Селекция пшеницы на устойчивость к листовой ржавчине
Введение
Особенности селекции пшеницы на устойчивость к болезням
Возбудитель заболевания
Генетика устойчивости
Исходный материал для селекции
Методы селекции
Методика и техника селекционного процесса
Достижения селекции
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Пшеница является важнейшей продовольственной и кормовой культурой. В мире она занимает лидирующее место по посевным площадям среди возделываемых культур. Такое широкое распространение объясняется высокой питательностью и возможностью разностороннего использования и переработки пшеницы.
Дальнейшее увеличение производства зерна пшеницы возможно, главным образом, за счёт роста урожайности и снижения потерь, в первую очередь связанных с заболеваниями. В настоящее время потери урожая неустойчивых к опасным патогенам сортов пшеницы достигают в эпифитотийные годы до 60%. При внедрении интенсивных технологий возделывания, как пшеницы, так и зерновых культур в целом, из-за микроклимата в посевах резко возрастает вредоносность листостебельных патогенов. Применение химических средств защиты растений, которые предусматриваются в этой технологии, связано не только с огромными затратами средств, но и, самое главное, с отрицательным воздействием на окружающую среду. Помимо этого химический метод не всегда гарантирует ожидаемый результат, и это, прежде всего, относится к ржавчинным болезням зерновых культур.
Во всем мире устойчивый сорт является важнейшим элементом в системе интегрированной защиты растений от болезней и вредителей. В России селекция пшеницы на устойчивость к листовой ржавчине проводится более 40 лет.
Несомненно, что выведение и распространение устойчивых сортов – экологически перспективный путь развития сельского хозяйства. Однако этот процесс обязательно должен идти непрерывно, поскольку абсолютной устойчивости создать невозможно и устойчивость к любому агенту рано или поздно может быть преодолена возбудителем. Тем не менее, экономическая эффективность этого метода защиты может быть весьма велика и превышать эффект от использования пестицидов в десятки раз.
ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКЦИИ ПШЕНИЦЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ
Создание устойчивых к болезням и вредителям сортов – весьма сложное и трудное направление в селекции, особенно у пшеницы. Трудности в селекции пшеницы связаны, прежде всего, с тем, что каждый патоген имеет физиологические расы. Так, число рас листовой ржавчины превышает 180. Далее, патоген довольно быстро эволюционирует, нередко опережая селекционный процесс выведения нового сорта. Это создает необходимость вести постоянный контроль изменчивости, как самой культуры-хозяина, так и паразита, и с учетом изменений, происходящих в популяции патогена, вести поиск новых генов устойчивости.
Однако главное затруднение в селекции на устойчивость к болезням связано со сложным характером взаимодействия между двумя биологическими системами (двумя организмами) – пшеницей и патогеном. Нужно учитывать генетические системы того и другого, а также тщательно контролировать внешние условия с учетом их влияния, как на растение, так и на болезнь. Основа современных представлений о взаимодействии хозяин-паразит была сформулирована Н.И. Вавиловым в 1935 году. Взаимодействия хозяин-паразит, приводящие к снижению вредоносности последнего, могут быть следующими.
1. Устойчивость, обусловленная наличием немногих расоспецифических генов (вертикальная устойчивость, или специфическая), большого числа малых аддитивно взаимодействующих генов, дающих неспецифический по отношению к отдельным расам эффект или универсально-устойчивыми моногенами (горизонтальная устойчивость).
2. Толерантность к паразиту – низкая вредоносность на фоне высокого заражения посева. Обеспечивается высокой скоростью регенерации нанесенных повреждений или является следствием невысокой роли в формировании урожая пораженных паразитом органов, частей растения.
3. Несовпадение во времени или пространстве пика развития паразита и чувствительной к нему фазы роста растения. В условиях искусственного заражения растение обнаруживает высокую восприимчивость, но в полевых условиях посев может быть чист от паразитов.
Установлено, что эволюция паразитов сопряжена с эволюцией поражаемого ими растения и появление у сортов зоны новых генетических факторов устойчивости приводит к обогащению популяции патогена новыми агрессивными расами. Это создает необходимость непрерывной селекции новых устойчивых сортов, постоянного поиска все более эффективных генов устойчивости. Скорость эволюции паразита определяется частотой возникновения новых мутаций и скоростью смены поколений. В отношении болезней с высокой скоростью рассообразовательного процесса эффект достигается использованием тех генов устойчивости, в отношении которых мутация вирулентности гибельна для паразита или значительно понижает жизнеспособность последнего. Вертикальная устойчивость может обеспечить весьма эффективную, но кратковременную защиту сорта. Особенно опасным оказывается введение одного и того же гена устойчивости во многие широко распространенные сорта, что ускоряет эволюцию паразита. Гораздо более эффективна селекция с использованием универсальных моногенов устойчивости.
Для замедления образования новых агрессивных рас предложена система горизонтальной устойчивости, основанная на введении в один сорт нескольких так называемых малых генов устойчивости, не предотвращающих полностью, но резко ослабляющих развитие болезни. Замедление развития паразита приводит к уменьшению числа его поколений за вегетацию и количества образовавшихся спор. В этом случае слабо агрессивные расы продолжают существовать в посеве пшеницы (не нанося заметного урона урожаю) и своим присутствием препятствуют размножению новых агрессивных рас. Недостатком горизонтальной устойчивости для селекции является трудность тестирования многочисленных слабых генов, которые, как правило, не могут быть установлены заражением отдельных проростков в лабораторных условиях, а требуют оценки в поле и только на достаточно крупных делянках.
Селекцию на полигенную устойчивость ведут обычно традиционным методом отбора из гибридных популяций, который и длителен, и сопряжен с риском потери части генов. Хорошую защиту представляет совмещение горизонтальной и вертикальной устойчивости.
