Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Внутривидовое разнообразие и наследование устойчивости твердой пшеницы (Triticum durum Desf. ) к бурой ржавчине

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Внутривидовое разнообразие и наследование устойчивости твердой пшеницы (Triticum durum Desf. ) к бурой ржавчине"

Р Г Б

о с •

ол

На правах рукописи

МАГОМЕДОВ Лифри Гамидович

УДК: 633.12.581.2

ВНУТРИВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И НАСЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТВЕРДОЙ ПШЕНИЦЫ (TRITICUM DURUM DESF.) К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ

Специальность: 03.00.15 — Генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена на Дагестанской опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова в 1992—1996 гг.

Научный руководитель — доктор биологических наук Альдеров

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Одинцова И. Г. и доктор биологических наук Михайлова Л. А.

Ведущая организация — Дагестанская сельскохозяйственная академия.

на заседании Диссертационного совета К 020.18.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н. И. Вавилова по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова.

А. А.

Защита диссертации состоится «

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Корнеев В. А.

Обчаяха^ктерисп^н^рабрты

Актуальность работы. Ржавчинные грибы широко распространены в природе; они стали как бы спутниками пшеницы и поражают растение на протяжении всего периода вегетации, наминая с фазы всходов до восковой спелости зерна. На территории нашей страны из трех видов ржавчины (стеблевой, желтой и бурой) наиболее распространена бурая ржавчина пшеницы,вызываемая грибом Puccinia recóndita Rob. ex Besm f. sp. tritlci. Наибольший ущерб бурая ржавчина приносит на Северном Кавказе, в Поволжье и в Центрально - Черноземном районе, где эпифитотии наблюдаются практически ежегодно.

Эффективным и экономичным способом защиты злаков от ржавчинных заболеваний является создание устойчивых сортов. Известно, что вследствие изменчивости популяций патогена, сорта пшеницы, устойчивые к бурой ржавчине, по истечении определенного времени могут терять своп устойчивость. Поэтому селекция на устойчивость ведется по непрерывному циклу. К настоящему времени науке известны и описаны более 40 генов, контролирующих устойчивость пшениц к бурой ржавчине. Большинство из них перенесены в геном мягкой пшеницы. Твердая пшеница в этом плане изучена значительно меньше.

В связи с этим, изучение наследования этого признака у сортов твердой пшеницы и выявление новых генов устойчивости является задачей весьма актуальной.

Цель и заЭачи исслебоеаний. Основной целью наших исследований являлось выявление закономерностей наследования и анализ наследс-твеной изменчивости устойчивости к бурой ржавчине вида твердой пшеницы (Т. durum Desf), а так же выделение источников устойчивости к данной болезни.

Для достижения псставленной цеЛи исследования проводились в следующих направлениях:

1} изучение внутривидового разнообразия твердых пшениц по устойчивости к бурой ржавчине в полевых ir лабораторных условиях;

2) выделение источников устойчивости к этой болезни.

ГО изучение характера генетической детерминации устойчивости твердой пшеницы к бурой ржавчине.

Научная новизна и практическая значимость. Намбспее полно исследовано внутривидовое разнообразие мировой коллекции твердой пшеницы (Т. durum Desl) по устойчивости к бурой ржавчине. Выявлены образцы, устойчивые к бурой рзипчино кт в гтолепнх, так и в л año-

раторных условиях. Впервые показано широкое распространение гена Ьг 23 среди устойчивых к бурой ржавчине образцов твердой пшеницы. Изучен характер генетической детерминации устойчивости к возбудителю бурой ржавчины, отдельных образцов твердой пшеницы и установлено, что устойчивость к данному патогену у различных сортов' контролируется олигогенно.

Выделенные найди устойчивые сорта в ювенильной и во взрослой стадиях развития и характеризующиеся комплексом хозяйственно-ценных признанов, представляют интерес для практической селекции.'

Апробация работы. Результаты работы были доложены на научных конференциях молодых ученых ВНИИР ш. Н.И.Вавилова (1992-1996 гг.), на ученых советах Дагестанской опытной станции ВИР <1992 -19Э& гг.), в отделе генетики ВНИИР (1992 - 1996 гг.), на юбилейной конференции посвященной 60-летию ДОС ВИР (Дербент - 1995). .

