Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе

Специальности: 03.02.07 - генетика 06.01.05 - селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Адхам Аль Лаббан Ахмед

Москва 2012

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов и в Московском научно-исследовательском институте сельского хозяйства «Немчиновка» Российской академии сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор биологических наук Лапочкина Инна Федоровна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Романова Елена Валерьевна

Официальные оппоненты:

Берёзкин Анатолий Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, кафедра селекции и семеноводства полевых культур, профессор

Николаев Александр Александрович кандидат биологических наук, Институт общей генетики имени Н.И.Вавилова Российской академии наук, лаборатория функциональной геномики, младший научный сотрудник

Ведущая организация: Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук

Защита состоится 10 октября 2012 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.10 при Российском государственном аграрным университете - МСХА имени К.А.Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д.49, тел./факс (499) 976-24-92, (499) 976-40-94, e-mail: genetics@timacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Н.И.Железнова РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева

Автореферат разослан 07 сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Л.С. Большакова

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Процесс создания доноров мягкой пшеницы по определенным признакам с использованием ее дикорастущих сородичей трудоемок и длителен. В генетических научных центрах России и за рубежом особое место занимают гибридные формы и константные линии, полученные методом отдаленной гибридизации. В синтетических пшеницах (SHWs- synthetic hexaploid wheats), полученных от скрещивания тетраплоидных видов пшеницы с видом Aegilops tauschi L., законсервирована изменчивость двух видов и она доступна для использования в селекции мягкой пшеницы. Синтетики хорошо скрещиваются с мягкой пшеницей, гибриды фертильны и имеют гомологичные геномы, что является основой для рекомбинации признаков и отбора генотипов с нужными свойствами. Коллекция синтетических пшениц, созданная в СИММИТ (Мексика) Mujeeb-Kazi et.al. (1995), доступна через Национальный центр генетических ресурсов (National Small Grain Collection) США (штат Айдахо). Эта коллекция никогда не оценивалась на территории РФ в качестве источников ценных в селекционном отношении признаков. В связи с этим, изучение синтетиков в условиях Нечерноземной зоны и отбор новых источников устойчивости к наиболее распространенным грибным заболеваниям пшеницы (бурая ржавчина и мучнистая роса), сочетающих устойчивость с другими хозяйственно-ценными признаками, является актуальным направлением исследований. Выделенные ценные генотипы станут доступным исходным материалом для селекционно-генетических исследований.

Цель исследований - провести оценку образцов коллекции синтетической пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине возбудитель Puccinia triticina Rob. ex Desm f. sp. tritici Erikss. et Henn и мучнистой росе (Blumeria graminis (DC.) Speer f. sp. tritici Marchal.) и другим хозяйственно ценным признакам и выделить лучшие источники для использования в селекционном процессе в Нечерноземной зоне.

Задачи исследований:

1. Оценить коллекцию синтетической пшеницы на инфекционном фоне бурой ржавчины и на провокационном фоне мучнистой росы в 2009-2011 годах и отобрать источники устойчивости к этим заболеваниям для условий Нечерноземной зоны РФ.

2. Определить стабильность образцов по маркерным морфологическим признакам колоса, листа и отобрать цитогенетически константные образцы для генетических и селекционных исследований.

3. Установить характер наследования устойчивости к болезням гибридами F₁ и F₂, полученных от скрещивания устойчивых к болезням образцов с тестером восприимчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе (линия Хакасская) и тестерами устойчивости (линиями с эффективными генами устойчивости Lr и Pm), и определить наиболее вероятное число генов, детерминирующих устойчивость к этим заболеваниям.

4. Провести идентификацию генов Lr c использованием тест-патотипов бурой ржавчины и молекулярных STS маркеров к генам устойчивости бурой ржавчины.

5. Оценить полиморфизм образцов синтетической пшеницы по содержанию белка, клейковины, железа и микроэлементов в зерне.

6. Оценить и отобрать устойчивые к болезням образцы по комплексу хозяйственно ценных признаков в сравнении со стандартным яровым сортом Лада.

