Структура популяций гриба Puccinia triticina на сортах и селекционных линиях мягкой пшеницы на опытном поле Омского ГАУ в 2013-2015 гг

Июнь, 2012 [Электронный ресурс]. URL : (Дата обращения 12.02.2016).

Иммуногенетическая защита мягкой пшеницы от вредоносных болезней является базовой составляющей ресурсосберегающих и экологически чистых технологий производства зерна. Для осуществления успешной иммуногенетической защиты необходима информация о расовом составе популяций фитопатогенов в разных регионах РФ и его изменениях, в том числе обусловленных возделыванием новых сортов пшеницы [1].

На опытном поле Омского государственного аграрного университета (Омский ГАУ) ежегодно проводится иммунологическая оценка изучаемых сортов и селекционных линий по устойчивости к комплексу болезней, в том числе и к актуальному в регионе заболеванию – бурой ржавчине. С 2013 г. эти исследования дополнены анализом вирулентности популяций гриба Puccinia triticina Erikss. В результате выявлены высокоэффективные в регионе ювенильные Lr -гены и охарактеризована вирулентность и расовый состав популяций возбудителя на разных сортах и селекционных линиях мягкой пшеницы [2, 3].

Цель работы – продолжение мониторинга вирулентности популяций гриба P. triticina на опытном поле Омского ГАУ и оценка изменчивости структуры популяций в 2013–2015 гг.

Объекты и методы

Листья пшеницы с урединиопустулами были собраны с 21 образца пшеницы, выращиваемого на опытном поле Омского ГАУ в 2015 г. в условиях естественного инфекционного фона. Источником инфекции служили: 1) сорта яровой пшеницы, рекомендованные для выращивания в Западно-Сибирском регионе – Терция (с 1995 г.), Памяти Азиева (с 2001 г.), Дуэт (с 2003 г.), Сибаковская юбилейная (с 2010 г.), Омская 35 (с 2004 г.), Омская 36 (с 2007 г.), Павлоградка (с 2015 г.); 2) находящиеся в Госсортоиспытании Столыпинская (с 2014 г.) и Элемент 22 (с 2015 г.), созданные в Омском ГАУ; 3) перспективные селекционные линии, изучаемые в рамках международного сотрудничества КАСИБ – Лютесценс 141/03-2, Лютесценс 90-12, Лю-тесценс 12/93-01-4, Лютесценс 15-12, Лютесценс 7/04-26, Лютесценс 220/03-83, Лютесценс 106-11, Лютесценс 1101-12, Лютесценс 96-12, Лютесценс 27-12, Астана 2, Фитон 82. Степень развития болезни на данных сортах и линиях составляла от 5 до 80 %.

Популяции с сухих листьев были реанимированы на восприимчивом сорте Инна. С использованием сборной омской популяции P. triticina оценена эффективность генов Lr1 , Lr2a, Lr2b, Lr2c, Lr3a, Lr3bg, Lr3ka, Lr9, Lr10, Lr11, Lr14a, Lr14b, Lr15, Lr16, Lr17, Lr18, Lr19, Lr20, Lr21, Lr24, Lr26, Lr28, Lr29, Lr30, Lr41, Lr42, Lr44, Lr45, Lr47, Lr48, Lr49, Lr51, Lr53, Lr57, Lr64, Lr65 и Lr67 . Для определения фенотипического (расового) состава популяции были клонированы и из каждой получено и размножено по 10 монопустульных изолятов. Для обозначения фенотипов использована буквенная номенклатура [4], основанная на определении вирулентности к группам Lr -линий. Первые две группы в наших исследованиях соответствовали классическому набору (группа 1: Lr1, Lr2a, Lr2c, Lr3а ; группа 2: Lr9, Lr16, Lr24, Lr26 ); а в третью были включены линии с генами отмеченной дифференциацией омских изолятов P. triticina : Lr14b , Lr18 , Lr19 , Lr20 .

Для размножения инфекционного материала, получения монопустульных изолятов и анализа вирулентности использовали методы лабораторного культивирования гриба на отрезках листьев пшеницы, помещенных в раствор бензимидазола [5]. Для сравнения результатов с использованием отрезков листьев по 3 изолята с каждой популяции дополнительно протестированы на интактных растениях. Все изоляты охарактеризованы по признаку виру- лентности. Тип реакции определяли по шкале E.B. Mains, H.S. Jackson [6]. Для определения буквенного кода фенотипов, вычисления индексов внутрипопуляционного разнообразия и различий между популяциями по вирулентности использовали пакет программ Virulence Analysis Tool (VAT) [7]. Для построения UPGMA-дендрограммы – пакет программ NTSYSpc, Version 2.2 (Exeter Software, Setauket, NY).