По материалам диссертации опубликованы 2 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 84 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав и выводов, содержит 20 таблиц и 2 рисунка. Список использованной литературы включает 149 наименований.

Условия и методы проведения исследований.

Исследования проводили в 1992 - 1996 гг. на Дагестанской опытной станции ВИР (г.Дербент). Станция расположена в южной плоскост-нсй зоне Дагестана. На западе, примерно в 2-3 км располагаются внутренние горные хребты, возвышающиеся до 700 и и более над уровнем моря. Близость Каспийского моря к сравнительно резко возвышающейся горной части, искусственное орошение, а также различное направление горных "хребтов относительно основных воздушных потоков создают специфическую ситуацию для распределения водно-теплового режима и развития грибных заболеваний пшеницы.

Климат сухой, субтропический. Зима мягкая, непродолжительная, Саше холодные месяцы - январь, февраль (среднемноголетняя температура +1 - +1,4 С.), Весна ранняя, затяжная, прохладная. Лето жаркое, сухое. Самые теплые месяцы - июнь, июль (среднемноголетняя температура +21,3 - + 24,4 С, среднее количество осадков 23,0 и 191,11.1 .соответственно). Основное количество осадков выпадает в

осенне-зимний период (80-90 % годовой нормы). При годовом количестве 'осадков-400-500 ни. на испарение тратится 1000 мм.

Погодные условия в годы проведения экспериментальной работы, п целом были благоприятными для развития растений и, в том число, гриба-возбудителя бурой ржавчины, которая отмечается ежегодно'и в иные годы достигает высокой степени развития.

При полевой оценке устойчивости к бурой ржавчине использовали Методические указания по изучению мировой коллекции пшеницы; (Ру-. денкоМ. И., Шитова И.П., Корнейчук В.Á., 1977). Учет поражения коллекционных образцов болезнями проводили по 9-ти бальной шкале поражаемое™. Для создания жесткого инфекционного Фона посев проводили в поздние сроки (январь). Вдоль посевных лент высевали восприимчивые к бурой ржавчине сорта Харьковская 46 и Little Club. Оценку поражения проводили в фазе молочно-восковой спелости зерна.

Лабораторные исследования проводили с использованием отрезков . листьев, помещенных в водный раствор бензимедаэола (Л.А.Михайлова, К.В.Квитко, 1970). Эта методика основана на способности бензимида-'зола поддерживать метаболизм в тканях отсеченных листьев на уровне, позволяющем сохранить свойственную растению реакцию на заражение. Растения для последующей инокуляции выращивали в кюветах с ватой, смоченной водой, на Светоустановке с интенсивностью освещения 5-8 тыс. лк. н температуре 19-22 С . Листья разрезали на отрезки 0,6-0,7 см и раскладывали в кюветы на вату, смоченную .0,004-0,005% раствором бензпиидазола.

Соответствие теоретических и фактических данных расщепления гибридов'определяли по критерию хи-ктадрат (Рокицкий П.Ф., 1973).

В исследования было включено 500 образцов твердой пшеницы из мировой коллекции ВИР разного эколого-географического происхождения. Данный набор вкчючает сорта современной селекции и местные стародавние образцы, которые представляют интерес как возможный источник генов устойчивости, отличающихся от известных в настоящее время. Для целей генетического анализа использованы ' образцы k-61082 Adamollo (Италия), к-60400 Sanol 77 (Сирия), Н-61118 СМ 19742 (СМ), к-61134 12899211 (СТА), .U-61648 Коринла (Алжир), к-41604 Харьчовская 46 (Украина).

Результаты исследований.

ВнутриоиЗооое разнообразие тверЭой пшеницы по.истойчибости к бурой ржавчине.

Согласно нашмм исследованиям, твердая пшеница характеризуется широкой амплитудой изменчивости по устойчивости к бурой ржавчине. Среди них встречаются образцы всех групп устойчивости: от сильно восприимчивых (поражение 9 баллов) до абсолютно устойчивых (поражение 0 баллов).