Научная новизна. Впервые в условиях Нечерноземной зоны оценена коллекция синтетических пшениц (400 образцов) из NSGC USDA-ARS по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и отобраны источники устойчивости к этим заболеваниям. Впервые установлено, что в коллекции синтетических пшениц продолжает идти формообразовательный процесс, в основе которого лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Отобрано 45 цитогенетически стабильных образцов пригодных для генетических исследований. пшеница зерно сорт яровой

У образцов идентифицирован спектр эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине (Lr34, Lr36, Lr46, Lr46+Lr24, Lr46+Lr29, Lr27+31, Lr9+Lr38), обеспечивающих устойчивость к популяции гриба в Московской области. Установлено, что формирование иммунитета у синтетической пшеницы определяется, исходя из спектра идентифицированных генов и их хромосомной локализации у мягкой пшеницы, в основном генами В и D геномов (6 и 5 генов соответственно), вклад генома А - составляет 2 гена.

Выделены для практического использования 50 лучших образцов синтетической пшеницы с устойчивостью к бурой ржавчине и мучнистой росе. Они сочетают устойчивость с короткостебельностью, крупнозерностью и продуктивностью колоса.

Практическая значимость. Для селекционных программ на иммунитет отобраны источники и доноры с не идентифицированными и идентифицированными генами устойчивости к бурой ржавчине, определяющими устойчивость как на стадии проростков, так и на стадии взрослого растения, дана их характеристика по комплексу хозяйственно- ценных признаков. Отобраны образцы SHWs крупнозерные, продуктивные, с высоким уровнем седиментации, повышенным содержанием белка, клейковины и микроэлементов в зерне. Они являются новыми источниками этих признаков для улучшения мягкой пшеницы в условиях Нечерноземной зоны РФ.

Апробация работы. Результаты исследований представлены на I Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и аспирантов аграрных вузов РФ «Инновационные процессы в АПК», 25-27 марта 2009г. (Москва, 2009), на Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2010) и 13 международной конференции по устойчивости злаков к ржавчинам и мучнистой росе (Пекин, 2012).

Публикации. Опубликовано 4 статьи по теме диссертации, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 148 стр. текста компьютерного набора, включает 37 таблиц, 6 рисунков; состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований и 6 глав результатов исследований, выводов, рекомендаций селекционной практике и 2 приложений. Список литературы включает 161 источник, в том числе - 153 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал, условия и методика проведения исследований. Объектами исследования служили 400 образцов синтетической пшеницы из коллекции NSGC USDA-ARS (штат Айдахо).

Все работы проводили на провокационном фоне мучнистой росы и искусственном фоне бурой ржавчины. Провокационный фон мучнистой росы создавался путем обсева коллекции и питомников тестером восприимчивости к мучнистой росе (линия Хакасская). Через каждые 50 образцов высевали восприимчивую линию Хакасская, а также стандартные сорта Лада и Родина. Инфекционный фон по бурой ржавчине создавался с использованием всех рас, характерных для Московской области. Споры предоставлялись ВНИИФ. Инфекционная нагрузка была 10 мг/м². Растения заражали в стадии выхода в трубку. Степень поражения образцов мучнистой росой оценивали по методике ВИР (Захаренко с соавт., 2000), а бурой ржавчиной по шкале Mains и Jackson (1926). Тип реакции на проникновение бурой ржавчины: 0 -иммунность; 0; -некрозы; 1- некрозы и маленькие пустулы; 2 - хлорозы и маленькие пустулы; 3 -средние пустулы; 4-большие пустулы.

Во время вегетации растений отмечали дату колошения и наличие маркерных признаков на колосе, листьях и стебле. После уборки определяли высоту растений, массу зерна с колоса, массу 1000 зерен. Структурный анализ проводили по 10 растениям в двух повторностях. Достоверность различий от стандартного сорта и коэффициент вариации рассчитывали по методике, изложенной Доспеховым (1979) с использованием программы Excel.

Содержание белка и клейковины в зерне определяли на инфракрасном спектрометре SpectraStar 2400. Уровень седиментации (мл) определяли микрометодом, основанном на степени набухаемости муки в 2% растворе уксусной кислоты. Анализы выполнены в аналитической лаборатории и в лаборатории технологии зерна Московского НИИСХ «Немчиновка».

Медь, цинк, магний и железо определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Зерно минерализовали сухим способом. В растворе золы медь определяли в аналитической линии 324, 7 нм, цинк -213,9 нм, магний - 235,2 нм, железо - 248,3 нм. Для атомизации элементов использовали воздушно-ацетиленовое пламя.

Фиксация колосьев для цитологического анализа проводилась в фазе выхода в трубку. Колосья фиксировали в фиксаторе Нюкомера (6:3:1:1:1) (Newcomer, 1953). Подсчет числа хромосом проводили на временных давленых ацетокарминовых препаратах, а мейотический индекс (MI, %) рассчитывали как число нормальных тетрад/к общему числу тетрад х 100%. (Паушева, 1988).

Идентификацию генов проводили с использованием молекулярных маркеров, сцепленных с генами устойчивости к бурой ржавчине Lr9, Lr10, Lr19, Lr24, Lr34, Lr35, Lr37, Lr39, Lr46 и Lr50 и с генами устойчивости к мучнистой росе Pm2, Pm3c, Pm4b, Pm13, Pm16. При проведении ПЦР анализа придерживались рекомендованных протоколов. Продукты амплификации разделяли методом электрофореза в 2% агарозном геле в трис-боратном буфере.

Идентификацию генов устойчивости в фазе проростков проводили совместно с сотрудниками ВНИИФ методом фитопатологического тестирования с использованием 9 тест-изолятов бурой ржавчины различного происхождения из Государственной коллекции ВНИИФ и 44 Lr-линий пшеницы с одиночными генами устойчивости. Работы по постулированию Lr-генов проводили в камерах искусственного климата.

Генетический анализ расщепления и определение числа генов, контролирующих развитие признака и характер их взаимодействия проведен в соответствии с критерием ч² с использованием алгоритмов статистического анализа, разработанных Мартыновым С.П. “Agros2/07” (Мартынов, 1997).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка коллекции синтетической пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе

Коллекция из 400 образцов синтетической яровой пшеницы была оценена по устойчивости к мучнистой росе (провокационный фон) и бурой ржавчине (искусственный фон заражения) в 2009, 2010 и 2011 гг. в полевых условиях. В 2009 г. отмечено эпифитотийное развитие мучнистой росы. Иммунных образцов к этому заболеванию не выявлено. Но 50 образцов из 400 проявили устойчивость (поражение в пределах 5-10%). По бурой ржавчине обнаружены образцы с различной степенью устойчивости: от высокой восприимчивости (60-80% поражения) до иммунных (0% поражения). В 2009 году было выделено 164 образца с поражением (0-20% и типом реакции 0-2), а также выделено 17 образцов с групповой устойчивостью к бурой ржавчине и мучнистой росе (табл.1).

Таблица 1

Распределение образцов синтетической яровой пшеницы по степени поражения бурой ржавчиной (2009 г.)

После статистической обработки данных по продуктивности колоса и негативного отбора по зерну для повторных оценок устойчивости в 2010 году, было отобрано, а затем высеяно, 127 образцов (88 с устойчивостью к бурой ржавчине; 23 - с устойчивостью к мучнистой росе; 16 - с групповой устойчивостью к обоим заболеваниям). Вегетационный период 2010 года характеризовался повышенными температурами и дефицитом осадков, но обильные утренние росы способствовали эффективному заражению растений и развитию бурой ржавчины. По сравнению с 2009 г., в 2010 отмечался более высокий уровень поражения бурой ржавчиной стандартных сортов (Лада и Родина), тестера восприимчивости (линия Хакасская) и образцов коллекции синтетической пшеницы. По итогам иммунологических оценок в 2009-2010 гг. было отобрано 33 образца, устойчивых к мучнистой росе (5-10% поражения), 60 образцов устойчивых к бурой ржавчине (0-20% поражения), а также 15 образцов с устойчивостью к двум заболеваниям (табл. 2).

Таблица 2

Распределение образцов SHWs по устойчивости к мучнистой росе и бурой ржавчине по результатам иммунологических оценок в 2009-2010 гг.

По результатам структурного анализа в 2010 г. было отобрано 50 образцов, лучших по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе. В 2011 г. большинство образцов подтвердили оценки устойчивости в 2009 и 2010 гг. (табл.3).

Таблица 3

Поражение бурой ржавчиной (%/_{тип реакции}) и мучнистой росой (%) у 50 лучших по комплексу хозяйственно ценных признаков образцов SHWs (2009-2011)

Перечисленные образцы можно использовать в селекции на иммунитет в качестве источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе.

