Изменчивость популяции облигатного биотрофного гриба, являющегося возбудителем бурой ржавчины пшеницы по вирулентности и ДНК-полиморфизму в различных агроклиматических зонах Северного Кавказа

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Облигатный биотрофный гриб Puccinia triticina, являющийся возбудителем бурой ржавчины пшеницы, известен науке уже более ста лет, но его вредоносность высока и сегодня [1]. Для селекции на устойчивость к бурой ржавчине необходим ежегодный мониторинг популяции гриба. Особенно актуальным этот вопрос остается на Северном Кавказе, который является зоной особой вредоносности и развития патогена [2]. Северокавказская популяция возбудителя бурой ржавчины отличается значительным разнообразием фенотипического состава как по вирулентности, так и по ДНК-полиморфизму [3]. Представляется актуальным изучение изменчивости популяции P. triticina в пяти агроклиматических зонах Северного Кавказа: южной предгорной, западной приазовской, центральной, восточной степной и северной. Впервые разделение территории Северного Кавказа на агроклиматические зоны было предложено Батовой [4] на основании ряда параметров (сумма температур, количество осадков, типы почв и т. д.).

Целью нашей работы являлось сравнение групп изолятов P. triticina из различных агроклиматических зон по фенотипам вирулентности, генам вирулентности, RAPD-фенотипам и RAPD-фрагментам, а также оценка разнообразия изолятов гриба в каждой зоне.

В фазу молочно-восковой спелости пшеницы 2009-2010 гг. проведены обследования производственных и селекционных посевов озимой пшеницы на территории Северного Кавказа, и собран инфекционный материал бурой ржавчины. Сбор, хранение, выделение монопустульных изолятов P. triticina проводили по общепринятым методикам [5]. Идентификацию монопустульных изолятов гриба вели согласно Северо-Американской номенклатуре по Kolmer [6]. Типы реакции близкоизогенных линий оценивали по шкале Майнса и Джексона [7]. Выделение ДНК из урединиоспор проводили по методике Chen [8], а полимеразную цепную реакцию - по протоколу Kolmer [9]. В работе использовали 3 праймера, рекомендованные Kolmer [9]. Электрофорез проводили в агарозном геле по общепринятой методике. Уровень различия между популяциями патогена определяли по индексу Роджерса, уровень разнообразия популяции - по индексу Шеннона [10]. Для проведения кластерного анализа использовали программу Statistica 6.0. В качестве метода кластеризации был выбран UPGMA, в качестве меры расстояния - квадрат эвклидовых расстояний.

В результате идентификации изолятов северокавказской популяции P. triticina выявлено, что она продолжает оставаться разнообразной, но в 2010 г. уровень разнообразия по фенотипам вирулентности заметно снижен. Так, из 95 изолятов популяции 2009 г. 91 и из 119 изолятов популяции 2010 г. 63 фенотипа не повторяются. Индекс разнообразия Шеннона популяции возбудителя бурой ржавчины из 5 агроклиматических зон приведен в таблице 1. Для оценки разнообразия по ДНК-полиморфизму каждому изоляту был присвоен трехзначный молекулярный фенотип. Подробнее с принципом присвоения RAPD-фенотипов можно ознакомиться в предыдущих работах [3].

Как видно из таблицы 1, разнообразие популяции очень высоко. Меняется лишь степень этого разнообразия. Например, популяция патогена 2009 г. более разнообразна по фенотипам вирулентности, а у изолятов гриба популяции 2010 г. наблюдается большее разнообразие по RAPD-фенотипам. Так, из 63 изолятов, включенных в RAPD-анализ популяции 2009 г., выявлено 23 молекулярных фенотипа, 9 из которых представлены только одним изолятом; из 81 изолята популяции 2010 г. обнаружено 38 RAPD-фенотипов, в 20 из которых не повторяются.

фенотипический ботрофный гриб популяция

Таблица 1. Уровень разнообразия северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по фенотипам вирулентности и RAPD-фенотипам в 2009-2010 гг.

Для оценки внутри- и межпопуляционных различий P. triticina было проведено попарное сравнение между агроклиматическими зонами внутри популяции по фенотипам вирулентности, генам вирулентности, молекулярным фенотипам и RAPD-фрагментам. Значения индекса Роджерса, приведенные в таблице 2, позволяют убедиться в том, что по генам вирулентности между всеми зонами в обеих популяциях достоверных различий не обнаружено (R<0,3).

Таблица 2. Различия между агроклиматическими зонами северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по генам вирулентности, фенотипам вирулентности, RAPD-фрагментам и RAPD-фенотипам (2009-2010 гг.)

По RAPD-фрагментам между агроклиматическими зонами был найден низкий и средний уровень различий (R=0,3-0,7). В большинстве случаев наблюдалась положительная корреляция между значениями индекса Роджерса по генам вирулентности и RAPD-фрагментам. По фенотипам вирулентности и RAPD-фенотипам уровень различий, как правило, был высоким во всех случаях, что является естественным следствием фенотипического разнообразия.

Для изучения динамики популяции P. triticina в различных агроклиматических зонах было проведено сравнение выборок изолятов каждой зоны популяции гриба 2009 и 2010 гг. по вышеописанным критериям. Результаты сравнения показаны в таблице 3.

Tаблица 3. Межпопуляционые различия северокавказской популяции Puccinia triticina из различных агроклиматических зон по генам вирулентности, фенотипам вирулентности, RAPD-фрагментам и RAPD-фенотипам (2009-2010 гг.)

В результате полученных данных можно убедиться, что большинство фенотипов вирулентности и молекулярных фенотипов популяции 2009 г. не повторяются в следующем году. Различия по RAPD-фрагментам также продолжают оставаться на среднем уровне между каждой из пяти зон. По генам вирулентности различия незначительные во всех случаях. В итоге можно заключить, что северокавказская популяция P. triticina характеризуется высоким уровнем изменчивости и разнообразия как в целом, так и в каждой агроклиматической зоне. Также важно отметить, что значения индекса Роджерса таких пар признаков, как гены вирулентности и RAPD-фрагменты, фенотипы вирулентности и RAPD-фенотипы, коррелируют.

По фенотипам вирулентности и молекулярным фенотипам был проведен кластерный анализ. Дендрограммы по вирулентности и ДНК-полиморфизму, выполненные с помощью программы Statistica 6.0., представлены на рис. 1-4.

Рис. 1. Дендрограмма вирулентности фенотипов северокавказской популяции Puccinia triticina 2009 года

Рис. 2. Дендрограмма молекулярного полиморфизма фенотипов северокавказской популяции Puccinia triticina 2009 года

Рис. 3. Дендрограмма вирулентности фенотипов северокавказской популяции Puccinia triticina 2010 года

Рис. 4. Дендрограмма молекулярного полиморфизма фенотипов северокавказской популяции Puccinia triticina 2010 года

Дендрограмма, основанная на вирулентности (рис. 1), разделяет популяцию 2009 г. на три кластера (обрезка кластерного древа на уровне 6,75 условных единиц). В первый кластер вошли изоляты из западной приазовской агроклиматической зоны. Во втором кластере, в основном, сгруппировались изоляты из восточной степной и северной зон. Третий кластер - очень крупный, и его можно разбить на три группы. Первая группа представлена одним изолятом, отличающимся от остальных вирулентностью к Lr 24. Во второй группе преобладают изоляты из восточной степной и северной зон. В третьей группе присутствуют изоляты из различных агроклиматических зон.

В дендрограмме, основанной на молекулярном полиморфизме (рис. 2), исследуемая выборка разделяется на четыре кластера (обрезка кластерного древа произведена на уровне 15 условных единиц). В состав первого, самого многочисленного, кластера вошли, преимущественно, изоляты из южной предгорной, восточной степной и северной зон региона. Во второй по численности кластер вошли изоляты, в основном, из западной приазовской зоны, а изоляты из центральной зоны обособились в два независимых кластера.

В дендрограмме вирулентности популяции 2010 г. (рис. 3) на уровне обрезки кластерного древа 5,25 условных единиц выборка разделилась на 7 кластеров. Первые четыре представлены одиночными изолятами, отличающимися от остальных малым количеством генов вирулентности, либо вирулентностью к Lr24. Следующие два кластера включают немногочисленные изоляты из различных агроклиматических зон, которые содержат нехарактерные для остальных сочетания генов. Последний кластер - самый многочисленный и распадается на несколько групп, из которых можно выделить три группировки с изолятами из восточной степной и северной агроклиматических зон. Остальные изоляты распределены однородно. Особенности данной дендрограммы могут быть связаны с тем, что повторяющиеся фенотипы вирулентности равномерно распределены по всем агроклиматическим зонам. Тем не менее, изоляты восточной степной и северной зон обособлены от остальных.

Дендрограмма молекулярного полиморфизма популяции патогена 2010 г. (рис. 4) разделила выборку на четыре кластера (на уровне обрезки кластерного древа 6 условных ед.). Первые два кластера представлены несколькими изолятами, имеющими уникальные молекулярные фенотипы. Третий кластер объединил изоляты, имеющие, преимущественно, верхние мажорные фрагменты. Четвертый, самый многочисленный, кластер распадается на отдельные группы. В первой группе находятся изоляты из восточной степной зоны. Вторая группа представлена изолятами, в основном, из южной предгорной и западной приазовской зон, а в третьей группе объединились изоляты из северной агроклиматической зоны.

В отличие от дендрограммы по вирулентности, в дендрограмме по ДНК-полиморфизму наблюдается более четкая зональность. Это может быть связано с высоким разнообразием популяции по ДНК-полиморфизму по сравнению с популяцией 2009 г.

При сравнении двух дендрограмм популяции P. triticina 2010 г. можно отметить общую особенность: изоляты из восточной степной и северной зон обособлены в отдельные группировки. Та же тенденция наблюдается и для обеих дендрограмм популяции 2009 г.

Полученные результаты позволяют сделать заключение, что северокавказская популяция возбудителя бурой ржавчины пшеницы сохраняет свое разнообразие. Изоляты P. triticina восточной степной и северной агроклиматических зон Северного Кавказа отличаются от остальных как по фенотипам вирулентности, так и по молекулярным фенотипам. Это может быть связано с различными условиями для развития патогена в данных зонах, а также с устойчивостью высеваемых сортов. Также обнаружена корреляция между парами признаков «гены вирулентности и RAPD-фрагменты» и «фенотипы вирулентности и молекулярные фенотипы».

Литература

Андреев Л.Н., Плотникова Ю.М. Ржавчина пшеницы. Цитология и физиология. - М.: Наука. - 1989. - С. 6-8.

Волкова Г.В. Вирулентность популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы (Puccinia recondita f. sp. tritici) на Северном Кавказе // Микология и фитопатология. - 2005. - т. 39. - вып. 4. - С. 78-87.

Кудинова О.А., Кремнева О.Ю., Волкова Г.В. Вирулентность и ДНК-полиморфизм изолятов Puccinia triticina из Северного Кавказа и Ленинградской области// Научный журнал КубГАУ. - 2010. - №62(08).

Батова В.М. Агроклиматические ресурсы Северного Кавказа. - Ленинград. - 1966. - С. 132-143.

Методические рекомендации по изучению расового состава возбудителей ржавчины хлебных злаков / ВНИИФ, ВАСХНИЛ. - М., 1977. - 144 с.

Long, D.L., and Kolmer, J.A. 1989. A North America System of nomenclature for Puccinia triticina // Phytopathology 79. - P. 525-529.

Mains E.B., Jackson H.J., Physiological specialization the leaf rust wheat (P. triticina Erikss.) // Phytopathology. - 1926. - Vol. 16. - P.89-120.

Сhen, X.M., Line, R.F., Leung, H. Relationship between virulence variation and DNA polymorphism in Puccinia striiformis //Phytopathology. - 1993. - Vol. 83. - P. 1489-1497.

Kolmer J.A., Liu J.Q., Sies M. Virulence and molecularpolymorphism in Puccinia recondita f. sp. tritici in Canada // Phytopathology. - 1995. - Vol. 85. - P. 276-285.

Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Колос. - 1973. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru