Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Источники устойчивости яровой пшеницы к бурой ржавчине и изменчивость структуры популяции возбудителя в условиях Нижнего Поволжья

ВАК РФ 06.01.07, Плодоводство, виноградарство

Автореферат диссертации по теме "Источники устойчивости яровой пшеницы к бурой ржавчине и изменчивость структуры популяции возбудителя в условиях Нижнего Поволжья"

На правах рукописи

Иванова Ольга Владимировна

ИСТОЧНИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИИ ВОЗБУДИТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Специальность: 06.01.07 - защита растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

6 МАР 2013

Саратов-2013

005050403

Работа выполнена в государственном научном учреждении «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Россельхозакадемии». Научный руководитель: Маркелова Тамара Сергеевна

доктор сельскохозяйственных наук Официальные оппоненты: Волкова Галина Владимировна

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии Россельхозакадемии»

Защита состоится «16» марта 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.05 при федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н. И. Вавилова» по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., д. 1. e-mail: dissovetO 1 @sgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФШУ ВПО «Саратовский ГАУ» Автореферат разослан « /S _» фе$/Ш*£с£ 2013 г.

доктор биологических наук, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт биологической защиты растений, заведующая лабораторией иммунитета зерновых культур к болезням

Силаев Алексей Иванович доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, Саратовская лаборатория Всероссийского института защиты растений, заведующий лабораторией

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы. В Нижнем Поволжье основной продовольственной культурой является пшеница. Только по данным Россельхозцентра Саратовской области ее посевы занимают до 30% всех посевных площадей региона. Большую угрозу урожаю пшеницы представляет комплекс фитопатогенов, среди которых бурая ржавчина занимает далеко не последнее место. Возбудитель заболевания гриб Puccinia recóndita Rob. ex. Desm. F. sp. triíici является облигатным патогеном, дающим до 6 уредогенераций за вегетационный период, аэрогенным заболеванием, быстро распространяющимся воздушными массами на большие расстояния, что часто приводит к развитию эпифитотий. Все эти особенности патогена, а также наличие растений-промежуточников и полового процесса приводят к высокой динамичности его популяции, к появлению вирулентных патотипов и, как следствие, к потере сортами устойчивости.

Исследованием проблемы изменчивости популяции бурой ржавчины, а также созданием устойчивых сортов пшеницы занимались многие ученые, начиная с Н.И. Вавилова. Это Э.Э. Гешеле, В.М. Берлянд-Кожевников, Ю.Т. Дьяков, Михайлова Л.А., Одинцова И.Г., Коваленко Е.Д., Крупное В.А., Сибикеев С.Н., Веденеева М.Л. и многие другие. Однако, несмотря на то, что степень изученности данной проблемы достаточно высока, она не теряет своей актуальности. Внутрипопуляционные процессы бурой ржавчины, заставляют исследователей вновь обращать внимание на данный объект, работать с ним на более высоком современном уровне с применением молекулярных методов и интрогрессии новых более эффективных генов устойчивости от диких видов пшеницы, опережая, таким образом, развитие патогена.

В связи с этим данная работа, направленная на исследование динамики состава поволжской популяции бурой ржавчины, выявление источников и доноров устойчивости пшеницы к бурой ржавчине из мировой коллекции, изучение интрогрессивных линий и идентификации у них Lr-генов является актуальной и необходимой для эффективной селекции на устойчивость.

Цель исследований. Изучить изменчивость структуры популяции Puccinia recóndita Rob. ex. Desm. F. sp. tritici по вирулентности под влиянием генотипов сортов, созданных в селекцентре Юго-Востока и создать генетическую основу,

включающую образцы из мировой коллекции и интрогрессивные линии, для эффективной селекции на иммунитет. Задачи исследований:

1. Изучить структуру поволжской популяции бурой ржавчины и степень ее вирулентности.

2. Провести скрининг мировой коллекции пшеницы и сортов местной селекции, выявить новые источники устойчивости к бурой ржавчине.

3. Изучить типы устойчивости сортов яровой пшеницы к бурой ржавчине с использованием качественной и количественной характеристик развития заболевания.

4. Провести идентификацию Ьг-генов у трансгрессивных линий яровой пшеницы, используя фитопатологический тест и молекулярный скрининг.

5. Изучить трансгрессивные линии по хозяйственно-ценным признакам. Научная новизна. Впервые изучена динамика структуры популяции бурой

ржавчины в зависимости от генотипов сортов, созданных в селекцентре Юго-Востока. Выявлены новые генетические источники устойчивости пшеницы к бурой ржавчине для селекции на иммунитет. Изучены типы устойчивости у 14 сортов яровой пшеницы в полевых условиях на фоне естественной эпифитотии бурой ржавчины.

Впервые с использованием фитопатологических и молекулярных методов проведена идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у 14 устойчивых к бурой ржавчине интрогрессивных линий, несущих генетический материал от ТгШсит регэгсит, Тг. сИсоссит, Aegilops вреЦохАез. Положения диссертации, выносимые на,защиту.

1. Состав структуры популяции бурой ржавчины в зоне деятельности селекцентра Юго-Востока

2. Новые источники устойчивости пшеницы к бурой ржавчине.

3. Сорта яровой пшеницы - новые источники неспецифической устойчивости к бурой ржавчине

4. Результаты молекулярной и фитопатологической диагностики Ьг-генов у

трансгрессивных линий яровой пшеницы ,

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость данной работы заключается в обосновании возможности создания сортов пшеницы с различными типами устойчивости, а также с продолжительной устойчивостью; в расширении генофонда пшеницы по

устойчивости к патогенам. Для практической селекции предлагаются новые источники и доноры расоспецифической и нерасоспецифической устойчивости пшеницы к бурой ржавчине, а также интрогрессивные линии с эффективными Ьг-генами.

Объект исследований. Образцы яровой мягкой пшеницы из мировой коллекции и местного селекционного материала. Поволжская популяция возбудителя бурой ржавчины пшеницы.

Предмет исследований. Устойчивость пшеницы к бурой ржавчине.

Методология и методы исследования. Исследования выполнены с использованием полевых, вегетационных и лабораторных, методов.

Реализация результатов исследования. Устойчивые образцы пшеницы и интрогрессивные линии с генами устойчивости к бурой ржавчине переданы в 2012 г. в лабораторию селекции яровой мягкой пшеницы для введения в селекционный процесс.