Морфологическое описание и определение цитогенетической стабильности образцов синтетической пшеницы

При выращивании образцов коллекции в условиях Подмосковья, мы обратили внимание на расщепление по ряду морфологических признаков у некоторых образцов. В частности, отмечено наличие/отсутствие остей, варьирование окраски колоса, опушение/отсутствие опушения на колосе и листе, наличие/отсутствие воскового налета на растении и колосе. Такое расщепление в пределах некоторых образцов могло быть обусловлено как засорением в процессе выращивания коллекции, так и с некоторыми цитологическими нарушениями мейоза и оплодотворения у синтетически полученных амфидиплоидов, которыми являются синтетические пшеницы. В связи с этим явлением, часть коллекции SHWs была подвергнута цитологическому анализу мейоза. В 2010 и 2011 годах был проанализирован 71 образец по характеру конъюгации хромосом в метафазе I мейоза и стадии тетрад (табл.4). К стабильным генотипам относили образцы с мейотическим индексом более 80%. Все разнообразие образцов можно разделить на следующие группы:

I группа. У растений этой группы установлена нестабильность числа хромосом (2n) и нарушение процесса мейоза (формирование повышенного числа открытых бивалентов, унивалентов и мультивалентов в метафазе 1 и формирование тетрад с микроядрами). У 11 образцов отмечали варьирование числа хромосом от 2n=41 до 2n=43. Эти образцы имели пониженный мейотический индекс (35-75%) (PI 648571, PI 648599, PI 648767, PI 648842, PI 648760, PI 648757, PI 648580, PI 648529, PI 648687, PI 648843, PI 648491).

II группа. В эту группу растений отнесено 10 генотипов, которые также расщеплялись по числу хромосом, но 42-хромосомные растения были стабильны по течению мейоза и имели высокий мейотический индекс (PI 648558, PI 648576, PI 648660, PI 648827, PI 648861, PI 648561, PI 648864, PI 648611, PI 648633, PI 648833).

III группа. Отобрано 45 образцов с правильным течением мейоза и высоким мейотическим индексом 80-90% (цитогенетически стабильных), пригодных для проведения исследований по генетике устойчивости к болезням (PI 648528, PI 648557, PI 648559, PI 648573, PI 648575, PI 648581, PI 648586, PI 648598, PI 648603, PI 648648, PI 648650, PI 648716, PI 648724, PI 648726, PI 648572, PI 648588, PI 648649, PI 648758, PI 648752, PI 648664, PI 648681, PI 648826, PI 648508, PI 648606, PI 648865, PI 648645, PI 648629, PI 613280, PI 613306, PI 613310, PI 613320, PI 613321, PI 613322, PI 648556, PI 648608, PI 648651, PI 648655, PI 648656, PI 648661, PI 648691, PI 648693, PI 648787, PI 648851, PI 648859, PI 648860).

IV группа. В эту группу отнесены 5 образцов, у которых все протестированные растения имели 2n=42, но в метафазе 1 мейоза отмечались нарушения: формирование повышенного числа унивалентов и мультивалентов, которые привели к формированию тетрад с повышенным числом микроядер. Эти растения имели пониженный мейотический индекс 57,1- 79,8%. Пыльца, которая сформируется из таких микроспор, может приводить к появлению анеуплоидных растений в следующем поколении. Таким образом, растения этих образцов еще не достаточно стабильны (PI 648550, PI 648756, PI 648489, PI 648610, PI 648621).

Таблица 4

Разнообразие образцов SHWs по числу хромосом (2n), типу конъюгации хромосом в метафазе I мейоза и мейотическому индексу (M I, %)

Исходя из полученных данных, можно сделать заключение, что в коллекции синтетических пшениц продолжает идти формообразовательный процесс, в основе которого лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Вероятно, что отмеченное расщепление по опушению колоса, остистости, наличию / отсутствию воска на колосе и растении, а также гетерогенная реакция на проникновение бурой ржавчины (например, от 1/₁ до 1/_3-4; от 1/_0; до 25/₃), которую наблюдали иногда в пределах одного образца, отражает этот формообразовательный процесс. Только 63% образцов имели правильное течение мейоза и формировали нормальные тетрады. Эти образцы можно отнести к цитогенетически стабильным формам, и они пригодны для генетических исследований.

Особенности генетики устойчивости синтетических пшениц к бурой ржавчине и мучнистой росе

Ежегодное наблюдение за коллекцией яровой мягкой пшеницы с известными генами устойчивости к бурой ржавчине (почти изогенные линии) и коллекцией образцов мягкой пшеницы с известными генами Pm, позволило установить, что в Московской области высокоэффективными генами устойчивости к бурой ржавчине являются: гены ювенильной устойчивости Lr9, Lr24, Lr27+31, Lr28, Lr29, Lr36, Lr47 и ген LrTr, гены устойчивости взрослого растения: Lr12, Lr13, Lr22a, Lr37, а также ген Lr46, определяющий замедленное развитие бурой ржавчины на растении (ген slow rusting). К высокоэффективным генам Pm можно отнести: Pm7, Pm12, Pm16, Pm17, Pm18 и Pm32. Тестер восприимчивости, линия Хакасская, не имеет генов устойчивости Lr и ежегодно поражается на 80 -100% и имеет тип реакции на проникновение бурой ржавчины 4 (восприимчивый тип).

