Генетическая основа устойчивости линий и сортов озимой мягкой пшеницы к возбудителю бурой листовой ржавчины (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. МЕЧНИКОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра генетики и молекулярной биологии

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНИЙ И СОРТОВ ОЗИМОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ К ВОЗБУДИТЕЛЮ БУРОЙ ЛИСТОВОЙ РЖАВЧИНЫ

Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА МАГИСТРА

студентки V курса дневного отделения

Залогиной Марии Анатольевны

Научный руководитель:

кандидат биологических наук

старший научный сотрудник

Научный консультант:

кандидат сельскохозяйственных наук

старший научный сотрудник

Допущена к защите Защищена на заседании ГЭК

______________2004 г. ___________________2004 г.

Протокол заседания с оценкой________________

("1") кафедры № _______ Протокол №______________

Зав. кафедрой Секретарь ГЭК ___________

_________________

ОДЕССА 2004
РЕФЕРАТ

Дипломная работа изложена на 54 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц, 1 рисунок. Список литературы включает 75 работ, из них 48 зарубежных авторов.

Цель дипломной работы – установить генетическую основу устойчивости озимой мягкой пшеницы сортов Bayden, Tomo, Welton, и линий 5/37-91 и 2-3/99 к Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici.

Объект исследований – генетическая детерминация иммунитета растений к инфекциям.

Предмет исследований – гены, обусловливающие устойчивость растений озимой мягкой пшеницы к бурой листовой ржавчине. Исследования проводились в филиале кафедры генетики и молекулярной биологии Южного биотехнологического центра в растениеводстве УААН и МОН Украины, и в отделе фитопатологии и энтомологии Селекционно-генетического института УААН (г. Одесса).

Изучали устойчивость сортов Bayden, Tomo, Welton, и линий 5/37-91 и 2-3/99 к патогену, руководствуясь общепринятыми методиками. Проводили гибридизацию, скрещивали изучаемые сорта и линии с сортами, не имеющими генов устойчивости; получали семена F1, F2, F1ВС1.

Генетическую основу устойчивости к возбудителю бурой листовой ржавчины изучали классическим методом гибридологического анализа. Устанавливали количество генов, их идентичность проверяли, используя тестирующие расы патогена.

Проведенные исследования позволили установить, что сорта Bayden, Tomo, Welton и линии 5/37-91 и 2-3/99 обладают устойчивостью к возбудителю бурой листовой ржавчины. Эти сорта можно использовать в селекции пшеницы как доноры эффективных Lr-генов.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………

1. Обзор литературы……………………………………………………………….

1.1. Общие сведения о бурой листовой ржавчине……………………………..

1.1.1. Цикл развития бурой листовой ржавчины...........................................

1.2. Специализация и расовый состав……………………………………….....

1.3. Генетические основы устойчивости пшеницы к фитопатогенам………………………………………………………………….......

1.3.1. Гипотеза Флор «ген на ген»…………………………………….……...

1.3.2. Генетические концепции взаимоотношений

("2") растений-хозяев и паразитов………………………………………………………

1.3.3. Гены устойчивости и типы их взаимодействий……………………....

1.3.4. Генетические основы типов устойчивости к фитопатогенам……………………………………………...……………………....

1.3.5. Lr-гены устойчивости к возбудителю бурой листовой ржавчины……………………………………………………………….…………..

1.4. Селекция на устойчивость к фитопатогенам…………………………......

2. Собственные исследования………………………………….…………….……

2.1. Материалы и методика…………………………………………..…………

2.2. Результаты исследований и их обсуждение……………………………….

Заключение……………………………………………………………………..…..

Выводы……………………………………………………………..……………….

Используемая литература………………………………………………………....

ВВЕДЕНИЕ

Инфекционные болезни растений пшеницы – главная причина снижения урожайности зерна и ухудшения его качества. Одним из распространенных и вредоносных заболеваний этой культуры является бурая листовая ржавчина, вызываемая базидиальным грибом Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici [Гешеле, 1978]. В Украине эпифитотия этого заболевания наблюдается не менее 2-3 раз в каждые 5 лет [Бабаянц, 1990]. При развитии сильной эпифитотии недоборы урожая зерна в результате поражения растений этой болезнью могут достигать 40-50% [Пересыпкин, 1979].

