Биотехнологическая характеристика образцов яровой пшеницы в Предбайкалье по наличию локуса Fhb1 к устойчивости к фузариозу колоса

Яровая пшеница – культура, обеспечивающая стабильность мирового рынка зерна, однако одним из факторов, снижающих валовые сборы и качество урожая на 30%, является поражение фузариозом колоса ( Fusarium head blight ). Один из путей решения данной проблемы – создание устойчивых сортов [1].

Устойчивость к фузариозу колоса является комплексным признаком, детерминируемым множеством генетических факторов, проявление которых в значительной степени подвержено влиянию абиотических условий [8]. Скрининг зерновых для оценки реакции на фузариоз колоса ( FHB ) происходит по всему миру и включает разнообразные методы. Относительно недавно к исторически сложившемуся отбору на устойчивость к FHB , основанному на фенотипических оценках, добавился и анализ количественных локусов устойчивости ( QTL ) с помощью молекулярно-генетических маркеров ( MAS) [5]. В качестве основных доноров устойчивости к FHB в мире используются озимые сорта пшеницы Sumai 3 и их производные Nobeokabozu komugi, Frontana, Ringo Star, Arina [1].

Объекты и методы исследований

С целью изучения проблемы генетической детерминации фузариозоустойчивости растений были использованы 4 сорта яровой пшеницы Предбайкальской селекции. Они устойчивы к местным абиотическим факторам среды обитания и высокопродуктивны (табл. 1).

Биологическая продуктивность Предбайкальских сортов, г/м2

Таблица 1

Сорт	Масса зерновки, мг	Масса зерновок в колосе, г	Биологическая семенная продуктивность, г/м2
Ангара 86	33,58±0,25	1,02±0,06	577±2,04
Скала	38,47±0,06	1,12±0,07	560±1,12
Тулун 15	24,57±0,17	0,32±0,03	448±1,25
Тулунская 12	31,09±0,21	0,96±0,07	528±1,04

Известно [2], что у растений показатель продуктивности находится в обратной корреляционной связи с признаками абиотической устойчивости. Как показали данные таблицы 1, в перерасчете на 1 га площади продуктивность сортов составляла от 4,48 т/га (Тулун 15) до 5,77 т/га (Ангара 86). Это означает, что сорта высокопродуктивны. Тем не менее этот показатель был достоверно различен. Так, продуктивность сорта Тулун 15 была на 30% меньше наиболее продуктивного сорта Ангара 86. Остальные два сорта (Скала и Тулунская 12) существенно не отличались от сорта Ангара 86.

Наряду с этим данные сорта существенно отличались друг от друга по генетическому разнообразию родительских пар (табл. 2), что повышает методологическую ценность объектов исследования. В данном аспекте проблемы особую значимость представляют сорта Ангара 86, Скала и Тулунская 12, так как они различны либо сходны по родительским парам. В частности, у сортов Ангара 86 и Тулунская 12 материнские особи - это сорт Безостая 1. У сорта Ангара 86 Безостая 1 использована в яровой форме, а у сорта Тулунская 12 - в озимой форме. Это дает возможность выяснить влияние формы развития растений на механизмы передачи локуса фузариозаустойчивости. Так как у этих двух сортов отцовские особи различны, то предоставляется возможность определить влияние их на этот же процесс передачи локуса фузариозоустойчивости через мужские особи.

Сорт Скала привлечен в эксперимент также для того, чтобы показать: если окажется, например, что сорт Ударница обеспечивает потомству устойчивость к фузариозному поражению, выступая в роли отцовской особи (сорт Ангара), то сохраняется ли это генетическое свойство у сорта Ударница, когда он выступает в роли материнской особи (сорт Скала)?

Таблица 2

Генетический фонд, использованный при создании Предбайкальских сортов

Сорт	Родительские пары
	9	J
Ангара 86	Безостая 1 (яр. форма)	Ударница
Скала	Ударница	Гарнет
Тулунская 12	Безостая 1 (оз. форма)	Бирюсинка
Тулун 15	Харьковская 93	Тулунчанка

Таким образом, 4 сорта пшеницы были выбраны в качестве объекта исследования для решения проблемы генетического механизма передачи потомству локуса Fhb1 , определяющего устойчивость растений пшеницы к поражению фузариозом.

В ходе наших исследований с помощью молекулярного маркера WMS 493 (рис. 1) были проанализированы, как уже отмечалось, 4 местных сорта и 8 гибридных линий F3 поколения, полученных в Биотехнологическом центре Иркутского государственного аграрного университета, с участием образца Sumai 3 и яровизированного образца Sumai ЯР, несущих локус устойчивости к фузариозу QTLfhs.3BS ( Fhb1 ) [4].

Рис. 1. Электрофорез продуктов амплификации ПЦР-реакции маркера Wms493 на сортообразцах (М – маркер молекулярного размера; 1 ‒ Sumai 3; 2 – Sumai ЯР; 3 – Ангара 86; 4 – Скала;

5 – Тулун 15; 6 – Тулунская 12; 7- Gl 1, 8 – Gl 11; 9 – Gl 2; 10 – Gl 22; 11 – Gl 3; 12 – Gl 33;

13 – Gl 4; 14 – Gl 44)

Оценку пораженности фузариозом проводили по поражению визуально согласно Miedaner с соавторами в баллах и по пораженности зерна при визуальном выявлении и подсчете пораженных и непораженных зерен [7]. Выделение тотальной ДНК из мицелия фузариума проводили по методике Möller с модификациями [3]. Выделение ДНК осуществляли из молодых листьев и корешков с некоторыми модификациями по методу Bernatzky и Tanksley [6]. Статистический анализ результатов осуществляли с помощью пакетов программ MS Excell и AGROS2.11.

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования, представленные в таблице 3, показали, что у обоих доноров яровой и озимой пшеницы, являющихся носителями локусов Fhb1 и Fhb2 соответственно (№ 1 и 2), исследованных методом молекулярно-генетического контроля, идентифицирован наиболее функционально активный локус, снижающий поражаемость колоса и зерновки до минимума.

У всех четырех сортов Предбайкальской селекции, как и следовало ожидать, локус Fhb1 не обнаружен (№ 3, 4, 5 и 6). Соответственно обнаружено усиленное поражение растений фузариозом.

Введение Sumai ЯР в процесс гибридизации (№ 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14) с сортами, не несущими локус Fhb1 , показало, что передача потомству локуса Fhb1 происходит по отцовской линии (№ 8, 10 и 12). Этот эффект наследования утрачивается у отцовской линии, когда в геноме материнской особи присутствуют гены озимости (14). В том случае, когда Sumai ЯР был использован как материнская особь (№ 7, 9, 11 и 13), эффект наследования локуса Fhb1 исчезал. Следовательно, в данном случае можно утверждать, что аллель локуса Fhb1 находится в рецессивном состоянии. В случае, когда носителем локуса Fhb1 представлена мужская особь, аллель локуса Fhb1 переходит в доминантное состояние.

Таблица 3

Устойчивость сортов и гибридов пшеницы к фузариозу колоса ( Fusarium head blight )

Линия, сорт	Комбинация скрещивания (♀ Х ♂)	Наличие локуса Fhb1	Степень поражения
			по колосу, балл	по зерну
				балл	%
Sumai 3	-	+	1	3	2,6
Sumai ЯР	-	+	1	3	2,6
Ангара 86	-	-	2	3	8,7
Скала	-	-	2	3	5,6
Тулун 15	-	-	2	3	3,5
Тулунская 12	-	-	1	4	9,3
Gl 1	Sumai ЯР/ Ангара 86	-	3	5	6,4
Gl 11	Ангара 86/Sumai ЯР	+	1	3	2,9
Gl 2	Sumai ЯР/ Скала	-	3-5	4	7,5
Gl 22	Скала /Sumai ЯР	+	1-2	3	4,3
Gl 3	Sumai ЯР/ Тулун 15	-	3-4	4	10,3
Gl 33	Тулун 15/Sumai ЯР	+	2	3	3,6
Gl 4	Sumai ЯР/ Тулунская 12	-	4	4	12,3
Gl 44	Тулунская 12/Sumai ЯР	-	3	4	8,3

Выводы

• 1.    Методом молекулярно-генетических маркеров в гибридном поколении F3 яровой формы пшеницы обнаружен локус Fhb1 устойчивости фузариозу колоса ( Fusarium head blight ), и по визуальным признакам показано проявление его активности.

• 2.    На основе перестановки исходных родителей, выполняющих в процессе оплодотворения либо функцию материнской пары, либо функцию отцовской пары, показано, что локус Fhb1 сцеплен с ДНК ядра.

• 3.    Когда функцию носителя локуса Fhb1 выполняет отцовская особь, то аллель, несущая локус, выполняет функцию доминанта. Если же в этом процессе носителем локуса Fhb1 выполняет ДНК материнской особи, то обсуждаемая аллель переходит в рецессивное состояние.

• 4.    Присутствие в геноме яровой пшеницы генов озимости переводит аллель с локусом Fhb1 в рецессивное состояние.

• 5.    Результаты исследований позволили определить генетические механизмы наследственной передачи и перехода аллели с локусом Fhb1 в доминантное либо в рецессивное

состояние, а также расширить спектр фузариозоустойчивых растений. Оба аспекта проблемы генетической детерминации фузариозоустойчивости позволяют эффективно использовать их в селекционной практике.