МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
УДК 632.938.1
Стратегия селекции
пшеницы на устойчивость
к ржавчинным заболеваниям
Е.Д. КОВАЛЕНКО, А.И. ЖЕМЧУЖИНА,
М.И. КИСЕЛЕВА, Т.М. КОЛОМИЕЦ,
А.А. ЩЕРБИК
Интенсивное развитие ржавчин$
ных заболеваний в странах с разным
климатом обусловлено пластичнос$
тью и высокой репродуктивной и
миграционной способностью их
возбудителей. В России наиболее
распространена бурая ржавчина,
что объясняется, главным образом,
однотипностью сортов пшеницы и
бесконтрольным возделыванием
сортов с неэффективными генами
расоспецифической устойчивости
на больших площадях.
Устойчивость сорта является важ$
нейшим элементом интегрирован$
ной защиты растений от болезней,
стабилизирующим сельскохозяй$
ственное производство и снижаю$
щим риск загрязнения окружающей
среды. Проблема не только в Рос$
сии, но и в других странах мира зак$
лючается в том, что вновь создава$
емые сорта быстро теряют устойчи$
вость из$за появления новых виру$
лентных рас патогена. Поэтому ос$
новным направлением в междуна$
родной селекции зерновых культур
на иммунитет к болезням является
создание сортов с длительной ус$
тойчивостью, сохраняющей свою
эффективность в различных агро$
экосистемах в благоприятных для
развития болезни условиях не менее
10 лет [4].
Селекция на длительную устойчи$
вость подразумевает следующие
этапы:
изучение изменчивости популя$
ций возбудителей болезни, посто$
янный контроль за появлением но$
вых, потенциально опасных рас;
создание и отбор исходного мате$
риала для селекции устойчивых сор$
тов.
Изучение изменчивости популя
ций возбудителей болезни, посто
янный контроль за появлением но
вых, потенциально опасных рас. По$
пуляции возбудителей болезней
формируются под влиянием биоти$
ческих и абиотических факторов
внешней среды. Возникновение но$
вых рас происходит в результате
постоянно действующих мутацион$
ных и рекомбинационных процес$
сов. Новые расы ржавчинных забо$
леваний очень быстро распростра$
няются и вызывают сильные эпифи$
тотии на посевах зерновых культур
в разных странах и континентах из$
за высокой репродуктивной и мигра$
ционной способности.
Так, новая раса стеблевой ржавчи$
ны пшеницы UG$99 впервые была
идентифицирована в Уганде в 1988 г.,
а затем появилась и быстро распро$
странилась в Восточной и Северной
Африке, Передней Азии, вызывая
опустошительные эпифитотии на по$
севах ранее устойчивых сортов в Ке$
нии, Эфиопии, Йемене, Судане и
Иране. Это обусловлено не только
вирулентностью, но и высокой агрес$
сивностью и адаптивной способнос$
тью к широкому спектру температур$
ных условий.
В связи с появлением расы UG$99
СИММИТ и ИКАРДО была принята
Международная программа по выяв$
лению новых потенциально опасных
рас не только стеблевой, но и других
видов ржавчины [6], организованы
международные инфекционные пи$
томники, где высеваются сорта$ло$
вушки с устойчивым генотипом и ме$
стные сорта. В них проводится посто$
янный контроль за появлением новых
рас на ранее устойчивых сортах.
Оценка сортов и селекционных об$
разцов из 22 стран и международно$
го центра показала, что 80 % из них
были высоко восприимчивы к UG$99.
Для создания устойчивых к стеб$
левой ржавчине сортов была разра$
ботана международная селекцион$
ная программа, предусматриваю$
щая отбор устойчивых к расе UG$99
образцов в инфекционных питомни$
ках разных стран мира и использо$
вание генов расоспецифической ус$
тойчивости (в разных комбинациях),
малых генов с эффектом длительной
устойчивости и Sr 2 – гена, обуслов$
ливающего замедленное развитие
болезни [6].
Проблема появления и быстрого
накопления новых рас, преодолева$
ющих устойчивость сортов с эффек$
тивными генами, характерна и для
бурой ржавчины. Для изучения из$
менчивости популяций возбудителя
бурой ржавчины нами в течение
многих лет проводился анализ
структуры популяций гриба в основ$
ных регионах России: Центральном,
Центрально$Черноземном, Северо$
Кавказском, Поволжском, Волго$
Вятском, Западно$Сибирском, Вос$
точно$Сибирском.
Ген устойчивости Lr 19 в России и
странах СНГ сохранял свою эффек$
тивность более 40 лет. После того,
как селекционеры стали активно ис$
пользовать его для получения новых
сортов, получивших широкое рас$
пространение в Поволжье и в Ураль$
ском регионе, появилась новая раса
р19 с комплементарным геном виру$
лентности. Впервые она была обна$
ружена нами в 1997 г. на посевах
пшеницы сортов Л$503 и Л$505 с ге$
ном устойчивости Lr19 в Саратовс$
кой области [1, 9].
Расы с геном р19 быстро распро$
странились на посевах пшеницы в
Центрально$Черноземном, Цент$
ральном, Волго$Вятском и других
регионах европейской части Рос$
сии. В 2000–2001 гг. они были обна$
ружены в Западной и Восточной Си$
бири, в 2003 г. – в Приморском крае.
Увеличение посевных площадей под
сортами с геном Lr 19 было основ$
ной причиной не только быстрого
распространения новой расы, но и
увеличения частоты встречаемости
существующих рас. Так, при расши$
рении посевных площадей под ози$
19
4 Защита и карантин растений № 9, 2012
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
мой пшеницей Московская 39 с ге$
ном расоспецифической устойчиво$
сти Lr 1 частота встречаемости расы
с комплементарным геном вирулен$
тности р1 увеличилась с 40 до 100 %
(рис. 1).
В 2010 г. нами впервые в западно$
сибирской популяции возбудителя
обнаружен новый патоген с геном
вирулентности р9, который преодо$
левал ранее высокоэффективный
ген устойчивости Lr 9.
Наши данные за 2000–2007 гг. по
изучению эволюции рас возбудите$
ля бурой ржавчины в Центральном
регионе подтвердили высокий по$
тенциал его генетической изменчи$
вости. Появление рас с новым соче$
танием генов вирулентности отме$
чали ежегодно (рис. 2).
Направленный отбор и быстрое
накопление новых рас Puccinia
triticina на ранее устойчивых сортах,
занимающих большие посевные
площади, требуют постоянного мо$
ниторинга популяций возбудителя.
В результате популяционных ис$
следований определяется генофонд
вирулентности возбудителя в раз$
ных регионах страны, частота встре$
чаемости рас с разными генами
вирулентности, их динамика во вре$
1. Динамика частоты встречаемости гена
вирулентности р1 в популяциях Puccinia
triticina в Центральном регионе на озимой
пшенице Московская 39
мени и пространстве, что позволяет
выявить степень эффективности ге$
нов устойчивости и определить ос$
новные направления селекции на
иммунитет. По нашим многолетним
данным, гены устойчивости к пато$
гену по степени эффективности
можно условно разделить на 4 груп$
пы (табл. 1). Генами, абсолютно эф$
фективными ко всем патотипам во
всех регионах возделывания пшени$
цы, являются Lr24, Lr29, Lr38, Lr41,
Lr42, Lr45, Lr47. В 2010 г. нами впер$
вые в западно$сибирской популя$
ции возбудителя обнаружен новый
патотип бурой ржавчины с геном
2. Эволюция рас Puccinia triticina на территории Центрального региона в 2000–2007 гг.
20
вирулентности р9, и ранее эффек$
тивный ген устойчивости Lr9 стал
среднеэффективным.
Генетический анализ устойчивос$
ти с использованием рас и патоти$
пов, маркированных разными гена$
ми вирулентности, служит основой
для определения состава инфекци$
онных фонов и отбора исходного
материала для селекции устойчивых
сортов.
Создание и отбор исходного ма
териала для селекции устойчивых
сортов. Как показала история селек$
ции пшеницы на иммунитет к бурой
ржавчине, более продолжительную
защиту от болезни обеспечивают
сорта с возрастной и частичной ус$
тойчивостью, сдерживающие эво$
люцию патогена. Наличие генов воз$
растной устойчивости в сортах пше$
ницы способствует медленному на$
растанию инфекции из$за более ко$
роткого селективного давления по$
пуляции на растение [7]. Этот тип
устойчивости можно относительно
легко комбинировать с расоспеци$
фическим типом и тем самым про$
длевать жизнь сорта.
В последние годы гены Lr 37, Lr 22a
и Lr 35, эффективные ко многим по$
пуляциям гриба в США и Канаде,
широко используются в качестве
доноров возрастной устойчивости.
Ген Lr 22a, полученный из Triticum
taushii и введенный в канадский
сорт АС Minto, сохраняет высокую
эффективность к болезни уже бо$
лее 20 лет. Высокой полевой устой$
чивостью обладают сорта с генами
Lr 34, Lr 12, Lr 13 или комбинацией
этих генов [5, 7].
Линия с геном устойчивости Lr34
в сочетании с другими генами про$
являет высокую устойчивость в по$
левых условиях, а линии с генами
Lr37, Lr22a и Lr35 – и в полевых, и в
лабораторных условиях. Эти гены
могут служить источниками устойчи$
вости к бурой ржавчине.
Частичная устойчивость, или ус$
тойчивость замедленного развития
«slow rusting», контролируется поли$
генно, то есть большим числом ге$
нов, по отдельности не имеющих за$
метного фенотипического эффекта
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
Ý ô ô å ê ò è â í î ñ ò ü ã å í î â ó ñ ò î é ÷ è â î ñ ò è ï ø å í è ö û ê P u c c in ia t r it ic in a
íà òåððèòîðèè Ð îññèè
Ý ô ô åêòèâíû å
Ñ ðåäíåýô ô åêòèâíû å
Í è çêîýô ô åêòè âíû å
Í åýô ô åêòèâíû å
× àñòîòà
Ãåíû þ âåíèëüíîé
âñòðå÷àåì îñòè
óñòîé ÷è âîñòè
ï àòî òè ï î â (% )
0
24, 29, 38, 41, 42, 45, 47
ì åíåå 20
9, 19, 28, 32, 43, 44, 46
21– 50
2a, 2b, 15, 16, 20, 23, 25, 26,
27+ 31, 39, 40
áîëåå 50
1, 2c, 3a, 3bg, 3ka, 10, 11, 14a,
14b, 17, 18, 21, 30, 33, 36, B
и проявляющихся аддитивно. По
мнению многих исследователей,
этот тип устойчивости имеет следу$
ющие преимущества перед сортами
с расоспецифической резистентно$
стью: сдерживает эволюцию патоге$
на, снижает риск возникновения
эпифитотий, сохраняет урожай и
увеличивает продолжительность ус$
тойчивости сорта. Конечное выра$
жение общей устойчивости пред$
ставляет собой результат суммар$
ного взаимодействия количествен$
ных признаков – увеличение продол$
жительности латентного периода,
уменьшение числа пустул на едини$
цу поверхности листа и ограничение
размеров пустул. Изучение этих па$
раметров позволяет отбирать сор$
тообразцы пшеницы с частичной ус$
тойчивостью. Успех селекции сортов
с длительной устойчивостью всеце$
ло зависит от исходного материала,
который должен характеризоваться
генетическим разнообразием,
сдерживать развитие болезни и эво$
люцию патогенных грибов. Резуль$
тативность отбора исходного мате$
риала зависит от правильного выбо$
ра методов оценки устойчивости
сортообразцов (составление искус$
ственных инфекционных фонов, от$
бор фитопатологических и генети$
ческих параметров для объективной
оценки устойчивости и др.).
По данным литературы и наших
многочисленных популяционных и
иммунологических исследований,
была разработана схема оценки и
отбора исходного материала с раз$
ными типами устойчивости: расо$
специфической, частичной, возраст$
ной, а также с их сочетанием, обес$
печивающим вновь создаваемым
Òàáëèöà 1
à åí û âîçðàñòí îé
óñòîé ÷è âîñòè
22à
12, 13, 35, 37
34
22b
сортам продолжительную защиту от
болезни:
отбор рас возбудителя бурой
ржавчины для создания искусствен$
ных инфекционных фонов в услови$
ях питомника, теплицы и камер ис$
кусственного климата;
оценка устойчивости сортообраз$
цов пшеницы в условиях инфекцион$
ного питомника и теплицы и отбор
генотипов с разным типом устойчи$
вости;
определение генотипа расоспе$
цифической и возрастной устойчи$
вости с использованием тест$куль$
тур гриба и молекулярных маркеров;
определение основных парамет$
ров частичной устойчивости: дина$
мика развития болезни в полевых
условиях, латентный период, спору$
лирующая способность, количество
и размер инфекционных пустул в ка$
мерах искусственного климата;
отбор генотипов пшеницы с дли$
тельной устойчивостью (возраст$
ной, частичной и их сочетанием).
На разных этапах оценки устойчи$
вости сортообразцов пшеницы к па$
тогену используется различный ин$
фекционный материал. В инфекци$
онном питомнике для инокуляции
растений применяют синтетическую
популяцию, содержащую смесь не$
скольких патотипов с известными
генами вирулентности или одну вы$
соковирулентную расу с максималь$
ным количеством генов вирулентно$
сти. Для определения генотипа ра$
соспецифической устойчивости
сортообразцов пшеницы в условиях
камер искусственного климата от$
бирают расы с разным сочетанием
генов вирулентности. Для оценки и
отбора сортообразцов пшеницы с
частичной устойчивостью, как пра$
вило, используют высоковирулент$
ные расы с высоким уровнем агрес$
сивности.
В результате многолетних имму$
нологических исследований сортов
и сортообразцов мировой коллек$
ции ВИР, Американской националь$
ной коллекции и отечественных сор$
тов отобран исходный материал с
разными типами устойчивости, ко$
торый может быть использован для
создания сортов пшеницы с дли$
тельной устойчивостью к бурой
ржавчине [2]. Наибольший интерес
представляют генотипы, сочетаю$
щие разные типы устойчивости. Не$
сколько неэффективных генов ра$
соспецифической устойчивости в
сортах обусловливают частичную
устойчивость.
Так, в сортах Смена, Курская 2038,
Жигулевская был выявлен ген Lr10 с
разным количеством неидентифи$
цированных генов устойчивости.
Изучение динамики развития бурой
ржавчины на этих сортах в инфекци$
онном питомнике показало, что чем
больше в генотипе дополнительных
неизвестных генов, тем выше уро$
вень частичной устойчивости. Так,
на контрольном сорте Хакасская к
концу вегетации степень развития
болезни составляла 100 %, а на сор$
тах с геном Lr10 – от 40 до 65 %. Наи$
менее был поражен сорт Жигулевс$
кая, имеющий в своем генотипе,
кроме Lr10, ген Lr14b и несколько
неизвестных генов.
Таким образом, частичная устойчи$
вость может быть обусловлена нали$
чием нескольких неэффективных ге$
нов расоспецифической устойчиво$
сти, а ее уровень зависит от количе$
ства генов, что подтверждает мнение
Нэльсона о генетической природе
частичной устойчивости [10].
