о том, что подлинная устойчивость возможна благодаря физиологическим особенностям вне связи с морфологией растений.

До сих пор однозначно не определены механизмы регуляции экспрессии генов устойчивости растений к болезням, в том числе и септориозам. Г.Ф. Муртузина (2007) из института биохимии и генетики УНЦ РАН (г.Уфа) показала, что устойчивые к Septoria nodorum растения пшеницы синтезируют анионную пероксидазу, способную связываться с клеточными стенками хитин-содержащих патогенов. В то же время у восприимчивых растений экспрессия гена анионной пероксидазы запускается только при инфицировании, и соответственно активность фермента у них значительно ниже.

Для получения устойчивых к септориозу форм пшеницы учитывая сложный характер наследования устойчивости к септориозу, в США уже давно используется эффективная методика отбора в популяциях F₂ – F₅ на фоне искусственного заражения (Scharen, Krupinsky, 1978). Применение такой методики привело к значительному сдвигу устойчивости в седьмом поколении по сравнению со вторым. Повышенная устойчивость в поздних поколениях объясняется аддитивным действием генов. Использование инфекционных фонов для оценок и отбора, усовершенствованных схем селекции на устойчивость к септориозу позволило создать слабопоражаемые сорта пшеницы в Краснодарском НИИСХ: Утриш, Творец, Вершина, Уля, Паллада, Ласка, Колым, Сила (Мохова, 2008)

Таким образом, хотя особенности генетического контроля признака устойчивости пшеницы к септориозам и механизмы, запускающие факторы устойчивости к этим заболеваниям, изучены в некоторой степени, имеются определенные успехи при селекции на устойчивость к этим заболеваниям, тем не менее, эти вопросы требуют проведения дальнейших исследований.

Литература:

1. Зеленева Ю.В. Иммунологическое обоснование селекции пшеницы на устойчивость к возбудителю Septoria tritici Rob.et Desm. в условиях ЦЧР: автореф.дис…канд.с.-х.наук: 06.01.05. - Мичуринск – наукоград РФ, 2008.

2. Колесова М.А., Тырышкин Л.Г. Генетический контроль ювенильной устойчивости образцов Aegilops taushii Cjss. к Stagonospora nodorum Berk. // II Вавиловская международная конференция 26-30.11.2007 г. Генетические ресурсы культурных растений в ХХ1: состояние, проблемы, перспективы. Тезисы докладов. - С.- П. - 2007. – С. 292-293

3. Моргунов А.И. Методы оценки устойчивости селекционного материала пшеницы к септориозу //Селекция и семеноводство. - 1987.- № 1. –С.55-58.

4. Мохова Л.М. Селекционно-иммунологические аспекты устойчивости пшеницы и тритикале к возбудителю Septoria tritici Rob.et Desm. автореф.дис…канд.с.-х.наук: 06.01.05. – Краснодар, 2008.

5. Муртузина Г.Ф. Регуляция экспрессионной активности гена анионной пероксидазы у растений пшеницы при инфицировании Septoria nodorum Berk. // Тезисы 11 Международной Пущинской школы – конференция молодых ученых «Биология – наука ХХ1 века» 29.10-02.11.2007.

6. Пахолкова Е.В. Динамика развития септориоза на короткостебельных сортах озимой пшеницы на фоне естественной эпифитотии в Московской области // Проблемы оптимизации фитосанитарного состояния растениеводства. Сб. тр. Всероссийского съезда по защите растений (С-П, декабрь 1995). С.-П. - 1997. - С.202-203.

7. Пересыпкин В.Ф., Коваленко С.Н. Устойчивость районированных и перспективных сортов озимой пшеницы к септориозу // Доклады ВАСХНИЛ. - 1974. – 7. - С. 4-5.

8. Тырышкин Л.Г., Ершова М.А. Наследование устойчивости образца мягкой пшеницы MN81330 к септориозу // Генетика. – 2004. – Т.40. - № 4. – С.565-568.

9. Bostwick D.E., Ohm H.W., Shaner G. Inheritance of Septoria glume blotch resistance in wheat // Crop Science. -1993. -Vol.33. -N 3. -P.439-443.

10. Brading P.A., Verstappen E.C.P., Kema G.H.J. et. al. A gene-for-gene relationship between wheat and Mycosphaerella graminicola, the Septoria tritici blotch pathogen // Phytopat. –2002. - vol.92. -N.4. -P.439-445.

11. Bronnimann A., Fossati A.//Proc.Neet Novi. Sad, 1973,Vienna.1974.S.117-123.

12. Camacho-Casas M.A. Inheritance of Septoria Leaf Blotch and the possible influence of heading date and plant height on the disease expression in a winter wheat cross // 1989 Ph.D. thesis Oregon, USA, Oregon State University.

13. Camacho-Casas M.A., Kronstad W.E., Scharen A.L. Septoria tritici resistance and associations with agronomic traits in a wheat cross// Crops science. - 1995. - Vol. 35. July – August. - P.971-976.

14. Ecker R., Dinnor A., Cahaner A. The inheritance of resistance to Septoria glume blotch// //Plant Breedg. -1989. – Vol.102. - N 2. P.113-121.

