Гены устойчивости мягкой пшеницы желтой ржавчине и роль эпидемии патогена в образовании новых вирулентных рас

ГЕНЫ УСТОЙЧИВОСТИ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ  ЖЕЛТОЙ РЖАВЧИНЕ И РОЛ ЭПИДЕМИИ ПАТОГЕНА В ОБРАЗОВАНИИ НОВЫХ ВИРУЛЕТНЫХ РАС.

 

Х.С. ТУРАКУЛОВ, С.К. БАБОЕВ, Б.А.ХАСАНОВ

Институт  генетики и экспериментальной биологии растений АНРУз

111226, Юкори-юз, Кибрай, Ташкент, тел.: (+99871) 264-23-80, факс: (+99871) 2642390 sadullaevich@yahoo.com

 

Проведен оценка устойчивости пшениц к желтой ржавчине на искусственно созданном инфекционном фоне на полевых условиях. Изучена динамика развития болезни у сортов дифференциаторов с идентифицированными генами устойчивости. Выявлена образовании новых рас после эпифитотии болезни на пшеничных полях. Наблюдена потеря устойчивости некоторых генотипов имеющий эффективные гены устойчивости в начале эксперимента. Анализирован рол возрастной устойчивости растений имеющий большое значения в селекции пшеницы.

Ключевые  слова: мягкая пшеница, ржавчина, гены устойчивости, инфекционный фон, возрастной устойчивость

Мягкая  пшеница является самыми много употребляемая культура населении Центральной Азии, более 50% ежедневное калории, получается, от продуктов этой культуры и этот регион занимает одним передовых мест в мире по среднегодичному  употреблению на одного человека, этот показатель  составляет 185 кг (Dixon J. and others, 2009). Рост населения в этом регионе идет большим темпом и естественно потребность на продукты пшеницы также растет (Abdalla O.S., 2006).  Вместе с этим растет многие биотические и абиотические фактории, отрицательно влияющие на урожай. В последнее десятилетие как во многих регионах мира в Центральной Азии, в том числе в Узбекистане почастились эпифитотия желтой ржавчины пшеницы и этот регион стал одним из горячих точек этой болезни. Прежде на пшеничных полях эпифитотия желтой ржавчины были редкими и с 1960 по 1999 годы повторялись четыре раза (Солотчина Г.Ф., 1990;  Хасанов Б.А., 2007), а с 1999 по 2010 гг эпифитотия этой болезни повторялись 5 раз и стал причиной значительного экономического ущерба.

Увеличение  количество сортов на орошаемых регионах в целях уменьшение давлении патогена привело к тому, что около 30 сортов пшеницы возделываемые в республике стали восприимчивыми к желтой ржавчине. Анализ этих проблем показывает необходимость глубже изучать генетики устойчивости и влияния эпифитотии на популяционный состав возбудителя желтой ржавчины пшеницы. 

 

Материалы и методи исследований.

 

Материалом исследований служили служили образцы пшеницы из питомника CWA- RTN (Central and West Asia-Rust Trap Nursery) с идентифицированными генами устойчивости. Питомник состоит из сортов дифференциаторов и коммерческих сортов широко возделываемый в Центральной и Западной Азии, а такжа в Росии. С 2010 года этот питомник быль разделен по каждому типу ржавчины в отдельности и оценка продолжены на питомнике IYRTN (International Yellow Rust Trap Nursery). Оценка устойчивости к ржавчинным болезням проводили на искуственно созданном инфекционном фоне на полевых условиях. 

Инфекцион фон был создан путем инноуляции спорами патогена с помощью порошка Тальк или безхлорной воде с добавлениям Твин 20, средней температуре 15^оС и относительно высокой влажности воздуха. Иннокулировали восприимчивые сорта Марокко и Санзар-8 посеянное в смесе по краям через каждый 20 рядков  [McIntosh, R.A. and others, 1995].

Оценка устойчивости образцов проводили по методике [McIntosh, R.A. and others, 1995], начиная 14 день после иннокуляции оценивали через каждый три дня до польной остановки развития патогена. При этом использовали пяти балную оценку  0- иммунный, R (resistant) -устойчивый; MR (moderate resistant) - среднеустойчивый; MS (moderate susceptible) - средневосприимчивый; S (susceptible) – восприимчивый.  [McNeal F.H. and others, 1971].

 

Результаты  и их обсуждение

 

Необходимо  отметить, что в популяциях грибов желтой ржавчины как и другие биологические  объекти происходить изменчивость (мутационный, рекомбинантный) и появляется новые расы (патотипы, штаммы).  Возбудитеь желтой ржавчины Puccinia striformis f.sp. tritici по вирулентности считается

Таблица-1

Результаты  оценки на питомнике 5^th CWA- RTN и 3^rd IYRTN*

 

№	Генотипы	Гены	Степень поражаемости
			2004	2005	2006	2007	2009	2010	2011
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Morocco		100S	100S	100S	80S	100 S	100S	50S
17	OPATA  85	Yr27+Yr18	0	0	0	20MR	30S	90S	40S
18	SUPER KAUZ	Yr9,Yr27, Yr18	0	10MS	0	10MR	20MS	70S	-
19	PASTOR	Yr31+APR	0	20MS	0	0	40S	80S	40MS
20	Morocco		100	100	100S	70S	40S	100S	100S
21	ATTILA cm8536-50y-om-oy-3m-oy	Yr27+?	0	0	0	0	20S	60S	10MS
22	Chinese 166 (W;Yr1)	(W; Yr1)	20MS	40S	100S	40S	50S	100S	30S
23	Lee  (S;Yr7)	(S;Yr7)	0	0	0	5MR	5MR	0	0
24	Heine s Kolben (S;Yr6+1)	(S;Yr6+1)	0	0	100S	40S	30S	100S	90S
25	Vilmorin 23 (W;Yr3a,4a+other)	(W;Yr3a,4a+)	0	0	0	0	30S	50S	0
26	Moro (W;Yr10)	(W;Yr10)	0	0	0	0	0	0	0
27	Strubes Dickopf (W;2-more?)	(W;2-more?)	0	0	0	0	10MS	30MS	0
28	Suwon 92xOmar (W)	(W)	0	0	30MS	0	30MS	50MS	30MS
29	Clement (W;Yr9+Yr2+?)	(W;Yr9+Yr2+?)	0	0	0	40S	30S	70MS	40S
30	Morocco		100S	100S	100S	70S	60S	100S	80S
31	Hybrid  46 (W;Yr4)	(W;Yr4)	0	0	0	0	0	20MS	20MS
32	Reichersberg  42 (W;Yr7+?)	(W;Yr7+?)	0	0	0	10MR	10MS	40MS	0
33	Heine s Peko (S; Yr6+?)	(S; Yr6+?)	0	0	10MS	5MS	15MS	30MS	20MS
34	Nord  Desprez (W; YrND)	(W; YrND)	0	0	30MS	0	10MS	60S	15S
35	Compare (S;  Yr8)	(S;  Yr8)	0	0	0	0	0	0	0
36	Carstens  V  (W; Yr32)	(W; Yr32)	0	0	0	0	0	70S	20S
37	Spaldings  Prolific (W; YrSP)	(W; YrSP)	0	0	10MS	5MS	20MS	35MS	0
38	Heines VII  (W; Yr2+?)	(W; Yr2+?)	0	0	10MS	5MS	20S	80S	90S
39	Federation		100S	80S	100S	80S	30MS	100S	100S
40	Morocco		100S	100S	100S	80S	70S	100S	100S
41	Fed.4/ Kavkas	Yr9	0	60S	40MS	60S	70S	100S	80S
42	Triticum spelta  inter	Yr5	0	0	0	0	0	0	0