Полученные наш данные приведены на рисунке в виде гистограммы. Особый интерес представляют образцы, укладывающиеся в промежутке от "О" до "3" баллов поражения, которые обладают высокой степенью устойчивости к бурой ржавчине и составляют 10,4 % от общего количества изученного сортимента ( си, рис.). Как показали наш наблюдения, сред« твердой пшеницы в основном встречаются образцы со средней устойчивость» (поражение 5 баллов). Такой устойчивостью обладают 63 % изученных образцов. Выявление большого количества образцов со

Количество.

образцов <я «

■¡5

и-

О

Г~1

1

3

5 , 7 Поражаемость

Рис. Распределение 600 образцов Т.бигиш по устойчивости к бурой ржавчине.

9

баллах.

средней устойчивостью вероятно, в значительной степени связано с наличием в генотипах слабоэффективных к дербентской популяции гриба аллелей Ьг генов.

По результатам исследований обнаружено 52 образца твердой пшеницы, обладающие устойчивостью к дербентской популяции бурой ржавчины, которые являются представителями разных эколого-географичес-кого групп. Наиболее высокий процент устойчивых образцов встречается среди паениц Средиземноморья и Передней Азии. Так, из изученных 72 образцов Северной Африки, устойчивостью к бурой ржавчине обладали 25 %. Ближний Еосток был представлен 77 образцами, из которых 18,2 Ж проявили высокую полевую устойчивость.

Несмотря на достаточно большую выборку, встречаемость устойчивых образцов в некоторых группах была очень низкой. Тан, все 63 образца из Казахстана были неустойчивыми к патогену. Среди исследованных российских образцов твердой гаеницы лишь один (к-35052, . Дагестан) обладал высокой устойчивостью к бурой ржавчине.

Выявленные нами закономерности вполне соответствуют закону сопряженной эволюции растения-хозяина и паразита, согласно которому наиболее устойчивые формы можно обнаружить в центрах происходи дения и разнообразия, где происходит интенсивное развитие и формирование как растения-хозяина, так и патогена.

Реакция устойчивых образцов тверЭой пшеницы к клону, тестирующему ген 1г 23

И.Г.Одинцова и другие (1982, 1989) определили, что 50 % устойчивых образцов яровой мягкой пшеницы имеют ген Ьг 23, независимо от их происхождения.

Результаты наших исследований показали, что из 13 образцов твердой пиеницы, устойчивых к бурой ржавчине в фазе проростков 6 были восприимчивы к клону, вирулентному к гену Ьг 23 Ы-61082. Италия; к -17845, Кипр; к-14442, Турция; к-17398, Иордания; к-16226, Алжир и к-62633, Румыния). Мы считаем,что устойчивость эт.их образцов определяется эффективным геном Ьг 23. Остальные 7 образцов- устойчивые как к популяции бурой ржавчины, тач и к клону, вирулентному.к гену Ьг 23, могут иметь отличный от Ьг 23 ген (ге-нн) в сочетании с Ьг 23.

Устдойчиаость таерЗой пшеницы о зааисхшости от фазы развития и Элины вегетационного периоЭа.

В результате исследований выделено 13 образцов твердой пшеницы, устойчивых к дербентской популяции бурой ржавчины в ювенильной фазе (табл. 1). Особый интерес для селекции могут представлять образцы с типом реакции "О", как возможные источники устойчивости. В наших исследованиях обнаружено 4 образца с таким типом реакции.