Вертикальная устойчивость используется также при создании многолинейных (мультилинейных) сортов, представляющих собой смесь генетически близких аналогов с различными генами вертикальной устойчивости. При наличии в посеве четырех или большего числа линий с различными генами устойчивости возникают расы паразита, вирулентные по отношению к одному из этих генов, но их споры погибают, попадая на соседние растения с другими генами устойчивости.
В ряде случаев повышение устойчивости к болезням достигается введением генов, обусловливающих морфологические признаки, непосредственно затрудняющие развитие паразита. Например, сильный восковой налет на листьях препятствует удержанию на них капель росы, необходимых для прорастания спор ржавчины.
Повышение устойчивости во многих случаях может быть достигнуто изменением сроков прохождения фаз развития сортами, в результате чего период наибольшей чувствительности растения к повреждению перестает совпадать с сезонным пиком развития паразита. У скороспелых сортов вегетация успевает завершиться до массового распространения ржавчины на посевах.
Там, где не удается защитить растения от повреждений, большое значение приобретает толерантность. Толерантность к паразиту, снижение его вредоносности в большинстве случаев можно достигать за счет усиления регенерационной способности растения.
ВОЗБУДИТЕЛЬ ЗАБОЛЕВАНИЯ
Листовая ржавчина пшеницы наносит существенный урон производству зерна в России, особенно в районах Поволжья, Северного Кавказа, Центрально-Черноземном районе, где она развивается практически ежегодно, нередко достигая эпифитотийного уровня. Эпифитотии возникают с частотой 2-3 раза в 10 лет в Северо-Кавказском регионе (до 1996 года – 5 раз в 10 лет), 3-4 раза за 10 лет в Центрально-Черноземном и в Центральном районах, 6 раз в Поволжском и 3 раза в Волго-Вятском районе. В Уральском районе поражение яровой пшеницы наблюдается ежегодно на 30-40%.
Возбудителем листовой (бурой) ржавчины пшеницы является Puccinia recondita Rob. ex Desm f. sp. tritici.
Систематическое положение.
Класс Basidiomycetes, порядок Uredinales, семейство Pucciniaceae, род Puccinia.
Биологическая группа.
Облигатный паразит пшеницы и ряда дикорастущих злаков.
Распространение.
Повсеместно в мире в регионах возделывания пшеницы. Листовая ржавчина встречается во всех зонах выращивания озимой и яровой пшеницы.
Биология и морфология.
Puccinia recondita Rob. ex Desm f. sp. tritici является двухозяйным паразитом с полным жизненным циклом, имеет пять типов спороношения. В вегетативной фазе жизненного цикла существует в виде дикариотического мицелия, эциоспор, телиоспор и урединиоспор. В уредиостадии, протекающей на растениях пшеницы и ряде дикорастущих злаков, чередуются несколько генераций, количество их зависит от климатических условий года и длительности вегетационного периода растений. Урединии одноклеточны, имеют по два гаплоидных ядра, составляющих синкарион. К концу вегетации растения образуются прикрытые эпидермисом черного цвета телии с телиоспорами. Последние двухклеточны, в каждой клетке содержится по два гаплоидных ядра. Уредо- и телейтоспоры приспособлены к перезимовке. Возбудитель зимует, главным образом, в виде мицелия в листьях озимой пшеницы и дикорастущих злаков. Весной телиоспоры прорастают, при этом наблюдается слияние гаплоидных ядер в диплоидные, мейоз и образование ростковых трубок – базидий с четырьмя одноядерными гаплоидными, различающиеся по типу спаривания базидиоспоры. Для прорастания спор требуется наличие капельной влаги, поэтому развитию инфекции способствуют обильные росы. При благоприятных температурных условиях (15-25°C), инфекция осуществляется в течение 6-8 часов, очередная генерация урединиоспор образуется через 7-10 дней. Базидиоспоры заражают промежуточного хозяина – растения василистника (Thalictrum minus, T. speciosissimum, T. flavum), в результате чего на верхней стороне листа образуются желто-оранжевые спермогонии со спермациями (пикниоспорами) двух типов спаривания. При перенесении спермаций из одного спермогония в другой образуется смешанный мицелий, а в результате возникновения анастомозов образуются дикариотические клетки – эциоспоры, заражающие пшеницу. Гриб преимущественно имеет неполный жизненный цикл, размножается в основном вегетативно, хотя в некоторых районах (Украина, Кавказ и др.) виды Thalictrum имеют широкое распространение и, таким образом, половой процесс может играть некоторую роль в возобновлении и изменчивости популяций. В Восточной Сибири промежуточным хозяином является сорняк лещица (Isopyrum fumaroides). В сентябре часть телиоспор прорастает, базидиоспоры заражают лещицу и дают зимующий мицелий. На Дальнем Востоке промежуточным хозяином может служить ломонос Clematis manchurica.
Наибольшее развитие болезни наблюдается в фазе цветения пшеницы. Урединиоспоры распространяются ветром. Показано, что на территории Европы существует единая популяция патогена, а популяция Западной Сибири в большой мере независима от европейской. Это подтверждается данными изучения структуры популяций по вирулентности и наблюдениями переноса спор воздушными массами.
ГЕНЕТИКА УСТОЙЧИВОСТИ
Факторы вертикальной устойчивости к листовой (бурой) ржавчине обозначают как Lr. Среди них выделяют гены ювенильной (устойчивость проростков) и возрастной устойчивости. Наиболее длительную устойчивость пшеницы к болезни обеспечивают гены возрастной устойчивости. Кроме того, этот тип устойчивости можно относительно легко комбинировать с ювенильной устойчивостью и тем самым достигать более длительной устойчивости пшеницы к листовой ржавчине. Линии с генами возрастной устойчивости обладают и расоспецифической устойчивостью.
В настоящее время идентифицировано 35 генов устойчивости к бурой ржавчине и их аллелей, известна хромосомная локализация многих из них. В исследованиях по определению генетической обусловленности устойчивости пшеницы к листовой ржавчине наиболее часто встречаются случаи контроля данного признака одним или несколькими генами (монофакторное и дифакторное наследование устойчивости, вертикальная устойчивость). Аллели устойчивости, как правило, доминируют над аллелями восприимчивости, и устойчивость наследуется по простым менделевским правилам. В ряде случаев установлено, что устойчивость находится под контролем более шести генетических факторов. В небольшом числе исследований были обнаружены различные виды взаимодействия генов, что приводит к изменению менделевских отношений, характерных для двух факторов. При этом наследование устойчивости осуществляется по типу эпистатических и комплементарных взаимодействий.
Горизонтальная устойчивость, обусловленная совместным действием большого количества генов, формирующих общую защитно-восстановительную систему организма, обычно наследуется промежуточно. В ряде работ отмечается наличие сцепления генов.
Большие исследования по генетике устойчивости были проведены в СибНИИСХ. Были изучены стабильно устойчивые изогенные линии пшеницы, содержащие гены устойчивости Lr9 и Lr19, сложный гибрид из Австралии (К-54049) и Гибрид 21, а также хромосомы контролирующие устойчивость этих образцов.
Исследования по выявлению эффективных генов устойчивости также во Всероссийском НИИ Фитопатологии. Были изучены наборы изогенных линий пшеницы сорта Thatcher с генами ювенильной (Lr1, Lr2a, Lr2c, Lr3, Lr3ka, Lr9, Lr11, Lr16, Lr17, Lr24, Lr26, Lr30) и возрастной устойчивости (Lr12, Lr13, Lr22a, Lr22b, Lr33, Lr34, Lr37, Lr34+Lr13). В результате были выявлены наиболее эффективные гены устойчивости для различных регионов страны. В частности, было показано, что наиболее устойчивыми линиями для условий Центрального региона являются линии, несущие гены Lr22a, Lr34, Lr37.
ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ
Значительная роль в селекции на устойчивость принадлежит исходному материалу.
В качестве источников устойчивости используются устойчивые сорта или изогенные линии сортов с генами устойчивости. Все источники устойчивости значительно различаются как по степени устойчивости, так и по изученности генетики устойчивости.
Для селекции на устойчивость к листовой ржавчине могут быть использованы такие сорта отечественной селекции, как Ранняя 12, Олимпия, Зирка, Обрий, Донская безостая, Белорусская 80, Харьковская 93. Кроме того, возможно использование сортов и линий зарубежной селекции. Наиболее перспективны следующие: Sabre, TB/55 SP 6628 (Австралия), Голубая А, ISWR N 309-6, Kenhi (Канада), Gustin x ND 264-12-13, Gustin x D 264-13, Gustin x D 142 N12-14, Caddo, Danne, Kawfers, Parker 5, Oasis, Hand Flex, Arthur 71, Parker, Gage (США), Sunnan (Швеция), Fanal, РПГ 48/49 (Германия), H-1444 (Норвегия), NS-476, GK-B10 (Югославия). Большинство перечисленных сортов – универсально-устойчивы, а устойчивость их определяется генами Lr9 или Lr19.
Среди образцов, устойчивых к отдельным расам патогена, есть формы с известными генами устойчивости. Например, сорт Sonora 64 (Мексика) содержит ген Lr1, Lee (США) – два гена Lr10 и Lr24.
Более чем у 1/3 устойчивых сортов устойчивость контролируется геном Lr 23/3: Kenya Fanner (+Lr 10), Kenya 337, Lee (+Lr 10), Timstein (+Lr 10), NS4R, Rocta (+Lr 10), Grym. Практическое применение нашли также сорта – источники устойчивости Дмитровка 5-14 (+Lr 10), Gabo (+Lr10), Hopex, Гибрид-21 (+Lr 10).
Ряд сортов, длительное время сохранявших устойчивость к листовой ржавчине, в последние годы потеряли ее. В частности это такие сорта, как Кальян Сона, Pv-18, Sonora 64, Penjamo 62, содержащие ген Lr 23.
Кроме перечисленных существуют линии, в настоящее время слабо изученные, несущие гены LrTt1, LrTt2 (полученные от Tr.timopheevii) и ген LrM2 (от гибридной комбинации Саратовская 29 Х И410407).
МЕТОДЫ СЕЛЕКЦИИ
Основным методом создания популяций для отбора является Гибридизация.
Внутривидовая гибридизация.
Может осуществляться по простой межлинейной схеме, сложной ступенчатой и беккросной. Схемы гибридизации, применяемые в селекции на устойчивость, зависят от генетического контроля данного признака. При моногенном наследовании признака устойчивости весьма эффективной становится беккросная селекция. При этом реципиентом признака устойчивости выступает сорт с высокими показателями по ряду хозяйственно – ценных признаков. После пяти – шести возвратных скрещиваний сорт-реципиент становится изогенной устойчивой линией.
Так, в широко известный засухоустойчивый сорт сильной мягкой пшеницы Саратовская 29 были введены отсутствующие у него гены устойчивости к агрессивным расам листовой (Lr), стеблевой ржавчины (Sr) и мучнистой росы (Pm). Донором иммунитета послужила синтетическая гексаплоидная пшеница (AAGGDD). Она включает виды T/timopheevii - геном AAGG (Швеция) и T.tauschii DD (Болгария). В результате 8-9-кратных беккроссов были созданы аналоги сорта пшеницы Саратовская 29, различающихся по скороспелости и устойчивые к болезням при посеве в поле и искусственном заражении.
Созданные иммунные аналоги сорта Саратовская 29 являются уникальными, вследствие одновременной устойчивости к трем видам грибных болезней и сохранению свойств сильной пшеницы. Эти аналоги используются в селекции как доноры при выведении новых устойчивых конкурентоспособных на мировом рынке сортов. Также они могут использоваться непосредственно в сельскохозяйственном производстве в зоне районирования сорта Саратовская 29 после необходимого размножения семян.
Селекцию на горизонтальную устойчивость ведут обычно традиционным методом отбора из простых гибридных популяций, который и длителен, и сопряжен с риском потери части генов.
В большинстве случаев техника гибридизации не зависит от схемы скрещиваний и включает в себя следующие операции:
1. Посев родительских форм в питомнике гибридизации в сроки, обеспечивающие их одновременное цветение. Этого можно достичь, высевая родителей в три срока.
2. Предотвращение самоопыления материнской формы. Это условие соблюдается путём кастрации материнских растений и установке изоляторов предотвращающих переопыление. Техника кастрации состоит в подрезке колосковых чешуй и удалении незрелых пыльников у молодого колоса (на 1/3 показавшийся из влагалища листа).
3. Опыление пыльцой отцовского сорта. Производят через несколько дней после начала цветения материнского сорта.
Отдаленная гибридизация.
В селекции пшеницы широко используются межвидовые скрещивания. В гибридизацию вовлекают полбу, тургидум, пшеницу Тимофеева, используют скрещивания твердой и мягкой пшениц. Многие гены устойчивости к листовой ржавчине получены от диких видов рода Ttriticum.
Также в селекции пшеницы используют межродовую гибридизацию. Биологическое разнообразие видов семейства Poaceae, обладающих полезными генами для мягкой пшеницы, охватывает виды рода Triticum L., Aegilops L., Agropyron Gaertn., Secale L. и Hordeum L. Однако наличие барьера нескрещиваемости для некоторых видов, стерильность гибридов в результате отсутствия коньюгации между пшеничными и чужеродными хромосомами затрудняют интрогрессию. Стратегия, которую необходимо применять в каждом конкретном случае скрещивания, зависит от наличия или отсутствия гомологичных геномов скрещиваемых видов и числа хромосом у них.
К настоящему времени разработаны стандартные методы, облегчающие перенос генов от видов, не имеющих родственных геномов с мягкой пшеницей. Одни из них основаны на методах хромосомной инженерии, другие – на методах генетического контроля мейотической рекомбинации, третьи – на методах генной инженерии. Результатом этого является тот факт, что из более чем 40 известных на сегодняшний день генов устойчивости пшеницы к листовой ржавчине – 30 интрогрессированы из родственных видов. Более 300 сортов мягкой пшеницы несут 1В/1R хромосомную транслокацию, определяющую устойчивость к фитопатогенам и продуктивность.
В селекции мягкой пшеницы на устойчивость к листовой ржавчине используют скрещивания гексаплоидных и октоплоидных тритикале с пшеницей с целью получить 1ВL/1RS транслокацию, которая детерминирует устойчивость к болезням. При скрещивании тритикале с пшеницей спонтанно происходит процесс, получивший название misdivision, заключающейся в одновременном присутствии унивалентных хромосом 1В и 1R, разрыва их по центромерам и слияния в новую 1В/1R хромосму. Однако в результате подобных скрещиваний случаются и другие транслокации, которые могут приводить к появлению нежелательных признаков.
Мутагенез.
Для успешного развития селекции желательно повышение разнообразия источников хозяйственно-ценных признаков. Поэтому индуцированный мутагенез, и в первую очередь химический как наиболее эффективный, играет важную роль при создании исходных популяций для отбора.
В исследованиях Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН под действием этиленимина были получены на мягкой озимой пшенице некоторые селекционно-ценные признаки, не характерные для этой культуры. В работах Института при оптимальном сочетании мутагена, его доз и исходного сорта озимой мягкой пшеницы, было выделено значительное количество мутантов, устойчивых к листовой ржавчине – до 12% по отношению ко всем выделенным мутантам. В результате возникновения множественных мутаций обнаружены формы, сочетающие в одном мутанте устойчивость к двум и нескольким фитопатогенам на фоне иных ценных мутантных признаков: высоких адаптивных свойств, высокой урожайности, высоких хлебопекарных качеств, устойчивости к полеганию. Особую ценность представляют мутанты, обладающие комплексной устойчивостью к трем-пяти фитопатогенам, включающим помимо устойчивости к облигатным фитопатогенам устойчивость к сапрофитам (расонеспецифическая устойчивость). Данные мутанты представляют интерес не только как источники каких-либо признаков. Они служат также непосредственным исходным материалом при создании новых сортов. В ряде случаев данный материал не нуждается в селекционной доработке и является готовым сортом, требующим только размножения.
Применение химического мутагенеза для создания доноров новых и редких признаков у озимой мягкой пшеницы, а также для непосредственного использования мутантов с комплексами ценных признаков в виде хозяйственно-ценного исходного материала при создании новых сортов без существенной доработки этого материала сокращает селекционный процесс на 3-4 года.
Методы биотехнологии.
Генетическая трансформация – еще одна возможность введения новых генов в геном культурных форм, дополняющая традиционные методы селекции.
Отдаленная гибридизация культурных злаков с дикорастущими сородичами имеет целью перенос единичных генов или небольших фрагментов хромосом от дикорастущих в геном культурных видов. Но для этого необходимо преодолеть барьер несовместимости – отсутствие конъюгации хромосом в мейозе. У пшеницы в хромосоме 5В были обнаружены гены, влияющие на конъюгацию хромосом, и, таким образом, выявлена возможность в определенной степени управлять этим процессом. Удаляя или нейтрализуя в гибридном ядре ген, ингибирующий конъюгацию негомологичных хромосом, вызывают их спаривание и кроссинговер. Таким путем в Институте селекции растений (Кембридж, Великобритания) был перенесен из генома эгилопса (A. comosum) в геном пшеницы ген, определяющий устойчивость к ржавчине и создан устойчивый высокопродуктивный сорт Compair.
Зерновые культуры являются трудным объектом для генной инженерии. Это обусловлено, прежде всего, отсутствием векторных систем для введения генов в геном клеток злаков. Наиболее эффективная векторная система на основе плазмид Agrobacterium tumefaciens малопригодна для злаков.