43	Kalyansona    (S)	Yr2	0	10MS	50S	40MS	40MS	60S	70S
45	Anza	Yr A, Yr18	0	0	10MR	10MR	20MS	70S	40MS
46	Cham 1	DW	0	0	0	0	0	0	0
47	Cook  (S)	APR	0	0	20MS	20MS	0	20MS	0
48	Jupateco  ‘R’ (S)	Yr18+	0	10MR	10MR	0	5R	10MS	20MR
Продолжение таблицы 1
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
50	Morocco		100S	100S	100S	70S	80S	100S	100S
52	Avocet  ‘R’	YrA	100S	80S	100S	50S	80S	90S	100S
53	Yr1/6*Avocet S	Yr1	50S	90S	100S	60S	50S	90S	90S
54	Yr5/6*Avocet S	Yr5	0	0	0	0	0	0	0
55	Yr6/6*Avocet S	Yr6	5MS	50S	100S	100S	50S	100S	100S
56	Yr7/6*Avocet S	Yr7	0		0	20MR	40MS	70S	100S
57	Yr8/6*Avocet S	Yr8	0	0	10MR	0	30MS	50MS	0
58	Yr9/6*Avocet S	Yr9	80S	100S	100S	80S	40S	100S	100S
59	Yr10/6*Avocet S	Yr10	0	0	0	0	0	0	0
60	Morocco		100S	100S	100S	50S	100S	100S	100S
61	Yr15/6*Avocet S	Yr15	0	0	0	0	0	0	0
62	Yr17/6*AOC	Yr17	0	20MR	20MR	0	0	20MR	15S
63	Yr18/3*Avocet S	Yr18	30MS	30S	60S	40MS	50S	90S	70S
64	Yr27/6*AOC	Yr27	0	0	0	0	0	0	0
65	Avocet-YRA*3/3altar84	Yr28	-	-	-	-	80S	100S	80S
66	Avocet-YRA*3/pastor	Yr31	-	-	-	-	100S	100S	100S
67	Yr SP/6*Avocet S	YrSP	0	0	0	0	0	0	0
68	YRCV/6*Avocet S	YrCV	0	0	0	0	60S	100S	60S
69	Yr26	Yr26 lineR55	0	0	0	0	0	0	0
70	Morocco		100S	100S	100S	60S	80S	100S	100S
71	Yr24	Yr24	-	-	-	0	0	90S	70S
72	Yr26	Yr26	-	-	-	0	0	0	0
73	Yr27	Yr27	0	0	0	0	0	0	0
74	Yr SP	Yr SP	0	0	0	0	0	70MS	-
77	TP 1295	Yr25	-	-	-	-	0	0	10MS
78	Ciano  79	Yr27	-	-	-	0	0	0	0
79	Lal Bahadur/Pavon1BL	YR29	-	-	-	0	0	60MS	0
80	Morocco		100S	100S	100S	60S	80S	100S	100S
81	Inia  66	YrA	0	0	0	0	0	50S	30MS
82	Lee	Yr22,Yr23	0	0	0	0	0	0	0
83	Fielder	Yr6,Yr20	-	-	-	-	30S	100S	70S
84	Lemhi	Yr21	-	-	-	-	50S	100S	100S
85	Thatcher	Yr7	40MR	40MS	30MR	60S	0	60S	0

*в таблице  приведении только те образцы,  имеющие идентифицированные гены  устойчивости к желтой ржавчине  в обоих питомниках.

 

патогенами  имеющий изменчивость высокой степени  (Kolmer J. and others, 2009). Регулярно идентифицируется новые раси болезня желтой ржавчины, как один из основных проблем зерносеющих регионах. Потеря устойчивости сортов пшеницы с появлением новых рас патогена наблюдена и в наших исследованиях проведенных в течение 8 лет с 2004 по 2011 год (таблица 1).

Контролем давление инфекции на питомнике служил восприимчивый сорт Марокко, посеянный через каждый девятый образец. Все эти годы  сорт Марокко поражался ржавчиной в сильной степени, что показывает достаточной инфекции на анализируемой фоне.   

Анализ  результатов наблюдений показывает не стабильность ответной реакции генов  устойчивости на болезнь желтой ржавчины, естественно это связано природой изменчивости патогенна. Мы разделили группы, измененные  ответной реакции гена и неизмененные.  Кроме генов, которые изначально были неэффективными в условиях Узбекистана (YrA, Yr1, Yr6, Yr9, Yr18,) остались не измененным все эти годы испытание на искусственном инфекционном фоне, также внесены в группу не измененных генов те гены, которые не потеряли эффективность (Yr5,Yr10,Yr15, Yr27).

В группу измененных генов внесены некоторые  гены, приведенные в таблице 2, которые постепенно потеряли свою эффективность. Сорт Kalyansona    (S), который внесены в питомник как дифференциатор гена  Yr2 первым начала потерять свой эффективность и в год эпифитотии желтой ржавчины 2005 года этот сорт поражался до 20 MS, а следующее годы, когда эпифитотия не было, этот сорт на инфекционном фоне поражался от 40 до 50 MS. После второй эпифитотии в 2009 и 2010 годы этот сорт стал восприимчивым и в 2011 он поражался уже до 70S. У тех генотипов сорта Avocet S, которые имели генов устойчивости Yr7, и Yr8 также наблюдались потеря эффективности устойчивых генов и после второй эпифитотии эти генотипы стали восприимчивыми к желтой ржавчине. Остальные генотипы, внесенные в группы измененных генов устойчивости свой  эффективность потеряли после второй эпифитотии 2009 и 2010 гг. в 2011 году при отсутствии эпифитотии на пшеничных полях эти генотипы поражались на искусственном инфекционном фоне от MS до S. Хотя среди этих групп есть гены (Yr4, Yr25 и Yr17), у которых изменение были не большими.

 

Таблица 2.

Список  генов измененные ответной реакции  в течении 2004-2011гг.

 

Гены	Степен поражаемости
	2004	2005*	2006	2007	2009*	2010*	2011
Yr7	-	-	-	20MR	10MR	70S	100S
Yr8			10ms	-	15ms	50ms	-
Yr17	-	20MR	20MR	-	-	20MR	15MS
Yr24	-	-	-	-	-	90S	70S
YrCV	-	-	-	-	60S	100S	60S
Yr25					-	-	10MS
Yr29				-	-	60MS	-
Yr32	-	-	-	-	-	70S	20S
Yr4	-	-	-	-	-	20MS	20MS
Yr2	-	10MS	50MS	40MS	40MS	60MS	70S

• Эти годы наблюдался эпифитотийные развития болезни желтой ржавчины.

 

Последные годы эпифитотии желтая ржавчина часто повторяется во вмногих зерносеющих странахАзии. В том числе и в Средней Азии. После сылной эпифитотии 1999-2000 годы, эпифитотии средней степены повторялись и в 2005, 2009-2010 гг. Мониторинг пшеничных полей , а также оценка сортов дифференциаторов на искуственно созданном инфекционном фоне показали, что многие сорта устойчивые к желтой ржавчине, становится восприимчивыми после эпифитотийные годы.  В литературе таких случаи объясняется тем, что в популяции патогенов возбудителей ржавчинных болезней пшеницы происходить мутации и соматические гибридизации [Stubbs, 1985], а также полевые рекомбинации   [Jin Yue, 2010; Jin Y et al., 2010; Wellings Colin, 2010] и образуется новые вирулентные раси. Вполне возможно, что такие же изменение произошло и в популяции патогена желтой ржавчины на пшеничных полях Узбекистана. Такие изменение совпадало после эпифитотийные годы. Можно предполагать, что в годы эпифитотии в популяции патогена частота одных рас сыльно увеличивается и по закону бутиличной горлишки  частота их уменьшается и в оптимальных условиях для развития другие вирулентные расы с меншей частотой в популяции выжывает и начинает увеличить частоту в следующих репродукциях.