Достоверность результатов. Эксперименты проведены в соответствии с общепринятыми методиками. При необходимости достоверность выводов подтверждалась статистической обработкой данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию со дня рождения Н. И. Вавилова (Большие Вяземы, 2012), Третьей Всероссийской и международной конференции (Санкт-Петербург, 2012), Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства» (Саратов, 2011), Вавиловских чтениях (Саратов, 2010, 2011), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы и перспективы аграрной науки в России» (Саратов, 2012).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 115 страницах машинописного текста и включают 48 рисунков, 10 таблиц, 3 приложения. Список литературы включает 233 источника, из них 85 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Посвящена аналитическому обзору литературы по биологии развития (K.M. Степанов 1975; Т.И. Ишкова, 2002), вредоносности (M.JI. Веденеева, 1973; С.С. Санин, 2012) и распространению возбудителя бурой ржавчины на посевах пшеницы (А.Е. Чумаков, 1964). Освещаются исследования генетики взаимоотношений патогена и растения-хозяина (П.М. Жуковский, 1959; Э.Э. Гешеле, 1978; В.М. Берлянд-Кожевников, 1977; Ю. Т. Дьяков, 2003; Л. А. Михайлова, 1977). Анализируются результаты исследований многочисленных авторов по эволюции структуры популяции бурой ржавчины в различных регионах, в результате которых выработались различные типы устойчивости (Михайлова, 1996; Е.Д. Коваленко, А.И. Жемчужина; H.H. Кряжева 2003; О. С. Афанасенко, 1998; М.Л. Веденеева, Т.С. Маркелова, 2000). Особое внимание уделяется работам по селекции пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине, как одному из основных факторов в системе интегрированной защиты пшеницы от данного заболевания (E.R. Sears, 1956; A.A. Жученко, 2000; А. Н. Ковалышева, 2002; Е. И. Гультяева, Н. П. Лоскутова, 2002; М. Койшыбаев, 2012; Г. М. Лесовая, 2012; Н. Е. Bockelman, 2012).

Глава 2. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Полевые опыты проводились с 2009 по 2012 гг. на базе Научно-исследовательского института сельского хозяйства Юго-Востока (г. Саратов) в инфекционном питомнике лаборатории иммунитета.

В 2009 году месячная сумма осадков составила в мае 14,3 мм, в июне - 55,7 мм, в июле - 24,7 мм, в августе — 34,6 мм. Максимальная температура воздуха в июле-августе не превышала 30°С. В 2010 году месячная сумма осадков в мае была 33,8 мм, в июне - 18,6 мм, в июле - 19,9 мм, в августе осадков не было, максимальная температура воздуха в июле-августе приближалась к 40°С. В 2011 году месячная сумма осадков в мае составила 12,3 мм, в июне - 62,7 мм, в июле — 4,9 мм, в августе - 19,9 мм. Максимальная температура не превышала 34°С. В 2012 году месячная сумма осадков была 6 мм, в июне - 46,7 мм, в июле - 27,2 мм, в августе - 94,8 мм. Максимальная температура не превышала 33°С.

Основным материалом для исследований являлась мировая коллекция пшеницы из Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова, ВНИИ

фитопатологии, Международного центра улучшения кукурузы и пшеницы CIMMYT (Мексика), а также образцы из различных селекционных центров страны.

В качестве инфекционного материала использовались урединиоспоры поволжской популяции бурой ржавчины Puccinia recóndita f.sp. tritici.

Материалом для молекулярной диагностики были взяты интрогрессивные линии яровой мягкой пшеницы, созданные в лаборатории иммунитета ГНУ НИИСХ Юго-Востока. В качестве контроля использовались соответствующие линии серии Thatcher (D.J. Samborski, 1981, 1982, 1984, 1985; Mclntosh et al., 1995).

Исследования по оценке образцов пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине проводили в полевых условиях на фоне естественных эпифитотий или на фоне усиленного развития заболевания. Полевые оценки дополнялись оценками в условиях искусственного климата на проростках пшеницы.

Инфекционные питомники располагали на полях селекционных севооборотов, на изолированных участках. Посев изучаемого материала проводили ручными 8-ми сошниковыми аппаратами в рядки длиной 120 см, расстояние между рядками 10 см. Для усиления инфекционного фона все проходы между грядками, а также через каждые 10 рядков в грядках высевали сорт-накопитель инфекции (Саратовская 90).

Для полевой оценки использовали шкалу Р.Ф. Петерсона и др. (R.F. Peterson, А.В. Campbell, А.Е. Hannah, 1948). Учет проводили в фазу максимального развития болезни. В условиях искусственного климата устойчивость образцов определяли по шкале Майнса и Джексона (Е В. Mains, Н.С Jackson, 1926).

В качестве показателя, характеризующего неспецифическую устойчивость сорта, использовали критерий скорости нарастания болезни, выражаемый площадью под кривой развития болезни (ПКРБ) (Wilcoxson et al., 1974).

Исследования структуры популяции бурой ржавчины проводили на наборе моногенных линий серии Thatcher по методике Э.Э. Гешеле (1964).

Молекулярные маркеры использовали для идентификации 13 ¿r-генов. ДНК выделяли по методике Д.Б. Дорохова и Э. Клоке (1997). Амплификацию ДНК проводили в реакционной смеси по предложенным авторами протоколам и при необходимости модифицировали. Эти исследования выполнены в лаборатории микологии и фитопатологии ВИЗР при частичной поддержке гранта РФФИ 11-0490786.

Для исключения ошибок в интерпретации результатов молекулярного скрининга все посеянные для выделения ДНК растения оценивали по устойчивости к бурой ржавчине с использованием бензимидазольного метода JI.A. Михайловой, К.В. Квитко (1970). Для инокуляции использовали две популяции гриба (саратовскую и дербентскую). Дополнительно для идентификации гена Lr9 были выделены и размножены клоны, маркированные вирулентностью к данному гену.

• Интрогрессивные линии изучались по основным элементам продуктивности колбса по общепринятым методикам (М.Н. Фирсова, Е.П. Попова, 1981). Определялась визуальная оценка качества зерна в баллах. В качестве стандарта был'взят сорт яровой мягкой пшеницы Саратовская 55. Полученные данные подвергали дисперсионному анализу по методике Б.А. Доспехова (1988).

Глава 3. СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИИ БУРОЙ РЖАВЧИНЫ В НИЖНЕМ

ПОВОЛЖЬЕ

3.1 Динамика состава популяции и степень ее вирулентности Поволжская популяции бурой ржавчины отличается высокой динамичностью. Анализ исследований лаборатории иммунитета за 2006 - 2008 гг. и результаты собственных исследований свидетельствуют о высокой степени вирулентности данной популяции Р. recóndita (таблица 1).

Таблица 1 - Степень вирулентности местной популяции бурой ржавчины

Годы исследований Формула авирулентности / вирулентности (авируленгные R-гены / вирулентные R-гены) Количество авируленгных / вирулентных генов

2006-2008 9, 38 / 1, 2а, 2Ь, 2с, За, 3bg, Зка, 10, 11, 12, 13, 14а, 14Ь, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22а, 22Ь, 23, 24, 25, 26,28, 29, 30, 32, 33, 34, 35, 37, 44, В, W 2/38

2009-2010 9, 38 / 1, 2а, 2Ь, 2с, За, 3bg, Зка, 10, 11, 12, 13, 14а, 14Ь, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22а, 22Ь, 23, 24, 25, 26,28,29,30,32,33,34, 35,37, 44, В, W 2/38

2011-2012 9, 38 /1,' 2а, 2Ь, 2с, За, 3bg, Зка, 10, 11, 12, 13, 14а, 14Ь, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22а, 22Ь, 23, 24, 25, 26, 28, 29,30, 32, 33, 34, 35, 37, 44, В, W 2/38

3.2. Анализ частоты встречаемости отдельных клонов вирулентности в зависимости от условий вегетационного периода и возделывания сортов с генами устойчивости к бурой ржавчине

Все Ьг-гены в поволжской популяции бурой ржавчины, можно условно разделить на 4 группы:

1. Ьг-гены, неэффективные к поволжской популяции бурой ржавчины, за все годы исследований сохранявшие высокую частоту встречаемости. К этой группе следует отнести гены 1г1, 2а, 2Ь, 2с, За, Зbg, Зка, 10, И, 12, 13, 15, 18, 20, 21, 22а, 22Ь, 30, 34, 35, 37, В. За весь период исследований частота встречаемости данных генов не изменялась и составляла 100%.