Результаты и их обсуждение

При инокуляции сборной омской популяцией P. triticina в 2015 г. высокая эффективность была характерна для генов Lr19, Lr24, Lr28, Lr41, Lr42, Lr45 , Lr51, Lr53, Lr57, Lr64 и Lr65 . При анализе монопустульных изолятов вариабельность по вирулентности наблюдали на линиях Thatcher (Тс) c генами Lr2a, Lr9, Lr14b, Lr16, Lr18, Lr20 и Lr26 . Все тестируемые изоляты были авирулентны на линиях Тс Lr19 , Тс Lr24 и вирулентны на Тс Lr1 , Тс Lr2с , Тс Lr3а (табл. 1) . Результаты оценок отрезков листьев и интактных растений идентичны. У изолятов, выделенных с сорта Столыпинская, установлено меньшее число аллелей вирулентности по сравнению с другими изученными популяциями.

Среди изученных 210 монопустульных изолятов выявлено 8 фенотипов (рас) (табл. 2). Наиболее представлены родственные фенотипы TGR, TQR, THR, различающиеся вирулентностью к генам Lr9 и Lr26 . Фенотипы группы Р-, авирулентные к гену Lr2а, зафиксированы в популяциях с сортов Столыпинская и Элемент 22. Индексы генетических различий (Нея N , Роджерса R , Космана, KBm ) незначительно варьировали между изученными популяциями, что указывало на их определенное сходство, за исключением популяций с сортов Столыпинская и Элемент 22. UPGMA-дендрограмма генетического сходства по вирулентности между омскими популяциями по индексу Нея представлена на рис. 1.

Таблица 1

Вирулентность P. triticina на опытном поле Омского ГАУ в 2015 г. (%)

Популяции P. triticina с образцов пшеницы	Лин ии Thatch er c геном
	Lr19, Lr24	Lr2а	Lr9	Lr14b	Lr16	Lr18	Lr20	Lr26	Lr1, Lr2c, Lr3a
Дуэт, Терция	0	100	100	100	100	100	100	0	100
Сибаковская юбилейная	0	100	100	70	100	100	70	0	100
Столыпинская	0	0	80	100	90	0	100	0	100
Элемент 22	0	0	0	100	100	100	100	100	100
Фитон 82	0	100	60	100	100	100	100	0	100
Л27-12	0	100	50	100	100	100	100	0	100
Л12/93-01-4	0	100	0	100	100	100	100	60	100
Л220/03-83	0	100	30	100	100	100	100	0	100
Памяти Азиева, Л90-12, Л106-11, Л7/04-26	0	100	0	100	100	100	100	100	100
Омская 35, Омская 36, Астана, Павлоградка, Л15-12, Л141/03-2, Л1101-12, Л96-12	0	100	0	100	100	100	100	0	100

Таблица 2

Фенотипический состав P. triticina на опытном поле Омского ГАУ в 2015 г. (%)

Популяции P. triticina с образцов пшеницы	Фенотип
	TQR	TQG	TGR	THR	PQL	PGL	PBL	PHR
Дуэт, Терция	100	0	0	0	0	0	0	0
Сибаковская юбилейная	70	30	0	0	0	0	0	0
Столыпинская	0	0	0	0	80	10	10	0
Элемент 22	0	0	0	0	0	0	0	100
Фитон 82	60	0	40	0	0	0	0	0
Л27-12	50	0	50	0	0	0	0	0
Л12/93-01-4	0	0	40	60	0	0	0	0
Л220/03-83	30	0	70	0	0	0	0	0
Памяти Азиева, Л90-12, Л106-11, Л7/04-26	0	0	0	100	0	0	0	0
Омская 35, Омская 36, Астана, Павлоградка, Л96-12, Л15-12, Л141/03-2, Л1101-12	0	0	100	0	0	0	0	0

0.40           0.35

0.30           0.25           0.20          0.15

Nei distance N

Fiton L27-12 L220/03-83

Astana L141/03-2 L1101-12 Omskaya35 Omskaya36 L96-12 Pavlogradka L15-12

Duet

1 Terciya Sibakovskayaj. P.Azieva L106-11 L7/04-26 L90-12 L12/93-01-4

Element

Stolupinskaya 0.10           0.05           0.00

Рис. 1. UPGMA-дендрограмма генетического сходства омских популяций P. triticina по вирулентности в 2015 г.

В результате многолетнего анализа омских популяций (2013–2015) выявлена их высокая вирулентность (80–100 %) к генам Lr1, Lr2a, Lr3a, Lr3bg, Lr3ka, Lr10, Lr11, Lr14a, Lr14b, Lr15, Lr16, Lr17, Lr18 , Lr30 и авирулентность к генам Lr19, Lr24, Lr41, Lr42, Lr51, Lr53, Lr64, Lr65. Существенный полиморфизм по вирулентности во все годы исследований наблюдали на линиях Тс Lr9, Тс Lr26 и Тс Lr20 (рис. 2). В 2013 г. варьирование по частотам вирулентности также отмечено на линиях с генами Lr44, Lr50 и LrW(52) [2], однако в последующий период установлены умеренно устойчивый тип реакции (балл 2; 2+) на линии с геном Lr50 и восприимчивый (3–4 балла), или гетерогенный (балл 2–3, Х), на линиях с генами Lr44 и LrW (52).