В борьбе с бурой листовой ржавчиной применяются методы интегрированной защиты, среди которых создание и возделывание устойчивых сортов пшеницы является основным [Бабаянц, 1988]. К сожалению, устойчивость со временем теряется. Это связано с тем, что у патогена в результате половой гибридизации и других парасексуальных процессов появляются вирулентные биотипы и расы, способные преодолевать эту устойчивость.

Количество эффективных Lr-генов устойчивости к возбудителю бурой листовой ржавчины с каждым годом сокращается [Бабаянц, 1990; Трасковецька, 1998]. Необходим постоянный поиск таких генов. Он является актуальным и значимым для селекции.

Источниками эффективных Lr-генов являются сородичи пшеницы – дикие и культурные виды злаков [Животков, 1993]. Во многих странах, в т. ч. Украине, ведется селекционная работа по интрогрессии в пшеницу таких Lr-генов в результате межвидовой гибридизации. Созданные линии и формы пшеницы являются исходным селекционным материалом и используются в дальнейшем в качестве доноров устойчивости. Как доноры устойчивости могут использоваться и уже созданные сорта, как в Украине, так и в других странах.

Для обоснованного использования в селекции доноров устойчивости необходима информация об их основных признаках и свойствах. Прежде всего, важны сведения об их генетической основе устойчивости – генах устойчивости, их действии, взаимодействии, экспрессии, эффективности к наиболее распространенным и агрессивным расам патогена.

В отделе фитопатологии и энтомологии Селекционно-генетического института (СГИ) проводится изучение сортов пшеницы различных стран с целью выделения из них высокоустойчивых к возбудителям различных заболеваний, в т. ч. бурой листовой ржавчины. В последние годы выделены устойчивые, происходящие из различных стран сорта.

Целью настоящей работы является установить генетическую основу устойчивости сортов Bayden, Tomo, Welton (Англия) и линий 5/37-91 и 2-3/99 (СГИ) к возбудителю бурой листовой ржавчины.

Для достижения поставленной цели, задачами исследований являются:

("3") Провести фитооценку устойчивости сортов к вирулентным и наиболее агрессивным расам патогена Провести гибридизацию и получить семена F1, F2 и F1BC1 для гибридологического анализа. По результатам фитооценок провести гибридологический анализ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общие сведения о бурой листовой ржавчине

Царство: Fungi

Класс: Teliomycetes

Порядок: Uredinales

Семейство: Pucciniaceae

Род: Puccinia

Вид: Puccinia recondita

Forma: sp. tritici

Бурая листовая ржавчина – очень распространенное и вредоносное заболевание пшеницы во многих районах Украины. Частые эпифитотии ее бывают в Лесостепи и Полесье Украины и на орошаемых землях.

Проявляется главным образом на листьях, реже на листовых влагалищах и очень редко на стеблях. Сначала преимущественно на верхней стороне листьев появляются рассеянно (иногда кольцеобразно) ржаво-бурые более или менее овальные урединии длиной 1 – 2 и шириной 0,5 мм. Они прикрыты эпидермисом, который вскоре разрывается, обнажая большое количество уредоспор. При сильном поражении растений урединиями покрывается почти вся листовая пластинка, и тогда листья скручиваются и быстро усыхают. На растениях сортов с повышенной чувствительностью к патогену вокруг урединий образуются хлоротические и нехлоротические пятна. Через10 – 15 дней после появления урединий преимущественно на нижней стороне листовой пластинки образуются слегка удлиненные черные телии с телиоспорами, прикрытые эпидермисом.

Возбудитель болезни – двудомный гриб Puccinia reconditа f. sp. tritici Rob ex Desm. Его уредоспоры шаровидные или эллипсоидальные, 17 – 29 х 16 – 24 мкм, с желто-оранжевым содержимым. Оболочка уредоспор желто-бурая, густо покрытая маленькими шипиками с узкими проростковыми порами.

Телиоспоры двуклеточные, темно-коричневые, в массе черные, булавовидные, 32 – 49 х 14 – 22 мкм, на вершине их оболочка более темная.

Различают две формы гриба: европейскую и сибирскую. Европейская форма характерна для Украины. В природных условиях он почти не дает эцидиального спороношения. Очень редко эцидии с эцидиоспорами можно обнаружить на василистнике (Tallictrum vulgare) и лещице дымянковидной (Isopyrum fumarioides L.) В Украине гриб зимует в уредостадии (чаще в виде уредогрибницы) на озимой пшенице. Заражение пшеницы возможно в широких температурных пределах, так как уредоспоры при наличии капельной влаги прорастают при температуре от 2,5 до 31 градусов. Оптимальной считается температураградусов. При наличии росы и температуре 5 градусов растения заражаются за 7 часов, а при 15 – 20 градусах менее чем за 4 часа.

Инкубационный период болезни при температуре воздуха 4 – 25 градусов длится от 18 до 5 дней. За период вегетации пшеницы патоген образует несколько генераций урединий с уредоспорами, чем и объясняется сильное нарастание заболевания к началу молочно-восковой спелости растений.

Уредогрибница с уредоспорами, образовавшиеся осенью, относительно стойки к низким температурам, поэтому заболевание проявляется весной и в дальнейшем прогрессирует, достигая максимума в фазе молочно-восковой спелости зерна. В летний период жизнеспособность уредоспор непродолжительна, так как в теплую погоду и при наличии влаги они быстро прорастают. При высокой температуре и низкой относительной влажности воздуха уредоспоры быстро теряют жизнеспособность. В южных районах Украины, в т. ч. в Одесской области, где между периодом уборки урожая и посевом озимых проходит 1,5 – 3 месяца, основная масса уредоспор погибает. Здесь источником инфекции являются зараженные всходы падалицы пшеницы. В более северных районах уредоспоры могут распространяться из остатков жнивья на новые всходы и заражать их [Пересыпкин, 1989].

Накоплению инфекционного материала способствуют теплая и влажная погода в сентябре – октябре предыдущего года, относительно теплая зима, а также интенсивное выпадение осадков весной и в первой половине вегетации растений в фазе колошения.

("4") В Сибири гриб зимует в виде телиоспор па пожнивных остатках, а весной основным источником заражения яровых пшениц являются эцидиоспоры, образующиеся на лещице дымянковидной и василистнике (сибирская форма).

В условиях Украины основными зонами вредоносности бурой ржавчины являются Лесостепь и Полесье. Большую угрозу представляет бурая ржавчина и для Юга Украины. Установлено, что возбудитель бурой листовой ржавчины обладает широкой специализацией и, кроме пшеницы может развиваться на пырее ползучем, житняке черепитчатом, костре кровельном, костре мягком, овсянице луговой, эгилопсе цилиндрическом и обыкновенном, мятлике узколистном.

Роль дикорастущих трав как резерваторов и источников распространения инфекции возрастает в весенний период, так как развитие ржавчины на них начинается на 7 – 10 дней раньше, чем на посевах пшеницы, а также в период после уборки стерневых остатков пшеницы до появления всходов озимых.

Вредоносность заболевания проявляется в уменьшении ассимиляционной поверхности, повышения транспирации с полным нарушением водного баланса, что является причиной преждевременного отмирания листьев. Пораженные бурой ржавчиной растения озимой пшеницы с осени имеют слабую зимостойкость, снижается и их засухоустойчивость. При сильном поражении растений в колосьях образуется меньше зерен, они имеют низкое качество, легковесны, что является основной причиной недобора урожая.

1.1.2. Цикл развития бурой листовой ржавчины пшеницы

Цикл развития Puccinia recondita f. sp. tritici,если его изучать во всех деталях, представляется в таком виде. Инфицирование злака уредоспорой происходит всегда через устьице. При прорастании споры образуется аппрессорий, вслед за тем во внутренней полости устьица, в тесном контакте с внутренней поверхностью замыкающих клеток, образуется пузыревидное расширение гифы, заключающее от 4 до 8 ядер. Некоторый процент таких аппрессориев не дает внутреннего роста, и инфицирование не происходит, о чем можно уже судить по прошествии 40 часов после нанесения инфекционного материала. Иногда же, при обилии нанесенных уредоспор, происходит внедрение двух ростков в одно и то же устьице. Затем развивается инфицирующая гифа, растущая прямо вниз, поперек воздушной камеры под устьицем, перпендикулярно поверхности листа. Цитоплазма и ядра из уредоспоры перекочевывают в эту гифу, оставляя упомянутое пузыревидное вздутие почти пустым. Далее, при соприкосновении гифы, в силу ее роста, с клеткой мезофилла, в гифе возникает, почти у самого края ее, поперечная перегородка, дающая начало короткой вершинной клетке, которая, таким образом, является примордием гаустория. После образования этой клетки в нее переходят 2 -3 из имевшихся ядер, 6 ядер остаются в инфицирующей клетке. Примордий гаустория образует небольшой гаусторий с одним хорошо образованным ядром.

