Введение к работе
Актуальность проблемы. Стеблевая ржавчина злаков - опаснейшее
заболевание, поражающее культурные .и дикорастущие злаки: пшеницу,
рожь, ячмень, пшенично- и ржано-пырейные гибриды, овес, пырей,
житняк, эгнлопс и другие. В кормовом балансе домашних животных
важное место занимают как дикорастущие злаки, так и их культиви
руемые сорта, выращиваемые на лиманах, залежах и на пашнях, как
составная часть севооборотов. Широкая экологическая пластичность,
устойчивость к экстремальным условиям среды, хорошие кормовые ка
чества и высокая семенная продуктивность этих злаков обуславливают
необходимость расширения их посевов. Снижение урожая зерна злаков
под влиянием стеблевой ржавчины может достигать 60-70Х (Степанов,
1975, Bogdan, 1984, Roelfs, Long, 1987). '
Причины вредоносности возбудителя заключаются в его разнообразном влиянии на метаболизм пораженного.растения: повышается интенсивность дыхания трансітирации, изменяется обмен азотистых соединений, снижается фотосинтетическая активность (Андреев, 1979, Серова и др., 1982, Shaw, 1963, Bhattacharya et.al., 1965), что сопряжено с глубокими изменениями в ультраструктуре растительной клетки (Андреев', Плотникова,. 1989, Ehrlich Н, Ehrlich М, 1961, 1963).
Биология возбудителя стеблевой ржавчины, особенности ответных реакций пораженных растений на инфекцию изучены преимущественно на примере пшеницы. Значительно меньше данных о ржаной и овсяной формах. Цитология возбудителя стеблевой ржавчины на дикорастущих злаках, являющихся резерваторами инфекции для хлебных злаков» до иас-толщего времени lie исследовалась.
Цель у, залами исследования Целью настоящей работы являлось изучение особенностей развития возбудителя, стеблевой ржавчины на различных по устойчивости дикорастущих злахах по сравнению с пшеницей на тканевой, клеточном и субклеточном уровнях.
Для этого было необходимо исследовать:
- особенности эктофитного развития Puccinia graminis f-зр.
tritici на разных злаках, относящихся к подвиду P.graminis f.sp.
graminis и P.graminis f.sp. graminicola.
ультраструктуру межклеточного мицелия и гаусторий в листьях злаков;
структурные перестройки в клетках восприимчивых и устой чн-вых видов злаков в ответ на внедрение- возбудителя стеблевой ржавчины.
Научная новизна ц практическая значимость,
Впервые изучены взаимоотношения различных по устойчивости дикорастущих злаков Agropyron repens," A. glaucum, A.elongatum, А, cristatum, Aegilops cylindrica с возбудителем стеблевой ржавчины на клеточном и субклеточном уровнях. Среди дикорастущих злаков обнаружены сильно восприимчивые, толерантные, устойчивые и иммунные формы.
Исследован морфогенез гриба P.graminis на всех этапах его развития в.уредостадии.
Обнаружены различия в параметрах ' инфекционных структур, подтверждающие обоснованность предложения профессора Урбана ( Urban, Marcova, 1983) о разделении вида Р, graminis на два подвида: P.graminis f. ер. graminis и f. sp. graminicola.
Выявлена внутренняя организация межклеточного мицелия и гаусторий гриба P.graminis при развитии их . в тканях дикорастущих зла-
ков. Показано, что ответные реакции различных по устойчивости злаков на внедрение гаусторий проявляются при совместимой реакции в концентрировании ядер и цитоплазматических органелл растения-хозяина вокруг гаусторий, новообразовании трубчатых элементов эндо-плазматического ретикулума, полисом и микротелец. Проявление несовместимых взаимоотношений ( устойчивая и иммунная реакции) нами обнаружено в экто- и эндофктной стадиях развития патогена. В экто-фнтной стадии у устойчивых форм нарушается ориентация ростковых трубок и локализация аппрессорнев, появляются так называемые "из-растающие" аппрессории. Повидимому, устойчивость дикорастущих злаков в зктофнтной стадии в значительной степени определяется ксеро-морфным строением их листьев: мелкими устьицами и крупными жилками при слабом развитии паренхимной ткани. В эндофитной стадии защитные реакции растений сопровождается некрозом инфицированных и соседних с ними клеток злаков, ингиоированием роста межклеточного мицелия н гаусторий. Значительно более широкий чем у культивируе-' чц.ч злакоь диапазон различий по устойчивости к ржавчине делает дикорастущие зііики удобной моделью для исследования ответных защитных реакций растений Пысокий уровень толерантности к ржавчине обнаруженный нами у дикорастущих злаков, открывает HODbie пути селекции члакои, практически не снижающих урожая под влиянием инфекции.
Место іі время провемюнип т>пботы. Экспериментальные исследовании выполнены в лаборатории физиологии иммунитета растений Главного ботанического сада Российской Академии Наук с 1988 по 1992гг.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 4 ой Республиканской конференции " Электронная микроскопия и современная технология " (г. Кишинев, 1990г), Втором сьезде Всесоюзного общества физиологов растений (г. Минск, 1990г), 14 рабочем совеща-
ний руководителей служб защиты растений ботанических садов СССР (г. Киев, 1991г), н на объединенном научном семинаре лаборатории иммунитета и отдела защиты растений ГБС РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.
Структури пябптм. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей 4 главы, заключения, списка цитируемой литературы (152 наименований, в т. Ч.І02 иностранных). Работа изложена яа 110 страницах машинописного текста, иллюстрирована 2 таблицами, 35 микрофотографиями, 2 схемами.
Объектами исследования- служили возбудитель стеблевой ржавчины гриб P.graminis и злаки: пырей ползучий- Agropyrontrepens, пырей сизый- A.glaucum, пырей удлиненный- A.elongatum, житняк шнрококо-йосый- A.cristatun, эгилопс цилиндрический- Aegilops cylindrica. Дифференциация инфекционных структур гриба индуцировалась "тепловым шоком" (30 в течение трех часов). Структура и ультраструктура листьев злаков исследовалась на 6-ой, 10-ый день после заражения и в период массового спороноаения. Контролем служили здоровые листья злаков того яге «озраста.
Для анализов <6ыли использованы проростки пшеницы, заражавшиеся в лабораторных условиях, и листья взрослых растений в стадии цветения, собраннее в период массового спороношения стеблевой ряавчины в НЭХ "Снегири" Московской области и в природных условиях в Талды-Курганской и Семипалатинской областях Казахстана.
Для электронномикроскопического исследования проводилась двойная фиксация: 4% глутаровым альдегидом и 24 четырехокисью ос-
мня і Зафиксированный материал обезвоживался в серии спиртов и окиси пропилена и заключался в эпоксидную смолу Эпон 812. Готовые по-лимеризованные блоки затачивали вручную, выделив необходимый для исследования участок под лупой МБС-2. Перед резкой на ультратоме LKB 8800 срезали бритвой 1/3 полимеризованного образца, делали полутонкие срезы, окрашивали их смесью метиленового синего и Азура 2 (Juniper et.al., 1970) и исследовали под световым микроскопом (Ам-плнваль, Цейс). Чтобы усилить контраст ультратонких срезов, применили двойное окрашивание уранилацетатом и цитратом свинца (Reynolds, 1963).
Поверхность листьев "злаков с развиваюцинся на ней возбудителем рмавчины исследовалась под сканирующим электронным никроско-IIOM, имеющим достаточно высокую разрешающую способность и больную ілубину фокуса. Кусочки листьев размером 0,5см X 0,5см высушивали при критической точке, наклеивали на держатели и напыляли золотом.
Параметры эгоровых клеток- и их отдельных органелл определяли путем морфомегрическом обработки микрофотографий серийных срезов іилциной 1 нкм с помощью прибора МОП-Видеоплан (Рейхерт, Австрия).