Иммунологические основы и методы создания исходного материала пшеницы для селекции на устойчивость к болезням в поволжье
|
|
Скачать 0.61 Mb.
|
|
На правах рукописи Маркелова Тамара Сергеевна ИММУНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ПШЕНИЦЫ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ В ПОВОЛЖЬЕ Специальность: 06.01.11 – защита растений Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук Саратов – 2007 Р абота выполнена в Государственном научном учреждении Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Юго-Востока Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ НИИСХ Юго-Востока РАСХН)
Защита диссертации состоится « » 2007 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.06 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Автореферат разослан «_ » 2007 г. Учёный секретарь диссертационного совета А.Н. Данилов ^ Актуальность проблемы. Пшеница, как важнейшая зерновая культура, занимает в Поволжье до 40% посевных площадей. Высокая насыщенность севооборотов пшеницей в регионе приводит к ухудшению фитосанитарного состояния агробиоценоза. Возрастает поражение посевов наиболее вредоносными заболеваниями: бурой ржавчиной, мучнистой росой, пыльной и твердой головней, пятнистостями листьев, вирусными болезнями и т. д. Изменения климатических условий в регионе, являющиеся наглядными показателями глобального потепления климата, также оказывают значительное влияние на состав фитопатогенного комплекса. Для развития возбудителей заболеваний создаются оптимальные условия – повышенная атмосферная влажность и температурный режим, осадки и т. д. Не менее серьезной причиной возникновения эпифитотий грибных заболеваний на посевах пшеницы является использование в производстве восприимчивых, генетически однородных сортов как озимой, так и яровой пшеницы. С.С. Санин (2003) считает, что в сельскохозяйственном производстве сорт относится к числу важнейших факторов, влияющих на фитосанитарную обстановку на посевах пшеницы, его вклад в формирование урожая достигает 30-70%. Поэтому в системе интегрированной защиты устойчивые к болезням сорта должны занимать особое место. В связи с этим повышается значимость исследований в области иммунитета. Основной проблемой этих исследований стоит выявление и расширение разнообразия генофонда сельскохозяйственных культур по признакам устойчивости, стратегии использования эффективных генов, подбора доноров для оптимизации иммунологических селекционных программ (В.А. Павлюшин, 2002 г.). Таким образом в условиях неблагополучной фитосанитарной обстановки на посевах пшеницы проблема создания устойчивых сортов является актуальной, а предложенные в данной работе методы создания исходного материала для селекции болезнеустойчивых сортов, основанные на иммунологических принципах, являются необходимыми как для работы иммунологов, так и селекционеров. Диссертационная работа выполнена на базе НИИСХ Юго-Востока в период с 1971 по 2004 гг. Исследования проводились в рамках государственных программ ВАСХНИЛ и РАСХН и в соответствии с тематическим планом НИР НИИСХ Юго-Востока. 1971-1990 гг. – шифр тем: 0.51.03; 0.51.05. 1991-2005 гг. – шифр тем: 02.06; 01.02.20; 02.05. Цель исследований. Разработать иммунологические подходы для целенаправленной селекции пшеницы на устойчивость к наиболее вредоносным болезням в Поволжье. Создать исходный материал пшеницы с комплексной устойчивостью к болезням. Задачи исследований:
Научная новизна. Исследован расовый и генетический состав популяции бурой ржавчины в Поволжье, а также его динамика, начиная с 70-х годов прошлого века до настоящего времени. Предложены варианты создания усиленных инфекционных фонов, основанные на знании биологических особенностей возбудителей болезней пшеницы с учетом климатических условий региона. Проведен скрининг мировой коллекции ВИР, сортов отечественной селекции, а также диких видов и сородичей пшеницы (всего более 50 тыс. образцов), выявлены новые генетические источники устойчивости пшеницы к болезням. Предложен новый способ совмещенной оценки пшеницы на устойчивость к двум патогенам (Авторское свидетельство № 1777726), а также новый способ оценки и отбора селекционного материала in vitro на устойчивость к бурой ржавчине и мучнистой росе (заявка на изобретение №94034770 (034684) с датой приоритета от 20.09.94 г.). Разработаны схемы ускоренного создания линий яровой мягкой пшеницы с использованием межвидовой гибридизации и биотехнологии, а также линий озимой пшеницы с комплексной устойчивостью к основным грибным болезням. Создан сорт озимой пшеницы – Смуглянка (Пат. 0141 (РФ). – № 9401113. Приоритет 24.11.1993. Зарегистрирован в Государственном реестре охраняемых селекционных достижений, допущенных к использованию, 23.06.98 г.; А.с. 27724) и сорт озимой пшеницы Рубин 96 (Пат. 3654 (РФ). – № 9609725; Приоритет 25.02.2003. Зарегистрирован в Государственном реестре охраняемых селекционных достижений 13.06.07 г.; А.с. 39730). Сорта, обладающие комплексной устойчивостью к бурой ржавчине, мучнистой росе и твердой головне, получены по ускоренной селекционной схеме, с применением методов биотехнологии (культуры пыльников, оценки на устойчивость к болезням in vitro и др.). Научная новизна работы подтверждена тремя авторскими свидетельствами и двумя патентами на сорта. Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносится комплексная иммунологическая схема создания болезнеустойчивого селекционного материала пшеницы для условий Поволжья, включающая следующие положения:
Практическая значимость и реализация полученных результатов. Предложена схема создания линий и сортов пшеницы, устойчивых к болезням, которая за счет применения методов биотехнологии и разработанной в лаборатории системы фитопатологических оценок позволяет существенно повысить эффективность отборов на устойчивость и сократить сроки создания новых устойчивых линий и сортов. Создан и внедряется в производстве (на площади более 30 тыс. га) сорт озимой мягкой пшеницы Смуглянка, устойчивый к бурой ржавчине, мучнистой росе, твердой головне и стеблевому хлебному пилильщику. Внесен в Госреестр селекционных достижений по Средне- и Нижневолжскому регионам РФ. Проходит Государственное сортоиспытание сорт озимой мягкой пшеницы Рубин 96, также обладающий комплексной устойчивостью к болезням (бурой ржавчине, мучнистой росе, твердой головне). Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на VII Всесоюзном совещании по иммунитету сельскохозяйственных растений к болезням и вредителям (г. Омск, 1981), на VШ Всесоюзном совещании по иммунитету сельскохозяйственных растений к болезням и вредителям (г. Рига, 1986 г.), на IX совещании по иммунитету растений к болезням и вредителям (г. Минск, 1991 г.), на конференции «Проблемы новаторской деятельности ученых, изобретателей и др.» (г. Саратов, 1996 г.), на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы агроэкологии в интегрированных системах защиты растений» (г. Пенза, 1999 г.), на Первом Съезде микологов России (г. Москва, 2002), на Первой Всероссийской конференции по иммунитету растений к болезням и вредителям (г. Санкт-Петербург, 2002), на научно-практической конференции «Современные системы защиты растений от болезней и перспективы использования достижений биотехнологии и генной инженерии» (Голицыно, 2003), на Международной научно-практической конференции «Стратегия адаптивной селекции полевых культур в связи с глобальным изменением климата» (г. Саратов, 2004) и других научно-методических и координационных совещаниях. Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликована 41 научная работа, получено три авторских свидетельства и два патента на сорта озимой мягкой пшеницы Смуглянка и Рубин 96. Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 210 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 таблицами и 14 рисунками. Состоит из общей характеристики работы, шести разделов экспериментальной части, выводов, рекомендаций для селекционной практики и предложений производству, 8 приложений и списка литературы, включающего 252 источника, в том числе 50 – на иностранных языках. Благодарности. Автор приносит глубокую благодарность кандидату сельскохозяйственных наук М.Л. Веденеевой за научно-методическое руководство, помощь и поддержку при выполнении данной работы. Выражает искреннюю признательность сотрудникам лаборатории иммунитета за помощь при выполнении полевых и лабораторных исследований. Автор приносит глубокую благодарность доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.Б. Лебедеву за глубокий анализ диссертационной работы, ценные предложения и замечания, которые были учтены при подготовке окончательного варианта диссертации. ^ 1. Условия, материал и методы исследований Условия проведения исследований Исследования проводились с 1971 по 2004 гг. в полевых экспериментах, теплицах и камерах искусственного климата на базе Научно-исследовательского института сельского хозяйства Юго-Востока. Климат района проведения полевых исследований характеризуется как континентально-засушливый. Однако анализ годовых сумм осадков за последние годы свидетельствует об устойчивой тенденции их увеличения по всем природным зонам области. В целом условия для развития возбудителей основных грибных болезней пшеницы были достаточно благоприятными и способствовали получению достоверных данных. ^ Основным материалом для исследований являлась мировая коллекция пшеницы из Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова, ВНИИ фитопатологии, Международного центра улучшения кукурузы и пшеницы CIMMYT (Мексика), ICARDA (Cирия), а также образцы из различных селекционных центров страны – КНИИСХ (г. Краснодар), Всероссийский НИИ зерновых культур (г. Зерноград, Ростовкая обл.), Донской НИИСХ (п. Рассвет, Ростовская обл.), НИИСХ ЦР НЧЗ (Немчиновка, Московская обл.), Самарский НИИСХ (г. Безенчук, Самарская обл.) и др. Для создания исходного материала, обладающего устойчивостью к болезням, использовались образцы пшеницы с эффективными генами устойчивости против бурой ржавчины, образцы, обладающие комплексной устойчивостью к основным грибным болезням, а также дикие виды пшеницы: Triticum persicum, T. dicoccum, T. militinae, T. timopheevi – источники устойчивости к бурой ржавчине, мучнистой росе и пыльной головне. В качестве доноров хозяйственно-ценных признаков (продуктивность, качество зерна, зимостойкость (для озимых), засухоустойчивость и т.д.) привлекались лучшие сорта пшеницы саратовской селекции. Стандартами служили сорта яровой и озимой пшеницы местной селекции, не имеющие генов устойчивости к бурой ржавчине и сильно восприимчивые к мучнистой росе, пыльной и твердой головне. Для изучения структуры популяции бурой ржавчины пшеницы использовались международный набор сортов-дифференциаторов Майнса и Джексона (1926), моногенные линии серии Thatcher (D.J. Samborski, 1981, 1982, 1984, 1985; McIntosh et al., 1995) и ржавчиноустойчивые сорта отечественной селекции, которые дифференцируют клоны гриба Puccinia recondita Rob. ex. Desm. f. sp. tritici по вирулентности. В качестве объектов исследований взяты спорообразцы бурой ржавчины, мучнистой росы, пыльной и твердой головни, собранные с производственных и селекционных посевов различных районов Поволжья. ^ Основные эксперименты по оценке и отборам образцов пшеницы на устойчивость к болезням закладывали в полевых условиях на фитоучастке, где создавался усиленный инфекционный фон развития болезней, а также применялось искусственное заражение растений. Изучаемый материал высевался по чистому пару после культивации в рядки длиной 1,2 м 8-мисошниковыми ручными аппаратами. Расстояние между рядками – 0,2 м. Через каждые 10 рядков высевался сорт-накопитель инфекции. Гибридные растения первого и второго года и их родительские формы высевались по тому же принципу. Селекционные питомники (контрольный, предварительный и конкурсное сортоиспытание) закладывались на полях ОПХ «Центральное» (с. Константиновка Саратовского района Саратовской области) по чистому пару. Посев осуществлялся селекционной сеялкой «ССФК-7» с нормой высева 400 семян на 1 кв. м. ^ Устойчивость образцов пшеницы к бурой ржавчине определяли по типу реакции растения на заражение патогеном в баллах (Mains, Jackson, 1926) и по степени поражения в процентах (Peterson et al., 1948). Поражение мучнистой росой определяли по 4-х бальной шкале ВИР (1975), пыльной и твердой головней – по проценту пораженных колосьев в образце. Степень устойчивости образца устанавливали по шкале В.И. Кривченко (1984). Изучение расового и генотипического состава популяции бурой ржавчины проводили на стандартном наборе сортов-дифференциаторов и на моногенных линиях серии Thatcher по методике Э.Э Гешеле, 1964. Оценка селекционного материала на показатели качества зерна (стекловидность, натурная масса зерна, масса 1000 зерен) проводилась по общепринятым методикам (М.Н. Фирсова, Е.П. Попова, 1981). Анализы на содержание клейковины в зерне, а также оценка качества клейковины и оценка технолого-хлебопекарных свойств проводились в лаборатории технологии и качества зерна НИИСХ Юго-Востока по общепринятым методикам. ^ Бурая ржавчина – Puccinia recondita Rob. ex. Desm. f. sp. tritici Анализ видового состава патогенов на пшенице в Поволжье показал, что наибольший вред урожаю причиняют бурая ржавчина, мучнистая роса, пыльная и твердая головня. В диссертационной работе приводятся данные по изучению биологических особенностей этих патогенов (условия развития эпифитотий, состав и динамика популяций, наличие источников устойчивости и перспектив селекции). Среди перечисленных болезней самой распространенной и вредоносной является бурая ржавчина. Этому заболеванию уделяется основное внимание. Для эффективной селекции на иммунитет необходимы исследования популяций патогенов, которые заключаются в определении частоты встречаемости вирулентных клонов к определенному донору устойчивости, и изучении изменчивости структуры популяции патогена в результате селекции и внедрения в производство новых сортов пшеницы с генами устойчивости против патогенов. В первую очередь это относится к таким пластичным патогенам, как бурая ржавчина пшеницы. Состав популяции бурой ржавчины отличается высокой динамичностью. Появление в популяции новых рас и биотипов устанавливается по вирулентности к специально подобранному набору сортов-дифференциаторов. Для дифференциации популяции бурой ржавчины использовался набор сортов, предложенный Мэйнсом и Джексоном, который тестировал по вирулентности расы патогена из различных спорообразцов (E.B. Mains, H.S. Jackson, 1926). Таблица 1 Расовый состав популяции бурой ржавчины в 1971-1975 гг., %
Результаты исследований 1971-1975 гг. показали, что в поволжской популяции патогена превалирует 77 раса. Часто встречаются 122 и 21 расы, причем выделялись они в годы с сухим и жарким летом (табл. 1). В последующие годы исследований (1976-2004) в популяции также преобладала 77 раса. Ее представленность колебалась по годам от 73,4 до 100 %. Это свидетельствует о том, что сорта-дифференциаторы Майнса и Джексона утратили способность дифференцировать популяцию патогена. С созданием и внедрением в производство ржавчиноустойчивых сортов отечественной селекции и включением их в дополнительный набор дифференциаторов появилась возможность наблюдать динамику отдельных клонов вирулентности в поволжской популяции. Таблица 2 Частота встречаемости клона вирулентности Р26 в поволжской популяции бурой ржавчины (1971-1983 гг.)
Клон Р26, вирулентный к сортам озимой пшеницы Кавказ и Аврора, был выявлен в поволжской популяции гриба в 1971 году (табл. 2). Частота встречаемости его составила 8,0%. В 1972 году – частота встречаемости Р26 возросла до 16,5%, несмотря на то, что условия для развития возбудителя эти годы были неблагоприятными, и бурая ржавчина находилась в депрессии. В 1973 и 1974 годах, благоприятных для развития патогена, частота встречаемости Р26 возросла до 54,5 и 76,0% соответственно (рис. 1). В эти годы отмечалось массовое поражение бурой ржавчиной сортов Кавказ и Аврора, занимавших к этому времени значительные площади в Краснодарском крае, Ростовской области и на Украине.   - годы эпифитотий бурой ржавчины - годы депрессии бурой ржавчины Рис. 1. Частота встречаемости клона Р26 в поволжской популяции бурой ржавчины (1971-1983 гг.) Поскольку в Саратовской области в производстве отсутствовали сорта пшеницы с геном Lr26, становится очевидным, что состав местной популяции во многом определяется миграцией инфекции из южных и юго-западных районов России. Этот вывод подтверждается исследованиями И.Г. Одинцовой и Л.Ф. Шеломовой (1977). Используя в качестве маркера вирулентность к сорту Кавказ (Lr26) они показали, что доля мигрантов P. recondita из Краснодарского края и южной Украины, где этот сорт занимал большие площади, в Центрально-Черноземную зону составляет около 50%, в Поволжье и Башкирию – около 20%, в Казахстан – 4%. С 1984 года для изучения состава популяции возбудителя бурой ржавчины стал использоваться набор моногенных линий серии Thatcher и сортов с известными генами устойчивости, всего 36 образцов. Динамика структуры поволжской популяции бурой ржавчины определяется в основном частотой встречаемости клонов вирулентности Р26, Р19, Р23, Р24. Нарастание частоты встречаемости данных клонов в популяции с 1984 по 2004 годы представлено на рис. 2.  Рис. 2. Динамика клонов вирулентности поволжской популяции бурой ржавчины (1984-2004 гг.) Исследования показывают, что, начиная с 1979 по 1987 годы, частота встречаемости клона вирулентности Р26 в поволжской популяции снижается. Это объясняется неблагоприятными метеорологическими условиями для развития бурой ржавчины в этот период, а также резким снижением посевных площадей под сортами Кавказ и Аврора, защищенных геном Lr26 (табл. 2, 3). С 1989 года частота встречаемости Р26 возрастает практически независимо от степени развития бурой ржавчины и к 2003-2004 годам достигает 100%. Таким образом, ген Lr26 потерял эффективность и дальнейшее использование его в селекции, на первый взгляд, кажется бесперспективным (Табл. 3, рис. 2). Однако отсутствие в производстве сортов, имеющих ген устойчивости Lr26, может привести к снижению частоты встречаемости клона вирулентности Р26 и как следствие – повышение эффективности гена Lr26. Наиболее эффективными для защиты пшеницы от бурой ржавчины и широко используемыми в селекции являются гены Lr9, Lr19, Lr23 и Lr24. В результате наших исследований в 1985 году в поволжской популяции были выявлены новые клоны вирулентности Рр19, 23, 24. Частота встречаемости их в популяции стала возрастать (Табл. 3, рис. 3, 4, 5). Таблица 3 Частота встречаемости клонов вирулентности в поволжской популяции бурой ржавчины, %
Это объясняется тем, что в селекции все чаще стали использоваться гены Lr19, Lr23, Lr24. В 1986 году частота встречаемости клона вирулентности Р19 составляла 4,6%, а к 1998 году увеличилась до 33,3%. В 2001 году наблюдалась сильная эпифитотия бурой ржавчины. Частота встречаемости клона Р19 достигла 100%. В последующие годы (2002-2004) произошла стабилизация клона Р19 в популяции, частота встречаемости колебалась на уровне 77,7-85,7%. То есть ген Lr19 практически потерял эффективность (Рис. 3). Причиной этому послужило распространение в производстве сортов яровой мягкой пшеницы, имеющих ген Lr19 – Л503, Добрыня. В.