Интересно заметить, что до известного периода, примерно до 6-го дня нет никаких ни повреждений питающей клетки мезофилла, ни обеднения ее содержимого; единственное активное воздействие со стороны паразита заключается в том, что ядро хозяйской клетки, повинуясь стимулу со стороны внедряющегося паразита, движется к гаусторию, и последний начинает его обволакивать. После того инфицирующая гифа, несколько задержанная в своем развитии образованием гаустория, дает 1 – 2 ветви, которые растут и в свою очередь разветвляются. Вскоре получается богато разветвленная система гиф. Содержимое клеток паразита перекочевывает к концам гиф.

Спора имеет 2 ядра, аппрессорий - 2 или больше, субстоматальное пузыревидное вздутие – 8, инфицирующая гифа – после образования первого примордия гаустория – большей частью 6. При дальнейшем развитии одно или два ядра остаются у субстоматального пузыря, остальные ядра делятся, и распределяются по ветвям мицелия. Молодые гифы часто отличаются неправильным распределением ядер – их бывает 4, чаще – 3. С течением времени число гаусторий увеличивается и они одноядерны. По периферии инфекционного пятна на листе располагаются двуядерные клетки, начинают образовываться двуядерные уредоспоры. В обычном случае судьба диплоида заканчивается закладкой телиоспор (последние способны прорастать, но про отсутствии промежуточного хозяина этот отрезок цикла представляется слепым придатком). Для нормального прорастания заложившихся телиоспор требуется соблюдение определенных условий – обязательно зимний период покоя с обязательным воздействием на телиоспоры всех метеорологических условий, свойственных этому времени года (дождя, мороза и т. д.). Прорастание базидиоспор происходит обычным путем, с образованием бесцветных базидий и базидиоспор. Для большинства районов Европы в т. ч. и для Украины единственным путем сохранения ржавчины из года в год является ее перезимовка в стадии уредо - с последующим заражением злака.

Чередование форм спороношения находится в определенном сочетании с чередованием фаз развития, т. е. последовательной сменой гаплоида и диплоида. У ржавчины на долю гаплоида приходятся следующие стадии: базидиоспоры, мицелий, образующий спермогонии, сами спермогонии со спермациями. На долю диплоида приходятся эцидии (сформировавшиеся), эцидиоспоры, мицелий, образующий уредоспоры, уредоспоры, мицелий, образующий телиоспоры и телиоспоры. Следовательно, начиная с эцидиоспор, все последующие стадии развития являются представителями диплоидной фазы.

Таким образом, фаза диплоида значительно преобладает над фазой гаплоида, и только на ней образуются все виды спор, которые служат для размножения и расселения вида [Гешеле, 1978].

1.2. Специализация и расовый состав

В процессе сопряженной эволюции паразиты строго специализировались к своим питающим хозяевам – к родам и видам семейств растений [Вавилов, 1986]. Одни из них специализировались к паразитированию на определенном роде и виде растений (узкоспециализированные), другие к паразитированию на различных видах одного или нескольких семейств (широкоспециализированные). В свою очередь формы состоят из физиологических рас. Генотипы паразита, одинаково поражающие наборы сортов – диффунциаторов, фитопатологами были приняты за основу систематической единицы названной ими «физиологическая раса».

Возбудитель бурой листовой ржавчины Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici не имеет специализированных форм, в силу узкой специализации вида, и приходится говорить не о формах, но сразу о физиологических расах бурой листовой ржавчины [Гешеле, 1979].

Физиологические расы образуются в результате мутаций или рекомбинаций при половом процессе. Они отличаются одна от другой по наличию генов вирулентности или их комбинаций, которые могут быть обнаружены по реакции на растениях-хозяевах. Для анализа рас выделяются моноизоляты, каждый из которых является потомством одной уредоспоры, состоящим из генетически однородных биотипов. Расы паразитов определяют с помощью сортовых ключей [Вавилов, 1986].

Первоначально при изучении рас в качестве «тестирующих» были отобраны сорта, которые вошли в специальные наборы дифференциаторов. Со временем обнаружилось, что они не могут выявить генетическое разнообразие патогена, так как не способны охватить всего генетического разнообразия растений-хозяев. Поэтому к основному набору дифференциаторов добавляют дополнительные сорта, интересующие селекционеров как доноры устойчивости. Это позволяет выявить в пределах существующих физиологических рас подрасы (биотипы).

