Физиологическая специализация возбудителя бурой ржавчины пшеницы в Красноярском крае

Введение. Бурая ржавчина пшеницы, вызываемая урединиальной стадией гриба Puccinia triticina Erikss et Senn, несмотря на определенные успехи при создании устойчивых сортов, и сегодня остается одним из биотических факторов снижения урожайности и негативного воздействия на качество получаемой продукции [1–3]. Наиболее экономически оправданный и экологически обоснованный способ снижения потерь от этого заболевания – создание и внедрение в производство устойчивых сортов.

Успех при этом во многом зависит от правильности выбора генов устойчивости или их комбинаций, перспективных для использования в селекционных программах при создании резистентных сортов в предполагаемом регионе их выращивания, что вызывает необходимость в определении структуры популяции патогена и ее изменчивости.

Сужение генетического разнообразия в пользу немногих генов резистентности, как указывают С.П. Мартынов и Т.В. Добротворская, может вызвать адекватное изменение в популяции возбудителя и массовое размножение патогена на однородном генетическом материале [4].

Так, в результате широкого распространения в производстве сортов пшеницы с одинаковым генетическим контролем устойчивости Кавказ (Lr 26), Ершовская 32, Куйбышская 1, Юна (Lr 23), Л 503, Юлия, Волгоуральская (Lr 19) в популяциях появились и быстро распространились биотипы патогена с генами вирулентности р 26, р 23 и р 19, что и привело к поражению ранее устойчивых сортов [5–7]. Аналогичная картина наблюдалась и при выращивании сортов (Терция, Соната, Дуэт и др.) в Омской, Челябинской и Новосибирской областях, устойчивость которых детерминирована геном Lr 9 [8–11].

По данным Е.И. Гультяевой, доля сортов пшеницы – носителей гена Lr 9, включенных в ГР РФ и рекомендованных к выращиванию в стране в 2012 г., составила 9 %, в Уральском регионе – 18 %, а в Западносибирском – 17 % [12, 13].

Основным приемом в выявлении изменения в природных популяциях возбудителей заболеваний является постоянный мониторинг их вирулентности. Полученные данные по наличию генов вирулентности патогена, частоте их встречаемости в популяции позволяют осуществлять поиск источников устойчивости среди форм растения-хозяина для дальнейшего включения их в селекционный процесс.

Цель исследования : мониторинг расового состава, динамика изменения вирулентности возбудителя бурой ржавчины и поиск эффективных источников устойчивости.

Материалы и методы исследования . Сбор инфекционного материала возбудителя бурой ржавчины осуществлялся в период массового проявления заболевания на посевах яровой мягкой пшеницы Красноярского края с восприимчивых сортов селекционных учреждений Западной и Восточной Сибири: Алтайская 70, Ветлужанка, Кантегирская 89, Новосибирская 15, Новосибирская 29, Омская 9, Омская 20, Омская 32, Омская 33, Омская 28, Омская 36, Свирель и Тулунская 12, включенных в ГР РФ и допущенных для выращивания в 10-м и 11-м регионах. Также был изучен споровый материал с селекционных линий пшеницы лаборатории селекции яровой пшеницы КрасНИИСХ, которые, предположительно, были получены в результате скрещивания с сортами, несущими ген устойчивости к листовой ржавчине Lr 9.

Гербарные образцы (листья пшеницы с уреде-ниопустулами), начиная с 2000 г., ежегодно изучали в лаборатории иммунитета растений ФГБНУ «Омский АНЦ» (СибНИИСХ) по расовому составу на стандартном наборе сортов-дифференциаторов: Malаkоff (Lr 1), Corina (Lr 2в), Brevit (Lr 2с), Webster (Lr 2а), Loros (Lr 2с), Mediterranean (Lr 2а+3а), Hussar (Lr 11) и Democrat (Lr 3а). Наличие генов вирулентности в популяции определяли на серии моногенных линий сорта Thatcher (Тс): Lr 1, 2а, 2b, 2с, 3а, 3bg, 3ka, 9, 10, 11, 14a, 14b, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 27+31, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 36, 38, В, – и линии, полученной от И.Г. Одинцовой с геном Lr Sp. С 2007 г. набор был расширен линиями Lr 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, а с 2012г. и Lr 41. Фенотипический состав определяли по реакции 16 изогенных линий по буквенному ключу, предложенному D.L. Long и J.A. Kolmer, основанному на определении вирулентности 16 линий, сгруппированных по четыре линии в четыре блока: I – Lr 1, Lr 2а, Lr 2с, Lr 3а; II – Lr 9, Lr 16, Lr 24, Lr 26; III – Lr 3ka, Lr 11, Lr 17, Lr 30 и IV – Lr В, Lr 10, Lr 14а, Lr 18 [14].

