Імунологічні основи створення стійких до Puccinia recondita Rob. et Desm. f. sp. tritici Eriks сортів пшениці в Україні

Ефективність гена Lr25 впродовж цих років залишалась на одному рівні. Кількість авірулентних до цього гена ізолятів патогену, в середньому, становила 49,5%. Не відмічалось істотних відмінностей щодо цього показника і по роках.

Ефективність гена Lr24 дещо знизилась у порівнянні з 1988 р., коли в популяції патогену не було відмічено вірулентних до нього ізолятів. Середня кількість авірулентних ізолятів за 1994-1999 рр. складала 80,1%, що свідчить про досить високий і сталий рівень ефективності і, відповідно, значну селекційну цінність цього гена.

Найбільш ефективними генами стійкості, на даний час здатними повністю захистити пшеницю від збудника бурої іржі, є гени Lr9, Lr19 і Lr23. По відношенню до перших двох, як і у попередні роки, не виявлено вірулентних ізолятів в популяціях патогену на жодному із сортів озимої пшениці. Наявність вірулентних до Lr23 ізолятів було відмічено на сортах Альбатрос одеський і Миронівська 808, що свідчить про тенденцію до зростання їх кількості і поступової втрати ефективності гена Lr23. Середня кількість авірулентних до нього ізолятів за 1988-1999 рр. складала 93,6%, а за 1994-1999 рр. - 84,3%

Таким чином, найбільш ефективними генами впродовж багатьох років є Lr9 i Lr19. На протязі всіх років досліджень в популяціях патогену на всіх сортах не виявлено вірулентних до них ізолятів, що свідчить про їх перспективність для використання в селекції в комплексі із іншими генами.

Досліджень, присвячених вивченню успадкування вірулентності Р. recondita f. sp. tritici при проходженні еціальної стадії на Thalictrum spр. порівняно мало (Samborski, Dyck, 1968, 1974; Saari et al., 1968; Haggag et al., 1973) і відомості про генетику вірулентності патогену відривчасті. Всі дослідження проведені за рубежем, тому їх результати не можна використати в цілях селекції на імунітет в Україні, бо існують значні відмінності в расовому складі збудника хвороби.

На першому етапі досліджень у 1978 р. ми вивчали потенційні можливості зміни вірулентності P. recondita f. sp. tritici внаслідок інбридингу різних за вірулентністю біотипів 9 і 20 раси 77 та гібридизації між ними на Thalictrum spp.

Внаслідок інбридингу біотипу 20 в потомстві не було виявлено суттєвих відхилень у вірулентності порівняно із вихідною формою, що свідчить про гомозиготність його за цією ознакою. При ідентифікації потомства від інбридингу біотипу 9 лише третина ізолятів була подібною до вихідного біотипу, а решта була представлена різними біотипами, як правило, з вищим рівнем вірулентності порівняно із біотипом 9. Один ізолят був зареєстрований як біотип 38. На той період він ще не був виявлений в природних умовах на території України. Така різноманітність потомства за вірулентністю свідчить про гетерозиготність біотипу 9 за цією ознакою, що давало підставу вважати його потенційні можливості вірулентності значно вищими, ніж у біотипу 20.

Ідентифікація гібридів F₁ (потомства від реципрокних схрещувань між біотипами 9 і 20) показала, зміну вірулентності P. recondita f. sp. tritici. В потомстві схрещування де як материнська форма був біотип 20 поряд з ізолятами, ідентичними вихідним формам, одержані ізоляти, які суттєво відрізняються від перших за вірулентністю (біотипи 27, 33, 35, 36). У схрещуванні, де як материнська форма був біотип 9, крім вихідних форм в потомстві інших не було отримано.

Наступним етапом досліджень генетичних основ вірулентності найбільш поширених біотипів раси 77 P. recondita f. sp. tritici 36, 20, 15 і 9 (1984-1986 рр.) був аналіз гібридів від реципрокних схрещувань між ними. Для аналізу закономірностей успадкування вірулентності використовували F₁ штучних еціопопуляцй патогену, які створювали шляхом реципрокних схрещувань між різними за вірулентністю біотипами раси 77 - авірулентним до всіх додаткових сортів-диференціаторів, сорту Дариця та Lr-лініями з генами Lr9, Lr19 і Lr23 біотипом 9 і високовірулентними біотипами 15, 20 і 36.

Одержані результати являються підтвердженням вузького спектру вірулентності біотипа 20 P. recondita f. sp. tritici, яка контролюється одним геном.

Аналіз розщеплень гібридів F₁ від схрещувань біотипів 9 і 15 дає підставу вважати, що біотип 15 має значно більший потенціал вірулентності у порівнянні з біотипом 20. В F₁ гібридної комбінації 9 х 15 встановлено наявність у нього, принаймні, чотирьох генів вірулентності: по одному до сортів Новомічурінка і Мічурінка і двох комплементарних генів до сорту Кавказ.

Найвищий потенціал вірулентності має біотип 36. Аналіз розщеплення гібридів F₁ прямих і зворотних схрещувань показав, що вірулентність цього біотипу контролюють, принаймні, вісім генів.

Відсутність вірулентних до сорту Дариця і ізогенних ліній Lr9, Lr19 і Lr23 ізолятів в F₁ гібридів свідчить про те, що гени вірулентності у біотипів 20, 15 і 36 до цього сорту і ізогенних ліній відсутні, а поява їх внаслідок рекомбінацій при статевій гібридизації проблематична.

Отже, незважаючи на наявність у біотипів 15 і 20 раси 77 щонайменше 7-8 генів, вони мають невисокий генетичний потенціал вірулентності, бо в його спектр не входять високоефективні гени стійкості Lr9, Lr19, Lr23. Тому рекомбінації вірулентності P. recondita f. sp. tritici, що відбуваються при статевому процесі в природних умовах в даному випадку не є реальною загрозою щодо кардинальних змін вірулентності патогену в широких масштабах.

Проведений всебічний аналіз вірулентності еціопопуляцій P. recondita f. sp. tritici на Th.minus і Th. flavum у 90-х рр. підтвердив наш прогноз. Расовий склад, склад біотипів раси 77 і рівні вірулентності патогену до відомих генів стійкості (Lr-генів) еціопопуляцій із різних видів рутвиці істотно не відрізняються між собою. Крім того, склад рас, виділених із еціопопуляцій, практично не відрізняється від того ж на районованих і перспективних сортах озимої пшениці.

Спектр рас в природних еціопопуляціях патогену значно вужчий, ніж в штучних і в популяціях на основному живителі, що пояснюється меншою різноманітністю джерел інфекції для ураження проміжних рослин-живителів.

Еціопопуляції на обох видах рутвиці практично не відрізняються за вірулентністю до відомих генів стійкості (Lr-генів), бо представлені дуже близькими за вірулентністю генотипами патогену. Спектр генотипів вірулентності в природних еціопопуляціях значно вужчий, ніж в штучних і представлений більшим відсотком ізолятів з високим рівнем вірулентності.

З природних і штучних еціопопуляцій не виділено ізолятів патогену, вірулентних до Lr9, Lr9 і Lr23, а також ізолятів, авірулентних до Lr3. В останні роки як в природних, так і в штучних еціопопуляціях патогену на обох видах рутвиці переважають авірулентні до Lr26 генотипи.

Як в природних, так і в штучних еціопопуляціях на обох видах рутвиці відбулась заміна найбільш вірулентного генотипу р9,р19,р23/р3, р24,р25,р26,р30 на найменш вірулентний - р9,р19,р23,р24,р25, р26,р30/р3;

Таким чином, рекомбінації вірулентності, що відбуваються при статевому процесі патогену в природних умовах взагалі хоча і являються потенційно небезпечними, однак у даному випадку не являють собою реальної загрози в плані кардинальних змін вірулентності P. recondita f. sp. tritici в широких масштабах. Головною причиною такої стабільності є відсутність у виробництві на великих площах сортів з високим рівнем стійкості до хвороби. Високовірулентні генотипи могли б скоріше сформуватись на таких сортах під впливом їх імунологічних властивостей внаслідок жорсткого спрямованого добору в популяціях патогену, ніж на проміжних рослинах-живителях внаслідок статевої гібридизації.

Однією із головних науково-методичних основ створення стійких до шкідливих організмів сортів с.-г. культур є наявність джерел та донорів стійкості, які в повній мірі відповідали б все зростаючим вимогам селекції як щодо імунологічних властивостей, так і щодо головніших господарських ознак. Тому пошуки такого вихідного матеріалу і постачання його селекціонерам є одним із першочергових завдань фахівців у галузі фітоімунології.

Впродовж 1974-1998 рр. проведено вивчення імунологічних властивостей 637 сортозразків озимої і 266 сортозразків ярої пшениці різного еколого-географічного походження відносно збудників бурої іржі, борошнистої роси і частково септоріозу і їх господарсько-біологічних показників.

Яра пшениця була представлена сортозразками із 19-ти країн, а майже половина iз них - із Мексіки (126), переважна більшість яких (94,4%) були в тій чи іншій мірі стійкими до збудника бурої іржі чи до збудника борошнистої роси. Значною кількістю сортозразків був представлений вихідний матеріал із Чілі (39), 97,4% з яких були стійкими до однієї або до обох вищезазначених хвороб. Високий процент стійких сортозразків був і серед вихідного матеріалу із США (97,6%) і Бразілії (91,6%). Серед 30-ти сортозразків із колишнього СРСР тільки 13,3% характеризувались певним рівнем стійкості до цих хвороб.

Внаслідок 3-річного вивчення найбільш перспективними для селекції як за імунологічними властивостями, так і за господарсько-біологічними показниками виявились 13 сортозразків ярої пшениці: McMurachi (к-44432), Hybrid 280-10 (к-43095) із Канади, к-47358, к-47529, к-47518, к-47403, к-47520, к-47291, к-47389 із Мексіки, С.В.Р. 12 (к-46368), С.В.Р. 306 (к-48375) із Чілі, Kalyan Sona (к-47758) із Індії, Salmayo (к-44450) із США, на основі яких шляхом інбридингу та імунологічних доборів створені імунологічно однорідні лінії і передані селекційним установам України як донори стійкості до збудників обох хвороб.

Серед сортозразків озимої пшениці, що вивчались серіями впродовж 1977-1986 рр., виявлено чимала кількість із різним ступенем стійкості до обох хвороб. Найбільш перспективними являються 38 сортозразків, які за імунологічними властивостями відносно збудників бурої іржі і борошнистої роси і господарсько-біологічними показниками (зимостійкістю, стійкістю до вилягання, продуктивністю) відповідають головнішим вимогам селекції. Зокрема, сортозразки Димитровка 5-12, Димитровка 5-14, Н-56^б-13-5, Враца, Курбай 1 (Болгарія), добір із №12803 (Казахстан), Purdue 5396 A4-11-4 , Oasis (США), гібрид Pawnee x Chinese x Ae. umbellulata, Партизанка (Югославія), 9D4-262, 133D-243, Lowrin 38 (Румунія), Uh 582/72, Sh 3380-2976, НЕ 84, SO 4-79 (Чехія), Maris Durin (Англія), Замена, Дариця, Лютесценс 2684 (Росія), Salwa, Pol 2708/73 (Польща) характеризуються різними рівнями стійкості (від високого до помірного), високими зимостійкістю та стійкістю до вилягання, достатньо високою продуктивністю і можуть бути використані в селекційних програмах у будь-якому регіоні України. Сортозразки [F₇(Frontana x Mida x Keniya 117A) x Bezostaya 1⁴ x L101], [F₇(Gabo 56 x Bezostaya 1⁴) x NS 649], NS 13-19 (Югославія), Русалка , Тарвел (Болгарія), SO 81-23, Uh 192/78 (Чехія), Taw 3073/73 (Німеччина), Maris Virtul (Англія) рекомендуються до використання як донори у південному регіоні України, бо характеризуються середнім і низьким рівнями зимостійкості. Сортозразки Agrus , Arthur 71, Agata (США), SO 2100 (Польща), Fortin (Франція), Нohenturm 5487/75 (Німеччина) за імунологічними властивостями, зимостійкістю та продуктивністю не поступаються вищезазначеним, але мають невисокий рівень стійкості до вилягання, що слід враховувати при підборі пар для схрещувань.

Нами вперше в фітопатологічній практиці застосований кластерний аналіз методом К-середніх 162-х сортозразків озимої пшениці, що вивчались впродовж 1996-1998 рр. Це метод багатомірної статистики, який дає можливість провести класифікацію великої групи об'єктів за сукупністю цілого ряду параметрів, що досліджуються. У даному випадку нами досліджувались три параметри - імунологічні властивості об'єктів (сортозразків) щодо збудників бурої іржі, борошнистої роси та септоріозу в балах згідно Міжнародного класифікатора РЕВ.

В результаті проведеного аналізу всі досліджувані сортозразки згруповані в п'ять кластерів.

Найбільш перспективні за трьома параметрами сортозразки увійшли до кластеру №2. Він включає 51 сортозразок і характеризується найвищими середніми балами стійкості: з найвищим балом стійкості до збудника борошнистої роси (9), з високим і середнім балом стійкості до збудника бурої іржі і середнім балом стійкості до збудника септоріозу. Зокрема, це сортозразки Лютесценс 2684, Безенчукська остиста, Еритроспермум 583/89, Юна, Скіф'янка, Еритроспермум 1613/86, Масив, Arthur 71, Abe, Georgia 1123, Purdue 5396, McNair 701, Maris Durin, Maris Templar, Hohenturm 14072/67, SO₄, Polanka, Імпульс, Янтар, 104-80, Novosadska rana 1, NS 3 і ін.

Порівняльний аналіз кластерів з результатами простого групування сортозразків за імунологічними параметрами показав, що по багатьох сортозразках вони співпадають. Зокрема, перспективні сортозразки в межах кластерів № 1 і 2 увійшли також до 1-3 груп. Але кластерний аналіз методом визначення К-середніх є більш об'єктивним і зручним, тому його слід якомога ширше застосовувати в імунологічних дослідженнях.

Лабораторії селекції озимої пшениці Донецької обласної с.-г. станції (на даний час - Донецький інститут агропромисловонго виробництва УААН) передано виділені нами імунологічно однорідні лінії 34-х сортозразків озимої пшениці, які використані для створення донорів стійкості і залучені до селекційного процесу.

Дослідження з генетики імунітету рослин є тим напрямком у вивченні взаємовідносин в системі рослина-живитель - патоген, результати якого дають можливість протиставити новим високовірулентним расам патогену високоефективні гени стійкості рослини-живителя.

Серед виділених нами в результаті пошуків джерел стійкості сортозразків озимої пшениці різного еколого-географічного походження для генетичних досліджень було відібрано десять: Н-56^б-13-5, С-9^б-15-2, С-3^б-27-4, Rilley 67, Purdue 5119A10-20-1, Purdue 539A4-11-4, Димитровка 5-12, Димитровка 5-14, Agrus, Agata, які на всіх етапах органогенезу рослин мають високий рівень стійкості до місцевих популяцій і окремих найбільш поширених біотипів раси 77 збудника бурої іржі. На основі їх методом інцухтування і перевірки на імунологічну однорідність були створені імунологічно однорідні лінії, які використовувались для схрещувань з аналогічним чином одержаними лініями сприйнятливого сорту пшениці Миронівська 808. В результаті схрещувань між ними були одержані реципрокні гібриди і вивчено характер успадкування стійкості до біотипу 20 збудника бурої іржі у фазі проростків і дорослих рослин гібридів F₁.

Гібриди з участю сортозразків С-9^б-15-2, С-3^б-27-4, Rilley 67, Purdue 5119A10-20-1, Purdue 5396A4-11-4, Димитровка 5-12, Димитровка 5-14, Agrus, Agata були імунними на всіх етапах органогенезу рослин, що свідчить про повне домінування типів реакцій стійких батьків. В гібридній комбінації з участю Н-56^б-13-5 відмічено рецесивний характер успадкування стійкості як у фазі проростків, так у фазі дорослих рослин в полі, а в гібридній комбінації з участю С-3^б-27-4 - проміжний.

Аналіз розщеплень гібридів F₂ у фазі до біотипу 20 раси 77 показав, що стійкість Н-56^б-13-5 контролюється одним рецесивним геном. Сортозразок С-3^б-27-4 має не повністю домінантний ген стійкості. Стійкість сортозразків С-9^б-15-2, Rilley 67 і Agata у фазі проростків контролюється одним домінантним геном стійкості у кожного, а Purdue 5119A10-20-1 - двома домінантними епістатичними генами. За стійкість Purdue 5396A4-11-4 і Димитровка 5-14 у фазі проростків відповідальними, певне, являються два домінантних комплементарних гени у кожного, які контролюють високий рівень стійкості цих сортозразків. Аналіз розщеплень у F₂ гібридів з участю Димитровка 5-12 і Agrus свідчить про наявність у кожного із них двох комплементарних генів, кожний з яких окремо не має самостійного фенотипового проявлення.

Співвідношення рослин з різними типами реакцій, одержані при аналізі розщеплень у всіх десяти гібридних комбінаціях до біотипу 20 раси 77 збудника бурої іржі у фазі дорослих рослин у полі свідчать про те, що стійкість всіх сортозразків на протязі всього органогенезу контролюється одними і тими ж генами. Аналіз розщеплень в F₁ аналізуючих схрещувань, в основному, підтвердив результати аналізу розщеплень у F₂ гібридів.

Таким чином, в результаті аналізу гібридів F₂ і F₁ аналізуючих схрещувань одержано вичерпну інформацію щодо типів генетичного контролю стійкості десяти імунних до біотипу 20 раси 77 збудника бурої іржі. Виходячи з ідентичності фенотипового проявлення генів стійкості у різних сортозразків як у фазі проростків, так і у фазі дорослих рослин, можна припустити, що вони мають ряд ідентичних генів. Тому наступним етапом досліджень була ідентифікація генів стійкості шляхом схрещувань донорів стійкості з ізогенними лініями та аналізу їх родоводу, що дало нам можливість зробити наступні узагальнення.

Аналогія типів реакцій сортозразків С-9^б-15-2, Rilley 67, Agata і моногенний тип контролю їх стійкості дає підстави припустити наявність у кожного з них одного із високоефективних генів стійкості - Lr9, Lr19 i Lr23, хоча довести це методом аналізу гібридів від схрещувань їх з ізогенними лініями практично неможливо, бо в популяції патогену відсутні патотипи, вірулентні до цих генів.

Сортозразок Rilley 67, певне, захищений геном Lr9, про що свідчать результати досліджень R.Modawi, L.Browder, E.Heine (1985). Сортозразки Agata і Agrus мають ген Lr19 кожний, бо вони є заміщеними лініями пірию на пшениці, від якого був інтрогресований цей ген, характеризуються пізньостиглістю і високоим стеблом, що являється характерним для Lr19, який зчеплений з цими небажаними ознаками. Крім того, наявність у них цього гена згодом підтвердили R. Sawhney, L. Goel (1986).

Ген сортозразка С-9^б-15-2, певне, не ідентичний Lr19, бо його фенотип немає нічого спільного з фенотипами носіїв цього гена (Agrus i Agata). Але, з іншого боку, А.О. Воронкова (1977) вказує, що в результаті серії бекросів можливий розрив небажаного зчеплення ознак, якщо воно не абсолютне. При цьому вона посилається на досвід виділення високостійких, середньої висоти і ранньостиглих рослин, за фенотипом близьких до рекурентного батька, при бекросуванні гібридів Agrus х Безоста 1 на сорт Безоста 1.

Стійкість сортозразків Purdue 5396A4-11-4, Димитровка 5-12, Димитровка 5-14, як показав гібридологічний аналіз, контролюється двома комплементарними генами у кожного, які обумовлюють їх повний імунітет на всіх етапах органогенезу рослин. Цілком можливо, що один із генів у кожного сортозразка і являється геном Lr9, Lr19 або Lr23.

Одним із ефективних способів ідентифікації генів стійкості є схрещування донорів з ізогенними лініями, які мають відомі гени і аналіз гібридів F₂ цих схрещувань. На період проведення цих досліджень ми мали в наявності набір ізогенних ліній канадської серії на основі сорту ярої пшениці Thatcher, повну інформацію щодо ефективності відомих Lr-генів на території України. Тому сортозразки С-9^б-15-2, Rilley 67, Purdue 5396A4-11-4, Димитровка 5-14, Agrus, Agata були схрещені з ізогенними лініями і проведений гібридологічний аналіз до біотипу 20. Всі рослини F₂ в межах всіх гібридних комбінацій були стійкими, розщеплень не спостерігалося. Цього можна було і очікувати, бо в популяціях патогену у 80-х рр. не було вірулентних до генів Lr9, Lr19 i Lr23 клонів. Тому на основі цих даних робити висновок щодо тотожності генів стійкості у сортозразків, що вивчалися і відповідних ізогенних ліній було б помилковим. Із-за відсутності вірулентних до цих генів клонів патогену з таким же успіхом можна припустити наявність у кожного сортозразка всіх трьох генів, що нереально, виходячи із їх родоводу і даних літератури.

З появою в популяціях патогена клонів, вірулентних до Lr23 (Пантєлєєв, Ньємет, 1993) з'явилась можливість ідентифікувати, принаймні, цей ген. З цією метою ми схрестили їх з ізогенною лінією Lr23 і провели аналіз розщеплення гібридів F₂ від цих схрещувань. В межах гібридних комбінацій з Rilley 67, Agrus, Agata спостерігалось розщеплення популяцій гібридів на стійкі та сприйнятливі рослини у співвідношенні 3:1, що свідчить про неідентичність генів кожного із цих сортозразків і гена Lr23, у гібридів з Purdue 5396A4-11-4, С-9^б-15-2, Димитровка 5-14, Purdue 539A4-11-4 і сорту Дариця, що має цей ген, розщеплення не відбувалось, що свідчить про тотожність їх генів з Lr23.

Лабораторії селекції озимої пшениці Донецької обласної с.-г. станції передано 19 донорів, у т.ч. 7 з ідентифікованими генами стійкості і 38 комбінацій гібридів озимої пшениці, в результаті використання яких створено перспективний для селекції на стійкість до головніших хвороб матеріал.

Ізоляцію генів стійкості проводили методом зворотних схрещувань (бекросів), з застосуванням якого пов'язана переважна більшість найбільш вагомих досягнень у галузі створення стійких до хвороб сортів.

При вивченні генетичних основ стійкості до збудника бурої іржі сорту озимої пшениці Кавказ ми ідентифікували наявність у нього домінантного гена LrN (Лесовой, Пантелеев, 1971, 1973, 1973а, 1973б), який згодом був позначений як Lr26. Ізоляцію Lr26 проводили послідовними бекросами спільно з імунологічними доборами на жорсткому інфекційному фоні і доборами за фенотипом рекурентного батька - сорту Миронівська 808 в потомстві F₁ кожного бекросу. Материнськими формами для першого бекросу служили гетерозиготні за стійкістю рослини F₁ звичайних схрещувань. Для другого і наступних бекросів на штучному інфекційному фоні біотипа 20 раси 77 відбирали гетерозиготні за стійкістю рослини з явно вираженими морфологічними ознаками рекурентного батька. Це дало можливість скоротити кількість бекросів, необхідну для відновлення фенотипу рекурентного батька. Всього було проведено чотири бекроси, а останній - у 1975 р. Такої кількості бекросів спільно із доборами виявилося достатнім для відновлення фенотипу cорту Миронівська 808, бо схрещування проводились у межах одного виду пшениці - Triticum aestivum L.

Імунологічні властивості гібридів стабілізувались вже в F₃ЗC4. Однак аналіз проводили і в наступних поколіннях, бо в F₄ЗC4, F₅ЗC4 і навіть в F₆ЗC4 ще відмічались відхилення від фенотипу рекурентного батька у вигляді появи окремих рослин з нетиповими для рекурентного сорту морфологічними ознаками. Повної стабілізації було досягнуто в F₇ЗC4, де і була відібрана лінія, яка стала основою ізогенної лінії LrN (Lr26). В подальшому вона була розмножена, а збереження її імунологічної однорідності досягалося шляхом щорічного інцухтування і наступної імунологічної перевірки частини рослин.

Впродовж багатьох років ізогенна лінія LrN постійно використовується в різноманітних дослідженнях лабораторії імунітету рослин Інституту захисту рослин УААН. Зокрема, вона є зручною і незамінною моделлю при вивченні фізіолого-біохімічних основ імунітету пшениці до збудника бурої іржі, вивчення шкодочинності цього збудника. Починаючи із 1980 р. вона постійно використовується для диференціації популяцій патогену за вірулентністю.

З метою ізоляції генів Lr9, Lr19, Lr23 та інших неідентифікованих генів стійкості до P. recondita f. sp. tritici було проведено чотири послідовні бекроси гібридів з участю сортозразків Rilley 67, С-9^б-27-4, С-9^б-15-2, Agata, Purdue 5396А4-11-4, Димитровка 5-14, Agrus спільно з імунологічними доборами на жорсткому інфекційному фоні і доборами за фенотипом рекурентної батьківської форми - сорту Миронівська 808 в потомстві F₁ кожного бекросу.

Наступним етапом створення ізогенних ліній було виділення гомозиготних за стійкістю ліній в самозапильних поколіннях гібридів за умов суворої ізоляції. Виділення гомозиготних за стійкістю ліній проводили, починаючи з F₃ЗС4, де вже можна було виявити різні типи сімей: стійкі (гомозиготні за стійкістю), сприйнятливі (гомозиготні за сприйнятливістю) і що розщеплюються (гетерозиготні). Повна стабілізація стійкості спостерігалася тільки в F₇ЗС4 в усіх гібридних комбінаціях. Подальший імунологічний контроль не виявив її порушення і в наступних самозапильних поколіннях, про що свідчила наявність в них тільки гомозиготних за стійкістю сімей.

Таким чином, стабілізація ознаки стійкості, яка контролюється моногенно або олігогенно, настає, у більшості випадків, не раніше, ніж у п'ятому самозапильному поколінні. Виключенням була гібридна комбінація за участю донора Purdue 5396А4-11-4, де вже в F₄ЗС4 були виявлені тільки гомозиготні за стійкістю сім'ї і в наступних поколіннях інших сімей не було виявлено. Це, певне, свідчить про високий рівень активності фізіолого-біохімічних процесів, що контролює цей ген.

У F₈ЗС4 закінчено виділення ізогенних ліній Lr9, Lr19 i Lr23, які, починаючи з 1987 р. використовуються для диференціації популяцій збудника бурої іржі, вивчення ефективності Lr-генів і в інших імунологічних дослідженнях Інституту захисту рослин УААН, а з 2001 р. - в Інституті рослинництва ім. В.Я.Юр'єва УААН.

Успіх селекції рослин на імунітет до хвороб у повній мірі залежить від наявності у селекціонерів банків генів стійкості, які відповідали б все зростаючим вимогам селекції. Створення такого генофонду - одна з сфер діяльності фітопатологів-імунологів, що працюють в селекційних установах.

Аналіз світової літератури за останні 15-20 років свідчить про відсутність фундаментальних розробок і узагальнень, пов'язаних з формуванням банків генів стійкості пшениці до P. recondita f. sp. tritici. В результаті проведених нами багаторічних досліджень розроблені і оприлюднені теоретичні і методичні основи створення банку генів стійкості пшениці до збудника бурої іржі, які включають:

- контроль за станом патогенних властивостей популяцій збудника хвороби і тенденціями їх зміни у просторі і часі;

- створення банку генів вірулентності патогену;

- вивчення ефективності відомих генів стійкості;

- пошук джерел стійкості з ефективними генами серед рослинних ресурсів різного еколого-географічного походження;

- аналіз генетичних основ стійкості джерел цієї ознаки і ідентифікація генів стійкості;

- створення імунологічно однорідних ліній джерел стійкості;

розробка методики і схем ізоляції генів стійкості від джерел з різною генетичною основою.

Кожен із цих напрямків оснований на використанні сучасних, у більшості вдосконалених і розроблених нами методик. Зокрема, суттєво вдосконалена методика створення штучних інфекційних фонів збудника бурої іржі пшениці в польових умовах, яка апробована і впродовж тривалого періоду в 70-80-ті рр. використовувалась на селекційних посівах Інституту молекулярної біології і генетики (ІМБіГ) АН УРСР, Українського НДІ землеробства (УНДІЗ) Південного відділення ВАСГНІЛ. Оскільки існуючі класичніі методи гібридизації були непридатними для генетичних досліджень, ми вдосконалили їх, що забезпечувало абсолютну чистоту гібридів і, відповідно, високу достовірність результатів гібридологічного аналізу. Нами вдосконалений класичний метод бекросів, що дає можливість значно скоротити період стабілізації як імунологічних властивостей, так і господарсько-біологічних ознак гібридів. Ми розробили і широко використовували оцінку імунологічних властивостей самозапильних поколінь гібридів методом контрольних сімей, що дало можливість значно скоротити обсяги польових оцінок і скоротити строки досліджень. Прикладом реалізації цих розробок є створення ізогенних ліній пшениці з високоефективними генами стійкості до P. recondita f. sp. tritici.

Теоретичні та методичні аспекти створення банку генів стійкості до збудника бурої листкової іржі пшениці видані у вигляді методичних рекомендацій, які передані у 2001 р. лабораторії селекції озимої пшениці Донецького інституту агропромислового виробництва УААН і відділу імунітету Інституту рослинництва ім. В.Я.Юр'єва УААН для наукового впровадження в селекційний процес.

Розроблені нами науково-методичні засади створення банку генів стійкості пшениці до збудника бурої іржі з певними уточненнями можна трансформувати до більшості систем взаємовідносин рослина-живитель - патоген, в першу чергу - до зернових культур з їх патогенами, що прискорить створення генофонду стійкості рослин до хвороб.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз світової літератури і одержаного нами експериментального матеріалу щодо теорії вертикальної та горизонтальної стійкості рослин до хвороб і свідчить про те, що горизонтальної стійкості пшениці до збудника бурої іржі у тій інтерпретації, яку вона одержала в роботах Я. Ван дер Планка, в межах активного фізіологічного імунітету не існує, оскількі відсутні докази принципової відмінності між фізіолого-біохімічними механізмами, що детермінуються “великими” та “малими” генами. Тому активний імунітет рослин, інтерпретований Ван дер Планком як горизонтальна стійкість, потребує глибоких генетичних і фізіолого-біохімічних досліджень, розробки методів виявлення та ефективного використання в селекційному процесі, починаючи з ранніх його етапів. Доцільним є збереження терміну “горизонтальна стійкість” відносно категорії пасивного імунітету, природа якого досить добре вивчена, розроблені достовірні методи його виявлення і контролю в селекційному процесі.

2. В популяції Puccinia recondita f. sp. tritici на території України, вірулентність якої до середини 90-х рр. характеризувалась досить високою стабільністю, починаючи з 1994 р. спостерігається різке зниження кількості ізолятів раси 77 у загальному процентному їх співвідношенні на всіх районованих і перспективних сортах і одночасне наростання кількості рас з низьким рівнем вірулентності (1, 6, 162, 179, 149, 192, 61, 144), що свідчить про загальну тенденцію до зниження рівня вірулентності патогену. Відбувається поступова заміна раси 77 на менш вірулентні раси. Спостерігається також тенденція до зменшення присутності в популяціях патогену вірулентних до Lr26 біотипів 15 і 20 раси 77, які до середини 90-х рр. складали їх основу і збільшення кількості авірулентних до нього біотипів 8, 9 і 14, що свідчить про зниження вірулентності цієї раси.

3. Районування сортів Альбатрос одеський, Донецька 46, Донецька 48, Юна і ін. на деякий час може спричинити певні зміни у співвідношенні біотипів раси 77 з різним рівнем вірулентності, але до кардинальних змін вірулентності у бік її підсилення не призведе. Головною причиною цього є те, що більшість районованих і перспективних сортів сприйнятливі до збудника бурої іржі. Це не сприяє різким еволюційним змінам в популяціях патогену, які змогли б призвести до появи високовірулентних та високоагресивних рас. Тому випробування вихідного та селекційного матеріалу слід проводити до рас 1, 6, 162, 179, 149, 192, 61, 144, домінуючих на даний час біотипів 8, 9 і 14 та біотипів раси 77, загроза яких для нових сортів в перспективі не виключена.

4. Більшість відомих генів стійкості пшениці до P. recondita f. sp. tritici (Lr-генів) неефективні відносно основної частини популяції патогену на території України. Вони, в основному, не використовувались в селекційній практиці колишнього СРСР, у т.ч. і України, тому не спричиняли спрямованої дії на еволюцію патогену. Ті ж з них, що використовувались, зокрема Lr3, повністю втратили ефективність і не являють собою селекційної цінності.

5. Надійний захист нових сортів пшениці від P. recondita f. sp. tritici на даний час і в найближчі 10-15 років можуть забезпечити гени Lr9 i Lr19 в комплексі з іншими генам. За 25 років досліджень нами не виявлено в популяціях патогену ізолятів, здатних подолати їх дію. Незважаючи на появу ізолятів, вірулентних до Lr23, цей ген зберігає достатньо високий рівень ефективності. На даний час достатньо ефективними залишаються і гени Lr24 i Lr26. Ефективність останнього різко зростає в зв'язку із зниженням рівня вірулентності раси 77.

6. Спектр вірулентності P. recondita f. sp. tritici і тенденції до її зміни в результаті рекомбінацій при статевому процесі на проміжних рослинах-живителях (видах Thalictrum spp.) не має істотних якісних відмінностей з тим же на районованих і перспективних сортах озимої пшениці. Як в природних, так і в штучних еціопопуляціях патогена не виявлено генотипів з більш високим рівнем вірулентності, ніж на основному живителі.

7. Спектр генотипів вірулентності в природних еціопопуляціях значно вужчий, ніж в штучних і представлений більшим відсотком ізолятів з високим рівнем вірулентності. В природних і штучних еціопопуляцій відсутні ізоляти патогену, вірулентні до Lr9, Lr9 і Lr23, авірулентні до Lr3, а переважають авірулентні до Lr26 генотипи. Як в природних, так і в штучних еціопопуляціях на обох видах рутвиці відбулась заміна найбільш вірулентного генотипу р9,р19,р23/р3,р24,р25,р26,р30 на найменш вірулентний р9,р19,р23,р24,р25, р26,р30/р3 патогену.

8. Незважаючи на наявність у домінуючих тривалий період у 80-ті роки біотипів раси 77 (9, 15, 20, 36) 7-8 генів вірулентності, генетичний потенціал їх вірулентності невисокий, оскільки в його спектр не входять ефективні на даний час гени Lr9, Lr19 i Lr23 і подолати їх ефективність шляхом рекомбінацій в результаті статевої гібридизації патоген, як і прогнозувалось нами, не зміг. Свідченням чого є, навпаки, суттєве зниження вірулентності популяцій P. recondita f. sp. tritici. У 90-х рр. Таким чином, на даний час проміжні рослини-живителі - види рутвиці не є джерелами нових вірулентних та агресивних рас збудника бурої іржі пшениці.

9. В результаті вивчення імунологічних властивостей 637 сортозразків озимої і 266 сортозразків ярої пшениці різного еколого-географічного походження відносно збудників бурої іржі, борошнистої роси і частково септоріозу і їх господарсько-біологічних показників виділено понад 50 перспективних донорів стійкості. На їх основі створені імунологічніо однорідні лінії та гібриди, які використані в селекційному процесі.

Кластерний аналіз 162 сортозразків озимої пшениці дав можливість класифікувати їх за трьома досліджуваними параметрами (стійкістю до збудників бурої іржі, борошнистої роси та септоріозу). Внаслідок аналізу виділено два кластери, що включають перспективні за сукупністю всіх досліджуваних параметрів сортозразки як джерела та донори для селекції на групову стійкість пшениці до хвороб.

10. В результаті вивчення генетичних основ стійкості 10 донорів до збудника бурої іржі пшениці встановлено наявність у них високоефективних генів, здатних надійно захистити майбутні сорти від патогену впродовж всього вегетаційного періоду. Розроблена методика ізоляції генів стійкості пшениці до збудника бурої іржі в бекросових лініях. Встановлені етапи селекційного процесу, на яких можливі добори гомозиготних за стійкістю сімей в самозапильних поколіннях гібридів як при простих, так і більш складніших генетичних основах стійкості. Остаточна стабілізація імунологічних властивостей і фенотипових ознак гібридів настає у F₆-F₇.

11. На основі розроблених і вдосконалених нами теоретичних і методичних засад вперше сформульовані і оприлюднені у вигляді методичних рекомендацій науково-методичні основи створення банка генів стійкості пшениці до збудника бурої іржі, які включають: контроль за станом патогенних властивостей популяцій збудника хвороби і тенденціями їх зміни у просторі і часі, створення банку генів вірулентності патогену; вивчення ефективності відомих генів стійкості; пошук джерел стійкості з ефективними генами серед рослинних ресурсів різного еколого-географічного походження; створення імунологічно однорідних ліній джерел стійкості; аналіз генетичних основ стійкості джерел цієї ознаки ідентифікація генів стійкості; розробка методики ізоляції генів стійкості від джерел з різною генетичною основою. Їх можна трансформувати з певними уточненнями до будь-якої системи взаємовідносин рослина-живитель - патоген, в першу чергу, до зернових культур з їх патогенами. Результатом їх реалізації є створення на основі сорту Миронівська 808 ізогенних лінії Lr9, Lr19, Lr23, Lr26 та інших високоефективних неідентифікованих генів, які використовуються в імунологічних дослідженнях і рекомендовані як донори стійкості для використання в селекційних програмах.

Впровадження результатів наукових досліджень

1. Лабораторії селекції озимої пшениці Донецької обласної сільськогосподарської дослідної станції (на даний час Донецький інститут агропромислового виробництва УААН) передано:

- виділені нами імунологічно однорідні лінії 34-х сортозразків озимої пшениці, які використані для створення донорів стійкості і залучені до селекційного процесу;

- 19 донорів з ідентифікованими нами генами стійкості до збудника бурої іржі пшениці, які використані в селекційному процесі для створення стійкого до хвороби селекційного матеріалу;

- 38 комбінацій створених нами гібридів озимої пшениці з участю джерел стійкості, в результаті використання яких в лабораторії створено перспективний для селекції на імунітет до головніших хвороб матеріал;

- методичні рекомендації для створення банку генів стійкості пшениці до головніших хвороб.

2. Відділу імунітету рослин Інституту рослинництва ім. В.Я.Юр'єва УААН передані:

- ізогенні лінії Lr9, Lr19, Lr23, Lr26, які використовуються для вивчення вірулентності популяції збудника бурої іржі пшениці;

- методичні рекомендації для створення банків генів стійкості різних культур до головніших хвороб.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Методичні рекомендації

1. Методические указания по фитопатологической оценке селекционного материала /Лесовой М.П., Шкоденко В.И., Пантелеев В.К. и др. - Украинский НИИ растениевод. сел. и генет. им. В.Я.Юрьева. - Харьков, 1976. - 38 с. (особистий внесок - матеріали, що стосуються бурої іржі пшениці).

2. Лісовий М.П., Пантєлєєв В.К. Науково-методичні основи створення банку генів стійкості пшениці до збудника бурої листкової іржі / Харк. держ. аграр. ун-т ім. В.В.Докучаєва. - Харків, 2000. - 35 с. (особистий внесок - експериментальна частина).

Науковi cтаттi

3. Лесовой М.П., Шкоденко В.И., Пантелеев В.К. Причины потери устойчивости против бурой листовой ржавчине у сортов озимой пшеницы //С.-х. биология. - 1974. - №4. - С. 548-553. (особистий внесок - матеріали, що стосуються генетики стійкості пшениці до збудника бурої іржі).

4. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Методические подходы к изучению генетических основ устойчивости пшеницы к бурой листовой ржавчине //Иммунитет с.-х. р-ний к болезням и вредителям: Науч. тр. ВАСХНИЛ.- М.:Колос, 1975.- С. 199-203. (особистий внесок- експериментальний та методичний матеріал).

5. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Методы оценки и отбора в селекции пшеницы на устойчивость к бурой листовой ржавчине //Методы фитопатол. и энтомол. исследований в селекции р-ний. - М.: Колос, 1977. - С. 3-11. (особистий внесок - експериментальний і методичний матеріал).

6. Лесовой М.П., Пантелеев В.К., Штучная В.С. Метод изоляции генов устойчивости пшеницы к бурой ржавчине в изогенных линиях //Методы фитопатол. и энтомол. исследований в селекции р-ний. - М.: Колос, 1977. - С. 12-24. (особистий внесок - експериментальний і методичний матеріал).

7. Пантелеев В., Лесовой М. Изследоване на причините за загубване устойчивостта на пшеницата към кафявата рьжда и обосноване на средствата за предотвратяването му // Първия Национален симпозиум по имунитет на растенията към болести: Докл. - София, 1988. - С. 65-72.(особистий внесок - експериментальний та аналітичний матеріал щодо генетики взаємовідносин рослина-живитель - патоген).

8. Лесовой М.П., Пантелеев В.К., Пархоменко Н.А. Метод ускоренного получения телейтоспор Puccinia triticinaErikss. в изолированной культуре листьев пшеницы //Микол. и фитопатол. - 1980. - Т.14. - Вып. 1. - С. 79-81. (особистий внесок - експериментальна частина).

9. Методологические основы создания устойчивых к болезням сортов пшеницы / М.П.Лесовой, Т.Г.Зражевская, В.К.Пантелеев, Н.И.Кольнобрицкий. Технологические приемы защиты растений на Украине. - К., 1981. - С. 70-78. (особистий внесок - матеріали стосовно збудника бурої іржі).

10. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Приемы повышения эффективности гибридизации зерновых культур //Селекция и семеноводство. - 1986. - №11. - С. 9. (особистий внесок - експериментальний матеріал).

11. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Теоретические основы создания изогенных по устойчивости к бурой листовой ржавчине линий озимой пшеницы //Вестник с.-х. науки. - М., 1986. - №8. - С.91-98. (особистий внесок - експериментальний матеріал).

12. Лісовий М.П., Пантєлєєв В.К. Шляхи підвищення ефективності створення стійких до хвороб сільськогосподарських культур //Вісник с.-г. науки. - 1986. - №8. - С. 1-6. (особистий внесок - аналітична частина).

13. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Ускорить создание устойчивых сортов сельскохозяйственных культур к болезням //Защита растений. - 1987. - №4. - С. 10-12. (особистий внесок - матеріали, що стосуються збудника бурої іржі пшениці).

14. Лісовий М.П., Пантєлєєв В.К., Шелєхова Л.М. Типи стійкості рослин до хвороб, їх генетичні та фізіолого-біохімічні механізми. //Вісник с.-г. науки. - 1987, №5. - С. 67-73. (особистий внесок - аналітична частина).

15. Лесовой М.П., Пантелеев В.К., Шелехова Л.Н. Существует ли горизонтальная устойчивость в пределах категории активного физиологического иммунитета? //Микология и фитопатология. - 1988. - Т. 22. - Вып. 1. - С. 84-95. (особистий внесок - аналітична частина).

16. Оценка исходного материала озимой пшеницы на устойчивость против листовых болезней /М.П.Лесовой, Кольнобрицкий Н.И., Рабинович С.В., ......, Пантелеев В.К. //Селекция и семеноводство. - К., 1990. - Вып. 69. - С. 40-54. (особистий внесок - експериментальний матеріал по вивченню імунологічних властивостей 342 сортозразків озимої пшениці).

17. Пантєлєєв В.К. Бура листкова іржа пшениці. Вірулентність збудника у східній частині Лісостепу //Захист рослин. - 1998. - С. 4-6.

18. Пантєлєєв В.К. Банк генів стійкості пшениці до бурої листкової іржі //Захист рослин. - 1998, №5 (23). - С. 5-8.

19. Пантєлєєв В.К. Генетичні основи вірулентності збудника бурої іржі пшениці (Puccinia recondita Rob. et Desm. f.sp. tritici Eriks.) //Захист рослин. - 1999. - №6 (36). - С. 4-6.

20. Пантєлєєв В.К. Бура іржа пшениці. Вірулентність еціопопуляцій збудника на проміжних рослинах-живителях у східному Лісостепу //Захист рослин. - 2000. - №2 (44). - С. 5-7.

21. Пантєлєєв В.К. Гени стійкості пшениці. Ефективність проти бурої листкової іржі //Захист рослин. - 2000. - № 7 (49) . - С. 5-7.

22. Пантєлєєв В.К. Перспективні донори. Генетичні основи стійкості різних сортів озимої пшениці проти збудника бурої листкової іржі //Захист рослин. - 2001. - №2 (56). - С. 10-11.

Тези доповідей

23. Пантелеев В.К., Лесовой М.П. Генетические аспекты потери устойчивости пшеницы к бурой ржавчине и пути ее предупреждения // Третий съезд генетиков и селекционеров Украины: Тез. докл. /АН УССР. Укр. об-во генетиков и селекционеров им. Н.И.Вавилова. - К.:Наук. думка, 1976. - Ч. 2. - С. 105. (особистий внесок - експериментальний матеріал).

24. Лесовой М.П., Пантелеев В.К., Пархоменко Н.А. Изменчивость свойств вирулентности Puccinia triticina Erikss. при инбридинге и гибридизации //IV Всесоюзный симпозиум “Молекулярные механизмы генетических процессов”: Тез. докл. - М., 1979. - С. 87-88. (особистий внесок - експериментальний матеріал).

25. Лесовой М.П., Пантелеев В.К., Шелехова Л.Н. Типы устойчивости растений к болезням и факторы, их обусловливающие //Теория и практика использования иммунитета с.-х. культур к вирусным болезням: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - М., 1984. - С. (особистий внесок - аналітична частина).

26. Лесовой М.П., Пантелеев В.К. Пути повышения эффективности селекции сельскохозяйственных культур на устойчивость к болезням и вредителям //Перспективы генетики и селекции винограда на фитоиммунитет: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. совещ. - М., 1986. - 7-8. (особистий внесок - аналітична частина).

27. Пантелеев В.К., Лесовой М.П. Изменение вирулентности возбудителя бурой ржавчины пшеницы при половом процессе //Экологич. проблемы Харьковской области: Тез. докл. областной науч.-практич. конфер. - Харьков, 1995. - С. 108. (особистий внесок - експериментальний матеріал).

28. Пантєлєєв В.К. Обгрунтування створення сортів пшениці, стійких до бурої іржі у східній частині Лісостепу України //Грунти України: екологія, еволюція, систематика, окультурення, оцінка, моніторинг, географія, використання: Тез. доп. - Харків, 1996. - С. 196.

Размещено на Allbest.ru