Характеристика популяций Puccinia reconditа Rob. ex Desm. из Среднего Поволжья по частотам вирулентности к LR генам устойчивости пшеницы в 2014 году

Листовая бурая ржавчина (возбудитель Puccinia reconditа Rob. ex Desm . syn.: Puccinia triticina Erikss) – одна из наиболее распространенных и вредоносных болезней мягкой пшеницы Triticum ae s ti v um L . во многих зонах возделывания культуры, в том числе и в Среднем Поволжье Российской Федерации. Изучение частот вирулентности к конкретным Lr генам устойчивости традиционно проводятся для идентификации эффективных на данный момент генов резистентности к болезни, определения степени сходства субпопуляций из различных частей регионов, что в свою очередь ложится в основу программ рационального территориального размещения имеющихся эффективных генов устойчивости. Подобная работа стабильно проводится в США и

Канаде [1, 2], периодически в странах Западной и Восточной Европы [3-9], Азии [10, 11]. В России в последние десятилетия эту работу ведут в основном в Северокавказском [12, 13], Северо-Западном [14], меньше Нижневолжском [15, 16] регионах.

Проведённое нами изучение [17] полиморфизма средневолжской популяции Puccinia recondita в 2011–2012 гг. показало, что у растений в стадии проростков высокоэффективными являются гены Lr 9 и Lr 41 ( Lr 39+), несколько меньшей эффективностью обладали гены Lr 19, Lr 24, Lr 28, Lr 29 и Lr 47. Сравнение популяций из Безенчука и Ульяновска по частотам вирулентности к 28-и слабоэффективным генам устойчивости показало их крайнюю степень сходства и, скорее всего, принадлежность к одному ареалу формообразования и распространения листовой ржавчины. В то же время полученные данные указывали и на высокое сходство данных популяций с таковыми из Северного Кавказа и Северо-Западного региона России.

Цель настоящего исследования – изучение частот вирулентности Puccinia recondita из двух районов Среднего Поволжья в сравнении с популяцией из Южного Дагестана в 2014 г., а также определение степени сходства в данном году между выборками клонов патогена из 3-х регионов России.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Монопустульные изоляты P. recondita выделяли из популяций патогена, собранных в Среднем Поволжье (пос. Безенчук Самарской области и пос. Тимирязевский Ульяновской области) и Северном Кавказе (г. Дербент, Дагестанская опытная станция ВИР) в 2014 г. и поддерживали на отрезках листьев универсально восприимчивого сорта пшеницы Ленинградка. Всего из каждой популяции было выделено и проанализировано по 100 изолятов возбудителя листовой ржавчины пшеницы.

Семена почти изогенных линий пшеницы сорта Thatcher с генами устойчивости к листовой ржавчине Lr 1, Lr 2, Lr 2a, Lr 2b, Lr 2c, Lr 3, Lr 3ka, Lr 9, Lr 10, Lr 11, Lr 12, Lr 13, Lr 14b, Lr 16, Lr 18, Lr 19, Lr 20, Lr 21, Lr 23, Lr 24, Lr 25, Lr 26, Lr 30, Lr 32, Lr 33, Lr 34, Lr 35, Lr 36, Lr 37, Lr 38, а также образцов с генами Lr 27+31, Lr 28, Lr 29, Lr 45, Lr 46, Lr 47, Lr 48, Lr 49 и Lr Ag#2 высевали в 3 кюветы на смоченную водой вату. После прорастания семян кюветы помещали на светоустановку (20–22°С, постоянное освещение – 2 500 люкс). Растения в стадии одного листа опрыскивали водными суспензиями уредоспор популяций возбудителя из 3-х регионов, на сутки закрывали полиэтиленом и помещали в темноту. Затем полиэтилен снимали и кюветы возвращали на светоустановку. Через 12 дней оценивали типы реакции по шкале Майнса и Джексона [18] 0 – отсутствие симптомов болезни; 0; – некрозы без пустул; 1 – очень мелкие пустулы, окруженные некрозом; 2 – пустулы среднего размера, окруженные некрозом или хлорозом; 3 –крупные пустулы без некроза; X – наличие на одном листе пустул разного типа реакции; р.е.п. – очень редкие пустулы восприимчивого типа 3.

Отрезки первых листьев (длина 0,7–1 см) выращенных на вате растений тех же линий и образцов с Lr генами устойчивости раскладывали в строчку на смоченную водой вату и инокулировали монопустульными изолятами возбудителя листовой ржавчины. Типы реакции на заражение патогеном учитывали на 6–7-е сутки после инокуляции (в данном случае типы Х и е.п. отсутствовали). Типы реакции 0–2 соответствуют авирулентности, тип 3 – вирулентности патогена. Типы реакции отрезков листьев изучаемого набора образцов совпадали с типами реакций на заражение интактных растений теми же клонами (данные не приводятся). Для оценки степени сходства популяций P. recondita из разных регионов использовали метод парных корреляций частот вирулентности [19].

По 15-20 отрезков листьев проростков (длина 2 см) почти изогенных линий и образцов с вышеперечисленными Lr генами раскладывали в кюветы на вату, смоченную водой, водным раствором бензимидазола (60 мг/л), раствором азотнокислого аммония (1,29 г/л) и хлористого калия (0,48 г/л). Отрезки листьев опрыскивали одинаковым объемом водных суспензий уредоспор популяций возбудителя ржавчины из трех регионов (концентрация спор 30 x 103 /мл) с помощью ручного пульверизатора; кюветы закрывали полиэтиленом и на 12 ч помещали в темноту, затем полиэтилен снимали, кюветы закрывали стеклом и помещали на светоустановку. Через 7 суток после инокуляции подсчитывали количество пустул восприимчивого типа на каждом отрезке листа; для дальнейшего анализа рассчитывали среднее число пустул на одном отрезке.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Высокую эффективность против всех изучаемых популяций при заражении интактных проростков в 2014 г. проявили гены устойчивости Lr 9, Lr 19, Lr 24, Lr 28, Lr 47 и Lr Ag#2 . На линии с геном Lr 29 отмечено наличие очень редких вирулентных клонов (табл. 1). Основным отличием данного результата от полученного в аналогичной работе в 2012 г. является отсутствие монопустульных изолятов гриба, вирулентных к Lr 24, Lr 28 и Lr 47.

В основном эти данные подтверждаются и анализом вирулентности монопустульных изо-лятов (табл. 2). При анализе 100 клонов из каждой популяции не выявлено изолятов Puccinia recondita , вирулентных к перечисленным генам. К гену Lr 29 был вирулентен только один клон из Безенчука.

Анализ динамики вирулентностей в 20112014 гг показывает, что по большинству генов существенного изменения концентраций не наблюдалось. По генам plr1, plr25 и plr35 синхронно в обеих субпопуляциях наблюдается снижение концентрации (рис. 1), а по генам plr2а и plr23 – повышение концентрации (рис. 2).

Результаты подсчета количества пустул возбудителя ржавчины 3-х популяций после заражения отрезков листьев образцов пшеницы, помещенных на вату, смоченную различными растворами приведены в табл. 3.

Коэффициенты корреляции между частотой вирулентных клонов к помещенным на воду отрезкам листьев конкретного образца пшеницы и средним количеством пустул на отрезках листьев в воде были близки к 1 (для популяций из Дербента, Ульяновска и Безенчука – 0,987, 0,981 и 0,978, соответственно).

Это связано с тем, что большинство образцов, используемых в работе, являются почти изогенными линиями одного сорта и не различаются по уровню неспецифической устойчивости; следовательно, различия между линиями в количестве пустул при заражении популяцией патогена могут быть связаны только с различиями в частоте встречаемости в данной популяции вирулентных клонов P. recondita . Это в свою очередь указывает на возможность сравнения различных популяций

Таблица 1. Типы реакции линий и сортов пшеницы с Lr генами устойчивости на заражение популяциями возбудителя листовой ржавчины пшеницы. Интактные проростки. 2014 г.

Ген устойчивости Ульяновск Безенчук Дербент Lr 1 3 3 3 Lr 2 3 3 3 Lr 2b 3 3 3 Lr 2c 3 3 3 Lr 2a 3 3 3 Lr 3ka 3 3 3 Lr 3 3 3 3 Lr 9 0 0 0 Lr 10 3 3 3 Lr 11 3 3 3 Lr 12 3 3 3 Lr 13 3 3 3 Lr 14b 3 3 3 Lr 16 3 3 3 Lr 18 3 3 3 Lr 19 0 0 0 Lr 20 X X X Lr 21 3 3 3 Lr 23 3 3 3 Lr 24 0 0 0 Lr 25 3 3 3 Lr 26 3 3 3 Lr 27+31 3 3 3 Lr 28 0 0 0 Lr 29 р. е. п. р. е. п. р. е. п. Lr 30 3 3 3 Lr 32 3 3 3 Lr 33 3 3 3 Lr 34 3 3 3 Lr 35 3 3 3 Lr 36 3 3 3 Lr 37 3 3 3 Lr 38 3 3 3 Lr 45 3 3 3 Lr 46 3 3 3 Lr 47 0 0 0 Lr 48 3 3 3 Lr 49 3 3 3 Lr Ag#2 0 0 0 по частоте встречаемости вирулентных к Lr генам изолятов патогена при использовании показателя «среднее число пустул» на линиях пшеницы после инокуляции конкретными выборками гриба.

При заражении одной и той же популяцией отрезков листьев, помещенных на вату, смоченную водой и растворами различных веществ, корреляция числа пустул на изучаемых линиях была низкой либо средней. Так, например, для выборки из Ульяновска коэффициенты корреляции числа пустул на отрезках листьев в воде и на раство- рах аммонийной селитры, хлористого калия и бензимидазола (в анализ взяты только линии, обладающие дифференцирующей способностью хотя бы в одном варианте опыта) были равны 0,47, 0,61 и 0,59, соответственно (коэффициенты детерминации – 0,22, 0,38 и 0,35, соответственно). Это подтверждает ранее сделанный вывод [20, 21], что данные вещества влияют не на неспецифическую устойчивость изогенных линий сорта Тэтчер, а вызывают специфическое изменение вирулентности ряда клонов патогена. Это в свою

Таблица 2. Частота клонов возбудителя листовой ржавчины, вирулентных к проросткам (отрезки листьев в воде) образцов пшеницы с Lr генами устойчивости, (%) (2014 г.)

Ген устойчивости Популяция Дербент Ульяновск Безенчук Lr 1 52 51 63 Lr 2 60 55 62 Lr 2b 51 44 51 Lr 2c 61 65 61 Lr 2a 73 69 71 Lr 3ka 73 82 81 Lr 3 97 93 97 Lr 9 0 0 0 Lr 10 99 100 99 Lr 11 100 100 100 Lr 12 100 100 100 Lr 13 100 100 100 Lr 14b 70 73 87 Lr 16 72 58 57 Lr 18 63 52 66 Lr 19 0 0 0 Lr 20 49 49 41 Lr 21 82 79 84 Lr 23 71 62 69 Lr 24 0 0 0 Lr 25 62 51 56 Lr 26 63 49 55 Lr 27+ 31 89 90 88 Lr 28 0 0 0 Lr 29 0 0 0,1 Lr 30 98 91 89 Lr 32 98 97 100 Lr 33 91 98 95 Lr 34 100 100 100 Lr 35 52 57 58 Lr 36 72 74 68 Lr 37 52 54 59 Lr 38 56 51 59 Lr 45 61 55 57 Lr 46 83 88 90 Lr 47 0 0 0 Lr 48 92 96 100 Lr 49 92 95 96 Lr Ag#2 0 0 0 очередь указывает на то, что применение данных вариантов опыта равносильно добавлению в эксперимент 3-х дополнительных наборов линий- дифференциаторов, что существенно повышает достоверность оценки сходства/различия разных популяций P recondita.

Годы

Ульяновск         Безенчук

Рис. 1. Динамика концентрации генов вирулентности plr1, plr25 и plr35 в средневолжских субпопуляциях Puccinia recondita

Годы

Ульяновск Безенчук

Рис. 2. Динамика концентрации генов вирулентности plr2a и plr23 в средневолжских субпопуляциях Puccinia recondita

Коэффициенты корреляции между числом пустул на отрезках листьев линий после заражения 3-мя популяциями возбудителя листовой ржавчины приведены в табл. 4. Высокие, во многих случаях близкие к единице значения коэффициентов указывают на высокую степень сходства выборок из 2-х регионов Среднего Поволжья. Сходство этих популяций с таковой из Дагестана также высоко, однако, слегка ниже согласно коэффициентам корреляции числа пустул возбудителя ржавчины на линиях, проростки которых находились на вате, смоченной растворами бензимидазола и аммиачной селитры (табл. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в 2014 г. данные по изучению структуры популяций возбудителя листовой ржавчины пшеницы по частотам вирулентности к конкретным Lr генам устойчивости подтверждают ранее сделанный вывод о принадлежности популяций из Ульяновска и Без-енчука к единому ареалу распространения патогена. Подтвержден также вывод о высокой степени схожести данных популяций с выборкой из Южного Дагестана. Абсолютно эффективными на стадии проростков в 3-х регионах в 2014 г. были гены Lr 9, Lr 19, Lr 28, Lr 24 и Lr Ag#2. Крайне низкими частотами вирулентных клонов характеризовались гены Lr 29 и Lr 47. Полученные данные могут быть полезны при разработке программ рационального территориального размещения известных и новых эффективных генов резистентности пшеницы к листовой ржавчине.

Разработанный подход по сравнению числа пустул с помещенных на различные субстраты

Таблица 3. Среднее количество пустул возбудителя листовой ржавчины на отрезках листьев проростков образцов пшеницы с Lr генами устойчивости (2014 г.)

*- отрезки листьев на вате, смоченной 1. водой; растворами 2. NH4NO3; 3. KCl; 4. бензимидазола.

Ген устойчивости Популяция, вариант Дербент Ульяновск Безенчук 1* 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 5,3 0 7,0 1,4 5,4 0 7,6 1,5 6,4 0,5 8,1 2,0 2 5,0 2,7 7,5 1,1 6,0 3,0 9,8 1,5 6,2 3,3 7,1 1,1 2b 5,3 1,3 9,2 0,9 6,0 3,0 10,2 1,7 5,5 2,3 9,2 1,0 2c 6,0 1,0 8,8 3,3 6,7 1,4 9,6 2,8 5,7 1,4 8,3 2,1 2a 7,5 0 8,2 4,4 7,2 0 9,8 3,8 8,2 0 9,1 3,7 3ka 8,3 0,5 8,5 5,0 9,4 1,4 8,2 3,0 8,4 1,3 9,1 3,3 3 8,5 2,0 8,7 5,0 9,3 0,4 8,8 4,0 8,3 1,4 7,9 3,2 10 9,2 1,2 9,0 2,2 9,8 2,0 9,4 1,2 9,5 2,1 10,1 1,2 11 9,5 5,0 9,0 6,5 9,9 7,0 10,2 6,2 9,8 5,7 9,0 7,1 12 9,8 6,0 10,5 5,3 9,7 8.0 9,4 5,0 10,1 7,8 9,4 5,3 13 9,5 1,5 9,9 4,7 9,3 1,8 10,4 5,0 9,8 1,6 9,5 6,1 14b 7,0 1,0 8,0 4,8 7,8 1,4 9,4 5,5 8,0 2,1 8,3 6,2 16 7,0 1,2 9,2 3,4 5,8 0 9,4 4,2 6,8 1,3 8,7 3,5 18 6,8 0,5 9,2 2,6 5,6 1,2 10,0 1,7 6,6 1,1 10,1 1,6 20 5,3 0,5 9,7 2,0 5,2 0 9,7 0,8 5,6 1,0 9,1 1,3 21 8,5 0,5 9,3 5,2 8,6 1,4 10,0 5,0 8,9 1,1 9,6 3,2 23 6,0 0 9,4 5,7 6,6 0 10,0 4,2 6,8 0,1 9,8 5,1 25 6,0 0,5 6,0 1,7 5,2 0 6,2 0,5 6,2 0,7 7,1 1,0 26 6,5 0,3 9,0 2,4 5,8 0,8 9,0 1,8 6,2 0,8 8,7 2,5 27+ 31 9,0 0,5 9,3 2,5 8,2 0 8,8 2,2 8,7 1,0 9,2 1,8 28 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 29 0,1 0 1 0 0,1 0 0,8 0,0 0,3 0 0,1 0 30 8,4 1,2 8,5 5,2 7,7 1, 9,8 5,2 8,0 1,6 9,1 6,5 32 9,1 2,5 8,9 4,9 8,2 3,2 8,4 4,4 9,2 2,8 9,4 4,0 33 9 0,1 9,6 3,4 9 0,2 10,1 4,2 8,9 0,4 9,6 5,0 34 9,5 1,5 9,5 5,0 9,6 2,0 10,0 3,5 9,2 2,4 9,9 3,2 35 4,8 1,4 9,0 1,5 5,3 1,0 9,6 2,0 5,7 1,9 9,2 1,1 36 7,0 0,2 9,5 2,0 7,8 0,8 10,2 1,2 6,8 0,5 8,7 1,5 37 4,5 0,1 9,7 2,0 5,1 0 9,6 2,8 4,7 0 9,4 2,9 38 5,5 0,1 10,1 3,7 5,5 0 9,8 3,0 5,9 0,2 9,0 1,7 45 6,5 1,5 7,5 2,1 6,8 1,6 10,2 3,0 7,1 1,4 8,2 3,2 46 8,0 1,0 7,83 3,5 8,0 1,2 10,0 2,0 7,8 1,6 9,3 2,2 47 0,1 0 1,0 0 0 0 1,0 0 0 0 0,5 0 48 7,5 1,3 10,5 4,8 8,5 3,8 10,2 2,3 8,1 2,7 9,4 3,5 49 8,5 1,2 9,7 2,0 9,5 1,8 9,8 3,2 9,2 1,8 9,5 3,3 Ag#2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 отрезков листьев пшеницы после заражения различными выборками возбудителя ржавчины может быть использован для изучения сходства/различия популяций P. recondita из разных регионов.

Таблица 4. Коэффициенты корреляции между средним числом пустул P. triticina на образцах пшеницы, зараженных различными популяциями патогена. 2014

Популяции	Ульяновск	Дербент
Отрезки листьев в воде
Безенчук Ульяновск	0,985	0,991 0,982
Отрезки листьев в растворе аммиачной селитры
Безенчук Ульяновск	0,935	0,969 0,873
Отрезки листьев в растворе хлористого калия
Безенчук Ульяновск	0,979	0,982 0,977
Отрезки листьев в растворе бензимидазола
Безенчук Ульяновск	0,943	0,873 0,900

*- отрезки листьев на вате, смоченной 1. водой; растворами 2. NH4NO3; 3. KCl; 4. бензимидазола