У разных генотипов имеющих одинаковые гены устойчивости изменения произошла  по разному. У некоторых групп  сортов дифференциаторов имеющих одинаковый ген устойчивости в одных генотипах изменение не произошло а у другие генотипы с такими же генами устойчивости стали восприимчивыми. В таблице 3 приведени две группы сортов внесенные в питомник сортов дифференциаторов с одинаковыми генами устойчивости. Ген Yrsp у сорта Spaldings  Prolific начиная с 2006 года начала поражатся желтой ржавчиной и в 2010 он поражался до 35 MS, а у сорта YrSp/6*Avocet S, изменение не произошло и этот сорт не поражался. А генотип внесенные в питомник под именем  YrSp, все эти годы были устойчивыми, но в 2010 году этот генотип поражался до 70S. Такие картины можно наблюдать с группой генотипов с генами устойчивости Yr7. Некоторые гены устойчивости в отдельных генотипах сохраняет свой эффективность даже на искусственно созданном инфекционном фоне, но когда сильная эпифитотия с хорошим погодным условием для патогена, он могут поражаться.  В наших наблюдениях ген Yrsp в генотипе Spaldings  Prolific потерял эффективность, у генотипе YrSp/6*Avocet S сохранял и у генотипе YrSp поражался только в 2010 году. Возможно, что именно в 2010 году для этого гена не было оптимального условия для проявления устойчивости.   

Таблица -3

Ответная  реакция генов устойчивости к  желтой ржавчине в разных генотипах 

Гены	Генотипы	2004	2005	2006	2007	2009	2010	2011
Yrsp	Spaldings  Prolific	-	-	10MS	5 MS	20MS	35MS	-
	YrSp/6*Avocet S	-	-	-	-	-	-	-
	YrSp	-	-	-	-	-	70 S
Yr7	Lee (S;Yr7)	-	-	-	5MR	5 MR	-	-
	Yr7/6Аvocet S	-	-	-	20MR	10MR	70MS	100 S
	Thatcher	40MS	40MS	30MS	60MS	-	60MS	-
	Reichersberg 42	-	-	-	10mr	10MS	40MS	-
	Cranbrook	-	20MS	20MS	10MS

 

В наших  наблюдениях на искуственном инфекционном фоне некоторые генотипы легоко поражается, хотя они в обычных условиях (в  низком давлении паьогена) проявляет  устойчивость, некоторые генотипы поражается при высоком давлении патогена.

Из анализа  полученных данных по оценке устойчивости желтой ржавчине сортов диференциаторов  в течение восми лет выявили  эффективные гены устойчивости в  условиях Узбекистана, а также среднеусойчивые, средневоспримчивые и восприимчивые  гены. Эти данные приведены в таблице 4. Генотипы с идентифицированными генами устойчивости Yr5, Yr10, Yr15, Yr26, Yr27 проявляли устойчивость к местным расам возбудителя желтой ржавчины и не смотря повторяющихся эпифитотий, эти генотипы сохраняли свой устойчивость. В селекционных проектах можно использовать и генотипы средней устойчивости Yr4, Yr17, Yr25. Также в седекционных процессах можно испоьзовать генотипы с генами Yr2, YrSP и Yr18, так как ответные реакции этих генов в разных генотипах различно. В комбинации другими генами устойчивости они могут проявлять устойчивость или же усилить эффективность проявления других генов. 

 

Таблица -4

Список устойчивых и  неэффективных генов к местным  расам патогена

 

Устойчивые	Среднеустойчивые	Средневосприимчивые	Восприимчивые
Yr5, Yr10, Yr15, Yr26, Yr27	Yr4, Yr17, Yr25	Yr2, Yr29, Yr8, YrSP, Yr18, Yr32	YrА, Yr1, Yr6, Yr9, Yr7, YrCV, Yr21,  Yr24, Yr28, Yr31