Таблица 1. Образцы твердой пшеницы устойчивые к бурой ржавчине в

ювенильной стадии

1 ------- - № каталога 1 ! Происхождение Сорт 1 1Тип реакции 1 Поража- 1

1 ВИР I 1 1 1 • 1 1 1 (балл) емость 1 в поле 1 (балл) 1

1 1 к-61082 1 1 Италия АйатеНэо 10 0 1

1 к-17845 ■ 1 Кипр \/гоиЬоа 1 2 1 1

1 к-14442 1 Турция 1 1 0 1

1 к-49997 1 Турция 1 1 0 1

1 к-61648 1 Сирия Коринла 1 0 0 1

1 к-17398 1 Иордания 1 2 1 1

1 к- 5307. 1 Алжир АЬ1-е1-Каёег 1 1. 0 1

1 к-16226 1 Алжир 1 -о' 0 1

I к-60408 1 Алжир 8апе1 77 1 0 0 1

1 к-49460 1 Пакистан. 1 2 1 1

1 к-62633 1 Румыния БЕ-13-84 1 г 0 1 и 1

1 к-61118 1 США СМ 19742 1 1 0.1

1 к-61134 | 1 СЙА 1 128992 & 1 0 1 0 1 г. ,., „1

Зги данные подтверждают имеющиеся в литературе сведения о том. что если тот или иной образец проявляет устойчивость в фазе проростков, то данный образец устойчив- и во взрослом состоянии. Так все 13 образцов, проявившие устойчивость в ювенильной фазе, были устойчивыми на естественном инфекционном фоне в фазе флаг листа.

Кроме того нами было исследовано влияние длины вегетационного

периода различных сортов на устойчивость к бурой ржавчине. Результаты опыта показали, что из всего количества изученных образцов скороспелостью отличаются 22 %. Среди них 8,2 % проявили полевую устойчивость к бурой ржавчине. Как оказалось, у твердой пшеницы преобладают образцы со средней длиной вегетационного периода (55 %), но доля устойчивых образцов среди них очень низкая и составляет всего 1,4 Ж. Снижение доли устойчивых образцов характерно и для позднеспелых пшениц: обнаружены 0,8% устойчивых из 23,2% позднеспелых пшениц.

таким образом, устойчивые образцы чаще встречаются среди пшениц с коротким вегетационным периодом. С увеличением длины вегетационного периода количество устойчивых образцов резко снижается, Вероятно, скороспелые образца успевают уходить от нарастающей инфекционной нагрузки бурой ржавчины.

• •

Характер наследования устойчивости твербой пшеницы к: бурой ржавчине.

Растения от скрещивания устойчивых сортов с восприимчивыми не поражались бурой ржавчиной, что указывает на доминирование устойчивости.

Ни в одной комбинации не обнаружено различий между реципрокны-ми гибридами, что может свидетельствовать об отсутствии влияния, цитоплазмы на этот признак.

Генетический контроль устойчивости к бурой ржавчине.

Расщепление по устойчивости в гибридных комбинациях ^ от ре-ципрокных скрещиваний устойчивого сорта к-61134 (США) с восприимчивым сортом Харьковская 46 (Х-46) в полевых условиях было следующее: 146 устойчивых растений к 40 восприимчивым (прямая комбинация) и 160 устойчивых растений к 47 восприимчивым (обратная комбинация). Это соотношение с высокой вероятностью соответствует теоретическому 3:1 (Х= 1,21 и 0,58 соответственно) (табл. 2).

В лабораторных исследованиях результаты расщепления в этих комбинациях оказались следующими: 54 устойчивых к 26 восприимчивым и 64 устойчивых к 16 восприимчивым растениям. Расщепление проходило также по моногенной схеме (X4" 2,40 и 0,58 соответственно).

Реципрокных различий в характере расщеплении гибридоЕ в полевых и лабораторных условиях обнаружено не было. Ввиду их отсутствия в дальнейшем будут представлены суммарные данные расщеплений.

Аналогичная картина расщепления в полевых и лабораторных условиях обнаружена у гибридов Х~46 с 3-мя устойчивыми сортами к-61118 (США), к-60408 (Алжиру и к-61082 (Италия) (табл. 2).

,Эти данные были нами подтверждены при изучении гибридов третьего поколения. Так в гибридной комбинации к-61134 х Харьковская 46 В полевых условиях соотношение семей % оказалось: 15 устойчивых, 31 расщепляющихся и 14 восприимчивых; соотношение очень близкое к 1:2:1 (^=0,1). В лабораторном опыте соотношение семей Рз было 19:37;24, что также указывает на моногенный характер наследования устойчивости 1:2:1 (А.= 0,95). Такое же соотношение устойчивых, расщепляющихся и восприимчивых семей в третьем поколении было обнаружено среди гибридов устойчивых сортов: к-61118, к-60408 и к-61082 с восприимчивым сортом Харьковская 46.