2. Ьг-гены, неэффективные к поволжской популяции бурой ржавчины, но изменяющие частоту практически ежегодно. К этой группе относятся гены Ьг14а, 14Ь, 16, 17, 25, 28, 29, 32, 36, 45, Ж (рисунок 1). Данные гены не используются в селекции.

3. Эффективные Ьг-гены, широко использующиеся в селекции на устойчивость, но снижающие эффективность в результате появления в популяции комплементарных им генов вирулентности.

К ним относятся гены Ьг19, Ьг23, Ьг24, Ьг26. В поволжской популяции новый клон вирулентности рр19 был выявлен сотрудниками лаборатории иммунитета еще в 1985 году. Но в последние годы (2008-2010) частота встречаемости данного клона сначала стабилизировалась, а затем заметно сократилась. В наших исследованиях частота встречаемости снизилась от 81,8 % в 2006 году до 70 % в 2009 году (рисунок 2).

Так же известно, что клон рр19 не переносит высоких температур. Неблагоприятный температурный режим вегетационного периода 2009 года привел к снижению частоты встречаемости данного клона до 60%. А условия 2010 года оказались для клона рр19 критическими, то есть в популяции он отсутствовал. Однако температурный режим 2011 года оказался для данного клона более благоприятным, поскольку он опять появился в структуре популяции. Частота встречаемости клона рр19 достигла 40%.

2005 2007 2008 2009 2010 2011

—•—рр14а —■—рр14Ь ■» - рр16 ■•••♦••• рр17 -»-рр25 —• • рр28 рр29 — ■♦—рр32 --♦--ррЗб « рр45 - ppW

Рисунок 1 Частота встречаемости патотипов бурой ржавчины второй группы Заметные колебания частоты встречаемости клона рр19 в поволжской популяции бурой ржавчины объясняются еще и тем, что в селекционном арсенале по-прежнему используются доноры и источники устойчивости с геном Ьг19, а в производстве возделываются сорта с данным геном. Поэтому следует ожидать дальнейшее нарастание клона рр19, и, следовательно, снижение эффективности гена ¿г 19.

2005 2007 2008 2009 2010 2011

—•— рр19 •••■••• рр23 — рр24 —•—рр26

Рисунок 2 Частота встречаемости клонов рр19, рр23, рр24, рр26 в поволжской

популяции бурой ржавчины Ген ¿г23 является температурочувствительным, поэтому в наших

исследованиях выявлено постепенное снижение частоты встречаемости клона

рр23 с 83,3% в 2005 году до 60% в 2009 году (рисунок 2). Но высокий температурный режим вегетационного периода 2010 года оказал на клон рр23 положительное влияние, и в результате наблюдалось увеличение частоты встречаемости данного клона до 100%. Вегетационный период 2011 года отличался более низкими температурами, поэтому частота встречаемости клона рр23 снизилась до 80%

4. Lr-гены, сохраняющие на территории Поволжья высокую эффективность. К этой группе следует отнести гены Lr9 и Lr38.

Таким образом, поволжская популяция Puccinia recóndita f. sp. tritici эволюционно активна. Большинство моногенных линий сорта Thatcher перестают дифференцировать популяцию. Как показывают наши исследования, частота встречаемости отдельных патотипов в природных популяциях может меняться не только от использования соответствующего гена устойчивости в коммерческих сортах, но и от изменений климатических условий, происходящих в последние годы в регионе и оказывающих значительное влияние на уровень вирулентности популяции бурой ржавчины. Поэтому исключение каких-либо линий Thatcher из набора может стать причиной потери ценной информации об изменениях, происходящих в структуре природных популяций бурой ржавчины. Дифференциация популяции бурой ржавчины при помощи моногенных линий серии Thather позволяет объяснить ситуацию, существующую в структуре популяции патогена, а также установить причину потери сортами устойчивости.

Глава 4. ИСТОЧНИКИ И ДОНОРЬ [ УСТОЙЧИВОСТИ ИШЕНИЦЬI К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ 4.1 Скрининг мировой коллекции и сортов отечественной селекции

За период 2009 - 2012 гг. в полевых условиях и в условиях искусственного климата была проведена иммунологическая оценка 612 коллекционных образцов яровой пшеницы. В результате они были разделены на 4 группы. Наибольшее количество образцов было получено из СИММИТА (Мексика), США и селекцентров России. В изучаемую коллекцию были включены образцы из стран Западной Европы, стран Латинской Америки, Канады (таблица 2). Контролем служил восприимчивый к бурой ржавчине сорт Юго-Восточная 2.

Таблица 2 - Результаты скрининга мировой коллекции яровой пшеницы

Из них

Страна Всею образцов Высоко устойчивых Устойчивых Слабо восприимчивых Восприимчивых

Мексика 387 135 186 47 19

Россия 158 32 43 6 77

США 27 7 19 0 1

СтршыЗападной Европы 22 3 10 3 6

Страны Латинской Америки 12 1 10 1 0

Канада 5 0 2 0 3

4.2 Типы устойчивости сортов пшеницы к бурой ржавчине в условиях искусственного климата и полевых условиях при естественных

эпифитотиях

За период 2009 - 2012 гг. при проведении иммунологической оценки в полевых условиях были изучены образцы, имеющие восприимчивый тип реакции (34 балла), но различающиеся по скорости нарастания поражения бурой

ржавчиной (рисунок 3).

Рисунок 3 Результаты оценки образцов яровой пшеницы на устойчивость к

бурой ржавчине

В результате выделены две группы образцов. Образцы первой группы имели восприимчивый тип реакции 3-4 балла по шкале Мэйнса-Джексона. Однако в полевых условиях, при пораженности стандартных по восприимчивости сортов на 70-80%, поражение образцов первой группы не превышало 20-30%, первые урединиопустулы на растениях появлялись гораздо позже, нарастание инфекции происходило медленнее. То есть данные образцы возможно обладают

неспецифической устойчивостью к патогену. Вторая группа образцов также имела восприимчивый тип реакции и высокую скорость нарастания инфекции бурой ржавчины. К концу вегетации поражение их достигало 60-70 и 80-90%.