На уровень частичной устойчиво$
сти существенно влияют также гены
возрастной устойчивости и их соче$
тания. Так, продолжительность ла$
тентного периода у восприимчиво$
го контроля (сорт Хакасская) была
короткой (8,1 дня), у сортов с одним
геном возрастной устойчивости
Lr22a (Кума, Батько, Краснодар$
21
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ская 99 и линия Lr22a) и двумя гена$
ми – Миллениум (Lr12+Lr37), Дель$
та (Lr13+Lr34) она увеличивалась до
9,8–10,6 дней, что сдерживало раз$
витие болезни в полевых условиях
[8]. Полученные результаты под$
тверждают данные зарубежных ис$
следователей. Для увеличения по$
лезной жизни сорта необходимо
комбинировать в нем разные гены
возрастной, ювенильной и частич$
ной устойчивости. Для создания
сортов с продолжительной защитой
от разных возбудителей болезней
желательно использовать гены, кон$
тролирующие групповую устойчи$
вость к разным патогенам (табл. 2).
Для сохранения длительной ус$
тойчивости нужна правильная стра$
тегия и тактика использования генов
устойчивости в селекции пшеницы в
разных регионах страны.
В случае бурой ржавчины в первую
очередь следует учитывать эпифито$
тийную ситуацию в регионах, струк$
туру посевных площадей под озимы$
ми и яровыми сортами, наличие за$
носной инфекции и уровень поли$
морфизма популяций возбудителя.
Для увеличения продолжительно$
сти «полезной жизни» устойчивых
сортов предлагаем в основных реги$
онах возделывания озимой пшеницы
(Северный Кавказ, Центральный,
Центрально$Черноземный, Повол$
жье) отдавать предпочтение созда$
нию сортов с замедленным развити$
ем болезни («slow rusting») и возраст$
ной устойчивостью, а также с соче$
танием разных типов устойчивости.
Ò àáëèöà 2
à åí û , ê î í òð î ë è ð óþ ù è å ãð óï ï î âóþ
óñòîé ÷è âîñòü ê ðàçíû ì âîçáóäè òåëÿì
S r-ãå í û
Y r-ãå í û
L r-ãå í û
óñòîé ÷è óñòîé óñòîé ÷è âîñòè
÷è âîñòè
âîñòè ê
ê áóðîé ê æ åëòîé ñòåáëåâîé
ðæ àâ÷èíå ðæ àâ÷èíå ðæ àâ÷èíå
L r3 7
L r2 4
L r2 6
L r2 0
L r3 4
L r46
L r6 7
22
Y r1 7
Y r9
Y r1 8
Y r2 9
Y r46
S r2 8
S r2 4
S r3 1
S r1 5
P m -ãåí û
óñòîé ÷è âîñòè ê
ì ó÷íèñòîé ðîñå
Pm8
Pm 38
Pm 39
à åí íåè çâåñòåí
Такие сорта будут сдерживать эволю$
цию патогена и длительно сохранять
устойчивость. В Поволжском регио$
не, где возделывают озимую и яро$
вую пшеницу, необходимо, чтобы со$
здаваемые сорта различались по ге$
нам устойчивости. Это будет способ$
ствовать сбалансированию патосис$
тем (за счет смены направленного
отбора в течение сезона), сокраще$
нию количества инокулюма и сниже$
нию вредоносности болезни.
В Западной и Восточной Сибири,
где превалирует яровая пшеница,
селекцию можно проводить и на ра$
соспецифическую устойчивость. Но,
учитывая, что ни один эффективный
ген расоспецифической устойчиво$
сти не застрахован от быстрого раз$
рушения новыми патотипами гриба,
скорость накопления которых зави$
сит от площади, занимаемой новы$
ми сортами, посевы последних не
должны превышать 9–10 % [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Жемчужина А.И., Коваленко Е.Д.,
Кряжева Н.Н. Вирулентность популяций
возбудителя бурой ржавчины пшеницы в
различных регионах Российской Федера$
ции в 2000 г. / Материалы первого съезда
микологов России – М., 2002, с. 184–185.