Исходя из полученных данных мы считаем, что устойчивость к бурой ржавчине сортов к-61118, к-61134 (США), к-60408 (Алжир) и к-61082 (Италия) контролируется одним доминантным геном,.

Таблица 2. Расщепление по устойчивости к бурой ржавчине гибридов устойчивых образцов твердой пшеницы с восприимчивым тестером Харьковская-46 в полевых условиях.

Гибридные 1 Кол-во 1 Расщепление 1 Соотношение! 1 Х2

комбинации 1раст-й1 И : Б 1 1 1

X.46' х к-61134 186 146:40 3:1 1.21

к-61134 х X. 46 207 160:47 3:1 0, 58

к-61118 х X. 46 277 215:62 3:1 1,01

к-60408 х X. 46 472 371:101 3:1 3,81

к-61082 х X. 46 278 19Э: 79 3:1 1,72

к-616.48 х X. 46 . 199 167:32 13:3 ' 0; 93

Гибридологический анализ устойчивости к болезням устойчивого '"орта к-61640 (Сирия) с Харьковской 46 и половых условиях выявил 167 устойчивых я 32 васпрттвых растений, что свидетельствует о

- и -

пигенном различии исходных форм, по изучаемому признаку (13:3;

В лабораторном опыте среди растений' этой гибридной комбинации было обнаружено соотношение растений 71:9 по устойчивости к ржавчине, что танже отвечает гипотезе о дигенном различии исходных форы 13:3 (Д=2,95). Анализ семей третьего поколения гибридов этой комбинации с высокой вероятностью подтвердил результаты изучения второго поколения. Так в лабораторных исследованиях соотношение устойчивых, расщепляющихся и восприимчивых семей $ било близким к ожидаемому 7:3:1 (Х=0.65).

Таким образом, устойчивость к бурой ржавчине у образца к-6164.8 (Сирия) контролируется двумя генами - доминантным и рецессивным.

Идентичность гонов, контролирующих устойчивость тсерЗой пшеницы к бурой ржавчине.

Для выяснения идентичности генов, контролирующих устойчивость твердой шоницы к бурой ржавчине, использованные наш устойчивые сорта были включены в гибридизацию между собой. Среди( гибридов двух американских образцов к-61118 х к-61134 не было обнаружено расщепление по устойчивости, поэтому нами было сделано заключение сб идентичности их генов, контролирующих изучаемый признак.

Как следует из табл. 3, гибридные растения ?г , полученные с участием американского сорта к-61134 с сортам к-60408 (Алжир) и к-61082 (Италия), у которых устойчиоость контролируется одним геном с сорташ 8апе1 77 из Алжира и АбатеПо из Италии, у которых также устойчивость определяется одним геном, расщеплялись во втором поколении в полевых условиях 90:10 и 67:8, что близко к теоретическому 15:1 (Д=2,40 и 1,52 соответственно).

В лабораторных исследованиях с использованием бензимидазольного метода у этих гибридов было выявлено соотношение по устойчивости 71:9 и 72:8, что также соответствует теоретически ожидаемому 15:1 (¡^ =3,41 и 1,82 соответственно), при взаимодействии двух неаллельиых генов устойчивости. Полученные результаты были проворены в . Соотношения устойчивых, • расщепляющихся и восприимчивых семей и в полевом и в лабораторном опытах подтверждали результаты гибридологического анализа различий исходных форм по аллолш двух генов. Так, в лабораторном опыте среди семей ?3 гибридов к-60408 х к-61134 между

собой, оказалось 19 устойчивых,17 расщепляющихся и 4 восприимчивых, что соответствует теоретическому соотношению 7:8:1 СХ=1>65).