Для подтверждения полевой оценки неспецифической устойчивости определяли скорость нарастания заболевания, которая выражается площадью под кривой развития болезни (ПКРБ) (таблица 5).

Таблица 5 - Полевая оценка неспецифической устойчивости сортов яровой

пшеницы к бурой ржавчине по скорости нарастания болезни, (ПКРБ)

№ п/п Сорт Происхождение Тип реакции Пораженносгь бу] рей ржавчин» 1% ПКРБ, у.е.

3.06 11.06 18.06 26.06 207 9.07

1 Саратовская 55 Россия 3 0 20 30 50 60 70 1360

Восприимчивые сорта

1 Икар Россия 3 0 5 15 20 50 60 860

3 Огаппу Чехсюювакия 3 0 5 5 10 60 70 780

4 Бэль Россия 3 0 10 50 60 80 90 1705

5 Новосибирская 15 Россия 3 0 20 30 30 80 90 1420

6 Баганская 95 Россия 0 30 50 50 60 70 1585

1 Катюша Россия 3 0 30 40 40 50 60 1340

8 Омская 35 Россия 3 0 40 60 70 70 80 1975

Сорта с неспецифической устойчивостью

9 Уаи Швеция 3 0 5 5 5 5 10 177.5

10 Легенда Россия 3 0 0 10 10 10 10 245

11 Ка1ер\уа Мексика 3 0 0 0 5 10 15 152,5

12 Симбщщит Россия 3 0 0 0 1 20 30 242

13 Нжшбирская29 Россия 3 0 1 5 5 15 20 247,5

14 Крааюуфимская Россия 3 0 1 5 10 15 ¿0 282,5

Данные группы сортов отличаются интенсивностью нарастания поражения (рисунки 4 и 5). Интенсивность нарастания поражения у восприимчивых сортов может иногда превышать скорость нарастания сорта-стандарта.

Группа сортов с неспецифическим типом устойчивости отличалась более низкой интенсивностью нарастания поражения бурой ржавчиной, чем сорт-стандарт, особенно на начальных этапах проявления заболевания.

Рисунок 4. Интенсивность нарастания пораженности бурой ржавчиной у

_восприимчивых сортов пшеницы._

80 70 60 50 ■ 40

: 30 20 Ю О

03.06

11.06

-Станда рт - Ка1ер\л/а -Красноуфиллская

18.06

|—5\Л/ \Zals »-■• Силлбирцит

02.07

09.07

Легенда -Новосибирская 29

Рисунок 5 Интенсивность нарастания пораженности бурой ржавчиной у сортов пшеницы с неспецифической устойчивостью.

4.3 Интрогрессивные линии яровой мягкой пшеницы с генами устойчивости от диких видов и сородичей пшеницы

На основе различных источников генов устойчивости к бурой ржавчине (Ьг-генов), несущих чужеродный генетический материал от видов пшениц, а также чужеродные транслокации и их комбинации от ТгШсит сНсоссит /Aegilops ъреко'^еъ, в лаборатории иммунитета были созданы трансгрессивные линии с различными генами устойчивости к бурой ржавчине. Получено более 300 линий с групповой устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине, мучнистой росе,

пыльной головне. Из этих линий было отобрано 14 наиболее интересных с точки зрения устойчивости к бурой ржавчине для проведения молекулярной диагностики Lr-генов.

Кроме того, эти линии прошли испытание осенью 2009 года в инфекционном питомнике KARL в Njoro (Кения) на устойчивость к агрессивной расе стеблевой ржавчины Ug99 + Sr24 (TTKST) (таблица 6).

Таблица 6 — Результаты оценки интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы __к расе стеблевой ржавчины 1^99 + 8г24 (ТТКБТ)

№гЙ1 Скрещивание U^9+S24(TTKST)

17.03 20.04

St 100 S

1 Саратовская 29/Tr. persicumll Tr. die. 5R MR 5RMR

1 Саратовская 55// Т. dic.1 Ае. speltoides TR 5R

3 Саратовская 55// Т. die J Ае. speltoides 5R MR 10R

4 Саратовская 29ИТ. persicumfU Т. сасУАе. speltoides 5R MR 5R

5 Саратовская 29// Т. die./ Ае. speltoides TR 1R

6 Саратовская 29/71 persicum//Lr 9 10R MR 20R

7 Саратовская 29/Т. persicum//Lr 9 5R 20R

8 Саратовская 29/Т. persicumll Т. dic.l Ае. speltoides 5R 10R

9 Саратовская 55// Т. dic.1 Ае. speltoides TR 5R

10 Саратовская 55// Т. die./ Ае. speltoides 5R 5R

11 Саратовская 29/7! persicuml/Lr 9 TR 5R

12 Саратовская 29ГГ. persicumll Т. dic.l Ае. speltoides 5R 10R

13 Саратовская 55// Т. dic.l Ае. speltoides 5R 20R

14 Саратовская 291 Т. persicumll Tr. die./ Ае. speltoides 10RMR 20R

Глава 5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ LR-генов ТРАНСГРЕССИВНЫХ ЛИНИЙ ЯРОВОЙ

МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

5.1. Фитопатологический тест В результате оценки устойчивости в фазе проростков с использованием

саратовской и дербентской популяций Р. иШс'та было выявлено, что все 14 образцов показали устойчивый тип реакции (0). С использованием клона вирулентного к гену Ьг9 у гибридных линий № 6, 7, наблюдался восприимчивый тип реакции (рисунок 6), что предполагает у них наличие гена Ьг9.

Рисунок 6 Результаты оценки на устойчивость к клону Ьг9 у образцов № 6, 7.

5.2 Молекулярный скрининг

С использованием молекулярных маркеров у интрогрессивных линий проводили идентификацию 13 1г-генов. В список идентифицируемых генов входили:

1. Ювенильные гены с высокой или частичной эффективностью: Ьг9, Ьг19, Ьг24, Ьг25, Ьг29, Ы39(41), Ш7;

2. Гены устойчивости взрослых растений: Ьг34, Ьг35, Ьг37;

3. Гены с утраченной эффективностью, но получившие широкое использование в стратегиях пирамидирования при создании сортов с неспецифической устойчивостью: ЬгЮ, Ьг20, Ьг2б.

Результаты молекулярного скрининга представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Результаты молекулярного скрининга интрогрессивных линий

пшеницы

№ п/п линии Ьг9 ЬгЮ Ьг20 Ьг35

1 Сар 29/2? рега'сит// Тг. сНс. + +

2 Сар 55// Т. <Ис./ Аг. speltoides +

3 Сар 55// Т. сИс.1 Аг. 5реНо1с1ез + +

4 Сар 29ИТ. рег$\сит1Ъ1 Т. (Не./Ае. ьреиогйеь +

5 Сар 29// Т. сИс./ Ае. зреко1с1ез +

6 Сар 29/Т. регасит/Ял- 9 +

7 Сар 29/Т. регеюит//Тг 9 +

8 Сар 29/Т. регякитП Т. сИс.1 Ае. speltoid.es +

9 Сар 55// Т. dic./Ae. speltoides +

10 Сар 55// Т. dic.l Ае. speltoides +

11 Сар 29/Т. регяюитНЬг 9 +

12 Сар 29/Т. регзгситП Т. dic./ Ае. speltoides +

13 Сар 55// Т. dic.l Ае. speltoides +

14 Сар 29/Т. persicu.mll Тг. dic./ Ае. speltoides +

Для идентификации гена Lr9 был отобран SCAR-маркер SCS5, с использованием которого у двух селекционных линий № б, 7 и контрольной линии ТсLr9 наблюдался характерный фрагмент размером 550 Ьр (рисунок 9). Полученные результаты молекулярного скрининга у этих образцов полностью согласуются с фитопатологическим тестом.

М I 2 3

6 7 В е 10 11 1г 13 14 U4 trt» Ire ITS

•¿¡ввей?. .'.Uí:

Рисунок 9 Идентификация гена Lr9 с использованием маркера SCS5 М - маркер молекулярного веса 100 bp (Fermentas)

Ген Lr35 относится к группе генов возрастной устойчивости и находится в транслокации с ювенильным геном Sr39, высокоэффективным против угандийской расы (Singh et al., 2008).

С использованием маркера Sr39#22 характерный фрагмент амплификации размером 487 п.о. выявлен у селекционных линий №1-5 и 8-14 (рисунок. 10).

На основании фитопатологического теста и результатов молекулярного скрининга можно предположить наличие у данных интрогрессивных линий генов Lr35/Sr39.

Рисунок 10 Идентификация гена Lr35 с использованием STS-маркера Sr39#22 М - маркер молекулярного веса 100 bp (Fermentas)

Глава 6. ИЗУЧЕНИЕ ТРАНСГРЕССИВНЫХ ЛИНИЙ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ

КОЛОСА

Данные линии были изучены по элементам продуктивности колоса. Результаты приведены в таблице 8.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что среди интрогрессивных линий с групповой устойчивостью к наиболее вредоносным болезням выделены

линии, имеющие довольно высокие показатели по продуктивности колоса, то есть существует возможность отбора растений по продуктивности. Эти данные необходимы для дальнейшей селекции.

Таблица 8 — Элементы продуктивности колоса интрогрессивных линий пшеницы,

2009-2011 гг.

Лийия ' Длина колоса, см Число 1 зерен i. в колосе Масса зерен,,, BKOJJO- се. г Масса . 1000. зерен,г Визуальная оценка ...качества зерна, балл

Саратовская 55 (St.) 8,55 34,87 - i.is - 34,87 4,5

Cap 29/Tr. pers.// Tr. die. 9,37 28,87 0,93 32,32 ' 4,5

Сар 55// Tr. dic./Aeg. spelt. 10,02 33,20 0,95 28,99

Cap 55//Tr. dic./Аед. spelt. 9,^7 31^30 0,97 31,22 4,0

Cap 29/Tr. pers.// Tr^dic. • -' 9,13. 30,73 0,86 28.24 4,5

Cap 29// Tr. dic./Aeg. spelt. 9,67 31,53 0,95 30,21 4,0

Cap 29/Tr. pers.//Lr 9 9,05 "■ 33,00 0,99 29,94 4,0

Cap 29/Tr. pers.//Lr 9 8,45 ' 31,33 0,97 30,75 4,0

Cap 29/Tr. pers.// Tr. die. 9,05 30,00 0,97 32,48 4,5

Cap 5Э// Tr. dic./Aeg. spelt. 935 29^83 0,86 28,90 3,5

Cap 55// Tr. dic./Aeg. spelt. 9|37 30^23 0,88 29,05 3,5

Cap 29/ Tr. pers.//Lr 9 8,67 28[27 0.89 31,83 " 4,5

Cap 29/Tr. pas//Tr. dicMeg. spefc s'so id,61 0,93 " 30,35 4,0

Cap 55// Tr. dic./Aeg. spelt. &'S5 32,60 1.04 31,81 4,0

Cap 29/Tr. pers.// Tr. die. 9,80 34,67 1,04 30,11 4,5

Fo5 3,(>5* 3,32*

HCP05 0,540 2952 0133 NS

Глава 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ Выводы о высокой хозяйственной эффективности возделывания устойчивых сортов можно проследить на примере устойчивого сорта яровой мягкой пшеницы Фаворит в сравнении со стандартом Юго-Восточная 2. Расчеты показали, что урожайность сорта Фаворит была в 2009 г. 1,77 т/га, в 2010 г. - 1,65т/га, в 2011 г.

- 2,90 т/га, что выше по сравнению со стандартом Юго-Восточная 2 на 0,51 - 0,55

- 1,06 т/га соответственно. А уровень рентабельности составил 94,4% в 2009 г, в 2010 г. - 141,8%, в 2011 г. - 190,7%. Это превосходит стандарт по годам на 40,2 -55,7 — 45,9% соответственно (рисунок 11).

Рисунок 11 Уровень рентабельности яровой пшеницы Фаворит в сравнении со

стандартом,%

Таким образом, сорт яровой мягкой пшеницы Фаворит за счет высокой урожайности, а также исключения защитных мероприятий против болезней, является высокорентабельным. Чистый доход, получаемый от данного сорта значительно превышает чистый доход от сорта-стандарта Юго-Восточная 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Даны обоснования и подготовлена база для создания устойчивых к бурой ржавчине сортов яровой пшеницы в условиях Нижнего Поволжья.

2. Изучение динамики структуры поволжской популяции бурой ржавчины указывает не только на ее высокую пластичность и вирулентность, но и на зависимость уровня вирулентности от частоты использования генов устойчивости в коммерческих сортах и от изменений климатических условий в регионе.

3. В результате проведения иммунологической оценки 612 коллекционных образцов яровой пшеницы из различных стран мира выделено 178 высокоустойчивых и 270 устойчивых к бурой ржавчине образцов.

4. Выделены образцы (Katepwa, Симбирцит SW Vals, Легенда, Новосибирская 29, Красноуфимская), которые, имея низкую скорость нарастания заболевания, предположительно имеют неспецифическую защиту против возбудителя бурой ржавчины. Сорта с высокой скоростью нарастания болезни (Икар, Granny, Бэль, Новосибирская 15, Баганская 95, Катюша, Омская 35), имея высокую ПКРБ, являются высоко восприимчивыми.

5. Сорта с неспецифическим типом устойчивости из-за низкой интенсивности нарастания пораженности бурой ржавчиной снижают риск возникновения эпифитотии бурой ржавчины и, следовательно, снизят потери урожая от бурой ржавчины до минимума.

6. На основе молекулярного метода, установлены Lr- гены и их комбинации у 14 интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы, созданных в лаборатории иммунитета НИИСХ Юго-Востока. Полученные результаты позволят планировать использование конкретных Lr-генов и их комбинаций в практической селекции.

7. Результаты фитопатологического теста полностью согласуются с результатами проведенной молекулярной идентификации ¿r-генов.

