Генетическое взаимодействие взрослых растений пшеницы и возбудителя листовой ржавчины: «ген-на-ген» или «ген-на-гены»?

Введение. Взаимодействие растение-хозяин – патоген для многих систем, включая мягкую пшеницу и возбудителя листовой ржавчины ( Puccinia triticina Erikss., syn= Puccinia recondita Rob ex Desm), подчиняется теории Флора [1, 2] «ген-на-ген». Согласно классическому варианту данной теории каждому олигогену устойчивости (в системе пшеница – листовая ржавчина – Lr гены) соответствует один комплементарный ему ген вирулентности патогена: реакция резистентности наблюдается в том случае, когда растение имеет аллель устойчивости (в большинстве случаев доминантный), а у возбудитель болезни – комплементарный ему аллель авирулентности (в большинстве случаев рецессивный); в остальных комбинациях аллелей генов проявляется реакция восприимчивости (табл. 1).

Если растение-хозяин имеет более одного гена резистентности для проявления устойчивости (авирулентности патогена) необходимо и достаточно, чтобы у растения был хотя бы один аллель устойчивости, которому противостоит аллель авирулентности патогена. В нашей работе было впервые показано, что изогенные по Lr генам резистентности к листовой ржавчине линии пшеницы по- разному поражаются монопу-стульными изолятами возбудителя болезни на разных стадиях онтогенеза [3], что не могло быть Тырышкин Лев Геннадьевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела генетики.

объяснено в рамках классической теории Флора. Цель настоящей работы — проверить применимость теории «ген-на-ген» для взаимодействия взрослых растений пшеницы и P. triticina .

Материал и методика. Растения почти изогенных линий пшеницы сорта Thatcher с генами устойчивости к листовой ржавчине Lr 1, Lr 10, Lr 14а, Lr 15, Lr 20, Lr 23, Lr 26, Lr 34, Lr 35, Lr 36, Lr 37 выращивали в кюветах на смоченной водой вате в светоустановке (20-22°С, постоянное освещение 2500 люкс) до стадии 1-2 листа, а также в почве в ящиках в климатической камере (22°С, постоянное освещение 2500 люкс) до колошения. Монопустульные изоляты P. triticina выделяли из популяций патогена, собранных в Среднем Поволжье и поддерживали на листьях сорта Ленинградка. Отрезки листьев проростков линий помещали в кювету на вату, смоченную водой, и заражали изолятами P. triticina . Учет типов реакции на заражение проводили на 7-е сутки после инокуляции по шкале Майнса и Джексона [4]. Клонами, вирулентными к отрезкам листьев (тип реакции 3), заражали интактные проростки линий. Отобрали по 10 изолятов гриба, вирулентных к интактным растениям каждой линии. Этими клонами заражали флаг-листья выращенных в почве линий, а также второй, третий и четвертый лист сверху по ярусу растения (предфлаг-1, предфлаг-2, предфлаг-3). Учет типа реакции на заражение проводили по шкале Майнса и Джексона.

Результаты и обсуждение. Листья пред-флаг-3 всех линий были восприимчивы к клонам P. triticina , вирулентным к проросткам соответствующей линии. Во всех случаях наблюдали реакцию устойчивости флаг-листьев линий к отдельным изолятам гриба. Частота клонов, авирулентных к флаг-листьям линий с генами

Таблица 1. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и двух аллелей в локусе вирулентности патогена

Ген вирулентности патогена	Ген устойчивости хозяина
	RR	Rr	rr
VV-	–	–	+
Vv	–	–	+
vv	+	+	+

- – устойчивость; + – восприимчивость

Lr 1, Lr 10, Lr 14а, Lr 15, Lr 20, Lr 23, Lr 26, Lr 34, Lr 36, Lr 37 составила 20, 40, 80, 90, 10, 90, 80, 90, 50 и 100%, соответственно. У ряда линий наблюдали зависимость яруса листьев, на котором проявляется реакция устойчивости, от изолята патогена. Так, у линии с геном Lr 10, резистентность проявлялась, начиная с предфлаг-листа-2 (1 изо-лят), предфлаг-листа-1 (1 изолят), либо экспрессировалась только у флаг-листа (2 изолята). На линии с геном Lr 15 восемь изолятов гриба были авирулентны только к флаг-листу, а один изо-лят был авирулентен уже на предфлаг-листе-2. К восьми изученным клонам устойчивость у линии с геном Lr 23 проявляется уже у предфлаг-листа-2, но к одному изоляту патогена устойчив только флаг-лист. У линии с геном Lr 34 против 2-х изолятов P. triticina устойчивость экспрессируется только у флаг-листа, а против 7-и клонов – уже у предфлаг-листа-1. Аналогично у линии с геном Lr 37 устойчивость к 4-м изолятам патогена экспрессируется только у флаг-листа, а к шести – начиная с предфлаг-листа-1.