В настоящее время идентифицировано более 200 рас Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici. [Лесовой, Суворова, 1990]. Специализированные расы обозначают обыкновенно номерами или буквами. Расы в большинстве случаев характеризуются определенным географическим ареалом. Состав рас может меняться из года в год благодаря действию отбора, и возможен занос рас из других районов [Вавилов, 1986].

Расовый состав Puccinia recondita Rob ex Desm f. sp. tritici, наблюдаемый на пшенице в степи Украины изучался в Селекционно-генетическом институте. Расы отличаются частотой встречаемости, вирулентностью – авирулентностью к сортам и линиям пшеницы с определенными Lr– генами.

До 1996г. доминировала раса 77. В 1г. г. превалировала раса 144, а в 2003 – 77 раса бурой листовой ржавчины вновь стала основной.

Из многообразия возникающих в процессе эволюции рас и биотипов более жизнеспособными оказываются те, которые лучше адаптированы к климатическим условиям и своим питающим растениям – хозяевам [Бабаянц, 1990].

1.3. Генетические основы устойчивости пшеницы к фитопатогенам.

("5") Селекция сельскохозяйственных культур на устойчивость к возбудителям инфекционных заболеваний является наиболее актуальной и значимой как наиболее экономный путь к эффективной защите растений. Вместе с тем экономическая напряженность в результате интенсивного применения фунгицидов настоятельно требует широкого внедрения в производство относительно чистых методов борьбы с болезнями. Среди них возделывание генетически защищенных сортов является одним из основных. Создание таких сортов – весьма сложное дело, требующее глубоких знаний о растениях-хозяевах и самих патогенах, закономерностях их взаимоотношений в зависимости от условий окружающей среды. Наиболее важное для селекции – представление о генетике устойчивости. Прежде всего, необходима информация о генах устойчивости, их локализации в хромосомах и взаимодействии, о наследовании устойчивости и генетическом контроле различных ее типов. Такая информация позволяет объективно составлять программу гибридизации и планировать стратегию селекции на иммунитет [Бабаянц, 1990].

1.3.1. Гипотеза Флор «ген на ген»

Растения и возбудители болезней в природе эволюционно тесно связаны и пригнаны друг другу. Взаимодействие генов растений и паразитов экспериментально подтвердила американский фитопатолог Флор [Flor, 1956], выдвинувшая гипотезу «ген на ген». На основе своих исследований Флор сделала вывод о том, что каждому гену устойчивости или восприимчивости растения-хозяина соответствует определенный комплементарный ген вирулентности или авирулентности паразита. Если аллели генов устойчивости и вирулентности доминантны, то растение устойчиво к болезни. Если же одна из взаимодействующих аллелей или обе из них находятся в гомозиготном рецессивном состоянии, то наблюдается восприимчивость к заболеваниям. Исходя из этого, Флор установила, что гены устойчивости доминантны, а гены вирулентности рецессивны.

Считают, что в ряде случаев гену устойчивости растения может соответствовать несколько генов патогенности паразита [Щербаков, 1973]. Возможна обратная ситуация, когда один ген патогенности соответствует нескольким генам устойчивости.

Отношения «ген на ген» являются результатом сопряженной эволюции паразита и растения – хозяина. Длительная совместная эволюция растений – хозяев и паразитов приводит к развитию взаимной толерантности. Сильно страдающие от поражения растения не выдерживают конкуренцию с теми, которые страдают меньше. В результате естественного отбора вид способен повышать свою выносливость. Генотипы, лучше адаптированные к экологическим условиям среды оказываются более выносливыми и к поражению болезнями [Гешеле, 1978]. С одной стороны естественный отбор благоприятствует тем мутациям хозяина, которые ставят паразита в невыгодное положение. С другой стороны он благоприятствует тем мутациям паразита, которые усиливают способность паразита к воспроизводству по сравнению со способностями растения – хозяина. В этом взаимодействии сначала происходит увеличение частот генов устойчивости, затем частот генов вирулентности. Последние преодолевают устойчивость хозяина. В результате такой совместной эволюции между генетическими системами хозяина и паразита устанавливаются взаимоотношения по принципу «ген на ген».

В процессе эволюции у растений и их паразитов выработались такие механизмы, которые обеспечивают сохранение генетического материала разнообразия обоих популяций [Будашкина, Дьяков, 1973].

На основе гипотезы Пирсоном был разработан метод идентификации генов устойчивости с помощью «тестирующих» рас патогенов с известной вирулентностью для различных схем хозяин-паразит [Person, 1959]. Вместе с тем некоторые авторы [Одинцова, Михайлова, 1982] высказали целый ряд ограничений применения этого метода. Рядом исследователей было показано, что гены устойчивости могут быть тесно сцеплены, в т. ч. в сложных локусах (полигенный локус) или близко располагаться в хромосоме с другими генами [Рачинский, 1969; Щербаков, 1973]. При этом в блоки могут входить гены, контролирующие устойчивость к разным болезням. В результате мутации гена в блоке устойчивость к одним болезням может сцеплено наследоваться с восприимчивостью к другим [Щербаков, 1973].

В одинаковых локусах гомологичных хромосом может наблюдаться локализация как одних и тех же генов, так и аллельных, определяющих их различное состояние.

Предполагают, что эволюция генов устойчивости растений к болезням происходит постепенно или неожиданно в результате эффекта транслокации [Щербаков, 1970].

1.3.2. Генетические концепции взаимоотношений растений-хозяев и паразитов

Многообразие растений-хозяев и паразитов, сложность их взаимоотношений является причиной того, что до сих пор нет единой теории иммунитета растений к болезням. Выдвинуто много различных гипотез и теорий, но они приложены к определенному кругу явлений иммунитета, не охватывая его в целом.

Все известные в настоящее время концепции взаимоотношений растений-хозяев и паразитов основываются на известных механизмах устойчивости к болезням: отсутствие в растениях необходимых для паразита питательных веществ, сверхчувствительность, выделение растениями токсичных ядовитых для паразитов антибиотических веществ. Взаимодействие белков паразитов и растений-хозяев.

В 1956 году Гарбер, на основе проведенных многочисленных опытов, выдвинул «питательно-тормозящую» гипотезу иммунитета, Льюис в 1957 – гипотезу сбалансированного паразитизма и Эфромсон в 1961 – гипотезу «неполной среды».

Эфромсон [Efromson, 1961] предложил генетическую модель (схему) иммунитета, согласно которой ген восприимчивости растения контролирует синтез фермента, ответственного за образование необходимых паразиту веществ:

ГЕН ХОЗЯИНА ГЕН ПАРАЗИТА

БЕЛОК-ФЕРМЕНТ БЕЛОК-ФЕРМЕНТ

НЕОБХОДИМЫЙ ПАРАЗИТУ СУБСТРАТ

Эта модель хорошо укладывается в систему Флор «ген на ген», т. е. ген, определяющий вирулентность паразита комплементарен гену устойчивости хозяина.

Вторая модель [Laubseher, 1963] основывается на теории регуляции белкового синтеза Жакоба и Моно. Она предполагает. Что устойчивость контролируется функциональной системой, состоящей из генов регулятора. Оператора, репрессора и индуктора. Устойчивость обусловлена действием регуляторных генов растения, которые репрессируют синтез необходимых паразиту веществ. Ген вирулентности паразита, в свою очередь, контролирует синтез веществ, блокирующих репрессор, т. е. снимающих репрессию с синтеза необходимых для паразита метаболитов. Некоторые исследователи [Дьяков,1965] считают, что эту репрессию можно также снять средовыми воздействиями на растение, например, повышенными температурами.

Как считает Метлицкий [Метлицкий, 1976], подход к питательно-тормозящей гипотезе Гарбера с позиций индуцированной устойчивости позволил бы значительно расширить представления о защитном механизме растений, который может состоять не только в отсутствии необходимых паразиту соединений в питательной ткани, но и исключением из обмена присутствующих в растении веществ, в ответ на индуцирование авирулентным паразитом или расой. Питательно-тормозящая гипотеза или гипотеза неполной среды может быть применена для объяснения иммунитета к высокоспециализированным паразитам, имеющих высокую степень пригнанности к питающим растениям-хозяевам. В то же время эта гипотеза вряд ли может быть применена для объяснения иммунитета к другим возбудителям болезней (например к факультативным сапрофитам). Скорее всего, она является частной гипотезой, соответствующей некоторым случаям взаимоотношений растения и паразита

("6") Среди индуцированных гипотез иммунитета, основанных на регуляции белкового синтеза, следует выделить гипотезу выдвинутую Хайтерфуссом [Heiterfuss, 1965]. Он считает, что взаимоотношения растения-хозяина и паразита обусловлены действием оператора, репрессора, регулятора растений и эффектора паразита. Регуляторный ген контролирует синтез репрессора, который, соединяясь с геном оператором, ингибирует образование защитных веществ. При введении несовместимого патогена, репрессор, соединяясь с метаболитом патогена (эффектором), снимает репрессию с гена-оператора, что приводит к образованию защитных веществ.

При реакции сверхчувствительности цепь биохимических превращений в клетке, приводящая к образованию фитоалексина, индуцируется специфическим метаболитом гриба. В незараженной клетке растения репрессор блокирует ген-оператор. При заражении авирулентной расой специфический метаболит гриба связывает репрессор и дает возможность оператору включить процесс синтеза специфических ферментов, участвующих в реакции сверхчувствительности [Дьяков, 1998].

По Фавре [Favret, 1969], гены устойчивости часто сцепленные в изофенные блоки, контролируют синтез репрессоров. Наряду сгенами, контролирующими синтез репрессоров, у растения имеется структурный ген, который контролирует синтез требующихся для паразита питательных веществ. В незараженной клетке репрессор подавляет транскрипцию структурного гена и питательные вещества не синтезируются. Паразит может развиваться в том случае, если его метаболиты снимают репрессию со структурного гена и растение синтезирует для паразита питательные вещества. Гипотеза Фавре предполагает, что растение устойчиво ввиду отсутствия в клетках необходимых для паразита веществ, а вирулентность в результате снятия репрессии со структурного гена приводит к восприимчивости. Однако заражение авирулентной расой может индуцировать устойчивость к вирулентной, т. е. делает растение устойчивым к вирулентной расе. Таким образом, гипотеза Фавре может рассматриваться как частная, соответствующая некоторым случаям взаимоотношения растений и их паразитов.

Метлицким, Дьяковым и Озерецковской в 1973 году предложена гипотеза «взаимной индукции» как новая гипотеза иммунитета. Согласно этой гипотезе гены устойчивости растений контролируют синтез специфических веществ (индукторов), которые, соединяясь с соответствующими веществами (рецепторами) на мембранах паразита, освобождают выход метаболитов паразита (индукторы). Последние в зараженных клетках растения индуцируют фитоалексины. Синтез рецептора контролируется генами вирулентности. Гены устойчивости растения непосредственно не участвуют ни в синтезе, ни в регуляции синтеза фитоалексинов, поскольку при наличии внешнего индуктора любой генотип обладает способностью к синтезу фитоалексинов. Гены вирулентности непосредственно не участвуют в синтезе индуктора, поскольку они имеются как у вирулентных, так и авирулентных рас. Устойчивость к паразиту определяется скоростью накопления фитоалексина в зараженных клетках до летальной для паразита концентрации. При заражении вирулентной расой растение не синтезирует веществ, повреждающих мембрану паразита, или паразит не имеет на мембранах рецептора связывающего индуктор растения. В этом случае индуктор паразита не будет вызывать образование фитоалексинов.

Ван дер Планком в 1981 году выдвинута гипотеза иммунитета - «белок на белок». Сущность этой гипотезы состоит в том, что белковые продукты генов «восприимчивости» растений и «вирулентности» паразита в процессе патогенеза способны полимеризоваться. Это обеспечивает паразиту биотрофный тип питания. Мутация одного из генов «восприимчивости» изменяет структуру соответствующего белка. Вследствие чего он теряет способность к полимеризации с белком паразита. Это вызывает защитные реакции у растения и обусловливает несовместимость растения и паразита. Изменение гена «авирулентности» в ген «вирулентности» приводит к тому, что кодирующий белок паразита полимеризуется с белком растения и устанавливается совместимость. Эта гипотеза согласуется с концепцией Ван дер Планка о вертикальной и горизонтальной устойчивости и объясняет ее с позиций молекулярной биологии. Концепция Ван дер Планка выдвинула понятия о больших и малых, майор и минор генах, моно-, олиго - и полигенах, генах расоспецифической и расонеспецифической устойчивости.

1.3.3. Гены устойчивости и типы их взаимодействий

С тех пор как Биффен опубликовал первые исследования по генетике устойчивости на основе менделеевских закономерностей [Biffen, 1905, 1907], в мире по этой проблеме выполнены многочисленные работы. Путем гибридологического анализа изучена генетическая основа устойчивости многих сортов пшеницы к видам ржавчины и другим болезням. Установлено, что она контролируется как доминантными, так и рецессивными генами при независимом, комплементарном, полимерном, аддитивном и эпистазном их действии и взаимодействии. Обусловлена моно -, олиго -, или полигенным контролем.