8. Среди интрогрессивных линий с групповой устойчивостью к наиболее вредоносным болезням выделены линии, имеющие довольно высокие показатели по продуктивности колоса, приближающиеся к стандарту Саратовская 55.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ

1. Для создания устойчивых к бурой ржавчине сортов для 8 региона предлагаются 178 высокоустойчивых и 270 устойчивых источников устойчивости пшеницы к бурой ржавчине, выделенных из мировой коллекции.

2. Для включения в селекционный процесс по созданию устойчивых к бурой ржавчине сортов для 8 региона рекомендуются интрогрессивные линии яровой мягкой пшеницы Cap 29/Tr. pers.//Lr 9, Сар 29/ Tr. pers.// Tr. dic./Aeg. spelt.; Cap 29/Tr. pers.// Tr. dic., Cap 29// Tr. dic./Aeg. spelt. с эффективными генами устойчивости.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В журналах, рекомендуемых ВАК РФ

1. Иванова, О. В. Изучение генофонда мировой коллекции пшеницы с целью выявления доноров устойчивости к болезням / О. В. Иванова, Т. С. Маркелова // Arpo XXI.-2011.-№ 16-18.

2 Иванова, О. В. Анализ динамики структуры популяции бурой ржавчины пшеницы (Puccinia recóndita f. sp. tritici, Rob. et Desm.) в Поволжье/О. В. Иванова, Т. С. Маркелова // Защита и карантин растений.-2011. -№9.-С. 20-22.

3. Гультяева, Е. И. Идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у интрогрессивных сортов и линий мягкой пшеницы, созданных в НИИСХ Юго-Востока / Е.И. Гультяева, О.В. Иванова, Т.С. Маркелова, С.Н. Сибикеев // Вест, защиты растений. - 2012. - №1. - С. 38-44.

В прочих изданиях

4. Маркелова, Т. С. Организация инфекционных питомников для проведения фитопатологических оценок пшеницы на устойчивость к болезням / Т.С. Маркелова, Т.В Кириллова, Н.В Аникеева, О.В. Иванова // Современные иммунологические исследования, их роль в создании новых сортов и интенсификации растениеводства. - Большие Вяземы, 2009. - С. 47-52.

5. Иванова, О. В. Исследование мировой коллекции пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине / О. В. Иванова, Т. С. Маркелова // Значение научного наследия академика ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии М. С. Дунина в современных работах ученых России. -М., 2011.-Т. IV. -Ч 1,- С. 465-472.

6. Иванова, О. В. Современное состояние агробиоценозов и перспективы селекции устойчивых к болезням сортов пшеницы / Т. С. Маркелова, О. В. Иванова // Значение научного наследия академика ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии М. С. Дунина в современных работах ученых России. - М., 2011.-Т. IV.-ч 1,-С472-485.

7. Иванова, О. В. Молекулярная идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у сортов яровой мягкой пшеницы / Проблемы и перспективы аграрной науки в России: сб. докл. науч.-практ. конф., посвящ. 135-летию со дня рождения А. И. Стебута. - Саратов, 2012. - С. 33 - 38.

8. Иванова, О. В. Скрининг мировой коллекции пшеницы на устойчивость к наиболее вредоносным болезням / Т. С. Маркелова, О. В. Иванова // Иммуногенетическая защита сельскохозяйственных культур от болезней: теория и практика: материалы Междунар. Науч.-практ. конф., посвящ. 125-летию со дня рождения Н. И. Вавилова, 17-21 июля 2012 г., Большие Вяземы. -Большие Вяземы, 2012. - С. 383 - 386.

9. Иванова, О. В. Изучение мирового генофонда яровой мягкой пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине / Вавиловские чтения: мат. Междунар. Науч.-практ. конф. - Саратов, 2012. - С.243 -245.

1 O.Ivanova, О. V. Identification of leaf rust resistance gene of lines of soft spring and winter weats / Markelova T. S., Ivanova О. V. / Annual wheat newsletter / Kansas State University, USA.-2012. - Vol. 58.-P.210-211.

П.Иванова, О. В. Интрогрессивные линии яровой мягкой пшеницы - доноры групповой устойчивости к грибным болезням / Т. С. Маркелова, О. В. Иванова // Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам. - СПб., 2012. — С.89-92.

с

Подписано в печать 01.02.2013 г. Формат 60x84 Ш6. Бумага офсетная. Усл. Печ.л.1,00. Тираж ЮО.Заказ № 026

Оттиражировано с оригинал- макета в ИП «Пятковская О.Ю.: 410056, г.Саратов, ул. Т. Шевченко, 2а

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Иванова, Ольга Владимировна, Саратов

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

Государственное научное учреждение Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока

04201355110 —Иванова-Ольга-Владимировна----

ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИИ БУРОЙ РЖАВЧИНЫ И ИСТОЧНИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ

НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Специальность: 06.01.07 - защита растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель Доктор с.-х. наук Маркелова Тамара Сергеевна

Саратов - 2013

На правахрукописи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................3

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................8

1.1. Биология развития, вредоносность и распространенность

бурой ржавчины пшеницы......................................................8

1.2. Взаимоотношения в системе хозяин - паразит

(пшеница - бурая ржавчина)...................................................16

1.3. Динамика структуры популяции бурой ржавчины пшеницы.........23

1.4. Типы устойчивости сортов пшеницы к возбудителю

бурой ржавчины..................................................................28

1.5. Селекция устойчивых сортов, как одно из направлений

в интегрированной защите пшеницы от болезней.........................33

2. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ........................40

2.1. Место и условия проведения опытов.........................................40

2.2. Материал и объекты исследований...........................................45

2.3. Методы исследований...........................................................46

3. СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИИ БУРОЙ РЖАВЧИНЫ

В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ.................................................................60

3.1. Динамика состава популяции и степень ее вирулентности.............60

3.2. Анализ частоты встречаемости отдельных клонов вирулентности в зависимости от условий вегетационного периода и возделывания сортов с генами устойчивости к бурой ржавчине...........................................................................61

4. ИСТОЧНИКИ И ДОНОРЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПШЕНИЦЫ

К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ.....................................................................78

4.1. Скрининг мировой коллекции и сортов отечественной селекции.....78

4.2. Типы устойчивости сортов пшеницы к бурой ржавчине в условиях искусственного климата и полевых условиях при естественных эпифитотиях......................................................82

4.3. Интрогрессивные линии яровой мягкой пшеницы с генами

устойчивости от диких видов и сородичей пшеницы.....................88

5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЬЯ-генов У ТРАНСГРЕССИВНЫХ ЛИНИЙ

—яровой-мэткой-пшеницы—........................тт...........................905.1 Фитопатологический тест......................................................90

5.2 Молекулярный скрининг........................................................95

6. ИЗУЧЕНИЕ ТРАНСГРЕССИВНЫХ ЛИНИЙ ПО ЭЛЕМЕНТАМ ПРОДУКТИВНОСТИ КОЛОСА.......................................................108

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯЭФФЕКТИВНОСТЬВОЗДЕЛЫВАНИЯ--

УСТОЙЧИВЫХ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ СОРТОВ................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В Нижнем Поволжье основной продовольственной культурой являетсяпшеница.Толькопо данным-Роесельхозцентра Саратовской области ее посевы занимают до 30% всех посевных площадей региона. Большую угрозу урожаю пшеницы представляет комплекс фитопатогенов, среди которых бурая ржавчина занимает далеко не последнее место. Возбудитель заболевания гриб Puccinia recóndita Rob. ex. Desm. F. sp. tritici является облигатным патогеном,__дающим-До_6_уредогенераций за вегетационныйпериод, аэрогенным заболеванием, быстро распространяющимся воздушными массами на большие расстояния, что часто приводит к развитию эпифитотий. Все эти особенности патогена, а также наличие растений-промежуточников и полового процесса приводят к высокой динамичности его популяции, к появлению вирулентных патотипов и, как следствие, к потере сортами устойчивости.

Исследованием проблемы изменчивости популяции бурой ржавчины, а также созданием устойчивых сортов пшеницы занимались многие ученые, начиная с Н.И. Вавилова. Это Э.Э. Гешеле, В.М. Берлянд-Кожевников, Ю.Т. Дьяков, Михайлова J1.A., Одинцова И.Г., Коваленко Е.Д., Крупнов В.А., Сибикеев С.Н., Веденеева M.JI. и многие другие. Однако, несмотря на то, что степень изученности данной проблемы достаточно высока, она не теряет своей актуальности. Внутрипопуляционные процессы, происходящие в популяции бурой ржавчины, заставляют исследователей вновь обращать внимание на данный объект, работать с ним на более высоком современном уровне с применением молекулярных методов и интрогрессии новых более эффективных генов устойчивости от диких видов пшеницы, опережая, таким образом, развитие патогена.

В связи с этим данная работа, направленная на исследование динамики состава поволжской популяции бурой ржавчины, выявление источников и доноров устойчивости пшеницы к бурой ржавчине из мировой коллекции,

изучение интрогрессивных линий и идентификации у них Ьг-генов является актуальной и необходимой для эффективной селекции на устойчивость.

Цель исследований. Изучить изменчивость структуры популяции Риссгта гесопс1иа КоЬ. ех. Везш. К. зр. ^/сг по вирулентности под влиянием генотипов сортов, созданных в селекцентре Юго-Востока и создать генетическую основу, включающую образцы из мировой коллекции и интрогрессивные линии, для эффективной селекции на иммунитет. Задачи исследований:

1. Изучить _структуру_, поволжскойпопуляциибуройржавчины и^степенБ ее вирулентности.

2. Провести скрининг мировой коллекции пшеницы и сортов местной селекции, выявить новые источники устойчивости к бурой ржавчине.

3. Изучить типы устойчивости сортов яровой пшеницы к бурой ржавчине с использованием качественной и количественной характеристик развития заболевания.

4. Провести идентификацию Ьг-генов у трансгрессивных линий яровой пшеницы, используя фитопатологический тест и молекулярный скрининг.

5. Изучить трансгрессивные линии по хозяйственно-ценным признакам. Научная новизна. Впервые изучена динамика структуры популяции бурой

ржавчины в зависимости от генотипов сортов, созданных в селекцентре Юго-Востока.

Выявлены новые генетические источники устойчивости пшеницы к бурой ржавчине для селекции на иммунитет. Изучены типы устойчивости у 14 сортов яровой пшеницы в полевых условиях на фоне естественной эпифитотии бурой ржавчины.

Впервые с использованием фитопатологических и молекулярных методов проведена идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у 14 устойчивых к бурой ржавчине интрогрессивных линий, несущих генетический материал от ТгШсит регысит, Тг. сИсоссит, Aegilops 8реко1с1е5.

Положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Состав структуры популяции бурой ржавчины в зоне деятельности селекцентра Юго-Востока

2.Новыеисточникиустойчивостипшеницыкбуройржавчине :-

3. Сорта яровой пшеницы - новые источники неспецифической устойчивости к бурой ржавчине

4. Результаты молекулярной и фитопатологической диагностики Ьг-генов у трансгрессивных линий яровой пшеницы

_Теоретическая__и__практическая—значимость—работы.—Теоретическая-

значимость данной работы заключается в обосновании возможности создания сортов пшеницы с различными типами устойчивости, а также с продолжительной устойчивостью; в расширении генофонда пшеницы по устойчивости к патогенам. Для практической селекции предлагаются новые источники и доноры расоспецифической и нерасоспецифической устойчивости пшеницы к бурой ржавчине, а также интрогрессивные линии с эффективными Ьг-генами.

Объект исследований. Образцы яровой мягкой пшеницы из мировой коллекции и местного селекционного материала. Поволжская популяция возбудителя бурой ржавчины пшеницы.

Предмет исследований. Устойчивость пшеницы к бурой ржавчине.

Методология и методы исследования. Исследования выполнены с использованием полевых и лабораторных методов.

Реализация результатов исследования. Устойчивые образцы пшеницы и интрогрессивные линии с генами устойчивости к бурой ржавчине переданы в 2012 г. в лабораторию селекции яровой мягкой пшеницы для введения в селекционный процесс.

Достоверность результатов. Эксперименты проведены в соответствии с общепринятыми методиками. При необходимости достоверность выводов подтверждалась статистической обработкой данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию со дня рождения Н. И. Вавилова (Большие Вяземы, 2012), Третьей

Всероссийсшй_и_международной—конференции (СШжт^Пётербург, 2012),

Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства» (Саратов, 2011), Вавиловских чтениях (Саратов, 2010, 2011), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы и перспективы аграрной науки в России» (Саратов, 2012). ~

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 114 страницах машинописного текста и включают 48 рисунков, 10 таблиц, 3 приложения. Список литературы включает 233 источник, из них 85 иностранных.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Биология развития, вредоносность и распространенность

бурой ржавчины

Бурая ржавчина - одно из наиболее распространенных и вредоносных заболеваний пшеницы, возбудителем которого является базидиальный гриб порядка Uredinales - Puccinia recóndita Rob. ex Desm f. sp. tritici Erikss. et Henn).

Заболевание проявляется на листовых пластинках, листовых влагалищах, иногда на стеблях. Преимущественно на верхней стороне листа появляются рассеянно расположенные урединии длиной 1-2 и шириной 0,5 мм (рисунок 1.1). Урединии в начальной стадии прикрыты эпидермисом, затем он разрывается, обнажая порошащие ржаво-бурые массы спор (рисунок 1.2). При сильном поражении растений бурой ржавчиной урединиями покрывается почти вся листовая пластинка (К.М. Степанов 1975, В.Ф. Пересыпкин 1989, Т.И. Ишкова с соавт., 2002).

На сортах пшеницы с иммунологической реакцией вокруг урединиопустул образуются хлоротические и некротические окаймления.

Рисунок 1.1 Бурая ржавчина пшеницы.

Через 10—15 дней после появления урединиопустул чаще всего на нижней стороне листа образуются черные, слегка удлиненные подушечки — телиопустулы, покрытые эпидермисом.

Рисунок 1.2 Урединии бурой ржавчины на листе пшеницы.

Возбудитель бурой ржавчины - гриб Р. recóndita имеет полный цикл развития, то есть является двухозяйным паразитом. В процессе развития гриба последовательно образуется 5 форм спороношения: 0 (спермогонии), I (эции), II (урединии), III (телии), IV (споридии или базидии с базидиоспорами). Питающие растения, на которых образуются все формы спороношения или только урединии и телии, называются основными, а несущие спермогонии и эции -промежуточными (К.М. Степанов 1975, Т.Н. Ишкова с соавт., 2003).

Гриб имеет две формы: обычную или европейскую, и сибирскую Обычная форма распространена в европейской части РФ. Эта форма образует эцидиальное спороношение на василистнике малом и желтом (Thalictrum minus L. и Т. flavum L.). Однако практического значения данные спороношения не имеют, поскольку их развитие совпадает со временем появления урединиостадии на пшенице. Таким образом, урединиогрибница, зимующая на озимой пшенице и дающая весной новое поколение урединиоспор, является основным источником инфекции (В.Ф. Пересыпкин, 1989).

В Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке промежуточниками бурой ржавчины являются василистник малый и желтый (Thalictrum minus L. и Т. flavum L.) и лещица дымянковидная (Leptopyrum fumarioides). Заражение их осуществляется базидиоспорами, образующимися в естественных условиях весной, когда телиоспоры ржавчины приобретают способность к прорастанию после периода покоя. В результате на верхней стороне листа промежуточника образуются желто-оранжевые спермагонии со спермациями (пикниоспорами) двух типов спаривания. При перенесении спермаций из одного спермагония в другой образуется смешанный мицелий; а в результате возникновения анастомозов образуются дикариотические клетки - эциоспоры, заражающие пшеницу. Телиоспоры дают начало 4-х клеточной базидии с 4-мя стеригмами, на каждой из которых образуется по 1-й базидиоспоре. Базидиоспоры у P. triticina одноклеточные и гаплоидные, они дают начало ростковым трубкам, которые проникают через оболочку эпидермальных клеток промежуточного хозяина. Через 4-6 дней в межклеточном пространстве растения возникает кувшинкообразная структура, — пикнида — диаметром 80-100 мкм, в полости которой образуются пикноспоры (1,3 х 3,1 мкм в диаметре). Эции цилиндрической формы появляются на нижней стороне листьев под пикнидами через 8-10 дней после слияния пикноспор разного знака. Эции имеют цилиндрическую форму, эцидиоспоры — одноклеточные, округлой формы с бесцветной бородавчатой оболочкой и желтым содержимым. Рассеивание эцидиоспор происходит за счет ветра и дождя. Эцидиоспоры, рассеиваясь из эцидия, производят новые заражения, в результате которых развивается летняя или урединиостадия паразита. Урединиоспоры, попадая на растение, прорастают, ростковые трубки проникают через устьица в ткани, где развивается дикариотический мицелий, на котором образуются урединиопустулы. В течение вегетационного периода на пшенице гриб может развивать до 10 поколений урединиоспор, служащих основными источниками инфекции. В конце сезона образование урединиоспор прекращается, и на месте урединиопустулы

появляется темно-коричневая телиопустула. Телиоспоры служат для перезимовки гриба (К.М. Степанов 1975, В.Ф. Пересыпкин 1989, Т.И. Ишкова с соавт., 2002)

Возбудитель бурой ржавчины пшеницы редко проходит полный цикл "развития. Неполный' цикл развития складывается только из урединиостадии (урединиомицелия и уредоспорошения). Распространение заболевания в течение вегетационного периода происходит урединиоспорами. Зимует бурая ржавчина в виде урединиомицелия в листьях озимой пшеницы или падалицы. Однако обязательным условием для этого является наличие посевов озимой пшеницы, т. "егживых зимующих растений, на которых ржавчина могла бьГсохраниться в виде урединиомицелия. Перезимовавший мицелий весной образует новые урединиопустулы с урединиоспорами, которые и будут осуществлять заражение. Сначала инфекция попадает на соседние растения, а затем при помощи ветра может распространяться и на другие посевы, в том числе яровую пшеницу (Дементьева М.И., 1977). Гриб может существовать несколько лет в урединиостадиях, а прохождение периодически полного цикла развития обеспечивает генетическую изменчивость и в связи с этим возможность возобновления и изменчивости популяций патогена (J1.A. Михайлова, Е.И. Гультяева, Н. В. Мироненко, 1998; 2000).

P. triticina поражает многие виды пшеницы: Triticum aestivum L., Т. durum Desf, Т. polonicum L., Т. cartlicum Nevski, T. turgidum L., T. timopheevi Zhuk., T. dicoccoides Korn., T. compactum Host., T. spelta L., T. vavilovii L., T. sphaerococcum Perc., T. thaoudar Reut., T. macha Dek.et Men., T. dicoccum Schrank, T. orientale L., T. urartu Thum., а также виды эгилопса: Aegilops cylindrical, Ae. squarrosa, Ae. biuncialis, Ae. triuncalis, Ae. crassa, пырея, костра, ячменя, волоснеца, ржи и других культур (JI.H. Андреев, Ю.М. Плотникова, 1989; Anikster et al., 2005).

Заражение пшеницы бурой ржавчиной возможно в широких температурных пределах, так как урединиоспоры при наличии капельной влаги прорастают при температуре от +2,5 до +31 °С. Оптимальной считается температура +15 - 25°С. При наличии росы и при температуре +5°С растения заражаются за 7 часов, а при +15 - 20°С менее чем за 4 часа. Инкубационный период болезни при температуре

воздуха +4 - 25°С длится от 18 до 5 дней (ТоПепаг, 1985; В.Ф. Пересыпкин, 1989). За период вегетации пшеницы патоген образует несколько генераций урединий с урединиоспорами. Этим объясняется сильное нарастание заболевания к началу молочно-восковой "спелости растений. Урёдиниогрибнйца с урединиоспорами, образовавшимися осенью, относительно стойки к низким температурам, поэтому заболевание проявляется весной и в дальнейшем прогрессирует, достигая максимума в фазе молочно-восковой спелости зерна. Возбудитель бурой ржавчины может также переживать зиму на посевах озимой пшеницы и на других злаковых в виде спорулирующего или неспорулирующего мицелия (В.фГ Пересыпкин, 1989, Г.В. Волкова, 2000).

В летний период жизнеспособность урединиоспор непродолжительна, так как в теплую погоду и при наличии влаги они быстро прорастают. При высокой температуре и низкой относительной влажности воздуха урединиоспоры быстро теряют жизнеспособность (В.Ф. Пересыпкин, 1989).

В южных районах, где между периодом уборки урожая и посевом озимых проходит 1,5-3 месяца, основная масса урединиоспор погибает. Здесь источником инфекции являются зараженные всходы падалицы пшеницы. В более северных районах урединиоспоры могут распространяться с остатков жнивья на новые всходы и заражать их (В.Ф. Пере