Разрабатываются методы прямого переноса генов в клетки растений. К методам прямого переноса чужеродной ДНК в протопласты растений и относится электропарация: кратковременные электрические разряды (1—100 мкс при напряженности поля 1000—10000 В/см2) увеличивают проницаемость мембран протопластов, куда и проникает находящееся в растворе ДНК. В MCXA разрабатывается метод введения чужеродной ДНК с использованием электрофореза в агаровом геле. Показана возможность применения данного метода для трансформации каллусов пшеницы с последующей регенерацией из них трансгенных растений.
Также предпринимаются попытки использовать естественный метод переноса – пыльцу для передачи пшенице чужеродной ДНК. При этом пыльцу или инкубируют в растворе, содержащем экзогенный генетический материал, или наносят чужеродную ДНК непосредственно перед цветением на пестики со срезанными рыльцами. Успех трансформации в таких экспериментах составляет 1-3%.
Оригинальный способ введения чужеродной ДНК в злаки разработан в Корнельском университете США. С помощью генетического пистолета в клетки растений выстреливают крохотные вольфрамовые шарики, покрытые генетическим материалом. Например, способ баллистической трансформации применили для введения гена вируса табачной мозаики в клетки лука. Была установлена экспрессия гена в клетках. Метод высокоскоростной баллистической трансформации в настоящее время широко используется в Центре «Биоинженерия», ИМГ, ИФР, ВНИИСБ при создании трансгенных растений пшеницы.
На станции искусственного климата «Биотрон» Института биоорганической химии для увеличения устойчивости российских сортов пшеницы к грибковым заболеваниям ведутся исследования суперэкспрессии генов нескольких тауматин-подобных белков выделенных из риса (TLP) и овса (oatpermI). Для получения трансгенных растений пшеницы используются векторы, сконструированные для экспрессии гетерологичных генов в геномах злаковых культур: psGFP-BAR и pAct1-F. Первая конструкция содержит ген gfp с оптимизированным кодоном для экспрессии в растениях, а также ген bar, придающий устойчивость клеткам растений к гербициду Basta (содержит в качестве активного ингредиента L-phosphinotricin). Вторая векторная конструкция содержит репортерный ген gus. В настоящий момент получена 21 линия трансгенной пшеницы сорта Андрос, в геноме которых подтверждено присутствие последовательностей генов TLP и outperm. В настоящий момент проводятся исследования на предмет увеличения устойчивости полученных растений к различным грибным патогенам пшеницы.
С развитием культуры in vitro появилась реальная возможность более широкого использования гаплоидии в селекции сельскохозяйственных культур. Применение метода культуры клеток позволило осуществить регенерацию растений из генеративных клеток, содержащих гаплоидный набор хромосом. Стало возможным массовое получение гаплоидов. Практическое значение в селекции в настоящее время получили культура пыльников (андрогенез), завязей и семяпочек (гиногенез) и метод гаплопродюсера, который является разновидностью гиногенеза.
В ПНИИЖБ создан сорт озимой пшеницы Смуглянка с использованием культуры пыльников. Он включен в Госреестр РФ в 1997 г. и признан перспективным для Поволжья. Сорт устойчив к листовой ржавчине, мучнистой росе, твердой головне, вынослив к хлебному пилильщику и природному комплексу вирусных и микоплазменных болезней.
Хромосомная инженерия.
Хромосомная инженерия – это замещение хромосом на внутривидовом, межвидовом и межродовом уровнях. Эта технология открывает новые возможности в селекции, когда нужно подправить отдельные признаки, а не реконструировать весь организм, комбинируя в процессе гибридизации тысячи генов.
В мире уже известно около 30 полных замещенных серий у пшеницы. Одной из лучших признана созданная в России серия по комбинации Саратовская 29 х Янецкис Пробат. У сорта Саратовская 29 каждая из 21 пары хромосом замещена на гомологичную хромосому от сорта-донора Янецкис Пробат.
В ряде случаев, когда исчерпана внутривидовая изменчивость, уже не удается усилить до необходимого уровня селекционируемые признаки, прежде всего устойчивость к заболеваниям. Тогда приходится заимствовать необходимые гены у других видов, родов растений, в том числе и у диких сородичей.
В Институте цитологии и генетики СО РАН проводятся межвидовые, межродовые замещения хромосом. Придание мягкой гексаплоидной пшенице Triticum aestivum устойчивости к различным видам ржавчины, мучнистой росе и другим видам заболеваний оказалось возможным при замещении двух пар ее хромосом 5В и 6В на хромосомы от третраплоидной пшеницы Triticum timopheevii.
Аллоцитоплазматические гибриды пшеницы.
Расширение адаптационных возможностей у пшеницы достигается путем создания новых генетических систем в форме гибридов аллоцитоплазматической пшеницы, у которых эффект ядерно-цитоплазматических взаимодействий детерминирует ряд свойств, обеспечивающих более высокий уровень адаптации растений к стрессовым факторам среды. Аллоцитоплазматические гибриды пшеницы (АЦПГ) получают методом возвратных скрещиваний (не менее шести беккроссов) и отбором. Они представляют собой новый синтетический тип растений, у которых ядро T. aestivum L. нормально функционирует в чужеродной цитоплазме.
Перемещение ядра пшеницы, в инородную цитоплазму может вызвать в ряде случаев изменение количественных признаков и биологических свойств растений. Дифференцированное проявление этих изменений дает основание считать, что генам, детерминирующим тот или иной признак, соответствуют определенные плазмагены или другие микроструктуры цитоплазмы, обеспечивающие контроль и передачу определенных генопродуктов. Нарушение этого ядерно-цитоплазматического соответствия приводит к изменению величины признака или его непроявлению, например, под влиянием митохондриального генома изменяются устойчивость растения к патогенам.
Селекционно-генетическая работа по созданию и изучению озимых и яровых форм аллоцитоплазматической пшеницы проводится на аграрном факультете Российского университета дружбы народов с 1981 г. К настоящему времени создана обширная коллекция линий аллоцитоплазматической пшеницы T. aestivum L, сочетающих ядерный геном различных сортов яровой и озимой пшеницы с цитоплазмой таких типов, как Secale cereale, Aegilops ovata, T. timopheevi.
По результатам сравнительного изучения двенадцати яровых линий аллоцитоплазматической пшеницы в 2002 г. в коллекционном питомнике двух научно-исследовательских институтов (Московская область - НИИСХ ЦРНЗ и г. Рязань - НИИ ПТИ АПК) выделена линия аллоцитоплазматической пшеницы на цитоплазме T. timopheevi (АЦПГ T. timopheevi х сорт SV66342), отличающаяся более высоким урожаем зерна и повышенной устойчивостью к болезням по сравнению со стандартным сортом яровой пшеницы Приокская. Так, в условиях Московской области урожай зерна у сорта Приокская составил 43,4 ц/га, а у АЦПГ T. timopheevi x SV66342 - 49,8 ц/га. Пораженность листовой ржавчиной у растений АЦПГ составила 50%, а у стандартного сорта - 70%. Урожай зерна в условиях НИИ ПТИ АПК (г.Рязань) у сорта Приокская - 41,8 ц/га, а у АЦПГ - 47,2 ц/га. Пораженность растений бурой ржавчиной у АЦПГ в этом институте также была ниже, чем у стандартного сорта. Она составила 30%, тогда как у сорта Приокская - 60%.
Используя явление элиминации у гибридов геномом одного вида (рода) растений генома другого, удалось создать ячменно-пшеничные формы, у которых присутствуют ядерный геном пшеницы, цитоплазма и элементы цитоплазматического генома ячменя. Эти аллоплазматические линии по своему фенотипу больше повторяют пшеницу, но у них проявлялись отдельные признаки ячменя, например, раннеспелость и устойчивость к ряду заболеваний.
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА СЕЛЕКЦИОННОГО ПРОЦЕССА
Методика оценки селекционного материала на устойчивость к листовой ржавчине.
Особенностью селекционного процесса при выведении устойчивых к болезням сортов является необходимость создания условий для проявления селекционным материалом устойчивости.
Оценка селекционного материала и отбор проводятся в естественных условиях или на искусственных инфекционных фонах. Использование естественного фона не требует никаких дополнительных затрат и, если год эпифитотийный, оценка ведется при реальных инфекционных нагрузках. Для усиления естественного инфекционного фона изучаемые образды можно обсеять защитной полосой из универсально восприимчивого сорта (например, Саратовская 29) с добавлением выращенных в помещении и искусственно заражённых растений этого сорта.
Способы создания инфекционного фона могут быть различны. Заражение всеми листовой ржавчиной осуществляют путем опрыскивания суспензией спор или опыливания спорами смешанными с наполнителем для равномерного распределения по поверхности растений.
Заранее подготовленную суспензию спор из ранцевого опрыскивателя равномерно наносят на делянки, после чего создают влажную камеру, закрывая обработанный участок плёнкой. Такую обработку проводят после обильных дождей в фазу выхода в трубку.
Поражение и листовой ржавчиной начинается с листьев нижнего яруса. Устойчивость определяют по степени поражения флагового листа по шкалам Майнса-Джексона и Петерсона. При этом определяют тип поражения или балл, косвенно характеризующий тип взаимодействия растения хозяина и патогена, и процент поражения поверхности листовой пластинки характеризующий степень устойчивости растения хозяина.
Схема селекционного процесса.
В селекционном процессе используется традиционная схема, применяемая во многих селекционных учреждениях страны и включающая в себя следующие питомники: коллекционный питомник первого и второго года, питомник гибридизации, гибридный питомник, питомник отборов, селекционный питомник первого года, селекционный питомник второго года, контрольный питомник, питомник конкурсного сортоиспытания. Отбор гибридного материала ведётся методом педигри. Ввиду разнообразия исходного материала и различной степени его изученности вовлечение исходного материала в схему селекционного процесса происходит на разных этапах. Малоизученный материал включается в схему начиная с коллекционного питомника. Хорошо изученный материал включается в схему начиная с питомника гибридизации.
Коллекционные питомники первого и второго года.
Исходный материал высевается на метровых ярусах. Изучение материала происходит в условиях разных сроков и фонов посева. Технология возделывания, учёт и наблюдения производятся в соответствии с методическими указаниями по изучению мировой коллекции пшеницы. Наилучший материал направляется в питомник гибридизации для вовлечения в скрещивания с лучшими сортами местной селекции.
Питомник гибридизации.
Родительские формы высеваются в три срока. Первый срок при первой возможности посева. Гибридизация проводится путём кастрации и последующего принудительного опыления (твел-метод).
Гибридный питомник.
Гибридные зерновки высеваются вручную на метровых ярусах. Одновременно с гибридными размещаются и родительские формы.
Питомник отбора.
Посев питомника производится в оптимальные сроки по чистому пару. В связи с тем, что материал даёт значительное расщепление в этом питомнике производится индивидуальный отбор элитных растений во всех гибридных популяциях. Проводят учёты и наблюдения по фенологии (всходы, колошение, восковая спелость) по устойчивости к неблагоприятным климатическим факторам, устойчивости к полеганию, элементам урожайности. Уборку проводят вручную вместе с корнями в фазу восковой спелости. После полевой и лабораторной оценки лучшие из них оставляют остальные выбраковываются.
Селекционный питомник первого года.
Посев, оценка и отбор линий. Посев ведётся на метровых ярусах в оптимальные для зоны сроки по чистому пару. Из фенологических наблюдений в СП1 отмечаются всходы, кущение, колошение и восковая спелость. Проводится оценка на устойчивость к листовой ржавчине. Весь материал оценивается очень жёстко. Для передачи в СП2 остаётся не более 4-5% линий. В сильно расщепляющихся делянках проводят индивидуальные отборы однородных элитных растений.
Селекционный питомник второго года.
Посев производиться без повторностей в оптимальные для зоны сроки. В период вегетации проводятся наблюдения за общим состоянием растений по всходам, в колошение и перед уборкой. Оцениваются линии в период весенней и летней засухи. Целесообразно весь материал испытывать на провокационном фоне, естественном или создаваемым специально. Даётся оценка на устойчивость к болезням, а так же визуальная к хлебной блохе и скрыто стебельным вредителям. Проводится оценка зерна по показателям качества. В СП2 бракуется до 60-65% линий. Второй и окончательный этап браковки идёт после анализа структуры урожая. Уборка проводится вручную.
Контрольный питомник.
Срок посева обычный для зоны. Повторностей две-три. Количество номеров 80-150. Стандарт высевается через десять номеров. Кроме вышеперечисленных оценок проводится дополнительно оценка хлебопекарных свойств и качества зерна. Материал обрабатывается математически.
Конкурсное сортоиспытание.
Его задача – математически достоверно сравнить новые сорта с существующими и отобрать наилучшие с комплексом положительных качеств. Испытание проводится по пару и зерновым предшественникам в два срока посева. Стандарт через десять номеров. Учёты и наблюдения проводятся по «Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур».
ДОСТИЖЕНИЯ СЕЛЕКЦИИ
Селекция пшеницы на иммунитет успешно ведется в НИИ сельского хозяйства (Краснодарском, Центрального региона Нечерноземной зоны, Юго-Востока, Сибирском, Челябинском, Самарском), Донском селекцентре НПО "Дон", Алтайском НИИ земледелия и селекции сельскохозяйственных культур и Сибирском НИИ растениеводства и селекции. В менее крупных учреждениях она, как правило, не проводится.
Из общего количества включенных в Госреестр сортов озимой пшеницы (107) в высокой и средней степени устойчивы к болезням 58 (54%), яровой – 72 из 161 (45%).
Пораженность сортов, относящихся к группе высокоустойчивых, при искусственном заражении листовыми пятнистостями должна быть менее 20%, головневыми заболеваниями – менее 10%. В производственных условиях они не требуют фунгицидных обработок против соответствующих болезней.
Однако таких сортов очень мало, еще меньше – с групповой устойчивостью к нескольким патогенам. Большинство характеризуется средней степенью устойчивости к отдельным заболеваниям, что допускает поражение от 21 до 50% листовой поверхности ржавчинными заболеваниями и от 10 до 25% стеблей – головневыми при искусственном заражении или в условиях эпифитотии. При их возделывании обязательно требуется проводить протравливание семян и в зависимости от фитосанитарной обстановки по рекомендациям службы защиты – фунгицидные обработки по вегетации.
Сейчас известны следующие сорта, устойчивые к листовой ржавчине:
Л 505 (пшеница мягкая яровая). Выведен в НИИ сельского хозяйства Юго-Востока и Акционерном обществе закрытого типа "Элита Юго-Востока" методом сложной гибридизации с неоднократным отбором из гибридных популяций растений, устойчивых к бурой ржавчине: Саратовская 55 х 6 /Сонора // Л 503. Включен в Госреестр по Нижневолжскому региону. Среднеспелый. Устойчив к полеганию. Высоко устойчив к листовой ржавчине (содержит эффективный ген устойчивости) и мучнистой росе; выше среднего восприимчив к пыльной головне; сильно поражается твердой головней при искусственном заражении. Толерантен к вирусным заболеваниям.
Страда Сибири (пшеница мягкая яровая). Выведен в СибНИИСХ Среднеранний. Высоко устойчив к мучнистой росе, листовой ржавчине и твердой головне.
Омская 20 (пшеница мягкая яровая). Выведен в СибНИИСХ. Среднеспелый. Высоко устойчив к засухе. Среднеустойчив к мучнистой росе, пыльной и твердой головне. Обладает высокой толерантностью к листовой ржавчине.
Омская 29 (пшеница мягкая яровая). Выведен в СибНИИСХ. Среднеспелый. Высокоустойчив к пыльной головне и бурой ржавчине. Высокая потенциальная урожайность(3,95т/га).
Омская 30 (пшеница мягкая яровая). Выведен в СибНИИСХ в 2003г. Среднепоздний. Высокоустойчив к пыльной головне, слабо восприимчив к мучнистой росе, имеет способность сдерживать развитие листовой ржавчины.
Росинка 3 (пшеница мягкая яровая). Выведен в СибНИИСХ в 2004г. Среднепоздний. Устойчивей стандарта к основным заболеваниям (листовой ржавчине, пыльной и твердой головне). Отличается достаточно высокой устойчивостью к полеганию и осыпанию.
Оренбургская 105 (пшеница мягкая озимая). Устойчив к листовой ржавчине, головне, корневым гнилям, является эталоном качества зерна в любые по увлажнению годы.
Приморская-40 (пшеница мягкая яровая). Превосходит стандарт Приморскую-21 по урожайности, содержанию белка, клейковины. Сорт более устойчив к осыпанию, поражению бурой листовой ржавчиной, среднеустойчив к фузариозу колоса.
Экада 43 (пшеница мягкая яровая). Создан в ходе выполнения программы «Экада» с участием Самарского, Пензенского, Ульяновского НИИСХ. Получен индивидуальным отбором из гибридной популяции от скрещивания номера Л42123 своей селекции с сортом Симбирка. Сорт устойчив к поражению листовой ржавчиной, пыльной и твердой головней.
Эритроспермум 59 (пшеница мягкая яровая). Создан совместно Омским государственным аграрным университетом, Челябинским НИИСХ. Отличается хорошей полевой устойчивостью к болезням. По результатам оценки 55 сортов яровой пшеницы из России на устойчивость к листовой ржавчине, проведенной учеными из SIMMYT, сорт был в числе пяти не поражаемых ни одной из испытываемых рас, что дало основание предположить наличие у Эритроспермум 59 одного из трех генов устойчивости Lr9, Lr19 или Lr25. Сорт имеет пониженную восприимчивость к мучнистой росе, менее стандартов восприимчив к твердой и пыльной головне.
Терция (пшеница мягкая яровая). Создан совместно селекционерами Омского государственного аграрного университета, ИЦиГ СО РАН и Курганского НИИЗХ многократным индивидуальным отбором из гибридной популяции, полученной от скрещивания аналогов Новосибирской 67: АНК-1 (красный цвет зерна – ген R3 от Арин ФРГ) х АНК-2 (иммунитет к листовой ржавчине – ген LrTr от донора К-54049 из Австралии) х АНК-3 (иммунитет к мучнистой росе – ген Pm4b от Соло из ФРГ) х АНК-7А (жесткое опушение листа – донор К-26011 из Китая). Сорт отличается высокой технологичностью возделывания – устойчив к полеганию, осыпанию и прорастанию зерна на корню и в валках. Отличается хорошей засухоустойчивостью, благодаря наличию густого опушения на листьях. По качеству зерна Терция включена в список ценных пшениц. Терция – это единственный в Западной Сибири и на Урале сорт с комплексным иммунитетом к листовой ржавчине, мучнистой росе и не поражающийся листогрызущими вредителями (пьявицей и др.).
Нива 2 (пшеница мягкая яровая). Выведен в Омском аграрном университете совместно с Челябинским НИИСХ индивидуальным отбором из популяции, созданной гибридизацией озимой пшеницы PS 360/76 (Румыния) с яровой Иртышанка 10. Высокоурожайный, засухоустойчивый сорт. Имеет комплексную устойчивость к болезням - листовой ржавчине и мучнистой росе, не поражается пыльной головней.
Соната (пшеница мягкая яровая). Сорт выведен в Омском государственном аграрном университете путем двухкратного индивидуального отбора из гибридной популяции, полученной от скрещивания сортов яровой пшеницы Целинная 20 и Терция. Сорт среднеспелый. Имеет иммунитет к листовой ржавчине, благодаря наличию у нее гена Lr-Тг, полученного от Терции.
Чернява 13 (пшеница мягкая яровая). Создан в Омском государственном аграрном университете совместно с НИИСХ Северного Зауралья, путем индивидуального отбора скороспелого растения из гибридной популяции F5 (АНК 17 х ОмСХИ 6) х ОмСХИ 6. Высокоурожайный сорт. Имеет высокую полевую устойчивость к пыльной головне и бурой ржавчине.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гойман Э. Инфекционные болезни растений, пер. с нем. М., 1954
2. Вердеревский Д.Д. Иммунитет растений к инфекционным болезням, Кишинев, 1968
3. Горленко М. В., Рубин. Б. А. Иммунитет растений // Защита и карантин растений, 2001. №8. С. 16-19.
4. Ерохина С.А. Сорта озимой и яровой пшеницы, устойчивые к болезням и вредителям // Агробюллетень КАРО, 2005. №5. С. 24-30.
5. Карлов Г.И., Хрусталева Л.И., Шаденков Е.А. Трансформация каллусов пшеницы методом электрофореза в агаровом геле // Сельскохозяйственная биология. 2005. №10. С. 21-22.
6. Киселева М.И., Коваленко Е.Д. Жемчужина А.И., Куркова Н.Н. Вирулентность патотипов бурой ржавчины на линиях пшеницы с генами возрастной устойчивости // АГРО XXI. 2004/2005. №7-12. С. 25-29.
7. Лебедев В.Б. Ржавчина пшеницы // Саратовский государственный аграрный университет. 1998. С. 295.
8. Мирошниченко Д., Филиппов М., Долгов С., Харченко П. Генетическая трансформация российских сортов пшеницы // Сельскохозяйственная биология. 2003. №4. С. 30-34.
9. Пересыпкин В. Ф. Сельскохозяйственная фитопатология. М: "Колос", 1969. 479 С.
10. Розанов Ю. Л. Перенос спор бурой ржавчины при различных метеорологических условиях и синоптических ситуациях // Эпифитотии сельскохозяйственных культур, их прогноз и профилактика. I. Фитопатологическое прогнозирование как основа создания рациональных систем защиты растений. Сб. докладов научной конференции. 1983. С. 51-58.
11. Семенов О.Г. Аллоцитоплазматическая пшеница. Биологические основы селекции: Монография. М.: Изд-во РУДН, 2000. С. 208.
12. Семенов О.Г. Влияние ядерно-цитоплазматических взаимодействий на проявление адаптивных и хозяйственно ценных признаков у пшеницы // Тез. докл. Междунар. генет. конгр. М.: Наука, 1998. Ч.1. С. 434.
13. Сидоров А.В. Селекция яровой пшеницы на устойчивость к грибным болезням // Селекция и семеноводство. 2001. №3. С. 20-23.
14. Скачкова Л.В., Дорохов Б.А. Выявление устойчивых к бурой ржавчине и мучнистой росе образцов пшеницы // Селекция и семеноводство. 1981. №3. С. 13-14.
15. Скачкова Л.В, Дорохов Б.А.. Селекция озимой пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине в условиях Центрально-Черноземной зоны // Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции: Тез.докл. Л.,1981. Ч. 3. С. 19.
16. Соколов М.С. Новые методы селекции: генная инженерия и клеточная селекция // Сельскохозяйственная биология. 2000. № 4. С. 17-23.
17. Сурин Н.А. Бутовская Л.К. Сорта зерновых культур и многолетних трав. Новосибирск, 2003. С. 32.
18. Шумный В.К. Генная и хромосомная инженерия растений // Сельскохозяйственная биология. 2004. №7. С. 12-16.
19. Эйгес Н.С., Вайсфельд Л.И., Волченко Г.А. Повышение эффективности внутривидовой гибридизации методом химического мутагенеза // Материалы докладов 1-ой Российской научно-практической конференции «Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными растительными ресурсами и создания функциональных продуктов». 2001.
20. Ячевская Г.Л., Наумов А.А. Использование метода отдаленной гибридизации в селекции пшеницы. М., 1990.
31