Возобновляли спорообразцы и размножали мо-нопустульные изоляты патогена на универсально- восприимчивом сорте яровой мягкой пшеницы Саратовская 29.

Мониторинг расового и генотипического состава бурой ржавчины пшеницы осуществляли по методике отсеченных листьев в светокультуре с использованием раствора бензимидазола [15]. Тип реакции растения на внедрение патогена определяли по международной шкале в модификации Джонстона и Бровдера [16], где 0, 1, 2 – устойчивость (R), 3, 4 – восприимчивость (S), Х – гетерогенность. По частоте встречаемости фенотипов патогена в популяциях грибов судили об их сходстве или различии, согласно формуле Л.А. Животовского: r = ∑min (p,q), где r – коэффициент сходства; p и q – минимальные частоты фенотипов в одном из двух сравниваемых образцов [17].

Результаты исследования и их обсуждение . Анализ расового состава 716 монопустульных культур бурой ржавчины за период с 2000 по 2017 г. выявил наличие 11 физиологических рас гриба: 10, 20, 57, 68, 77, 107, 117, 122, 144, 172 и 184, – доминируют в зависимости от года и сорта – 10, 20, 77 и 122. Ежегодно в популяциях присутствует 77 раса в среднем с частотой встречаемости 53,3 % и варьирует от 11,0 % в 2003 г. до 96,4 % в 2016 г. Средняя частота встречаемости 122-й расы составляет 33,3 % и колеблется от 0 до 73,9 % в 2009 г.; 20-я раса зафиксирована в 11 годах (68,7 %), доминирует в 2002 г., с частотой встречаемости 38,1 %; 10-я раса встречается 8 раз (50 %) и преобладает в 2003 г. (45,0 %) (рис. 1).

Физиологические расы 57, 107, 117, 172 и 184 выявлены дважды за период наблюдения, раса 68 – три раза, а 144 – один, с максимальной частотой встречаемости до 10,2 %. Следует отметить увеличение частоты встречаемости 77-й расы и снижение 10, 20 и 122-й рас, которые практически элиминировали в спо-рообразцах последних лет сборов (табл. 1).

Патотипический состав возбудителя бурой ржавчины определяли на 16 изогенных линиях растения-хозяина. Было установлено, что популяция Красноярского края представлена 47 патотипами, наибольшее разнообразие отмечено в 2005 г. – выявлено 27 патотипов; наименьшее в 2012 г. – 3. Основные: TJTT, TGTT, TKTT, THTT, TJTS, TSTT, TTTT, PJTT, THTS, KHTT, KJTT и PGTT, – в период с 2000 по 2006 г. доминировали патотипы SGFT – 14,3 % и SGKT– 12,3 %, позднее (2007–2016 гг.) TJTT – 30,5 % и TJPT – 25,9 %, третье месте в оба периода занимал патотип TGTT с частотой встречаемости 11,9 и 13,8 % соответственно.

20002002200320052006200720082009201020112012 2013201420152016

Год

Раса 10

Раса 20

Раса 77

Раса 122

Рис. 1. Частота встречаемости основных рас возбудителя бурой ржавчины пшеницы Красноярского края

Таблица 1

Расовый состав возбудителя бурой ржавчины пшеницы Красноярского края, 2000–2016 гг., %

Год	Раса
	10	20	57	68	77	107	117	122	144	172	184
2000		39,2			60,8
2002	31,7	38,1	1,6		25,4	1,6		1,6
2003	45,0	32,0		1,0	11,0			11,0
2005	39,4	11,3		9,9	22,5			16,9
2006	10,4	16,7			41,6	2,1		29,2
2007	22,5	12,5	2,5		47,5			15,0
2008		3,4			41,4			48,4		3,4	3,4
2009		4,1			24,5		2,0	59,2		10,2
2010	3,6	3,6		3,6	32,1		8,8	50,0			7,1
2011	10,9	2,2			13,0			73,9
2012					75,0			25,0
2013	7,7	1,5			43,1			46,2	1,5
2014		7,1			85,8			7,1
2015					91,1			8,9
2016					96,4			3,6

Анализ монопустульных изолятов бурой ржавчины на изогенных линиях сорта Thatcher (Tc) показал, что большинство линий используемого набора проявили 100 %-ю восприимчивость, более 80 % поражения имели линии Lr: 1, 2в, 2с, 10, 18, 23 и 29, – что говорит о низкой дифференцирующей способности этих линий. Существенные различия выявлены только по генам Lr 26, 45 и 47. Не поразились или проявили высокую устойчивость к монопустульным изолятам линии с генами Lr 9, Lr 19 и Lr 41, независимо от генотипа растения-хозяина и года сбора инокулюма. Эти гены переданы в мягкую пшеницу от других видов: Lr 9 – Aegilops umbellulata, Lr 19 – Thynopyrum elongatum, Lr 41 – Aegilops tauschii, Lr 26 – Secale cerealе, Lr 47 – Aegilops speltoides [18]. Проявляют иммунитет линии мягкой пшеницы c генами устойчивости Lr Sp, которые были привнесены в геном мягкой пшеницы от амфидиплоида Triticum dicoccum – Aegilops speltoides [19].

Таким образом, для изучения изменений в структуре красноярской популяции патогена считаем более приемлемым использование Lr линий с генами устойчивости 3а, 3bg, 3ka, 9, 11, 19, 24, 26, 36, 45, 47 и Sp (табл. 2).

Таблица 2

Частота встречаемости генов вирулентности в популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы, 2000–2016 гг.

Год	Гены вирулентности, %
	3а	3bg	3ka	9	11	19	24	26	36	45	47
2000	-	86,9	-	0	50,0	0	39,1	4,3	-	-	-
2002	38,1	30,2	38,1	0	65,1	0	28,6	3,2	3,9	-	-
2003	25,0	20,0	2,01	0	45,0	2,0	24,0	17,0	34,0	-	-
2005	43,7	43,7	48,0	0	30,9	0	73,2	15,5	90,1	7,1	-
2006	59,1	50,7	83,3	0	58,3	2,1	20,8	8,3	83,3	0	-
2007	95,0	65,0	60,0	0	65,0	0	57,5	5,0	72,5	0	0
2008	96,5	89,6	93,1	0	69,0	3,4	93,1	0	96,5	0	0
2009	100	100	83,7	4,1	26,5	0	30,6	0	42,9	0	2,0
2010	89,3	82,3	82,3	0	39,3	0	89,3	3,6	89,3	0	0
2011	86,9	86,9	91,3	0	15,2	2,2	100	2,0	-	0	0
2012	100	100	100	0	75,0	0	95,8	0	87,5	4,2	2,1
2013	94,8	94,8	94,8	0	49,3	2,6	75,3	20,8	67,5	2,1	6,7
2014	100	96,4	92,9	12,5*	85,7	7,1	64,3	3,6	64,3	8,6	5,7
2015	100	100	100	0	91,1	0	67,9	14,3	17,9	6,8	7,1
2016	100	100	100	0	96,3	0	57,1	25,0	57,1	4,3	3,6
Среднее	69,9	67,2	68,4	0,6	52,8	1,3	56,6	11,0	61,1	2,8	2,7

*С сорта Свирель – 12,5 %; с линий К-459-2; 512-7; 540-10 – 40 %.

В таблице 2 приведены данные (отсутствуют 2001 и 2004 гг.), которые показывают, что, начиная с 2006 г., наблюдается увеличение вирулентности популяций к линиям с генами устойчивости Lr 3а, 3bg и 3ka и вариабельность по генам Lr 11, 24, 26 и 36. Возможно, это связано с изменениями в сортовом разнообразии и, соответственно, площадями под выращиваемыми сортами. До 2006 г. в посевах превалировал сорт Тулунская 12 и сорта селекции

Восточной Сибири (Скала, Тулун 15, Ветлужанка) и незначительные площади занимали сорта Омской и Новосибирской селекции (Омская 9, Омская 20, Омская 32, Омская 33, Кантегирская 89). Начиная с 2007 г., отмечено преобладание сортов западносибирской селекции, к 2016 г. их доля в структуре посевных площадей составила 98,67 %, в основном это сорта селекции СибНИИРСа – Новосибирская 15, Новосибирская 29, Новосибирская 31 и др. (рис. 2).

■ ВС

■ ЗС

Рис. 2. Площадь посева сортов яровой мягкой пшеницы в Красноярском крае, % (ВС – сорта Восточной Сибири; ЗС – сорта Западной Сибири)

Анализ родословных выращиваемых сортов показал, что в сортах, созданных в ВосточноСибирском регионе, преобладали в основном формы местной селекции. Большинство же сортов западносибирской селекции получено с использованием сортов краснодарской и поволжской селекции – Безостая 1, Кавказ, Саратовская 29, Саратовская 36, Безенчукская 98 и др. Проведенная сортосмена с увеличением площади под сортами западносибирской селекции способствовала, на наш взгляд, и изменению популяции патогена. Это подтверждается и расчетами коэффициентов сходства. Расчет сходства по патотипам бурой ржавчины с сортов различного происхождения показал, что между патотипами спорообразцов с сорта Тулунская 12 и патотипами с сортов Омская 28, Омская 20 и Кантегир-ская 89 коэффициент составил 10–15 %, что касается патотипов с сортов Омская 20, Омская 28 и Кан-тегирская 89, то их сходство составило 50–55 %.

Учитывая то, что бурая ржавчина может распространяться с воздушными потоками, провели сравнение патотипов патогена Красноярского края и соседних регионов (Омск, Новосибирск), предположительно оказывающих влияние на состав бурой ржавчины на примере структуры популяций 2014 г.

В результате проведенных исследований в популяции 2014 г. было выявлено 14 патотипов, в т. ч. в Омске – 12, Красноярске – 6 и в Новосибирске – 3. В изученных спорообразцах преобладали патотипы TJTT, TКTT и TGTT, различающиеся в основном по частоте встречаемости генов вирулентности рр 9, 24 и 26. Коэффициент сходства между популяциями Красноярск / Омск равнялся 48,8 %, Красноярск / Новосибирск – 40,0 % и Омск / Новосибирск – 74,5 %. Отличие популяции из Красноярска от популяций из Омска и Новосибирска обусловлено генами р 11 и р 26 (табл. 3).

Таблица 3

Фенотип	Формула вирулентности	Пункт сбора, %
		Красноярск	Омск	Новосибирск
TJTT	9, 26/S	17,9	48,3	42,9
TКTT	9/S	10,7	20,2	45,7
TGTT	9, 24, 26/S	28,6	19,1	11,4
THTT	9, 24/S	0	8,8	0
TSTT	26/S	25,0	1,1	0
TQTT	24, 26/S	7,1	0	0
TJTS	9, 26, 18/S	0	0,5	0
TJPT	9, 26, 11 /S	10,7	0	0
Другие	-	0	2,0	0

Частота встречаемости патотипов бурой ржавчины, % (2014 г.)

Расчет коэффициентов сходства (r) по патотипам показал среднюю связь популяции Восточной Сибири (Красноярск) с Западной Сибирью (Омск, Новосибирск) и высокую связь западносибирских популяций, что говорит о возможности проникновения спорового материала с воздушными массами из Западной Сибири.

Выводы. В результате проведенных исследований (2000–2016 гг.) генофонда популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы Восточной Сибири не выявлено генов, вирулентных к линиям с генами устойчивости Lr 41 и Lr Sp. Несмотря на появление в популяциях патотипов патогена, поражающих сорта и линии с генами Lr 9 и Lr 19, они по-прежнему остаются высокоэффективными (R > 90 %), частичную устойчивость (поражение ≤ 15 %) проявляют гены Lr 26, Lr 45 и Lr 47.

Таким образом, мониторинг вирулентности бурой ржавчины пшеницы Красноярского края показал, что структура популяции патогена обусловлена в основном генотипом выращиваемых сортов и площадями под ними, но не исключается возможность и заноса инфекционного материала, что подтверждается коэффициентом сходства. Полученные данные необходимо учитывать при планировании и создании устойчивых сортов.