Для обозначения генов устойчивости пшеницы к болезням, по предложению Ауземуса и его коллег, принята единая система символов по первым буквам названия болезни на английском языке [Ausemus et al., 1946]. Идентифицировано 44 гена устойчивости к бурой листовой, 45 – к стеблевой, 28 – к желтой ржавчине, 24 – к мучнистой росе, 10 – к твердой головне. Моносомным и другими методами анализа определена их локализация в хромосомах. Результаты этих работ нашли отражение в многочисленных научных трудах, которые обобщены и систематизированы Макинтошем в каталоге генетических символов пшеницы [McIntosh, 1998]. В СГИ в результате многолетних исследований выявлены сорта пшеницы и гены устойчивости к видам ржавчины и другим патогенам. Они могут быть использованы при создании устойчивых к болезням сортов [Бабаянц, 1990].

1.3.4. Генетические основы типов устойчивости к фитопатогенам

Основанием для современного подразделения устойчивости на типы являются исследования биологической специализации паразитов, физиолого-биохимических, генетических и эпидемиологических взаимоотношений в системе «патоген - хозяин» в определенных условиях среды. Эти исследования позволили фитопатологам выдвинуть понятие о 2-х типах устойчивости – «специфической» или вертикальной и «неспецифической» или горизонтальной [Ван Дер Планк, 1972].

Вертикальная устойчивость может обеспечивать полную защиту от болезни, и обычно эффективна против одних рас паразита и неэффективна против других. Она может оказывать сильное давление на популяцию паразита, приводя или к накоплению вирулентных патотипов, или к возникновению новых рас с новыми генами вирулентности [Watson, Luig, 1968].

В некоторых случаях вертикальная устойчивость может изменяться в зависимости от температурных и световых условий. Она может действовать на всех этапах онтогенеза и быть высокой или умеренной. Эта устойчивость контролируется моно - или олигогенами и часто обусловлена реакцией сверх чувствительности [Гешеле, 1978].

Фитопатологическим проявлением неспецифической устойчивости является слабая или умеренная пораженность растений независимо от расового разнообразия паразита, т. е. эта устойчивость одинаково проявляется по отношению ко всем расам патогена. Неспецифическая устойчивость снижает эффект инфекции после того как она произошла. Болезнь на сортах с таким типом устойчивости может развиваться медленно и урожай при этом существенно не снижается. Неспецифическая устойчивость не обеспечивает полной защиты хозяина, но она более стабильная.

Устойчивость к болезням должна быть относительно стабильной и обеспечивать защиту сортов и гибридов на период возделывания их в производстве. Длительно – сохраняющейся и стабильной может быть как олигогенная вертикальная, так и полигенная горизонтальная устойчивость.

Более длительно устойчивыми могут также быть сорта, сочетающие вертикальную устойчивость с горизонтальной, т. е. многобарьерные [Донцев, 1976].

Устойчивость к патогену может определяться генами разных локусов с одинаковым действием. Они могут быть доминантными и рецессивными. Также могут быть тесно сцеплены в сложных локусах или близко располагаться в хромосоме с другими генами. Гены устойчивости могут быть сцеплены с генами, ответственными за другие признаки и свойства растений [Рачинский, Донцев, 1969; Попереля, Бабаянц, 1978].

На различных этапах онтогенеза растений могут действовать одни и те же или разные гены, ответственные за устойчивость [Бабаянц, Слюсаренко, 1981]. Поэтому различают проростковые, или ювенильные, и возрастные гены устойчивости. Ювенильные гены чаще всего действуют во все фазы развития растения, а возрастные – только с определенной фазы взрослого растения. Действие генов устойчивости пшеницы к болезням может зависеть от генетической среды, в которой они находятся [Бабаянц, Слюсаренко, 1985]. На действие генов устойчивости пшеницы к болезням оказывают влияние внешние условия, прежде всего температура. Имеется многочисленная информация об изменении типа и интенсивности поражения растений видами ржавчины и другими болезнями в зависимости от температуры [Одинцова, Пеуша, 1984].

У растений разных сельскохозяйственных культур идентифицировано большое число генов устойчивости к болезням. Принята общая международная классификация символов и описания генов.