Идентификация генов методом фитопатологического тестирования

Для идентификации генов устойчивости к бурой ржавчине 42 образца синтетической пшеницы и 44 Lr-линии пшеницы с одиночными генами устойчивости в фазе первого листа инокулировали урединиоспорами тест-изолятов гриба.

В качестве тест-изолятов использовали 9 фенотипов Puccinia triticina различного происхождения с различным набором генов вирулентности. Получены следующие результаты: восприимчивость ко всем изолятам проявили 8 образцов (PI 648489, PI 648530, PI 648573, PI 648621, PI 648680, PI 648752, PI 648760, PI 648784). Эти данные согласуются с результатами оценок в полевых условиях (процент поражения болезнью достигал 15-25-50%), а тип реакции на проникновение патогена соответствовал восприимчивому типу (3-4). Исключение составил образец PI 648621, который в полевых условиях на инфекционном фоне проявил высокую устойчивость к бурой ржавчине. Степень поражения не превышала 1%, а тип реакции соответствовал 1 и 2. Вероятно, что устойчивость этого образца определяется наличием генов устойчивости взрослого растения (табл.5).

Устойчивый тип реакции (0, 0;, 1) ко всем изолятам на стадии проростков проявили 15 образцов (PI 613310, PI 613322, PI 648527, PI 648588, PI 648611, PI 648612, PI 648650, PI 648651, PI 648655, PI 648663, PI 648724, PI 648787, PI 648851, PI 648859, PI 648860).

Таблица 5

Результаты постулирования генов устойчивости к бурой ржавчине с использованием тест-патотипов гриба Puccinia triticina (2009-2010 гг.)

Проявление такой реакции не позволило идентифицировать гены устойчивости в генотипах. В поле образцы проявляли иммунитет или устойчивость в пределах (1/₁-5/₂) процентов поражения.

У 20 образцов выявлены 12 генов устойчивости: Lr2c, Lr3ka, Lr9, Lr10, Lr14b, Lr21, Lr25, Lr26, Lr38, Lr40, Lr44, Lr46 и сочетание генов (Lr27+Lr31). Некоторые гены выявлены в сочетании с одним, двумя или тремя неизвестными генами устойчивости (что указано знаком + к идентифицированному гену) (табл.5).

У образца PI 613306 предполагается наличие комбинации генов Lr14b+Lr46. В тех случаях, когда идентифицированный ген не является эффективным для Московской области (Lr3ka), а образец проявил устойчивость в течение двух лет испытания, мы можем предполагать наличие новых, пока не идентифицированных генов Lr, обеспечивающих эту устойчивость.

Наибольший интерес для нас представляют образцы PI 648662 и PI 648693, в которых постулированы гены Lr9 и Lr38. В условиях Центрального региона они проявили себя как высокоустойчивые к бурой ржавчине. Возможно, это обусловлено тем, что в популяции этого региона отсутствуют изоляты Puccinia triticina, вирулентные к Lr9 и Lr38. Однако, гены вирулентности Puccinia triticina к этим генам устойчивости уже обнаружены в Западной Сибири на сорте Чернява в 2010 году (Жемчужина, 2010, персональное сообщение).

Идентификация генов с использованием ПЦР - метода

38 образцов синтетической пшеницы были протестированы на наличие генов Lr9, Lr10, Lr19, Lr24, Lr34, Lr35, Lr37, Lr39, Lr46 и Lr50 c использованием молекулярных маркеров. Ген Lr10 идентифицирован у двух образцов (PI 648580, PI 648588), а ген Lr19 - у шести образцов (PI 648561, PI648608, PI 648580, PI 648581, PI 648588). Образец PI 648588, у которого обнаружены оба гена устойчивости и который проявил иммунитет при заражении изолятами гриба на стадии проростков и в поле (0% поражения), также может использоваться в улучшении мягкой пшеницы по признаку устойчивость к бурой ржавчине. Ген Lr34 обнаружен у образца PI 648580. На рисунке 1 приведена электрофореграмма, иллюстрирующая наличие идентифицированного Lr19 гена у 4 образцов синтетической пшеницы.