15. Eyal Z., Danon T., Levi E. et.al. Genetic protection to Septoria leaf blotch of wheat // Ins.Nat. de la recherché agronomiques de L”Inra. - 1982.- Vol.11.- P. 104-117

16. Frecha J.H. The inheritance of resistance to Septoria nodorum in wheat // Bot. Genet. Inst. Fitotech. Castelar. - 1973. - 8. - P. 31-32.

17. Goodwin S.B. Back to basics and beyond: increasing the level of resistance to Septoria tritici blotch in wheat //Australasian Plant Pathology. - 2007. -36 (6) -P.532-538.

18. Gough F.J., Smith E. L. A genetic analysis of Triticum aestivum Vilmorin resistence toi speckled leaf blotch and pyrenophora tan spot. //p. 36 In A. L. Scharen (ed.) Septoria of cereals proceedings workshop, Bozeman, MT. 2-4 Aug. 1985. USDA ARS Publ. 12. U.S. Gov. Print. Office, Washington, DC.

19. Kleijer G., Bronnimann A., Fossati A. Chromosomal location of a dominant gene for resistance at the seedling stage to Septoria nodorum Berk., in the wheat variety “Atlas 66” // Z. Pflanzenzucht. – 1977. – 78. P. 170-173.

20. Kleijer F.X. Genetic analysis of tolerance to Septoria nodorum Berk. In Wheat using chromosome substation lenes Paccaud//1980. S.Pfh.Ziientung -85.-287-293.

21. Laubscher F.X., von Wechmar B., van Schalkwyk D. Heritable resistance of wheat varieties to glume blotch (Septoria nodorum Berk.) // Phytopath. - 1966. -56. - S. 260-264.

22. Lupey A.Iu., Voluevich E.A., Buloychik A.A. The effect of the plasmon on the inheritance of resistance to Septoria nodorum Berk. In soft wheat // Cytology and Genetics. – 2000. - Vol. 34. - N 3. - P. 15-20.

23. Nelson L.R. Inheritance of resistance to Septoria nodorum in wheat. //Crop Sci. - 1980. - 20. - P. 447-449.

24. Nelson L.R., Gates C.E. Genetics of host plant resistance of wheat to Septoria nodorum. // Crop Science. - 1982. -Vol. 22. July - August. - P. 771-773.

25. Rillo A.O., Caldwell R.M. Inheritance of resistance to Seproria tritici in Triticum aestivum subsp. Vulgare Bulgaria 88//Phytopat. - 1966. –56. - P.597.

26. Simon M.R. Genetic environmental and factoras influencing the resistance to septoria tritici blotch (Mycosphaerella graminicola) in wheat. //Wageningen University Dissertation no 3478. 2003. Электрон. дан. – Режим доступа: htt://library.wur.nl/wda/abstracts/ab3478.html

27. Scharen A., Krupinsky Y. Detection and manipulation of resistance to Septoria nodorum in wheat // Phytopathology. - 1978. - 68. 2. - P.245-248.

28. Scott P.R., Benedikz P.W., Cox C.J. A genetic study on the relationship between height time of ear emergence and resistance to Septoria nodorum in wheat // Plant Pathol. – 1982. – 31. P. 45-60.

29. Shipton W.A., Shipton W.A., Boyd W.R.Y. al. The common Septoria diseases of wheat. // Botanical Review. – 1971. - V.37. – 2. - P.231-262.

30. Walag H., Dzieglo A. Monosomoczna lockalizacja genow odpornosci na Septoria nodorum (Berk.) u pszenicy jarej (Triticum aestivum L.) odmina Sappoma // Hodowla Rosl. Aklimat. Nasienn. -1986. -T. 29. - N1. – S. 11-19.

31. Wilkinson C.A., Murphy J.P., Ruffy R.C. Diallel analysis of components of partial resistance to Septoria nodorum in wheat //Plant Dis. -1990. -74, -1: -P.47-50

32. Wilson R.E. Resistance to Septoria tritici in two wheat cultivars, determined by independent single dominant genes//Australas. Plant Pathol. -1979. -8.- P.16-18/

33. Wilson R.E. Inheritance of resistance of Septoria tritici in wheat. 1985 p.33-35. In A.L. Scharen (ed.) Septoria of Cereals: Proccedings Workshop, Bozeman, MT, USA, 2-4 Aug. 1983. USDA-ARS Publ. No. 12. 116 pp.

34. Wheat CAP. Disease resistance. Septoria tritici blotch resistance.// Электрон. дан.– Режим доступа: htt://maswheat.heat.ucdavis.edu/proto cols/Stb4 / Disease_Stb4.htm

35. Xiaokun Yang Genetic analysis and development of molecular markers for a resistance locus to Mycosphaerella graminicila in wheat// Purdue University. Электрон. дан. 2000.– Режим доступа: htt://docs.lib.purdue.edu /dissertations/AAI3017890

36. XUEYI HU, Goodwin B., Shaner G. Molecular mapping of gene for resistance to Septoria tritici blotch in wheat // Plant & Animal Genome VI Conference. San Diego, CA, 18-22.01.1998. Электрон. дан.– Режим доступа: htt:// www.intl-pag.org/pag/6/abstracts/320.html

37. Zhang X., Haley S.D., Jin Y. Inheritance of Septoria tritici blotch resistance in winter wheat //Crop science. -2001. - Vol. 41. - N2. - P. 323-326.