Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Патогенные и мутагенные свойства вирусов озимой пшеницы и возможность их использования в селекционной практике

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Патогенные и мутагенные свойства вирусов озимой пшеницы и возможность их использования в селекционной практике"

ШСТИТУТ ЗЕМЛЕРОБСТВА УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

РГб ОД 2 !і ОКТ

ЮХИМЕНКО АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ

УДК: 633.11:631.528.1:632.38

ПАТОГЕННІ ТА МУТАГЕННІ ВЛАСТИВОСТІ ВІРУСІВ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ І МОЖЛИВІСТЬ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ В СЕЛЕКЦІЙНІЙ ПРАКТИЦІ

06.01.05 - селекція і насінництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук

Київ 2000

Дисертацією є рукопис.

Дисертаційна робота виконана у відділі біотехнології Миронівського інституту пшениці ім. В.М. Ремесла протягом 1991-1999 рр.

Науковий керівник: доктор сільськогосподарських наук

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор Чучмій Іван Петрович, Уманьська сільськогосподарська академія, завідувач кафедри селекції

кандидат сільськогосподарських наук Жемойда Віталій Леонідович, Національний аграрний університет, доцент кафедри селекції та фізіології рослин

Провідна установа : Білоцерківський аграрний університет, кафедра селекції

Захист відбудеться « (& у>Оі,и'ігял.2ррр р, о /С‘ ^годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д27.361.01 при Інсти туті землеробства УААН.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту землеробства УААН.

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати за адресою: Україна, 08162, смт. Чабани Києво-Святошинського району Київської області, Інститут землеробства УААН, вченому секретареві Спеціалізованої вченої ради.

Автореферат розісланий « ^ » іСЯ-Х 2000 р.

Гірко Володимир Сергійович, завідувач відділу біотехнології Миронівського інституту пшениці ім. В.М. Ремесла

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради, кандидат сільськогосподарських наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Успішна селекція озимої пшениці потребує розширення генофонду за господарсько-цінними ознаками. Одним із методів, що застосовується з цією метою, є метод індукованого мутагенезу. Як правило, для індукції формотворення використовуються різноманітні фізико-хімічні мутагени. Біологічні мутагени, до складу яких входять екзогенні ДНК, різного типу віруси, рослинні екстракти, складають менш численну і менш досліджену групу, ніж фізико-хімічні мутагени.

Поряд з загальноприйнятим ставленням до вірусів як до патогенних агентів, віруси також розглядаються як один із видів біологічних мутагенів (Гершензон, 1975; Дубинин, 1978). Мутагенна активність різних типів вірусів була доведена С.М.Гершензоном (1975) на класичному генетичному об’єкті — дрозофілі. Починаючи з 60-х років показано, що і фітовіруси, зокрема, вірус штриховатої мозаїки ячменю (ВШМЯ), здатні викликати спадкові зміни в основних зернових культур (Sprague, 1966; Бурдун, 1984; Черный, 1994). Проте якщо на таких об’єктах як дрозофіла чи культура клітин ссавців вірусний мутагенез досліджено досить детально (Набирочкин, 1987; Бужиевская, 1984), то на рослинних організмах, і особливо на пшениці, роботи вкрай нечисленні, а коло вірусів, для яких встановлена мутагенність, дуже обмежене. У зв’язку з цим актуальним залишається визначення мутагенних властивостей вірусів озимої пшениці і їх використання в селекційних дослідженнях.

Озиму пшеницю уражають численні віруси, деякі з них мають широке розповсюдження і становлять серйозну економічну загрозу. В той же час в Україні, і особливо в Центральному регіоні, вірусні хвороби озимої пшениці досліджені в меншій мірі, ніж грибкові захворювання. Тому актуальною проблемою залишається ідентифікація найбільш розповсюджених вірусів на посівах озимої пшениці і комплексне їх дослідження, включаючи різноманітні аспекти біології вірусів та їх шкодочинного впливу на озиму пшеницю.

Отже, віруси, з одного боку, становлять серйозну небезпеку як збудники хвороб озимої пшениці, тому актуальним є дослідження їх патогенних властивостей. З іншого боку, виходячи з відомого факту вірусо-індукованої мінливості, виникає потреба визначення мутагенних здатностей найбільш поширених вірусів озимої пшениці з метою їх можливого використання в селекційній роботі.

Мета і завдання досліджень полягала у доказі мутагенної дії патогенних вірусів озимої пшениці та у визначенні можливості їх використання для отримання селекційного матеріалу озимої пшениці. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Ідентифікувати і дослідити біологічні властивості найбільш поширених в Лісостеповій частині України вірусів озимої пшениці та визначити їх шкодочинний вплив на різні генотипи озимої пшениці.

2. Індукувати спадкові зміни морфофізіологічних ознак у різних генотипів озимої пшениці на основі мутагенної дії вірусів.

3. Дослідити можливість використання вірусо-індукованої мінливості в селекційній практиці.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота є складовою частиною тематичного плану Миронівського інституту пшениці ім. В.М. Ремесла УААН і виконувалась в рамках Державної комплексної науково-технічної програми 1996-2000рр. “Теоретичні основи селекції і насінництва сільськогосподарських культур” (0197U019454).

Наукова новизна. Встановлено, що найбільш поширеними в зоні Лісостепу України збудниками вірусних хвороб озимої пшениці є вірус жовтої карликовості ячменю (ВЖКЯ) та вірус смугастої мозаїки пшениці (ВСМП). Визначена патогенна та шкодочинна дія вірусів на озиму пшеницю, яка призводить до втрати половини урожаю.

Вперше доведено, що віруси озимої пшениці: ВЖКЯ і ВСМП проявляють мутагенну активність. Наслідком мутагенної дії вірусів є індукція спадкових змін за різноманітними ознаками у різних генотипів озимої пшениці. Частоти виходу вірусо-індукованих мутантних форм знаходяться в широкому діапазоні (0,2 % — 17,7 %), що створює передумови для добору за селекційно-цінними ознаками. Показано, що вірусо-індуковану мінливість можна використовувати в селекції озимої пшениці.

Практичне значення одержаних результатів. Мутагенну активність вірусів озимої пшениці пропонується використовувати як елемент біотехнологічних та традиційних селекційних програм в якості біотичних індукторів формотворення. Індуковано широкий спектр мутантних форм, які класифіковано за 19 ознаками, і використовуються як вихідний матеріал у селекційному процесі. 47 константних мутантних ліній вивчено в різних ланках сортовипробування. '

Особистий внесок здобувана полягає у тому, що здійснено планування, підготовку та проведення лабораторних і польових досліджень, проведено аналіз експериментальних даних, зроблено висновки.

Апробація роботи. Матеріали дисертації оприлюднено на Міжнародній конференції “Агробиотехнологии растений и животных” (29 - ЗО мая, 1997, Киев, Украина); IX International Congress on Plant Tissue and Cell Culture “Plant Biotechnology and In Vitro in 21st Century” (Jerusalem, Israel, June 14

- 19,1998); II International Symposium on Plant Biotechnology (4 - 8 October, Kyiv, Ukraine, 1998); II International Conference “Bioresources and Viruses” (7-10 September, 1998, Kyiv, Ukraine); II Міжнародній конференції “Використання сучасних молекулярно-генетичних і біологічних розробок у генетико- селекційних дослідженнях” (1998, Одеса, Україна); Міжнародній конференції, присвяченій 90-річчю Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва (Харків, Україна, 1999).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць, з них

8 статей у наукових журналах і збірниках, 7 тез доповідей на конференціях.

Структура роботи. Дисертація складається з вступу, огляду літератури за останні 40 років, опису методів досліджень, викладу результатів та їх обговорення, висновків та переліку посилань. Робота викладена на 138 сторінках друкованого тексту, містить 26 рисунків і 24 таблиці. Список літератури налічує 249 посилань, у т. ч. 146 публікацій іноземними мовами.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Ідентифікацію ВСМП та ВЖКЯ здійснювали, використовуючи комплекс вірусологічних методів.

Перенос ВСМП проводили механічною інокуляцією соком уражених рослин в розведенні 1:3 (сік:0,05 М фосфатний буфер, pH 7,4).Оцінку симптоматики проводили за 4-бальною шкалою, де 0 — здорові рослини, ... З — засихання листя, зупинка росту, загибель рослин. Перенос ВЖКЯ здійснювали за допомогою векторів-попелиць: злакова звичайна (Sitobion avenae F.), черемхова (Rhopalosiphum padi L.), звичайна велика (Schizaphis graminum Rond.). Оцінку симптоматики проводили за 9-бальною шкалою:

9 — здорові рослини,... 1 — засихання рослин.

ВЖКЯ очищували за методикою Hammond (1983), а ВСМП — за методикою Brakke (1968). Препарати з очищеним вірусом поміщали на сіточки з формваровою плівкою-підкладкою, контрастували 2-% розчином уранілацетату і проглядали в електронному мікроскопі.

Внутрішньоклітинну локалізацію вірусів досліджували методом ультратонких зрізів в електронному мікроскопі JEM -100 В за методикою Jensen (1969).

Серологічну діагностику вірусів здійснювали постановкою двох варіантів методу імуноферментного аналізу (ІФА): непрямого методу відповідно до Бобкової(1987), та сендвіч-варіанту відповідно до методики Skaria (1985).

Шкодочинність ВЖКЯ та ВСМП досліджували в умовах штучного клімату і в польових умовах, відповідно до описаної методики (Панарин, 1974). Для оцінки толерантності визначали вплив вірусів на деякі показники продуктивності рослин: висота рослин, кущіння, маса зерна з колоса та рослини.

Для робіт по вірусо-індукованій мінливості відбирали по декілька типових для конкретного сорту колосів, насіння з яких висівали для одержання рослин М,. В роботу включали 10 сортів різної селекції: 1) місцевої миронівської селекції —Миронівська 808, Миронівська 61, Миронівська 27, Миронівська остиста; 2) селекції іншого екотипу України

— Аврора 12, Одеська напівкарликова; 3) зарубіжної селекції — Flamura, Maris Templar, Oasis, Русалка. Більшість із них використовували лише в початкових експериментах при встановленні можливості мутагенної дії

вірусів, а в подальшому працювали в основному з трьома сортами: Миронівська 61, Миронівська 27, Ріатига, з якими провели по декілька дослідів. Рослини М, (50 - 100 рослин/варіант) в умовах штучного клімату інфікували, як правило, на стадії проростків, користуючись вірофорними попелицями (ВЖКЯ) чи механічним натиранням (ВСМП). Контрольні варіанти вирощували без зараження. Подальші дослідження виконували відповідно до методик, розроблених для дослідження мутагенезу, індукованого хімічними мутагенами (Зоз, 1968). Для запобігання можливого перехресного запилення ізолювали колосся головних пагонів уражених рослин М,. М2 отримували шляхом висіву в умовах селекційного розсадника по сім’ях насіння кожного колоса ураженої рослини (за вийнятком двох дослідів, в яких висівали все отримане у варіантах насіння від уражених рослин окремо за варіантами). Контрольні варіанти висівали в пропорціях відповідно до дослідних. Облік частоти мінливості проводили в М2 за кількістю змінених форм у потомстві кожного колоса уражених рослин і описували спектр мінливості. Характер успадкування змінених ознак досліджували в М5 і наступних поколіннях. Польові дослідження проводили в рамках традиційної селекційної схеми.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

ІДЕНТИФІКАЦІЯ, БІОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ШКОДОЧИННІСТЬ ВІРУСІВ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ

Вірус жовтої карликовості ячменю (ВЖКЯ). Уражені ВЖКЯ рослини озимої пшениці мають жовте чи червонувате забарвлення листя, відстають у рості і розвитку, формують коротший невиповнений колос і щупле зерно.

Віріони ВЖКЯ ізометричної форми з діаметром 25 нм виявляються в клітинах флоеми. Інфікування супроводжується значною цитопатичною дією на комплекс клітинних органоїдів: відбуваються структурні зміни та деградація ядер, мітохондрій, хлоропластів, збільшується кількість осміофільних глобул та мієлоподібних тіл, виявляються вірусо-індуковані включення. Отримані дані електронно-мікроскопічних досліджень вказують на можливу репродукцію вірусного геному в ядерному апараті.

Екстракти уражених рослин позитивно реагують з поліклональною антисироваткою до ВЖКЯ при постановці непрямого методу ІФА, достовірно переважаючи показники контролю.

Основними переносниками ВЖКЯ в Лісостеповій зоні України є попелиці видів ІІораІозірЬит расіі, БіїоЬіоп ауепае, БсЬігарІш §гатіпига, які переносили вірус з ефективністю 91,9 %, 68,2 %, 28,2 %, відповідно. Це вказує на існування трьох ізолятів ВЖКЯ: ЯРУ, МАУ, БСУ, які специфічно переносяться попелицями II. расіі, Б. ауепае, ЗсЬ.дгатіпиш. Присутній також РАУ ізолят, котрий неспецифічно переноситься попелицями Я. расіі і Б.ауепеа, і вважається найбільш розповсюдженим ізолятом ВЖКЯ (КосЬош, 1987).

Електронно-мікроскопічними дослідженнями показано, що в тканинах вірофорних попелиць містяться вірусні частки.

Інтенсивність переносу попелицями інфекції залежить від тривалості інокуляційного періоду та інфекційного навантаження. Ефективний перенос ВЖКЯ спостерігається після двохгодинного годування однієї особини попелиць на проростках і підвищується зі зростанням тривалості годування та збільшенням кількості вірофорних попелиць.

ВЖКЯ впливає на всі складові елементи продуктивності, що особливо позначається на масі зерна з рослини, яка знаходиться в межах 20 - 30 % від контролю при інфікуванні проростків.

Стійких до ураження ВЖКЯ сортів озимої пшениці не виявлено. В польових умовах більшість із 100 досліджених сортозразків уражалась в середньому на ЗО -50 % (табл. 1).

Таблиця 1.

Ураженість, урожайність та інтенсивність симптомів при польовій інфекції ВЖКЯ сортів озимої пшениці (середнє за 5 років)

Ураженість. Сорт % Розмах варіювання враженості Урожайність, % до контролю Розмах варіювання урожайності Бал ураження

Миронівська 61 48,4 37,7-65,2 37,3 32,3-43,4 5,8

Миронівська 808 34,6- 17,9-51,6 42,2 27,5-55,9 6,1

Миронівська 25 53,2 25,6-68,7 32,6 18,5-37,3 6

Maris Templar 70 45,2-89,1 59,2 52,5-64,5 5,5

F 54-70 46 30,1-58,8 38,5 26,5-43,7 6,1

NS 879/4 37,4 15,5-45,7 31,7 26,3-35,0 6,2

Процент зараження може коливатись за роками, що, очевидно, зумовлюється зовнішніми умовами і зміною кількості та вірофорності попелиць. Існує можливість градації на високочутливі і відносно стійкі до зараження сорти, які уражаються менш ніж на 40%. Однак в епіфітотійні роки такі відмінності між сортами зникають і вони всі уражуються на 100 %. Толерантність до ВЖКЯ серед досліджених сортів озимої пшениці є рідкісним явищем; при цьому толерантність і чутливість до ураження можуть не збігатися. Крім цього, в польових умовах бал ураження не пов’язаний з урожайністю (г = - 0,18 ±0,1), тому візуальна оцінка симптомів захворювання утруднює достовірне визначення толерантних сортів. Достовірного зв’язку між вірусним вмістом та продуктивністю також не виявлено: (г = - 0,211; 0,4 > Р > 0,25). Таким чином, найбільш надійним показником толерантності є рівень зниження продуктивності вірусоуражених рослин озимої пшениці.

ВЖКЯ в окремі роки може призводити до масового ураження посівів озимої пшениці, наслідком чого є значне зниження урожайності. Подібну ситуацію зафіксовано в сезоні 1998/99 року. Так, серед 3552 залікових рослин сорту Миронівська 61 лише 35 рослин не мали симптомів захворювання, тобто ураженість становила 99 %. Урожайність сорту Миронівська 61 на ділянках площею 10 м2 склала в середньому 24,0 ц/га проти 50,5 ц/га—середня урожайність попередніх безвірусних років (1995 -1998 рр.). Серед більш ніж 5 тис. сортів і гібридів озимої пшениці, оцінених на фоні епіфітотії, стійких до ураження ВЖКЯ не виявлено. Практично стовідсоткова ураженість озимої пшениці спостерігалась і на обстежених виробничих посівах господарств Миронівського і Канівського р-нів, відповідно Київської і Черкаської обл.

Таким чином, доведено, що інфекційним збудником жовтухи озимої пшениці, яку переносять декілька видів попелиць, є вірус жовтої карликовості ячменю (ВЖКЯ). Дане захворювання може мати широке поширення в окремі роки і відзначається високою шкодочинністю для більшості генотипів.

Вірус смугастої мозаїки пшениці (ВСМП). Симптоматика ВСМП: на листках рослин озимої пшениці утворюються штрихи і смуги блідо-зеленого кольору, які з часом жовтіють паралельно до жилкування; рослини відстають в рості і розвитку, формують коротший колос і дрібне зерно. В піхвах листків природньоінфікованих рослин виявлено мікроскопічні кліщі розміром до 0,2 мм у довжину, що належать до виду Асегіа Шіірае і є переносниками ВСМП (Ра1і\уа1,1980).

Віріони ВСМП ниткоподібні, довжиною біля 700 нм. Крім вірусних часток, у клітинах спостерігались цитоплазматичні включення типу циліндрів, пластин і розеток, що характерно для інфекції ВСМП (Ьап£епЬег§, 1986).

Сік заражених рослин позитивно реагує з антисироваткою до ВСПМ: показники ІФА переважають більш, ніж в 3 рази контрольний варіант.

Рослини озимої пшениці реагують на ВСМП зниженням усіх аналізованих показників продуктивності, а маса зерна з рослини при інфікуванні проростків досягає лише третини від контрольної (табл. 2).

Симптоматика і редукція урожаю залежать від стадії росту, на якій відбувається інфікування, і від генотипу сорту. Стійких до зараження ВСМП сортів озимої пшениці не виявлено. При інфікуванні на стадії проростків в умовах штучного клімату досягається практично повне зараження. Можливо виявити толерантні сорти (Ріатига), у яких симптоми проявляються слабко, а втрати урожаю менші, ніж у чутливих сортів (Миронівська 808). Можливо також здійснювати візуальну оцінку толерантності до ВСМП, оскільки симптоматика на ранніх стадіях захворювання позитивно корелює (г = 0,84 ± 0,06) із концентрацією віруса (за даними ІФА).

Таблиця 2.

Вплив ВСМП на елементи продуктивності рослин сорту Миронівська 61

Показники Вражені рослини Здорові рослини Процент до контролю

Висота рослин, см 73,9 ±1,2 95,5 ± 0,7 77,4

Продуктивне кущіння, шт. 2,5 ± 0,1 4,6 ± 0,2 54,3

Довжина головного колоса, см 6,7 ±0,1 7,6 ±0,1 88,1

Озерненість головного колоса, шт. 25,5 ± 0,7 36,0 ± 0,5 71,4

Маса зерна з рослини, г 1,5 ±0,1 5,3 ± 0,2 28,3

Таким чином, ідентифіковано вірус смугастої мозаїки пшениці (ВСМП) і показано його високу шкодочинність для озимої пшениці.

МУТАГЕННІ ВЛАСТИВОСТІ ВІРУСІВ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ Внаслідок інфекції ВЖКЯ і ВСМП, подібно до дії фізико-хімічних мутагенів, в потомстві вірусоуражених рослин (М2) вільних від віруса, оскільки дані віруси не переносяться через насіння, виникає мінливість за різноманітними морфофізіологічними ознаками, що успадковуються в наступних поколіннях. Мінливість торкається висоти рослин, форми і розмірів колоса і листя, остистості чи безостості, інтенсивності забарвлення рослин, скоростиглості, зимостійкості та інших ознак.

Вплив вірусного інфікування на рослини М, і зв’язок із мутабільністю в М2. Чітких залежностей між патогенним вірусним впливом на рослини М, різних генотипів озимої пшениці та мутабільністю в М2 не виявлено. В одних дослідах частота виходу мутантних форм у М2 вища в потомстві рослин, які зазнали більшого патогенного впливу в М, (табл. 3).

В інших дослідах патогенний вірусний вплив на продуктивність рослин М, не пов’язаний з мутабільністю в М2: частоти виходу мутацій різняться між варіантами, які не мають відмінностей за продуктивністю в М,, і навпаки, при наявності достовірної різниці у продуктивності рослин в М, частоти мутацій в М2 достовірно не відрізняються (табл. 4).

Таблиця 3.

Чутливість сортів озимої пшениці і їх мутабільність в М2 при інфікуванні ВЖКЯ рослин, що знаходяться на різних стадіях росту (середнє для 5 сортів)

Стадія Бал Висота Продуктивне Маса зерна Кількість Процент

зараже- рослин М1р кущння Мі, з рослини Мі, мутантних мутантних

ння % до контролю % до контролю % до контролю рослин рослин

Проростки 3,6 73,2±1,6* 56,9±2,9* 15,7±2,9* 126/5270 2,4±0,4*

Куїц'ння 5,4 90,7±1,3* 80,8±5,8* 23,7±2,9* 18/5302 0,3±0,15*

* - відмінності статистично значимі (Р < 0,05).

Таблиця 4.

Частота мутацій в М2 в залежності від вірусного впливу на продуктивність рослин озимої пшениці в М,

Сорт Обробка Маса зерна з рослини Мь % до контролю Кількість мутантних рослин М 2 Процент мутантних рослин М2

Миронівська 61 ВСМП 23,5 66/720 9,2*

ВЖКЯ 26,7 148/833 17,7*

РІатига ВСМП 26,2* . 16/704 2,3

ВЖКЯ 14,2* 8/847 0,9

* - відмінності статистично значимі (р<0.05)

Отже, між чутливістю вихідного матеріалу до вірусної мутагенної дії і мутабільністю можуть існувати різні залежності, що має місце і при дії фізико-хімічних мутагенів (Сальникова, 1975) і ефективність вірусо-індукованої мінливості, як і в інших випадках індукованого мутагенезу, очевидно, регулюється різноманітними факторами на клітинному, тканинному і організменному рівнях.

Прояв та успадкування вірусо-індукованих мутантних ознак. Досліджувані генотипи відрізняються деякими особливостями прояву вірусо-індукованих мутацій. На прикладі домінантної мутації — безостість—у сорту Біатига показано, що індукований вірусами мутагенез призводить до утворення різного мутантного сектора: очікуване утворення сімей з домінантним характером відношень (розщеплення 3:1) відбувається набагато рідше, ніж сімей з нестачею мутантного фенотипу (розщеплення 1:1,1:3) (табл. 5). Можливо, зменшення мутантного сектора зумовлюється

Таблиця 5.

Характер прояву в М2 безостих мутантів, індукованих мутагенною дією вірусів озимої пшениці у сорту Ріатига

Ознаки Очікувані відношення

3:1 X2 Р 1:1 X2 Р 1:3 X2 Р

Безості в М2 Остисті в М2 60 21 0,03 0,9-0,8 99 102 0,04 0,9-0,8 189 576 0,39 0,6-0,5

% від числа мутантних сімей М2 4.5 15,9 79,6

різною чутливістю до мутагенної вірусної дії рослинної популяції сорту (Дубинин, 1985;), а також різною ефективністю диплонтної та гаплонтної селекції (Шевченко, 1981).

У сорту Миронівська 61 спостерігалось утворення в М2 сімей з повністю мутантним фенотипом. Причому за зміненими ознаками вони часто подібні мутантним рослинам, що виявляються в сім’ях з мутантами. Дане явище досить рідкісне при хімічному та фізичному мутагенезі, оскільки більшість мутантних ліній в М2 розщеплюються на вихідні і мутантні форми. Вірусна індукція ранньої константності у мутантів нагадує дію етиленіміну (Эйгес, 1973). Виникнення повністю мутантних сімей може відбуватись за рахунок соматичного кросинговеру; внаслідок дії диплонтного і гаплонтного добору, які надають перевагу мутантним клітинам перед немутантними; в результаті одночасного порушення в обох нитках ДНК (Эйгес, 1973; Салганик, 1987). .

Основна частка змінених ознак успадковувалась в М3. Лише деякі напівкарликові та низькорослі форми в М3 досягали показників висоти контролю. Очевидно, їх низькорослість була наслідком сильної депресивної вірусної дії на рослини М,. Не успадковувались також деякі форми з булавовидним колосом та форми з додатковими колосками.

Характер успадкування визначається типом мутантної ознаки. Так, у сорту Ріатига найбільш мутабільною виявилась ознака —■ безостість. Виходячи з домінантного характеру даної ознаки, в М3 відбувається розщеплення на безості/остисті форми у відношенні 3:1. В М4 потомство остистих рослин константно зберігало ознаку остистість. При цьому такі лінії відрізнялись зід вихідного сорту за іншими ознаками (висота рослин, структура колоса), які супроводжували безостість при прояві в М2, що вказує на те, що їх утворення відбувалось, очевидно, внаслідок мутування блока генів.

Більшість ліній (57 із 87), отриманих від безостих в М3 рослин, розщеплюються в М4, як і в М}, на безості/остисті рослини у відношенні 3:1. У ЗО із 87 ліній безостість перебувала в гомозиготному стані, що близько

до теоретично розрахованого процента гомозиготності при моногенному розщепленні для третього покоління.

Таким чином, мутантні ознаки за винятком деяких морфозів успадковуються в М3 і наступних поколіннях. Характер успадкування залежить від типу мутантної ознаки. Домінантні ознаки, як правило, успадковуються з розщепленням. Константні сім’ї, очевидно, несуть рецесивні ознаки.

ОСОБЛИВОСТІ ВІРУСО-ІНДУКОВАНОЇ МІНЛИВОСТІ

Ефективність мутагенної дії ВЖКЯ та ВСМП. Особливості мутагенної дії ВЖКЯ і ВСМП вивчали в чотирьох дослідах, інфікуючи рослини сорту Миронівська 61. Частоти вірусо-індукованих мутацій у різних дослідах знаходились в широких межах (від 1 % до 17 %), що вказує на суттєву роль зовнішніх умов в процесах мінливості. За індукцією частот мутацій в двох дослідах переважала дія ВЖКЯ, а в двох інших — ВСМП. Середній же рівень мутабільності в обох вірусних варіантах однаковий: 10,2 ± 0,5 % — ВЖКЯ-варіант; 9,9 ± 0,5 % — ВСМП (табл. 6). За мутагенною активністю дані віруси поступаються дії ВШМЯ, який, за даними А.М. Бурдуна (1984) і И.В. Черного (1994), призводить до індукції мутацій у пшениці з частотою 30 і більше відсотків.

Таблиця 6

Частота і спектр мутацій, індукованих дією ВЖКЯ і ВСМП у рослин сорту Миронівська 61 в різних дослідах

Дослід Варіант Кількість мутантних рослин від загальної Процент мутантних рослин Спектр мутацій

ВЖКЯ 62/862 7,2 ± 0,9 3

1 ВСМП 28/1134 2,5 ± 0,4 4

Контроль 0/886 - -

ВЖКЯ 9/720 1,25 + 0,4 1

2 ВСМП 66/704 9,4 ± 1,4 2

Контроль 0/758 - -

ВЖКЯ 117/882 13,2 ± 1,1 8

3 ВСМП 216/1240 17,4 ± 1,1 13

Контроль 9/1041 0,9 ± 0,3 3

ВЖКЯ 148/833 17,7 ± 1,3 7

4 ВСМП 66/720 9,2 ± 1,1 2

Контроль 0/761 - -

Сума Середній процент Сума

ВЖКЯ 336/3297 10,2 ± 0,5 19

ВСМП 376/3798 9,9 ± 0,5 21

Контроль ' 9/3446 0,3 ± 0,1 3

Подібна ефективність мутагенної дії обох вірусів спостерігається і стосовно індукції спектрів мутацій. Таким чином, ВЖКЯ і ВСМП можуть ефективно впливати на процеси формотворення у озимої пшениці, а

ефективність мутагенної дії стосовно частот і спектрів мутацій, очевидно не має вірусної специфічності. Відсутність такої специфічності в дії різних в таксономічному відношенні вірусів озимої пшениці, які відзначаються високою патогенністю, системним характером інфекції і функціонуванням в рослинному організмі протягом тривалого періоду вегетації, може вказувати на стресовий характер вірусної інфекції, що має як фізіолого-біохімічні, так і генетичні наслідки. Так, стресову природу мутагенної дії ВШМЯ підтверджує той факт, що послідовностей вірусного геному в геномі рослин кукурудзи не виявлено, проте виявляються нові транспозноподібні елементи (Вгакке, 1984; МоШпдег, 1984). Вважається, що вірусна мутагенність може зумовлюватись різноманітними механізмами (Бужиевская, 1984): дією на генетичний апарат клітини різних літичних ферментів, зміною функціональності репаративних систем, безпосередньою взаємодією з клітинною ДНК при реплікації вірусів у ядрі, активізацією мобільних елементів, наявність яких доведена і в пшениці (Ріауеіі, 1988).

Роль сортових особливостей у процесах вірусо-індукованої мінливості. В чотирьох дослідах вивчали мутагенну дію ВЖКЯ на рослини трьох сортів: Миронівська 61, Миронівська 27, Ріашига.

Виявилось, що сорти миронівської селекції відзначаються високим рівнем індукованої ВЖКЯ мінливості, яка в середньому перевершує межу 10-ти відсотків, що більш ніж в 2 рази вище значень, отриманих для сорту Ріатига.

Усі виділені в дослідах по вірусо-індукованій мінливості на трьох сортах мутантні форми класифіковані за 19 ознаками: 1) високорослі; 2) низькорослі; 3) напівкарликові; 4) остисті; 5) напівостисті; 6) безості; 7) булавовидний колос; 8) призматичний колос; 9) щільний колос; 10) довгий колос; 11) короткий колос; 12) світло-зелене забарвлення листя; 13) темно-зелене; 14) ранньостиглі; 15) пізньостиглі; 16) короткий лист; 17) еректоїдний лист; 18) опушений, лист; 19) вузький лист.

Сорти реагують на мутагенну дію ВЖКЯ невипадковим чином. У кожному з них існує обмежена кількість ознак, які виникають в більшості дослідів, і на частку яких припадає більше половини мінливості в процентному відношенні (рис. 1) .

Так, у сорту Миронівська 61 мінливість торкається перш за все низькорослості і світло-зеленого забарвлення листя; у сорту Миронівська 27 — світло-зеленого забарвлення і низькорослості; у сорту Ріашига — безостості і високорослості. У миронівських сортів з найвищою частотою виникають форми з однотипово зміненими ознаками (низькорослість, світло-зелене забарвлення листя). Очевидно, підтверджується положення про те, що чим ближчі сорти за своїми генотипами, тим повинна бути вища подібність у частотах і спектрах індукованих мутацій при однотипових мутагенних обробках і умовах зовнішнього середовища (Сидорова, 1989).

Аналіз мінливості висоти рослин — однієї з найбільш мінливих ознак

Ш Миронівська 61

’ Ознаки .

Рис. 1. Розподіл частот мутантних ознак, індукованих ВЖКЯ у сортів Миронівська 61, Миронівська 27, Ріашига

при дії різноманітних мутагенів — показав, що напрямок мінливості визначається розвитком ознаки у вихідного сорту. Мутантні форми зі зниженням ознаки виникають частіше, якщо у вихідного сорту ознака має високий рівень розвитку. Від низькорослого сорту Ріатига (висота рослин біля 70 см) внаслідок вірусної дії важко отримати ще більш низькорослі форми, а переважно виникають вищі мутанти, тоді як у сортів Миронівська 61 і Миронівська 27, висота рослин яких знаходиться в межах 100 см, в більшості випадків відзначається зниження висоти у мутантних рослин. '

В цілому, внаслідок мутагенної дії ВЖКЯ частіше всього відбувається зміна висоти рослин, забарвлення рослин, будови колоса, безостості/ости-стості, форми і розмірів листя, скоростиглості.

Таким чином, мутагенність вірусів озимої пшениці, очевидно, зумовлюючись стресовим характером дії, не проявляє специфічності відносно частоти індукції мутацій і їх спектра. Разом із тим, генотипові особливості вихідного матеріалу визначають як загальний рівень вірусо-індукованих мутацій, так і характер мінливості.

ПРОДУКТИВНІСТЬ ВІРУСО-ІНДУКОВАНИХ МУТАНТНИХ

' ЛІНІЙ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ

Більшість вірусо-індукованих мутантів, як і у випадку макромутантів, індукованшдією хімічних мутагенів (Сальникова, 1993), поступаються за продуктивністю вихідним сортам. Це, очевидно, пов’язано з тим, що у

макромутантів часто спостерігаються численні і комплексні мутації, тобто відбувається одночасна мінливість оліго- і полімерних генів, що позначається на функціональності того збалансованого комплексу, який існував у вихідного сорту.

Так, у сорту Миронівська 61 внаслідок вірусної мутаг енної дії отримано в трьох незалежних дослідах 68 ліній, константних починаючи з М3. В М4 більшість з них поступалась за урожайністю вихідному сорту, 26 — достовірно не відрізнялись від контролю, а 3 лінії (4,4 % від загальної кількості) переважали показники контролю (рис. 2).

[□1 02 03 і — досліди

Рис. 2. Продуктивність в М4 вірусо-індукованих мутантних ліній, отриманих в трьох дослідах у сорту Миронівська 61 (зірочкою позначені лінії, які достовірно переважають контроль).

Існує можливість індукції мутантних форм, які не поступаються за продуктивністю контрольним показникам, і поряд з цим мають інші селекційно-цінні надбання, такі як підвищений вміст білка в зерні (табл. 7).

Таблиця 7.

Мінливість деяких ознак у вірусо-індукованих махромутантів

Сорт, л ін ія Висота рослин, с м Маса зерна з ко л о с а ,г В м іст б іл ка , % Формула гл іа д и н ів

М а гів Т е т р Іа г

Контроль 9 6,4 ± 0.9 1,7 ± 0,1 1 4,1 941111

. № 87 80 ,9 ± 1 ,0 1.7 ± 0,1 1 4 ,8 14 1111

№ 100 73,3 ± 1 ,3 2,0 ±0,1 1 5 ,9 931111

№ 176 1 00,7 ±1 ,0 2,2 ±0,1 1 5,1 941111

Одеська н а п ів ка р л и ко в а

Контроль 67,0 + 1,1 1,6 ± 0,1 1 4 ,05 4 15 12 1

№ 12 9 90,9 ± 1 ,0 1 ,8 ± 0,05 1 6 ,1 5 4 15 111

№ 620 89,5 ± 0,8 1 ,5 ± 0 .08 1 5,9 4 15 111

На період 1999 року в різних ланках сортовипробування вивчалось 47 вірусо-індукованих ліній. Результати конкурсного сортовипробування вказують на можливість прямого добору господарсько-цінних ліній з комплексом морфо-фізіологічних змін і підвищеною урожайністю (табл. 8).

Таблиця 8.

Характеристика вірусо-індукованих мутантних ліній в конкурсному сортовипробуванні, 1998 р._____________________

Сорт, лінія Висота рослин, CM Стійкість до вилягання, бал Стійкість до бурої іржі, бал Початок колосіння, дата Урожай зерна, ц/га Відхилення від стандарту, ц/га

Миронівська 61,

стандарт 118 9 1 26.05 61,0 —

№584 115 8 3 25.06 67,7 +6,7

№779 116 9 5 29.05 62,0 +1

№365 131 9 3 26.05 59,0 -2

Maris Templar № 176 116 9 3 28.05 62,5 +1,5

Oasis №3260 104 9 1 . 28.05 71,0 +10

HIPos — — — — 4,1 —

Таким чином, мутагенна вірусна дія, індукуючи формотворчий процес у озимої пшениці за різноманітними ознаками, створює передумови для використання вірусо-індукованих форм в селекційному процесі в якості вихідного матеріалу чи для прямого добору господарсько-цінних ліній.

ВИСНОВКИ

1. Виявлено, ідентифіковано та досліджено біологічні властивості збудників вірусних хвороб озимої пшениці: жовтої карликовості ячменю (ВЖКЯ) і смугастої мозаїки пшениці (ВСМП). Обидва віруси відзначаються системним характером інфекції, цитопатичною дією на рослинний організм і високою шкодочинністю. Чутливі до вірусів сорти озимої пшениці при інфікуванні на ранніх стадіях росту втрачають понад 50 % урожаю. ВЖКЯ в окремі роки може мати широке розповсюдження на посівах озимої пшениці.

2. Внаслідок мутагенної активності, ВЖКЯ і ВСМП можуть індукувати формотворчий процес за різноманітними ознаками у різних генотипів озимої пшениці. Виділено 19 типів мутантних ознак. Змінені ознаки рослин озимої пшениці успадковуються в наступних поколіннях, що свідчить про їх мутантну природу.

3. Чіткої залежності між вірусним патогенним впливом в М, (вірусочутливістю вихідного матеріалу) та рівнем мутабільності в Мг не виявлено: частота виходу мутантних форм може бути вищою як в потомстві

вірусочутливих генотипів, так і в потомстві більш стійких генотипів озимої пшениці.

4. Прояв вірусо-індукованих мутацій в М2 залежить від генотипових особливостей вихідного матеріалу, а характер успадкування мутантних ознак визначається їх генетичною природою.

5. ВЖКЯ і ВСМП проявляють подібну між собою ефективність мутагенної дії. Частота виходу мутантних форм при дії обох вірусів може знаходитись у деяких сортів на рівні 10 %, а спектр індукованих ними мутацій в основному перекривається.

6. Частота і спектр мутацій, індукованих вірусною дією, визначаються генотиповими особливостями сортів озимої пшениці. При цьому частота виходу мутацій у межах одного сорту може мати широкий діапазон варіювання (1,25 % — 17,7 %). Генотипово близькі сорти відзначаються подібною мутабільністю.

7. Індуковані форми з селекційно-корисними ознаками такими, як

низькорослість та стійкість до вилягання, підвищений вміст білка в зерні, вища продуктивність рослин та іншими є цінним вихідним матеріалом для селекції озимої пшениці. .

8. Більшість вірусо-індукованих мутантих форм мають нижчу від вихідного сорту продуктивність, проте існує можливість прямого добору перспективних у селекційному відношенні мутантних ліній, частота утворення яких знаходиться в межах 5 %.

ПРОПОЗИЦІЇ СЕЛЕКЦІЙНІЙ ПРАКТИЦІ

Мутагенні властивості вірусів озимої пшениці рекомендується використовувати в практичній селекції з метою створення вихідного матеріалу, а також для прямого добору перспективних ліній. Для індукції спадкової мінливості у озимої пшениці рослини вихідних сортів, в умовах штучного клімату потрібно інфікувати вірусами на ранніх стадіях росту, а насіння від заражених рослин — висівати по сім’ях в умовах селекційного розсадника. Змінені форми треба відбирати в наступному після інфікування поколінні. Успадкування ознак в М3 вказує на мутантну природу мінливості.

Основні положення дисертації викладено у таких роботах:

1. Юхименко А.И., Сорокин В.В., Полункин Е.В. Вирусные болезни пшеницы и ячменя в зоне деятельности Мироновского НИИССП // Прогресс в селекции озимой пшеницы как фактор интенсификации производства зерна,- Сб. научн. трудов МНИИССП.- Мироновка, 1988,- С. 98 - 102.

2. Сорокин В.В., Юхименко А.И., Полункин Е.В. Оценка устойчивости сортов

озимой пшеницы к вирусу желтой карликовости ячменя//Биологические резервы

повышения урожайности зерновых колосовых культур.-Сб. научн. трудов МНИИСП,- Мироновка, 1989.- С. 67 - 70.

3. Юхименко А.И., Сорокин В.В. Сравнительная оценка лабораторной и полевой устойчивости сортов озимой пшеницы к вирусу желтой карликовости ячменя// Технологии возделывания зерновых колосовых культур и проблемы их селекции.- Сб. научн. трудов МНИИСП.- Мироновка, 1990.- С. 94 - 100.

4. Юхименко А Л. Показники стійкості сортів озимої пшениці до вірусу жовтої карликовості ячменю // Захист рослин.- 1998.- № 7.- С. 6.

5. Моргун В.В., Юхименко А.І., Волощук С.І., Гірко B.C. Інфекційні віруси озимої пшениці як біологічні мутагени //Доповіді НАН України.- 1999.- № 4.- С. 182- 186.

6. Юхименко А.І., Волощук С.І. Чутливість сортів пшениці озимої до мутагенної дії інфекційних вірусів // Вісник аграрної науки.-1999,- № 3.- С. 70 - 72.

7. Юхименко А.І., Поліщук В.П., Гірко B.C., Бойко А.Л. Епіфітотія віруса жовтої карликовості ячменю в сезоні 1998/1999 років // Захист рослин.- 2000.- №

3.- С. 7.

8. Юхименко А.І., Волощук С.І., Гірко B.C. Прояв і успадкування вірусо-індукованих мутацій озимої пшениці//Физиология и биохимия культ, растений.-2000.- Т. 32, № 4,- С. 309 - 313.

9. Yukhimenko A.I., Voloshchuk S.I., Girko V.S. Feseable nature of virus-induced variability in wheat // Abstr. II Intern. Symp. Plant Biotechnology.- Kyiv, Ukraine, 4

- 8 October 1998,- 1998,- P. 155.

10. Girko V.S., Voloshchuk S.I., Yukhimenko A.I. Inoculation of winter wheat callus culture by wheat streak mosaic virus II Abstr. IX Intern. Cong. Plant Tissue Cell Cult.- Jerusalem, Israel, June 14 - 19,1998,- 1998,- P. 144.

11. Girko V.S., Yukhimenko A.I., Voloshchuk S.I. Winter wheat variability induced by wheat streak mosaic virus // Ibid.- P. 144.

12. Yukhimenko A.I., Girko V.S. Biological peculiarities of barley yellow dwarf virus revealed in central region of the Ukraine // Abstr. II Intern. Conf. “Bioresurces and viruses”.-Kyiv, Ukraine, September 7- 10,1998,- 1998.- P. 225.

13. Yukhimenko A.I., Voloshchuk S.I., Girko V.S. Influence of infective viruses on processes of form production in winter wheat cultivars // Ibid.- P. 225.

14. Юхименко A.I., Волощук C.I., Гірко B.C. Роль сортових особливостей у процесах вірус-індукованої мінливості //36. матер. II Міжнар. конф. (м. Одеса).-Київ: Аграрна наука, 1998,- С. 70-71.

15. Юхименко А.І., Гірко B.C. Ідентифікація та біологічні властивості віруса смугастої мозаїки пшениці II Тез. доповідей міжнар. конф. “Наукові основи стабілізації виробництва продукції рослинництва”.- Харків, 1999,- С. 448 - 449.

АНОТАЦІЯ

Юхименко А.І. Патогенні та мутагенні властивості вірусів озимої пшениці і можливість їх використання в селекційній практиці.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук за спеціальністю 06.01.05 — селекція і насінництво. — Інститут землеробства Української академії аграрних наук, Київ, 2000.

Досліджено патогенні та мутагенні властивості найбільш поширених в Лісостеповій зоні України вірусів озимої пшениці: жовтої жовтої карликовості ячменю (ВЖКЯ) і смугастої мозаїки пшениці (ВСПМ). Наведено результати ідентифікації, дослідження біологічних властивостей та шкодочинної дії на озиму пшеницю ВЖКЯ і ВСМП. Встановлено індукцію спадкової мінливості за різноманітними ознаками у озимої пшениці внаслідок вірусного інфікування. Визначено ефективність мутагенної дії ВЖКЯ і ВСМП. Показано можливість використання вірусо-індукованої мінливості в селекції озимої пшениці.

Ключові слова: озима пшениця, віруси озимої пшениці, вірусо-індукована мінливість.

АННОТАЦИЯ

Юхименко А.И. Патогенные и мутагенные свойства вирусов озимой пшеницы и возможность их использования в селекционной практике.-Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.05 — Селекция и семеноводство.— Институт земледелия Украинской академии аграрных наук, Киев, 2000.

Комплексом вирусологических методов идентифицированы в Лесостепной зоне Украины возбудители вирусных болезней озимой пшеницы: желтой карликовости ячменя (ВЖКЯ) и полосатой мозаики пшеницы (ВПМП). Описана симптоматика заболеваний и морфология вирусов, выявлены пути переноса, переносчики вирусов и условия, влияющие на эффективность передачи инфекции, определен штамовый состав ВЖКЯ, изучено цитопатическое действие ВЖКЯ и ВПМП, показана возможность репродукци ВЖКЯ в ядре, доказано высокое вредоносное вирусное воздействие на озимую пшеницу, подобраны наиболее достоверные критерии оценки устойчивости озимой пшеницы к вирусам. Среди изученых генотипов озимой пшеницы устойчивых к вирусному заражению сортообразцов не обнаружено, показана возможность отбора толерантных форм. ВЖКЯ может иметь широкое распространение и в отдельные годы вызывает образование эпифитотий и ,как следствие, резкое снижение урожайности озимой пшеницы.

Установлено, что ВЖКЯ и ВПМП могут индуцировать формообразовательный процесс у озимой пшеницы. В следующем после вирусного инфицирования поколении растений, свободном от вирусов, поскольку ни ВЖКЯ, ни ВПМП не передаются семенами, выявлены формы с изменениями различных признаков. Изменения затрагивают высоту растений, строение колоса, остистость или безостость, окраску растений, скороспелость и другие признаки и наследуются, что указывает на мутантную природу изменчивости.

Установлено,что оба вируса с одинаковой эффективностью могут вызывать изменчивость у озимой пшеницы. При этом частоты выхода мутантных форм в пределах одного сорта варьируют в широким диапазоне изменчивости в разных опытах. Предполагается, что вирусное инфицирование приводит к стрессовому воздействию, имеющему генетические последствия. Выявлено сортоспецифическое влияние на частоту и спектр вирусо-индуцированной изменчивости. Показано, что большинство измененных форм уступают по продуктивности исходным сортам. Тем не менее существует возможность прямого отбора селекционно-ценных линий, частота возникновения которых пребывает на уровне 5 %. Выделенные вирусо-индуцированные линии возможно также использовать в селекции озимой пшеницы в качестве исходного материала.

Ключевые слова: озимая пшеница, вирусы озимой пшеницы, вирусоиндуцированная изменчивость.

ABSTRACT

Yukhimenko A.I. Pathogenic and mutagenic properties of winter wheat viruses and possibilities of using them in breeding practice.- Manuscript.

Dissertation to earn the scientific degree of candidate of agricultural sciences with specialization 06.01.05 — Selection and seed production.— Institute of Agriculture of the UAAS, Kyiv, 2000.

Pathogenic and mutagenic properties of the most spread in the Forest-steppe Zone of Ukraine viruses of winter wheat: barley yellow dwarf virus (BYDV) and wheat streak mosaic virus (WSMV) were investigated. Results of identification, investigation of biological properties and harmful effect of BYDV and. WSMV on winter wheat are presented. Induction of genetic variation by various characters in winter wheat due to viral infection was ascertained. Efficiency of mutagenic action of BYDV and WSMV was determined. Possibility of using virus-induced variability in winter wheat breeding was shown.

Key words: winter wheat, winter wheat viruses, virus-induced variability.