Эти же образцы коллекции синтетической пшеницы и почти изогенные линии протестированы на наличие генов Pm2, Pm3c, Pm4b, Pm13, Pm16
с использованием STS маркеров. Ни один из генов не обнаружен у образцов, взятых в исследования.

Рис. 1 Электрофореграмма результатов ПЦР-амплификации маркера Lr19gbF/Lr19gbR(130 п.н.), сцепленного с геном Lr19.

Определение характера наследования устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и числа генов, детерминирующих признак, и их аллельности

Определение характера наследования признака устойчивости и наиболее вероятного числа генов, контролирующих устойчивость к перечисленным болезням, проводили в питомниках гибридов первого и второго поколения, полученных от скрещивания тестируемого образца синтетической пшеницы с тестером восприимчивости на инфекционном фоне, а наличие или отсутствие аллельных эффективных генов Lr и Pm - в гибридных комбинациях с почти изогенными линиями или линиями, с известными генами устойчивости.

Заключение о вероятном числе генов, детерминирующих признак устойчивости к бурой ржавчине, проводили на основании критерия хи-квадрат и гибридологического анализа полученных данных. Гибридологический анализ по бурой ржавчине проведен для 7 образцов SHWs.

В таблице 6 приведены данные гибридологического анализа для образца PI 648608. Установлено доминантное наследование признака устойчивости к бурой ржавчине, который детерминируется 1-2 генами. Тесты на аллелизм показали наличие расщепления в гибридных популяциях F₂, и вероятное отсутствие генов Lr9, Lr27+31, Lr28, Lr29, Lr35, Lr36, Lr38 и Lr45, аллельных эффективным генам соответствующих изогенных линий. В то же время, отсутствие расщепления в F₂ комбинации с изогенной линией с геном Lr24 может указывать на возможное присутствие гена Lr24 у образца PI 648608. Или иного доминантного гена на той же 3D хромосоме, где локализован ген Lr24. Ген Lr32, локализованный на этой же хромосоме (McIntosh, 2004), не эффективен (поражение в поле 40/₄). Поэтому, вероятно или наличие гена Lr24 или нового гена, интрогрессированного от Ae. taushii в синтетическую пшеницу.

Таблица 6

Результаты гибридологического анализа по признаку устойчивости к бурой ржавчине для образца синтетической пшеницы PI 648608 (2011 г.)

ч² _теор= 3, 84 при df=1.

R: S* - соотношение устойчивых и восприимчивых растений в F₂.

Для образцов PI 648528 и PI 648598 проходит гипотеза о наличии 1 гена устойчивости к бурой ржавчине (ч²₁=3.03 и ч²₂=3.05), однако мы ее отвергаем, так как гипотеза верна для полного доминирования признака. В нашем случае признак устойчивости наследовался по рецессивному типу (гибриды F₁ поразились на 40% и имели восприимчивый тип реакции 4). Поэтому, наиболее вероятными являются гипотезы 9:7 и 10:6, которые свидетельствуют о наличии 2 комплементарных генов или 1 основного гена и гена-ингибитора.

Устойчивость образца PI 648645 к бурой ржавчине (0-5/₂) наследуется рецессивно и определяется 2-3 комплементарными генами. Не отвергаются гипотезы и о более сложном наследовании признака (1 ген, 1 ген-ингибитор и ген-антиингибитор для расщепления 39:25, ч² =0.005) или (1 основной ген и два комплементарных гена-ингибитора для расщепления 43:21, ч² =1.530). У образца отсутствует ген, аллельный гену Lr35 почти изогенной линии.

Образец PI 613310, показавший высокий уровень устойчивости к бурой ржавчине в полевых условиях (1/₁) и стадии проростков, не имеет в генотипе эффективных генов, аллельных генам почти изогенных линий Lr9, Lr24, Lr29, Lr35, Lr36 и Lr38. Устойчивость этого образца может быть обусловлена или наличием новых или пока не идентифицированных генов Lr.

По результатам гибридологического анализа установлено, что у образца PI 648611 иммунного к бурой ржавчине (0% поражения в поле), вероятно, присутствуют эффективные гены Lr24 (3D) и Lr46 (1B) (все растения в F₂ в выборке из 57 и 74 растений устойчивы). Или новые эффективные гены на этих же хромосомах, соответственно. У образца отсутствуют гены, аллельные генам почти изогенных линий Lr9, Lr27+31, Lr28, Lr35, Lr36, Lr38 и Lr45.

Образец PI 648860, скорее всего, имеет сочетание генов Lr29 и Lr46 (отсутствует расщепление в F₂, все растения в проанализированных выборках из 101 и 51 растений были устойчивы к болезни) и отсутствуют гены, аллельные эффективным генам почти изогенных линий Lr28, Lr35, Lr38 и Lr45.

Резюмируя полученные результаты, мы можем констатировать, что признак устойчивости к бурой ржавчине у одних образцов синтетической пшеницы наследуется как доминантный (PI 648608, PI 648851), а у других - как рецессивный (PI 648528, PI 648581, PI648598). При доминантном наследовании признака его контроль осуществляется 1-2 генами; при рецессивном - 2 генами с комплементарным взаимодействием или 1 основным геном и геном-ингибитором.

Таким образом, установлено наличие эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине или сочетание генов у следующих генотипов: Lr36 (PI 648603, PI 648633); Lr46+Lr24 (PI 648611); Lr46+Lr29 (PI 648860); Lr46+Lr14b (PI 613306), Lr27+31 (PI 648598); Lr9+Lr38 (PI 648662, PI648693); Lr34 (PI 648580). Эти генотипы рекомендуются для использования в селекции на иммунитет к бурой ржавчине в качестве доноров для регионов, где эти гены являются эффективными.

В некоторых устойчивых к бурой ржавчине генотипах обнаружены не эффективные для нашей зоны гены, например, Lr3ka (PI 648821, PI 648599), Lr10 (PI 648588), Lr21 (PI 648679, PI 648842), Lr19 (PI 648608, PI 648581, PI 648588). В этих случаях мы можем предполагать у образцов наличие дополнительных, пока не идентифицированных генов или новых генов устойчивости.

Аналогичная работа по определению числа генов устойчивости к мучнистой росе и наличия аллельности генов проведена для 8 образцов синтетической пшеницы (PI 648581, PI 648528, PI 648481, PI 648588, PI 648859, PI648598, PI 648576, PI 648575), устойчивых к этому заболеванию (от 1-5% до 10% поражения мучнистой росой в полевых условиях). У всех протестированных образцов при скрещивании с тестером восприимчивости - линией Хакасская, наблюдали промежуточное наследование признака устойчивости в F₁ (15-20%), а в F₂ преобладали восприимчивые растения. Наблюдаемое расщепление чаще всего соответствовало теоретическому 3R:13S, что соответствует наличию одного гена и ингибитора. Не отвергается гипотеза о существовании 2 комплементарных или 2 дупликатных генов и наличии гена-ингибитора (9:55 или 15:49). Для образца PI 648576 установлено отсутствие генов, аллельных эффективным генам Pm5 и Pm32 тестеров устойчивости, а для образца PI 648575 отсутствие генов Pm5, Pm12, Pm18, Pm32. То есть, ни методом гибридологического анализа, ни молекулярно-генетическим методом, эффективных генов устойчивости к мучнистой росе в тестируемых образцах SHWs не выявлено.

Содержание белка, клейковины и микроэлементов в зерне

У выделенных источников и доноров содержание белка и клейковины в зерне должно быть сопоставимым с показателями современных сортов пшеницы. Почти половина населения мира сталкивается с дефицитом железа и цинка (Welch, Graham, 1999). Сорта мягкой пшеницы имеют ограниченный полиморфизм по содержанию этих элементов в зерне. У лучших 45 по комплексу хозяйственно-ценных признаков образцов SHWs изучена изменчивость содержания белка, клейковины, Fe, Cu, Zn, Mg в зерне.

Большинство образцов синтетической пшеницы крупнозерные (39 образцов из 45 имели массу 1000 зерен выше 40г). Образцы достаточно продуктивны. Большинство из них не отличалось по этому признаку от стандартных сортов, а некоторые достоверно превышали стандарт. По накоплению белка и клейковины в зерне синтетические пшеницы также имели лучшие показатели в сравнении с сортами мягкой пшеницы Лада и Родина (содержание белка у синтетиков варьировало от 14 до 24%, а клейковины от 22.1% до 44.1% в сравнении с сортами 12.5-14.3% и 22.1-26.8% соответственно). Уровень седиментации у синтетических пшениц, который тесно связан с содержанием и качеством клейковины, также достаточно высок, достигая 5-6 мл (уровень сравним с данными сортов яровой пшеницы).

Содержание железа, меди и цинка в зерне синтетических пшениц варьировало значительно. Коэффициенты вариации составили V_Fe= 41.4%, V_Cu= 31.8%, V_Zn= 34%. Варьирование признака содержание магния в зерне можно считать средним. Коэффициент вариации V_Mg=14%. Для сортов мягкой пшеницы коэффициенты вариации по содержанию меди, цинка и магния были незначительными V_Cu=8.2%, V_Zn=3.4%, V_Mg=0.6%. И только изменчивость содержания железа в зерне можно считать средней (V_Fe=16.7%). При этом абсолютные значения содержания железа у синтетиков колебались от 34.5 мг/кг (PI 648621) до 145.2 мг/кг (PI 648822), то есть синтетики различались между собой по содержанию этого элемента в зерне более, чем в 4 раза. По содержанию меди в зерне выделены образцы с очень низким содержанием элемента 2.2-2.5 мг/кг, что в 2-3 раза ниже, чем у сортов мягкой пшеницы, так и образцы с высоким содержанием меди (PI 648527 - 7.2 мг/кг; PI 648840 - 7.9 мг/кг; PI 648837 - 8.8 мг/кг). Примечательно, что высокое содержание меди отмечено только для образцов с устойчивостью к бурой ржавчине и с групповой устойчивостью к болезням.

По содержанию цинка в зерне большинство образцов не отличалось от сортов мягкой пшеницы. Однако коэффициент вариации V_zn=31.8% указывает на широкую изменчивость этого признака у синтетических пшениц. Образцы с содержанием цинка >100 мг/кг достойны внимания физиологов и селекционеров (PI 648612, PI 648489, PI 648572, PI 648573, PI 648588, PI 648597, PI 648599, PI 648724, PI 648840). По данным Cakmak et al. (1999), высокое содержание цинка в зерне может быть связано с развитием обширной корневой системы у пшеницы, и работа в этом направлении может привести к изменению физиологических свойств растений и формированию более продуктивных генотипов.

Изменчивость магния в зерне сортов яровой пшеницы была незначительной и колебалась в абсолютных значениях в пределах 1550-1570 мг/кг. У синтетической пшеницы коэффициент вариации был средним (V_Mg=14%), выравненность признака достаточно высокая (86%), но колебание между отдельными генотипами достигало 1000 мг/кг: 2160 мг/кг у образца PI 648650 и 1160 мг/кг (PI 613306). Вероятно, образцы синтетических пшениц могут быть источником улучшения мягкой пшеницы и по этому признаку.

Отбор лучших образцов синтетической пшеницы по комплексу хозяйственно ценных признаков и их характеристика

В 2009 г. во время уборки были отбракованы образцы сильно восприимчивые к мучнистой росе, восприимчивые к бурой ржавчине, расщепляющиеся по морфологическим признакам, высоте, а также не выколосившиеся генотипы (всего 273 образца). У оставшихся 127 образцов был проведен структурный анализ, и определены следующие показатели: высота растений (см), продуктивность главного колоса (г), масса 1000 зерен (г). Из общего массива данных отобрали образцы устойчивые к бурой ржавчине (90 образцов), устойчивые к мучнистой росе (23 образца), и образцы с групповой устойчивостью к болезням (14 образцов). Отбирая лучшие по комплексу хозяйственно ценных признаков генотипы, обращали внимание не только на степень устойчивости к болезни, но также на число дней до колошения (браковали позднеспелые генотипы), высоту растения (браковали высокорослые образцы, достоверно превышающие стандартный сорт Лада), продуктивность колоса (отбраковывали низкопродуктивные образцы с массой зерна менее 0.9 г с колоса). После негативного отбора был составлен список лучших образцов устойчивых к бурой ржавчине - (44 образца), устойчивых к мучнистой росе (16 образцов) и 4 лучших образца с устойчивостью к двум болезням. Некоторые образцы, выделившиеся в условиях 2009 года (благоприятного для зерновых), представлены в таблице 7. В 2009 году почти все отобранные образцы достоверно превышали по крупности зерна сорт Лада (масса 1000 зерен - 36.0 г). Масса 1000 зерен у синтетиков колебалась от 44 до 64 г. Более половины образцов были более продуктивны, чем стандарт (сорт Лада). У некоторых образцов продуктивность колоса составила 2.0-2.6г.

Мы можем рекомендовать к использованию следующие образцы в селекционных программах на повышение устойчивости к бурой ржавчине: PI 648662, PI 648693 (с генами Lr9+Lr38), PI 648527, PI 648724, PI 648787, PI 648851(с не идентифицированными ювенильными генами устойчивости к бурой ржавчине), PI 613306 (с геном slow rusting Lr46), а также образцы с высоким уровнем развития хозяйственно ценных признаков...