А. Крупнов (2004) на основе долголетнего опыта свидетельствует, что после достижения сортом, содержащим чужеродный R-ген, определенной «критической» посевной площади (свыше 100 тыс. га) его устойчивость теряется. Таким образом, изменение частот генов вирулентности связано с сортосменами. Создание и внедрение в производство нового сорта яровой мягкой пшеницы Л503 с эффективным геном устойчивости к бурой ржавчине Lr19 привело к появлению в популяции нового патотипа с комплементарным геном вирулентности. Резкое увеличение посевных площадей под этим сортом в разных регионах страны привело к быстрому накоплению гена вирулентности (Р19) в популяции и как следствие, к потере его эффективности. Результаты наших исследований динамики вирулентности клона Р23 показывают, что в 1985 году частота встречаемости его в поволжской популяции бурой ржавчины составила 5,9%. В дальнейшем отмечался рост доли клонов Р23 до 66,7% в 1998 году и до 100% в 2002 году (табл. 3, рис. 4). Следует отметить, что частота встречаемости клона Р23 практически не зависит от степени развития бурой ржавчины. Даже в неблагоприятные годы, когда ржавчина находилась в депрессии, частота клона Р23 достигала 48,5-66,7%. Ген Lr23 широко используется в селекции, как в Поволжье, так и в других регионах России. Создано довольно много сортов, обладающих геном Lr23, в том числе и в Поволжье – Ершовская 32, Олимп, Куйбышевская 1, Прохоровка, Смуглянка и другие. Однако, несмотря на высокую частоту встречаемости клона вирулентности Р23 в популяции бурой ржавчины, этот ген не теряет своего значения, поскольку обеспечивает сортам высокий уровень горизонтальной устойчивости. Несмотря на поражаемость в фазе проростка и довольно высокую частоту встречаемости клона вирулентности Р23 в популяции, сильного развития заболевания на них не происходит. Так, сорт озимой пшеницы Смуглянка, обладающий геном устойчивости к бурой ржавчине Lr23, имеет тип реакции иммунности в фазе проростка 2-3, но даже в годы эпифитотий, когда частота встречаемости клона Р23 в популяции достигала 86,7%, развитие бурой ржавчины на нем не превышало 20% (Рис. 6).  - годы эпифитотий бурой ржавчины- годы депрессии бурой ржавчины Рис. 2. Частота встречаемости клона Р26 в зависимости от степени развития бурой ржавчины (1984-2004 гг.)  Рис. 3. Частота встречаемости клона Р19 в зависимости от степени развития бурой ржавчины (1984-2004 гг.)  Рис. 4. Частота встречаемости клона Р23 в зависимости от степени развития бурой ржавчины (1984-2004 гг.)  Рис. 5. Частота встречаемости клона Р24 в зависимости от степени развития бурой ржавчины  Рис. 6. Частота встречаемости клона Р23 в популяции и пораженность ) Рис. 6. Частота встречаемости клона Р23 в популяции и поражаемость сорта озимой пшеницы Смуглянка (Р23) бурой ржавчиной (1998-2005 гг.) Происходит увеличение частоты встречаемости клона Р24 (рис.4). Возможно, это является результатом миграции спор бурой ржавчины из других регионов. Однако, распространение сорта озимой мягкой пшеницы Рубин 96, имеющего ген Lr24, может привести к накоплению в популяции клона Р24. Продолжает сохранять высокую эффективность ген Lr9. В поволжской популяции бурой ржавчины до настоящего времени не выявлено вирулентного к нему клона. Анализ структуры популяции бурой ржавчины указывает на ее высокую вирулентность. Среди известных Lr-генов лишь немногие эффективны против местной популяции. В настоящее время в поволжской популяции бурой ржавчины идентифицировано 35 генов вирулентности (Табл. 4). Наиболее распространенные из них: рр1, 1+gene, 2b, 2d, 2c, 3, 3ka, 4, 10, 11, 12, 14a, 14b, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 22a, 22b, 25, 27, 29, 30, 32, Ech, B. В отдельные годы встречаемость некоторых клонов снижалась. В эти годы выявлялись биотипы с генами, авирулентными к Lr15, 21, 1+27+31. Таблица 4 Степень вирулентности местной популяции бурой ржавчины (Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici)
Таким образом, основную часть местной популяции бурой ржавчины составляют 30 и более генов вирулентности. Это свидетельствует о необходимости расширения поиска новых эффективных Lr-генов за счет широкого изучения сортообразцов пшеницы различного географического происхождения, диких видов пшеницы и других злаков. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям