Аннотация. Цель – проанализировать динамику вирулентности северокавказской популяции Puccinia triticina под влиянием сортов озимой пшеницы с разными типами устойчивости к патогену. Методы. Исследования проводили в 2018 году в условиях опытного поля и теплицы ВНИИБЗР. Для эксперимента по изучению влияния генотипа сорта на вирулентность популяции P. triticina в ходе предварительной иммунологической оценки были отобраны два сорта озимой пшеницы: Краля (сорт с расоспецифической устойчивостью) и Вершина (сорт с расонеспецифической устойчивостью). Анализ влияния каждого сорта на структуру популяции по признаку вирулентности патогена основан на результатах дифференциации инфекционного материала P. triticina, собранного с каждого сорта при сравнении со сборной популяцией гриба. Результаты. Установлено существенное влияние на вирулентность популяции P. triticina генотипа сорта озимой пшеницы, обладающего расосцецифической устойчивостью: под влиянием движущего отбора изменилась частота изолятов патогена к большинству линий с генами Lr. Широкое районирование таких сортов во времени и пространстве приведет к селективному давлению на популяцию P. triticina, способствуя накоплению в ней высоковирулентных фенотипов. Генотип сорта с неспецифической устойчивостью не вызывал значительных изменений в генофонде вирулентности популяции возбудителя бурой ржавчины. Выводы подтверждены статистически: согласно полученным значениям индекса Нея, популяция патогена, собранная с сорта с расоспецифической устойчивостью, имеет значительные различия со сборной популяцией (N = 0,68), в отличие от популяции P. triticina, собранной с сорта Вершина (N = 0,41). Полученные результаты подтверждают важность скрининга сортов по типам устойчивости для дальнейшего принятия решения по их размещению. Сорта, обладающие расоспецифической устойчивостью, лучше использовать для мозаичного размещения с последующей обязательной ротацией во времени и пространстве. А сорта с неспецифической устойчивостью, которые слабо поражаются всеми расами патогена и не могут являться накопителями инфекции, можно использовать на больших площадях и более длительное время, сочетать с сортами из различных групп, в том числе и собственной. Новизна исследования. Работы по изучению влияния сортов пшеницы с разными типами устойчивости на вирулентность популяций ржавчинных грибов практически не проводились, хотя данное направление представляет большой практический интерес как для селекции, так и при сорторазмещении.
Abstract. A change in the varietal composition of wheat causes response changes in the population of the fungus, which evolves conjugately. Population studies of the causative agent of leaf rust of wheat are carried out in many countries. Comparison of populations of P. triticina is mainly carried out geographically. The purpose of the study was to analyze the dynamics of the virulence of North Caucasus Puccinia triticina populations under the influence of winter wheat varieties with different types of leaf rust resistance. Methods. The study was carried out in 2018 in the experimental field and greenhouses All-Russian Research Institute of Biological Plant Protection. Two varieties of winter wheat: Kralya and Vershina with different types of resistance to leaf rust, were used for the experiment. Cultivar Kralya had race-specific resistance; cultivar a Vershina had race-nonspecific resistance to leaf rust. Virulence analysis of the impact of each cultivar on the structure of the pathogen population based on the results of differentiation of P. triticina populations, collected from each cultivar and compared to the mixed pathogens population. As a result, it was found that the genotype of a winter wheat variety with race-specific resistance significantly affects the virulence of the P. triticina population. The frequency of virulent pathogen isolates to most lines with Lr genes has changed under the influence of driving selection. Therefore, the wide regionalization of varieties with race-specific resistance will contribute to selective pressure on the P. triticina population and the accumulation of virulent phenotypes in it. The genotype of a wheat variety with nonspecific resistance did not cause significant changes in the gene pool of the virulence of the leaf rust pathogen population. In accordance with the obtained values of the Nei index, the pathogen population collected from a variety with race-specific resistance has significant differences with the combined population (N = 0.68), in contrast to the population of P. triticina collected from the Vershina variety (N = 0.41). The results obtained confirm the importance of screening varieties by resistance types for further decision making on their placement. Varieties with race-specific resistance are best used for mosaic placement with subsequent mandatory rotation in time and space. And varieties with nonspecific resistance, which are weakly affected by all races of the pathogen and cannot be carriers of infection, can be used over large areas for a longer time, combined with varieties from various groups, including their own. Scientific novelty. There have been practically no studies on the effect of wheat varieties with different types of resistance on the virulence of rust fungi populations, although this direction is of great practical interest for both selection and varietal placement.
Постановка проблемы (Introduction)Возбудитель бурой ржавчины пшеницы (Puccinia triticina Erikss.) является облигатным биотрофным паразитом, распространенным во всех зернопроизводящих районах мира [1, c. 2501], [2, c. 248]. Смена сортового состава пшеницы вызывает ответные изменения в популяции гриба, который эволюционирует сопряженно [3, c. 445]. Популяционные исследования возбудителя бурой ржавчины пшеницы проводятся во многих странах [4, с. 1135], [5, с. 1741], [6, с. 1066]. Сравнение популяций P. triticina в основном проводится по географическому принципу [7, c. 363], [8]. При этом многие исследователи отмечают постепенную потерю устойчивости к патогену сортами пшеницы, содержащими эффективные гены Lr. Например, ген Lr9 до недавнего времени считался высокоэффективным на территории России. Но активное его применение при создании сортов в Западной Сибири и на Урале в 2000–2010 гг. вызвало потерю его устойчивости и появление вирулентных изолятов [9, c. 8]. В северокавказской популяции данный ген еще не потерял своей эффективности, хотя в 2016 г. было отмечено появление первых вирулентных к нему изолятов [10, c. 25]. Ген Lr24 был широко распространен в сортах пшеницы североамериканской и австралийской селекции, но в настоящее время отмечена потеря его эффективности в данных странах вследствие активного использования таких сортов на больших площадях [11, c. 413]. До сих пор он сохраняет свою эффективность в большинстве регионов России [12, c. 105], [13, c. 1059], а в Северо-Кавказском регионе появление изолятов, вирулентных к Lr24, отмечено с 2006 года [14]. Таким образом, работы российских и зарубежных авторов подтверждают факт потери устойчивости к бурой ржавчине сортов пшеницы при несоблюдении площадей возделывания и их ротации во времени и пространстве. Это происходит вследствие возникновения и накопления в популяции гриба вирулентных изолятов к ранее эффективным генам [15, c. 70].Более быстрая потеря устойчивости характерна в основном в отношении сортов с расоспецифической (или вертикальной) устойчивостью. Такие сорта оказывают селективное давление на популяцию патогена, в результате чего повышается частота соответствующих генов вирулентности [16, c. 1416]. Поэтому в настоящее время в селекции активно проводятся работы над созданием сортов с комбинацией APR (adult plant resistance) генов, обуславливающих неспецифическую (горизонтальную) устойчивость к патогену, что способствует продлению жизни сорта [17, c. 25]. Одним из первых выявленных «slow rusting» генов является Lr34, сохраняющий свою эффективность более 60 лет [18, c. 14]. В последние годы были идентифицированы новые «slow rusting» гены устойчивости к бурой ржавчине: Lr46 [19, c. 303], Lr67 и Lr68 [20]. Работы по изучению влияния сортов пшеницы с разными типами устойчивости на вирулентность популяций ржавчинных грибов практически не проводились, хотя данное направление представляет большой практический интерес как для селекции, так и для сорторазмещения. В России такие исследования проводились во ВНИИБЗР [21, с. 18], [22, с. 415]. Так, Д. А. Кольбиным было установлено значительное влияние сортов озимой пшеницы с расоспецифической устойчивостью (Гордеиформе 6, Донской простор, Зимница, Первица, Ростовчанка 7, Танаис) на динамику вирулентности северокавказской популяции фитопатогена. Широкое районирование сортов озимой пшеницы с расоспецифической устойчивостью обусловит селективное давление на популяцию возбудителя бурой ржавчины, что приведет к накоплению в ней вирулентных фенотипов и создаст угрозу эпифитотии болезни. Сорта озимой пшеницы, обладающие неспецифической устойчивостью к болезни (такие как Грация, Марафон, Москвич) способствуют снижению селективного давления на популяцию P. triticina, снижая вероятность образования вирулентных фенотипов, что приведет к стабилизации фитосанитарной ситуации [23, c. 63]. Учитывая актуальность темы и активную сортосмену, особенно в южном регионе России, необходимо активизировать такие исследования c использованием современных сортов пшеницы. Цель данного исследования – проанализировать динамику вирулентности северокавказской популяции Puccinia triticina под влиянием сортов озимой пшеницы с разными типами устойчивости к патогену. Методология и методы исследования (Methods)Исследования проводили в 2018 году в условиях опытного поля и камер искусственного климата ФГБНУ ВНИИБЗР. С целью ранжирования сортов по устойчивости к бурой ржавчине в условиях искусственного инфекционного фона была проведена иммунологическая оценка сортов озимой пшеницы. Основными показателями качественной и количественной оценки устойчивости сортов являлись тип реакции растений (балл) [24, c. 75], степень поражения растений (%) [23, c. 15], площадь под кривой развития болезни ПКРБ (условные единицы), которую рассчитывали по формуле [25, c. 21]:S = ½(x1 + x2)(t2 – t1) + … + (xn–1 + xn)(tn – tn–1),где x1, x2 – степень поражения растения в момент первого и второго учетов, %;(t2–t1) – количество суток между первым и вторым учетами, сут.; xn, xn–1 – степень поражения растения в момент последнего и предпоследнего учетов, %;(tn – tn–1) – количество суток между последним и предпоследним учетами, сут.; Главным критерием для определения типа устойчивости сорта являлся индекс устойчивости (φ), который рассчитывали по формуле [26, c. 26]:φ = ПКРБ1 ׃ ПКРБ2,где ПКРБ1 – площадь под кривой развития болезни изучаемого сорта, у. е;ПКРБ2 – площадь под кривой развития болезни контрольного сорта, у. е.Для определения типа и степени устойчивости сорта использовали следующую классификацию [27, c. 27]: Таблица 1Классификация сортов пшеницы по уровню неспецифической устойчивости к бурой ржавчине Степень устойчивости сортаОтносительный показатель индекса устойчивости (φ)*Восприимчивостьбольше 0,9Слабая расонеспецифическая устойчивость0,7–0,9Умеренная расонеспецифическая устойчивость0,4–0,7Высокая расонеспецифическая устойчивость0,1–0,4Расоспецифическая устойчивостьменьше 0,1* Относительно восприимчивого контроля с индексом, равным 1,0. Table 1Classification of wheat varieties by the level of non-specific resistance to leaf rustGrade resistanceRelative indexof resistance index (φ) *Susceptibilitymore than 0.9Low race-nonspecific resistance0.7–0.9Moderate race-nonspecific resistance0.4–0.7High race-nonspecific resistance0.1–0.4Race-specific resistanceless than 0.1* Relatively susceptible control with an index of 1.0. Инфекционный материал патогена, используемый для инокуляции сортов, был собран в результате маршрутных обследований производственных и селекционных посевов озимой пшеницы пяти агроклиматических зон Северо-Кавказского региона. Для эксперимента по оценке влияния генотипа сорта на вирулентность популяции P. triticina в фазу колошения растений была проведена инокуляция изучаемых сортов пшеницы сборной популяцией возбудителя бурой ржавчины. Собранные с флаг-листьев изучаемых сортов урединиоспоры гриба были размножены на всходах восприимчивого сорта Michigan Amber. Для дифференциации популяции P. triticina по вирулентности использовали близкоизогенные линии сорта Thatcher с известными генами устойчивости (Lr1 – Lr38, Lr44, Lr45, Lr47, LrB, Lr52) и линии KS89WGRС07 (Lr40), KS90WGRC10 (Lr41), KS1WGRC11 (Lr42), TAM200 (Lr43 + Lr24), Exchange.По результатам дифференциации по M. S. Wolfe и E. Schwarzbach [25, p. 300] определяли частоту клонов в популяции гриба, вирулентных к линиям пшеницы с определенными генами устойчивости. Среднюю вирулентность популяции рассчитывали по Мартенсу [28, c. 19]. Определение степени влияния фактора генотипа сорта на изменение структуры популяции возбудителя бурой ржавчины по вирулентности оценивали с помощью генетического расстояния Нея [29, c. 690].Результаты (Results)Для эксперимента по влиянию генотипа сорта на вирулентность популяции P. triticina в ходе предварительной иммунологической оценки были отобраны два сорта озимой пшеницы: Краля обладает расоспецифической устойчивостью к болезни, Вершина – расонеспецифической устойчивостью. Иммунологические характеристики сортов приведены в таблице 2.Таблица 2Иммунологическая характеристика сортов озимой пшеницы относительно северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины (инфекционный питомник ВНИИБЗР, фаза молочно-восковой спелости зерна, 2018 г.)СортТип реакции растений, баллКонечная степень поражения, %ПКРБ*, у. е.Индекс устойчивости,у. е.Краля11,413,00,02Вершина3(2)49,0172,10,29 Table 2Immunological characteristics of winter wheat varieties relative to the North Caucasus leaf rust pathogen population (infectious nursery of All-Russian Scientific Research Institute for Biological Plant Protection, phase of milk-wax ripeness of grain, 2018)CultivarType of reaction of plants, scoreThe final degree of damage, %AUCD,conv. unitsResistance index, conv. unitsKralya11.413.00.02Vershina3(2)49.0172.10.29 Результаты дифференциации популяций P. triticina, собранных с исследуемых сортов, приведены в таблице 3.Под влиянием генотипа сорта Краля, обладающего расоспецифической устойчивостью, произошло увеличение частоты изолятов с генами вирулентности pp: 3bg, 3ka, 15, 21, 34, 36, 38, 44, W; уменьшение частоты изолятов с генами вирулентности pp: 10, 11, 14a, 14b, 17, 18, 26, 28, 33, Exchange. На уровне сборной популяции патогена оставалась частота изолятов с генами вирулентности pp: 1, 3, 9, 16, 19, 23, 24, 25, 29, 40, 41, 42, 43, 45, 47, B, Kanred.Так, на сорте с неспецифической устойчивостью Вершина отмечено увеличение частоты изолятов с генами вирулентности pp: 3, 10,14b, 40, Kanred; уменьшение частоты изолятов с генами вирулентности pp: 11, 16, 18, 23, 33, Exchange. На одном уровне остается частота изолятов с генами вирулентности pp: 1, 2a, 2c, 3 ka, 3bg, 14a, 19, 21, 24, 25, 26, 28, 29, 30, 32, 34, 36, 38, 41, 42, 43, 44, 45, 47. Отмечена элиминация изолятов с генами вирулентности pp: 15, 20, W. Таблица 3Частота изолятов P. triticina f. sp. tritici., вирулентных к изогенным линиям Lr, под влиянием генотипов сортов озимой пшеницы с различными типами устойчивости к патогену (камера искусственного климата, 2018 г.)Гены вирулентности, ppЧастота изолятов в образцах урединиоспор, %Сборная популяцияПопуляция с сорта с расоспецифической устойчивостьюПопуляция с сорта с расонеспецифической устойчивостьюКраляВершина17,39,13,32a7,30,05,02c12,20,018,3319,513,638,33bg40,268,246,63ka20,736,413,390,00,00,01053,713,665,01136,618,215,014a78,127,383,314b65,931,876,7154,918,20,01626,827,316,71748,827,316,71857,33,640,0190,00,00,02059,80,00,02142,754,535,02320,727,31,7240,00,00,0252,40,03,32630,59,126,72815,94,518,3290,00,00,0309,80,013,3327,30,01,73310022,713,3347,359,140,03637,890,970,03867,14,566,74053,70,00,0410,00,00,0420,00,00,0430,059,121,74428,10,08,3450,04,53,3470,090,986,7B100,022,70,0W12,245,58,3Exch, 68,322,738,3Kanred28,127,35,0Средняя вирулентность по Мартенсу, %28,920,521,9Индекс Нея (N)–0,680,41 Table 3Frequency of isolates of P. triticina f. sp. tritici., virulent to isogenic Lr lines, under the influence of genotypes of winter wheat varieties with different types of pathogen resistance (artificial climate chamber, 2018)Virulence genes, ppThe frequency of isolates in the samples of urediniospores, %General populationPopulation with a cultivar with race-specific resistancePopulation with a cultivar with race-nonspecific resistanceKralyaVershina17.39.13.32a7.30.05.02c12.20.018.3319.513.638.33bg40.268.246.63ka20.736.413.390.00.00.01053.713.665.01136.618.215.014a78.127.383.314b65.931.876.7154.918.20.01626.827.316.71748.827.316.71857.33.640.0190.00.00.02059.80.00.02142.754.535.02320.727.31.7240.00.00.0252.40.03.32630.59.126.72815.94.518.3290.00.00.0309.80.013.3327.30.01.73310022.713.3347.359.140.03637.890,970.03867.14.566.74053.70.00.0410.00.00.0420.00.00.0430.059.121.74428.10.08.3450.04.53.3470.090.986.7B100.022.70.0W12.245.58.3Exch, 68.322.738.3Kanred28.127.35.0Martens mean virulence, %28.920.521.9Ney Index (N)–0.680.41Сорт с расоспецифической устойчивостью способствовал элиминации изолятов с генами вирулентности pp: 2a, 2c, 20, 30, 32. Средняя вирулентность популяции патогена при этом снизилась до 20,5 %, т. е. в 1,4 раза по сравнению со сборной популяцией.Сорт с расонеспецифической устойчивостью способствовал элиминации клонов с генами вирулентности pp: 15, 20, W. При этом средняя вирулентность популяции P. triticina составила 21,9 %, что в 1,3 раза ниже исходной популяции. Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)Таким образом, установлено существенное влияние генотипа сорта озимой пшеницы, обладающего расосцецифической устойчивостью: под влиянием движущего отбора изменилась частота изолятов к большинству линий с генами Lr. Широкое районирование таких сортов во времени и пространстве будет способствовать селективному давлению на популяцию P. triticina, накоплению в ней вирулентных фенотипов. Генотип сорта с неспецифической устойчивостью не вызывал значительных изменений в генофонде вирулентности популяции возбудителя бурой ржавчины. Следовательно, сорта с неспецифической устойчивостью будут снижать селективное воздействие на популяцию патогена и способствовать стабилизации фитосанитарной ситуации. В результате изучения влияния генотипов сортов на изменчивость популяции возбудителя бурой ржавчины с использованием индекса Нея установлена сопоставимость полученных данных: Краля (N = 0,68), Вершина (N = 0,41). Максимальный показатель N отмечен для сорта Краля со специфической устойчивостью к P. triticina, что свидетельствует о существенном влиянии сортов с расосцецифической устойчивостью на вирулентность популяции P. triticina. Эти данные подтверждают ранее выполненные исследования коллег, полученные с другими сортами [21, с. 18], [22, с. 415] [23, c. 59]. Таким образом, полученные результаты подтверждают важность скрининга сортов по типам устойчивости для дальнейшего принятия решения по их размещению. Сорта, обладающие расоспецифической устойчивостью, лучше использовать для мозаичного размещения с последующей обязательной ротацией во времени и пространстве. А сорта с неспецифической устойчивостью, которые слабо поражаются всеми расами патогена и не могут являться накопителями инфекции, можно использовать на больших площадях и более длительное время.Благодарности (Acknowledgements)Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 20-016-00268.