Гены Lr9, Lr20 и Lr26 распространены в сортах пшеницы, выращиваемых в Западной Сибири, и могут оказывать определенное влияние на естественный отбор по вирулентности. Вирулентность к гену Lr9 преимущественно отмечена на сортах – его носителях. На восприимчивых сортах пшеницы без гена Lr9 вирулентные изоляты либо отсутствовали, либо встречались с более низкой частотой. До недавнего времени ген Lr9 относился к группе высокоэффективных в России [8]. Однако массовое его использование при создании сортов в Западной Сибири и на Урале в 2000–2010 гг. предопределило появление вирулентных изолятов [9]. Гены Lr26 и Lr20 относятся к группе неэффективных в России, вирулентность к ним варьирует как между регионами, так и в пределах популяций в одном регионе [8, 10]. Аналогичные различия по частотам вирулентности к генам Lr26 и Lr20 наблюдали в омских популяциях, собранных с разных сортов пшеницы (табл. 1), и в популяциях с одного сорта (рис. 3).

Рис. 2. Вирулентность P. triticina на опытном поле Омского ГАУ в 2013–2015 гг. (%)

Рис. 3. Вирулентность P. triticina к генам Lr20 и Lr26 на сортах Павлоградка, Памяти Азиева и Терция на опытном поле Омского ГАУ в 2013–2015 гг. (%)

Например, инфекционный материал с сортов Памяти Азиева, Терция, Павлоградка ежегодно анализировали и наблюдали варьирование по вирулентности к генам Lr26 и Lr20 на сортах Памяти Азиева и Терция, и его отсутствие – на сорте Павлоградка (рис. 3). Две группы фенотипов TGQ и TGR, THQ и THR, различающиеся вирулентностью к гену Lr20, превалировали в омских популяциях во все годы исследований (табл. 3).

Таблица 3

Фенотипический состав P. triticina на опытном поле Омского ГАУ в 2013–2015 гг. (%)

Фенотип	Авирулентность на Tc Lr -линиях*	2013 г.	2014 г.	2015 г.
PBL	Lr2a, Lr9, Lr16, Lr18, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26			0,5
PGL	Lr2a, Lr9, Lr18, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26			0,5
PHR	Lr2a, Lr9, Lr19, Lr24			4,8
PQL	Lr2a, Lr18, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26			3,8
TGQ	Lr9, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26		20,8
TGR	Lr9, Lr19, Lr24, Lr26	90		47,6
THQ	Lr9, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26		10
THR	Lr9, Lr19, Lr24		25	21,9
TQG	Lr14b, Lr19, Lr20, Lr24, Lr26			1,4
TQL	Lr18,Lr19, Lr20, Lr24, Lr26		12,5
TQQ	Lr19, Lr20, Lr24, Lr26		19,2
TQR	Lr19, Lr24, Lr26	10	12,5	19,5

*Определение фенотипов проведено с использованием 12 линий-дифференциаторов: Тс Lr1, Тс Lr2a, Тс Lr2c, Тс Lr3а, Тс Lr9, Тс Lr14b , Тс Lr16, Тс Lr18 , Тс Lr19 , Тс Lr20 , Тс Lr24 и Тс Lr26.

Фенотип TQR, авирулентный на линиях Tc Lr19 , Tc Lr24 и Tc Lr26 , встречался ежегодно с частотой от 19,2 до 10 %. Генетические различия по вирулентности согласно индексу Нея N были выше (0,06) между популяциями, собранными в 2013 г. и 2014 г., и ниже между популяциями 2013 г. и 2015 г. (0,01), 2014 г. и 2015 г. (0,04). Аналогична картина и по фенотипическому составу. Индекс Роджерса R составил 0,9, 0,42 и 0,66 соответственно.

В первую очередь это было обусловлено низкой частотой встречаемости изолятов, вирулентных к гену Lr26 в 2013 г. Несмотря на это, в целом не выявлено существенных изменений в структуре популяций на опытном поле Омского ГАУ в течение трехлетнего периода.

Заключение

В результате многолетнего мониторинга вирулентности популяций гриба P. triticina на сортах яровой пшеницы, выращиваемых на опытном поле ОмГАУ, выявлены эффективные Lr -гены и охарактеризован фенотипический состав. Выделенные эффективные гены Lr24, Lr41, Lr42, Lr51, Lr53, Lr64, Lr65 могут представлять потенциал для использования в качестве доноров устойчивости.

Несмотря на разный уровень полиморфизма омских популяций в 2013–2015 гг., не выявлено существенных различий по вирулентности и фенотипическому составу за трехлетний период. Вирулентность к гену Lr9 преимущественно встречалась на сортах – носителях этого гена и реже на других анализируемых сортах. Частоты вирулентности к другим Lr -генам варьировали как по годам исследований, так и в пределах одного года между анализируемыми сортами пшеницы. Включение в анализ большего количества сортов-источников инфекционного материала предопределило более высокое разнообразие популяций по вирулентности.