В гибридной комбинации к-61134 х к-61648 во втором поколении наблюдали соотношение непоражаемых и восприимчивых растений 391:20 в полевых условиях и 153:7 в лабораторном опыте, что с высокой степенью достоверности соответствует 61:3 (Хг-0,02 и 0,03 соответственно) (табл. 3). Это подтверждено анализом третьего поколения, где соотношение семей оказалось в лабораторном опыте 53 устойчивых, 25 расщепляющихся и 2 восприимчивых' (37:26:72). (таблица 3). Исходя из этих результатов, мы считаем, что образец к-61134 и образец к-61648 не имеют идентичных генов устойчивости.

Гибриды устойчивых сортов к-61648 с к-60408 и к-61648 с к-61082 во втором поколении расщеплялись по устойчивости к возбудителю бурой ржавчины, что говорит об отсутствии у этих образцов идентичных генов, контролирующих данный признак. Но этот вывод предположителен, так как исследовано недостаточное количество.растений.

Таблица 3. Идентичность генов устойчивости н бурой . .

ржавчине гибридов % в полевых условиях.

Гибридные IКол-во! Соотношение IРасщеплениеI К2

комбинации . (раст-йI I I

к-61648 х К-6111В 121 114: 7 61:3 0,32

к-61118 х к-60408 109 .100' 9' 15:1 0,74

к-61134 х к-61648 411 391:20 61:3 0.07

к-61134 х к-60408 100 90:10 15:1 2, 40

к-61118 х н-61134 . 80 - -

к-61082 х к-61134 75 67: 8 15:1 1,52

к-61082 х К-8Ш8 . 59 52: ? 15:.! 1,77

к-61082 х к-60408 59 СЛ -.3 15:1 0,83

В Рг к-60408 х к-61082 наблюдали расщепление по двум генам устойчивости. В полевых условиях соотношение устойчивых растений к •восприимчивым бкло 57:2 (табл.3),- а в лабораторных - 72:8. что близко к теоретическому 15:1 и 1,32 соответственно). В

треть'лд поколонда соотношение ссмсй онпзапось: в полевом опыте - 12

устойчивых, 22 расщепляющихся и 4 восприимчивых; в лабораторном -16 устойчивых, 20 расщепляющихся и 4 восприимчивых. Эти соотношения близки к Т.8'. 1 (1_=2,67 и 1,02 соответственно).

Результаты гибридологического'анализа можно суммировать следующим образом.

1) Сорт Adamollo (к-61082) из Италии несет ген устойчивости Lr 23. •

2) Сорта Sanel 77 (к-60648) из Алжира , СМ 19742 (к-61118) и 128992 h (к-61134), США защищены доминантным геном устойчивости, отличающимся от Lr £3.

3) Сорт Коринла (к-61648) из Сирии имеет один доминантный и один рецессивный ген, контролирующий устойчивость к бурой ржавчине.

Выводы

1. Среди сортимента вида твердйй пшеницы значительное место занимают образцы с промежуточным уровнем устойчивости н бурой ржавчине. Встречаемость устойчивых образцов в центрах происхождения твердой пшеницы вьше, чем н в других эколого-географических группах.

2. Высокая устойчивость растений твердой пшеницы к' бурой ржавчине может быть как доминантным так и рецессивным признаком.

3. Гены устойчивости к бурой ржавчине, проявляющиеся в фазе всходов, могут сохранять эффективность на протяжении всего периода онтогенеза растений твердой пшеницы.

4. Большинство устойчивых в ювенильной фазе образцов твердой пшеницы защищены геном Lr 23. Установлено широкое распространение гена Lr 23 среди генотипов устойчивых образцов этого вида,

5. Образцы твердой пшеницы к-49992. к-61648, к-49460. к-5307, к-60408, к-61118, к-61134 защищены генами устойчиовсти к бурой ржавчине, отличающимися от Lr 23. '

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Магомедов Л.Г. Внутривидовое разнообразие твердой пшеницы (T.durura Desí.) по устойчивости к бурой ржавчине// Бюл. ШР. -СПб., 1995,- Вып. 234. ^ С. 13-15.

2. Магомедов Л.Г. Наследование устойчивости к бурой ржавчине гибридами Fj , Fb , F3 твердой пшеницы (Triticum duran De»f.)-V/ Tp по прикл. бот., ген. и сол. ВИР. - 1997. - Т.154. - С.88-91.