2. Коваленко Е.Д., Киселева М.И., Ко
ломиец Т.М., Жемчужина А.И. и др. Им$
муногенетические основы отбора исход$
ного материала для селекции сортов
пшеницы с длительной устойчивостью к
бурой ржавчине / Материалы 6$ой меж$
дународной научно$практической конфе$
ренции «Биологическая защита растений
как основа экологического земледелия и
фитосанитарной стабилизации агроэко$
систем». – Краснодар, 2010, с. 594–596.
3. Смирнова Л.А. Использование эф$
фективных Lr$генов в селекции пшеницы
на устойчивость к бурой ржавчине. Мето$
дические рекомендации – М., 1990, 31 с.
4. Johnson R. Durable resistance to yellow
(stripe) rust in wheat and its implications in
plant breeding. In N.W. Simmonds &
S. Rajaram, eds. Breeding strategies for
resistance to the rusts of wheat. – Mexico,
DF, CIMMYT< 1988, p. 63–75.
5. German S.E. and Kolmer J.A. Effect of
gene Lr34 in enchancement of resistance to
leaf rust of wheat // Theor. Appl. Genet.,
1992, v. 84, p. 97–105.
6. Hodson D.P., Cressman K. et al. Global
Cereal Rust monitoring System. – Cd.
Obregon, Mexico, Technical Workshop, 2009.
7. Kolmer J.A. Virulence in Puccinia
recondite f. sp. tritici isolates from Canada
to genes for adult plant resistance to wheat
leaf rust. // Plant$dis. [St. Paul, Minn.,
American Phytopathological Society], 1997,
v. 81 (3), p. 267–271.
8. Kovalenko E.D., Kiseleva M.I.,
Solomatin D.A., Zhemchuzhina A.I. et al. The
main parameters of durable resistance to
leaf rust in wheat. / 11th International Cereal
Rust and Powdery Mildews Conference,
2004, 22–27 August, Norwich, UK.
9. Kurkova N., Zhemchuzhina A.,
Kovalenko E., Gultyaeva E. et al. The
structure, virulence and molecular
characterization of Puccinia triticina and
Puccinia graminis populations in variuos
regions of Russia in 2001–2008. / Abstracts
of 8 th International Wheat Conference
(St. Petersburg, Russia), 1–4 June, 2010.
10. Nelson R.R. Genetics of horizontal
resistance to plant diseases. // Ann. Rev.
Phytopathol., 1978, № 16, p. 359–78.
Аннотация. Представлен анализ лите$
ратурных данных и результатов соб$
ственных многолетних исследований по
влиянию разных генов устойчивости на
продолжительность защиты пшеницы от
бурой и стеблевой ржавчины. В резуль$
тате изучения структуры популяций бу$
рой ржавчины выявлены эффективные
гены устойчивости и показана роль сор$
тов в изменчивости возбудителей. Пред$
ложена стратегия использования генов
устойчивости в селекции сортов на ус$
тойчивость к бурой ржавчине для разных
регионов России.
Ключевые слова. Пшеница, ржавчи$
на, гены устойчивости, гены вирулентно$
сти, источники устойчивости, стратегия
селекции.
Abstract. The review of the literary data
and results of own long$term researches on
strategy of use of different resistance genes
of wheat for durable protection to stem and
leaf rusts are presented. As a result of
studying structure of leaf rust populations
there were revealed effective resistance
genes and the domination role of wheat
cultivars in variability of populations of rusts
is shown. Strategy of use of leaf rust
resistance genes for breeding of wheat
cultivars in various regions of Russia is
developed.
Keywords. Wheat, rust, genes of
resistance, genes of virulence, sources of
resistance, breeding strategy.
Всероссийский научно$
исследовательский институт
фитопатологии