Полученные данные, очевидно, не могут быть объяснены с точки зрения классической теории «ген-на-ген». В случае ее верности, вирулентность изолята патогена к проросткам и предфлаг-3 листьям конкретной моногенной по гену устойчивости линии указывает на наличие у данного изолята аллеля вирулентности комп- лементарного гену устойчивости данной линии. Согласно теории Флора, в этом случае растение всегда должно быть восприимчиво к данному клону P. triticina, чего, как описано выше, в данном эксперименте не наблюдается. Единственным объяснением полученных данных, с нашей точки зрения, может быть наличие у патогена нескольких генов вирулентности, комплементарных одному гену устойчивости. При этом на стадии проростков растение и патоген взаимодействуют по типу «ген-на-ген», а на более поздних стадиях по типу «ген-на-гены». Для проявления реакции восприимчивости хозяина паразит должен иметь аллели вирулентности нескольких генов, комплементарных гену устойчивости растения, причем гены вирулентности, скорее всего, взаимодействуют по типу компле-ментарности (в противном случае должны существовать изоляты, авирулентные на листьях нижних ярусов, но вирулентные в листьям более высоких ярусов). Схема взаимодействия при наличии у патогена 2-х генов вирулентности, комплементарных одному гену устойчивости хозяина представлена в табл. 2, а при наличии 3-х генов вирулентности – в табл. 3.

Полученные данные позволяют предполагать, что преодоление патогеном олигогена резистентности происходит ступенчато: сначала появляются генотипы возбудителя листовой ржавчи-

Таблица 2. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и аллелей в локусах 2-х генов вирулентности патогена

Состояние генов вирулентности	Ген ус тойчивости
	R-		rr
	проростки	взрослое растение	проростки	взрослое растение
V1- v2v2	–	–	+	+
v1v1 V2-	+	–	+	+
v1v1 v2v2	+	+	+	+
V1- V2-	–	–	+	+

Таблица 3. Взаимодействие двух аллелей в локусе устойчивости растения и аллелей в локусах 3-х генов вирулентности патогена

Состояние генов вирулентности Ген устойчивости R- rr проростки взрослое растение проростки взрослое растение предфлаг-1 флаг-лист предфлаг-1 флаг-лист V1- V2- V3- – – – + + + V1- V2- v3v3 – – – + + + V1- v2v2 V3- – – – + + + v1v1 V2- V3- + – – + + + v1v1 v2v2 V3- + + – + + + V1- v2v2- v3v3 – – – + + + v1v1 V2- v3v3 + – – + + + v1v1 v2v2 v3v3 + + + + + + ны, преодолевающие устойчивость проростков, а затем разных по ярусности листьев взрослых растений. Данное предположение является чисто гипотетическим, поскольку гены устойчивости линий, изучавшихся в работе, давно преодолены возбудителем листовой ржавчины.

Для практической проверки данного предположения из сборной популяции P. triticina (смесь сборов с восприимчивых сортов пшеницы из Северо-западного региона, Среднего Поволжья и западной Сибири) выделили монопустульные изоляты патогена, вирулентные к проросткам изогенных линий с генами устойчивости Lr 9, 19 и 24, которые в настоящее время являются эффективными во многих регионах Российской Федерации, но в ряде областей уже потеряли свою эффективность [5-8]. Данными клонами заразили разные по ярусности листья взрослых растений линий серии Тэтчер. Результаты эксперимента приведены в табл. 4.

Во всех случаях большая часть выделенных клонов были вирулентны только к проросткам соответствующих линий, и только по одному монопустульному изоляту были вирулентны к флаг-листьям линий с генами Lr 9 и 19. С нашей точки зрения, эти данные доказывают предположение о ступенчатом преодолении эффективности генов устойчивости, и кроме того, подтверждают представление о необходимости наличия у патогена нескольких аллелей вирулентности для развития реакции восприимчивости на взрослых растениях пшеницы.

Таблица 4. Типы реакции на заражение листьев монопустульными изолятами Puccinia triticina почти изогенных линий пшеницы сорта Thatcher с Lr -генами устойчивости к листовой ржавчине

Количество клонов	Тип реакции на заражение
	первый лист	предфлаг-3	предфлаг-2	предфлаг-1	флаг-лист
ген Lr 19
1	3	3	3	3	3
1	3	3	0	0	0
8	3	0	0	0	0
ген Lr 9
8	3	0	0	0	0
1	3	3	3	3	0
1	3	3	3	3	3
ген Lr 24
4 1	3	0 1	0	0	0