Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 14
1.1 Структура популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы по вирулентности 14
1.1.1 Состав популяций возбудителя бурой ржавчины в различных странах мира
1.1.2 Многолетняя динамика расового и генотипического состава Puccinia triticina на Северном Кавказе
1.1.3 Состав популяций возбудителя желтой ржавчины в различных странах мира до
1.1.4 Многолетняя динамика расового и генотипического состава Puccinia striiformis на Северном Кавказе 57
1.2 Устойчивость пшеницы к возбудителям бурой и желтой ржавчины 59
1.2.1 Генетика устойчивости сортов пшеницы к возбудителям ржавчины 59
1.2.2 Типы устойчивости сортов пшеницы к возбудителям ржавчины 76
1.2.3 Разнообразие по устойчивости к возбудителям бурой и желтой ржавчины среди сортов северокавказской селекции 89
1.3 Интегрированный подход к управлению популяциями возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы 95
1.3.1 Иммуногенетическая защита 98
1.3.2 Агротехническая защита 113
1.3.3 Химическая защита с учетом проблемы резистентности 117
1.3.4 Биологическая защита 124
ГЛАВА 2 Место, условия, объекты и методы проведения исследований 127
2.1 Место проведения исследований 127
2.2 Условия проведения исследований 127
2.3 Объекты исследований 130
2.3.1 Споровый материал 130
2.3.2 Семенной материал 130
2.4 Методы исследований 132
2.4.1 Сбор и хранение инфекционного материала 132
2.4.2 Выделение и размножение монопустульных изолятов грибов 132
2.4.3 Определение расового и генотипического состава популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы 134
2.4.4 Определение расового и генотипического состава популяции возбудителя желтой ржавчины пшеницы 138
2.4.5 Изучение влияния генотипа сорта и пестицидов на изменчивость структуры популяции возбудителя бурой ржавчины 141
2.4.6 Иммунологическая оценка сортов озимой пшеницы в полевых условиях *. 142
2.4.7 Оценка сортов пшеницы к физиологическим расам возбудителей ржавчины в вегетационных условиях 144
2.4.8 Изучение генетических основ устойчивости сортов пшеницы к возбудителю бурой ржавчины 145
2.4.9 Анализ резистентности возбудителя желтой ржавчины к фунгицидам 146
2.4.10 Изучение патогенносте фунгицидоустойчивой популяции возбудителя желтой ржавчины 147
2.4.11 Статистическая обработка данных 148
ГЛАВА 3 Структура популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности на северном Кавказе 150
3.1 Расовый состав популяции возбудителя бурой ржавчины
3.2 Генотипический состав популяции возбудителя бурой ржавчины
3.3 Расовый состав популяции возбудителя желтой ржавчины
3.4 Генотипический состав популяции возбудителя желтой ржавчины
ГЛАВА 4 Изменчивость популяций возбудителей ржавчины пшеницы на северном Кавказе
4.1 Влияние генотипа сорта на изменчивость структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности
4.2 Влияние пестицидов на изменчивость структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности 201
4.3 Влияние фунгицидов на изменчивость структуры популяции возбудителя желтой ржавчины пшеницы по признакам вирулентности и агрессивности 221
4.4 Математический анализ изменения частоты изолятов, вирулентных к линиям-носителям определенных генов устойчивости, в популяции возбудителя бурой ржавчины под действием генотипов сортов пшеницы и пестицидов 227
4.5 Моделирование изменчивости частоты изолятов, вирулентных t к линиям-носителям определенных генов устойчивости, в популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы 244
ГЛАВА 5 Приемы управления популяциями возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы на северном Кавказе 254
Заключение
- Многолетняя динамика расового и генотипического состава Puccinia striiformis на Северном Кавказе
- Определение расового и генотипического состава популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы
- Влияние пестицидов на изменчивость структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности
- Моделирование изменчивости частоты изолятов, вирулентных t к линиям-носителям определенных генов устойчивости, в популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы
Введение к работе
Актуальность исследований. Северный Кавказ, как основной производитель зерна в России, ежегодно теряет от 4,5 до 10,5 ц/га пшеницы (Санин и др., 2000). Одной из основных причин такого ущерба являются массовые вспышки грибных болезней, среди которых наиболее распространенными и вредоносными являются бурая листовая, ржавчина (возбудитель Puccinia triticina Erikss. = Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici Erikss. et Henn.) и желтая ржавчина (возбудитель Puccinia striiformis West.). Бурая ржавчина отмечается практически ежегодно; увеличилась встречаемость желтой ржавчины. В таких условиях особенно возрастает значение интегрированного подхода к решению проблемы защиты культуры, с помощью которого можно оптимизировать фитосанитарное состояние ценоза пшеницы. И рассматривается такой подход как система управления вредными организмами, в которой с учетом динамики их популяций и условий окружающей среды используются все доступные приемы и методы для поддержания численности вредного организма ниже порога, вызывающего экономически существенные потери (Фадеев, Новожилов, 1984).
Важнейшим элементом интегрированной защиты пшеницы от
ржавчинных болезней являются устойчивые сорта. Чтобы успешно управлять
патосистемой «хозяин-патоген», необходимо в агроэкосистемах
поддерживать разнообразие по признаку устойчивости как во времени, так и в пространстве с учетом внутрипопуляционных структур патогена (Жученко, 1990). Для Северо-Кавказского региона, где активно протекают формообразовательные процессы у ржавчинных грибов, это особенно актуально.
При использовании пестицидов в системах интегрированной защиты необходимо учитывать возможную резистентность к ним ржавчинных грибов. В связи с этим важна антирезистентная стратегия применения
фунгицидов, направленная на снижение интенсивности селекции в популяциях возбудителей ржавчины резистентных форм. На Северном Кавказе исследования в этом направлении ранее не проводились.
В последние годы в области защиты растений находят применение экспертные системы, в которых для решения сложных задач исііользуются специализированные знания, формализованные в виде правил, позволяющих после анализа исходной информации получить решения о необходимости проведения защитных мероприятий. Создание такого программного продукта дает возможность системно объединить информацию по оперативной базе данных, агротехническим мероприятиям, сортам пшеницы, средствам защиты с целью принятия хозяйственных решений на экономически приемлемом уровне. В известной нам практике для защиты пшеницы от возбудителей бурой и желтой ржавчины на Северном Кавказе программный продукт не разработан.
Цель исследований. Выявить структуру и закономерности изменчивости популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины и теоретически обосновать элементы рациональной системы управления внутрипопу-ляционными процессами, направленные на фитосанитарную оптимизацию состояния посевов пшеницы на Северном Кавказе.
Задачи исследований:
1 Изучить динамику расового и генотипического состава популяций
возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы.
Изучить влияние возделываемых генотипов сортов пшеницы и применяемых в защите культуры пестицидов на изменчивость популяций возбудителей ржавчины, определить направление отбора по признаку вирулентности и тенденции в формировании популяций фитопатогенов.
Выявить степень генетического разнообразия сортов пшеницы, высеваемых на Северном Кавказе по типам и генам устойчивости.
4 Оценить эффективность известных генов устойчивости пшеницы к
возбудителям P. triticina и P. striiformis в разные фазы вегетации растения-
хозяина.
Подобрать источники устойчивости к возбудителям ржавчины пшеницы.
Разработать комплекс мероприятий по управлению популяциями возбудителей бурой и желтой ржавчины на Северном Кавказе, оптимизирующих фитосанитарное состояние посевов пшеницы.
Научная новизна:
»
Выявлены тенденции изменения расового и генотипического состава популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы под влиянием возделываемых сортов и применяемых пестицидов.
Охарактеризованы по типам и генам устойчивости к возбудителям ржавчины сорта пшеницы, высеваемые в Северо-Кавказском регионе.
Определена эффективность известных генов устойчивости пшеницы к возбудителям P. triticina и P. striiformis в разные фазы развития растений и выделены источники с групповой устойчивостью.
Разработана модель прогноза вредоносности P. triticina в сортосмесевых агроценозах пшеницы.
Разработана антирезистентная стратегия применения фунгицида на основе триадимефона, используемого для подавления эпифитотий Р. striiformis.
Создана компьютерная программа «ПРОКАФАП» для принятия решений по химической защите пшеницы от возбудителей ржавчины на экономически приемлемом уровне.
На основе проведенных исследований предложен комплекс мероприятий по управлению популяциями возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы на Северном Кавказе.
Практическая значимость работы.
Рекомендованы к использованию в сельскохозяйственном производстве:
- сорта пшеницы с разными типами и генами устойчивости к возбудителям ржавчины;
- антирезистентная стратегия применения фунгицидов на основе
триадимефона против возбудителя желтой ржавчины;
- компьютерная программа «Прогноз вредоносности и оптимизация
контроля актуальных фитопатогенов в агроценозе озимой пшеницы»
(ПРОКАФАП).
В селекционной практике при выведении высокоустойчивых сортов пшеницы к ржавчинным заболеваниям рекомендуется использовать выявленные эффективные Lr- и Yr-гены, а также выделенные источники с групповой устойчивостью.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Концептуальная основа управления внутрипопуляционными процессами
возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы на Северное Кавказе,
базирующаяся на использовании генетически разнообразных сортов,
антирезистентной стратегии применения фунгицидов и компьютерной
программы "ПРОКАФАП" для принятия решений о проведении защитных
мероприятий.
2 Структура популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины и
закономерности ее изменчивости под влиянием возделываемых на Северном
Кавказе сортов пшеницы и применяемых пестицидов.
3 Устойчивость к возбудителям ржавчины сортимента озимой пшеницы
на Северном Кавказе, новые источники с групповой устойчивостью.
Антирезистентная стратегия применения фунгицидов триазолового класса на основе триадимефона в защите пшеницы от возбудителя желтой ржавчины на Северном Кавказе, основанная на изучении механизмов и закономерностей формирования резистентности гриба к фунгицидам.
Программный продукт, обеспечивающий принятие хозяйственных решений по защите пшеницы от возбудителей бурой и желтой ржавчины на экономически приемлемом уровне.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-практической конференции «Эпифитотии сельскохозяйственных культур. Их прогноз и профилактика» (Анапа, 1991), Краевой научно-практической конференции молодых ученых Кубани «Современные проблемы экологии» (Анапа, 1997), Всероссийском совещании «Пути повышения комплексной устойчивости культивируемых растений к болезням и вредителям» (Москва-Голицыно, 1999), Научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс в 21 веке: стратегия развития» (Москва, 1999), Научно-практической конференции «Фитосанитарная ситуация на полях юга России и экологизация систем защиты растений» (Краснодар, 2000), Научно-практической конференции «Состояние проблемы резистентности вредных организмов к пестицидам и пути перехода к биоценотическому контролю ее развития в условиях Северо-Кавказского региона» (Краснодар, 2000), Международной научно-практической конференции «Биологизация защиты растений: состояние и перспективы» (Краснодар, 2000), Девятом совещании «Современное состояние проблемы резистентности вредителей, возбудителей болезней и сорняков к пестицидам в России и сопредельных странах на рубеже XXI века» (Санкт-Петербург, 2000), Научно-практической конференции «Болезни основных сельскохозяйственных культур, вызывающих чрезвычайные ситуации. Мониторинг, прогноз, системы защиты» (Москва-Голицыно, 2001), Шестой международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологизированное образование. Математические модели и информационные технологии» (Краснодар, 2001), Международной научно-практической конференции «Проблемы мобилизации, инвентаризации, сохранения и изучения генофонда важнейших сельскохозяйственных культур для решения приоритетных задач селекции» (Санкт-Петербург, 2001), Всероссийском координационном совещании по защите растений (Санкт-Петербург, 2001), Первом съезде микологов (Москва, 2002), Научно-практическом совещании «Информационные технологии в системах
мониторинга опасных фитосанитарных ситуаций» (Москва-Большие Вяземы,
2002), Первой Всероссийской конференции по иммунитету растений к
болезням и вредителям (Санкт-Петербург, 2002), Второй Всероссийской
научно-практической конференции «Агротехнический метод в защите
растений от вредных организмов» (Краснодар, 2002), Международной
конференции, посвященной 100-летию Е. М. Степанова (Краснодар, 2002),
The 1-st Central Asian Wheat Conference (Almaty, 2003), Международной
школе молодых ученых «Экологическая генетика культурных растений»
(Краснодар-Криница, 2003), Всероссийском совещании «Современные
системы защиты растений от болезней и перспективы использования
достижений биотехнологии и генной инженерии (Москва-Голицыно, 2003),
Международном симпозиуме «Фитосанитарные проблемы в XXI веке»
(Черновцы, 2003), Всероссийском координационном совещании по защите
растений (Санкт-Петербург, 2003), 11-th International Cereal Rusts and
Powdery Mildeus Conference. John Innes Centre. Norwich, UK, 22-27 August,
2004, Международной научно-практической конференции «Биологическая
защита растений - основа стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2004),
Третьем съезде генетиков и селекционеров России «Генетика в XXI веке:
Современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004),
Международной научно-практической конференции «Химический метод
защиты растений. Состояние и перспективы повышения экологической
безопасности» (Санкт-Петербург, 2004), Второй Международной
конференции «Наука-Бизнес-Образование» (Пущино, 2005), The second Asian Conference on Plant Pathology (Singapore, 25-28 June 2005), IV семинаре-совещании «Средства защиты растений, регуляторы роста, агрохимикаты и их применение при возделывании сельскохозяйственных культур (Анапа, 2005), Конференции «Научное обеспечение производства зерна в России (Зерноград, 2005), Втором съезде по защите растений «Фитосанитарное оздоровление экосистем» (Санкт-Петербург, 2005), Third Regional Yellow Rust Conference (Tachkent, 8-11 June 2006), International
symposium on «Non-specific and specific innate and acquired plant resistance» (Hungary, Budapest, 31 August -3 September 2006), Международной научно-практической конференции «Технологии создания биологических средств защиты растений на основе энтомофагов, энтомопатогенов, микробов-антогонистов и применения их в открытом и закрытом грунтах» (Краснодар, 2006).
Публикации результатов исследований. Материалы диссертации опубликованы в журналах «Микология и Фитопатология», «Агрохимия», «Агро XXI», «Вестник РАСХН», «Доклады РАСХН», «Защита и карантин растений», материалах российских и зарубежных симпозиумов, съездов, конференций, совещаний. По теме диссертации опубликована 61 работа, 10 из которых в рецензируемых изданиях (1 в печати). Получено авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 426 страницах машинописного текста, иллюстрирована 76 таблицами, 60 рисунками. Состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству и селекционной практике, приложения. Список использованных источников включает 575 наименований, из них 328 работ иностранных авторов.
Место проведения работы. Диссертационная работа выполнена на базе Всероссийского НИИ биологической защиты растений (до 19.92 года -Северо-Кавказский НИИ фитопатологии) в период с 1987 по 1994 гг. в лаборатории коллекции микроорганизмов под руководством кандидата биологических наук В. П. Шинкарева, с 1994 по 1997 гг. - в лаборатории прогнозов вредных организмов под руководством доктора сельскохозяйственных наук В. И. Терехова, с 1997 по 2005 гг. - в лаборатории иммунитета зерновых культур к грибным болезням. Работа осуществлялась в рамках государственных и отраслевых ' программ ВАСХНИЛ и РАСХН: Подрезка (1987 - 1994 гг.), тема 01.05. (1994 -1997 гг.), задание 02 (1997 - 2005 гг.). В основу работы положены результаты исследований, полученные лично автором, с его участием или под его
непосредственным руководством, на протяжении 18 лет (1987 - 2005 гг.) по изучению структуры и изменчивости популяций возбудителей бурой и желтой ржавчины пшеницы на Северном Кавказе и разработке комплекса мероприятий по управлению внутрипопуляционными процессами.
Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ и АКК «р2000 юг» (№00-04-96000) и «р2003 юг» (№03-04-96701).
Многолетняя динамика расового и генотипического состава Puccinia striiformis на Северном Кавказе
Итак, анализ расового состава популяции возбудителя желтой ржавчины пшеницы на Северном Кавказе за период с 1975 по 1994 гг. выявил 13 физиологических рас. В число доминирующих на протяжении всего периода исследований входили три расы: 5Е0, 6Е16, 7Е16, которые были вирулентны к Yrl, Yr5, Yr7, Yr8. Все расы, выявленные на Северном Кавказе, присутствовали и в закавказской популяции гриба, но в сравнении с материнской популяцией гриба из Закавказья генетическое разнообразие популяции патогена на Северном Кавказе было более низкое. Изучение генотипического состава закавказской популяции возбудителя желтой ржавчины выявило изоляты, вирулентные к Yr7, Yr8, Yrl0, Yrl 1. До 1985 г. обнаруживали изоляты, вирулентные к Yrl, принадлежащие расам 7Е0, 7Е16, 87Е0. Для сравнения в среднеазиатской популяции выявлены изоляты, вирулентные к Yrl, Yr2, Yr3a, Yr6, Yr7, Yr8. Таким образом, различия в вирулентности двух популяций проявлялись по вирулентности к генам устойчивости Yr2, Yr3a, Yr6, YrlO, Yrll. Для закавказской популяции характерна и более низкая концентрация выявленных изолятов. Исходя из генетической структуры закавказской популяции гриба, можно было заключить, что в этом районе, а также на Украине, Северном Кавказе, ЦЧО, ЦО, подверженных влиянию закавказской популяции, были эффективными в период исследований гены устойчивости Yr2, Yr3a, Yr6, Yr4B, Yr5, Yr9. Они являлись эффективными и в сопредельных странах африканского и азиатского континентов - Эфиопии, Кении, Иране, Индии Китае (Bonthuis, 1985; Wu et al., 1988). Существует как бы единый географический пояс, где эволюция P. striiformis происходила единонаправленно. Возможно, это связано с тем, что данные популяции не подвергались жесткому давлению отбора, вызываемому обычно возделыванием сортов с вертикальной устойчивостью. Для сравнения среднеазиатская популяция, формирующаяся в районах Киргизии, являлась исключением в азиатском поясе.
Судя по наличию изолятов, вирулентных к Yr2, Yr3a, она имела сходство с западно-европейской популяцией, в которой доминировали расы 41Е136, 104Е137, 108Е141 (Bartos et al., 1984; Newton et al., 1985), близкие no вирулентности расам среднеазиатской популяции. В закавказской популяции за период 1985-1988 гг. отмечена тенденция снижения средней вирулентности патогена. В период исследований 1991-1994 гг. в популяции гриба были выявлены фенотипы вирулентности P. striiformis к нескольким линиям пшеницы с различными генами устойчивости (к Yr5Yr7, Yr5Yr8, YrlYr5Yr7, YrlYr5Yr7Yr8), что представляло серьезные проблемы для сортов с такими генами устойчивости (таблица 14). Представленность изолятов, вирулентных к Yrl, составляла 44,0%, к Yr5 - 47,3%, к Yr7 - 68,0%, Yr8 - 46,8%. было обнаружено изолятов, способных преодолевать устойчивость, обусловленную генами Yr2, Yr3a, Yr3b, Yr3c, Yr4a, Yr4b, Yr 9. Устойчивость к ржавчине является сложным признаком, обусловленным многими независимыми или взаимосвязанными генетическими факторами. В научной литературе обычно принято все гены устойчивости к возбудителям ржавчины делить на две категории: основные, или ол лгогены, и второстепенные, или малые гены. К последним относятся гены-модификаторы, гены дополнительные, гены неспецифической устойчивости и т.д.
Большое значение имеет изучение характера наследования признака устойчивости, определение количества генов и их взаимодействия в ценном селекционном материале, их эффективность против основных физиологических рас гриба при различных условиях внешней среды. Изучение характера наследования устойчивости к ржавчине начато почти одновременно с развитием гибридизации пшеницы с целью селекции на иммунитет к этой болезни. Н. И. Вавилов (1964, 1964а) неоднократно указывал, что наследуется не определенная степень устойчивости или восприимчивости, а норма реагирования на различные условия. Меняя условия среды и расы, можно изменить иммунитет. Поэтому, определяя характер наследования устойчивости к ржавчине в гибридах с одной и той ж«е устойчивой линией, зачастую получают разные результаты. В гибридных популяциях Fi, F2 и старше исследователи отмечали широкий спектр действия генов, который зависел не только от генотипа сорта, возраста растения-хозяина, рас и патотипов гриба, но и условий внешней среды (Уразалиев, Гультяева и др., 1994). Уже в начале XX века Н. Стрампели были проведены в Италии сотни скрещиваний с целью получения урожайных сортов, устойчивых к полеганию, неблагоприятным погодным условиям и болезням. В это время Биффен установил при расщеплении простые соотношения устойчивых и восприимчивых растений, не зная еще законов Менделя. При этом Биффен указывал на очень простой характер расщепления по устойчивости к желтой ржавчине, свидетельствующий о моногенном наследовании.
Шведский генетик Нильсон Эле, проводя исследования в то же время в Швеции, показал, что не всегда имеет место простой характер наследования устойчивости к этому виду ржавчины (цит. по Воронковой, 1980). Помимо простых взаимоотношений, им наблюдалось и сложное расщепление по устойчивости гибридов. Впервые в 1926 году, изучив реакцию гибридов пшеницы в разные фазы развития растений, Е. Б. Мейнс с сотрудниками (Mains et al., 1926) показали, что устойчивость к разным фенотипам возбудителя бурой ржавчины у разных сортов может определяться разными генами. В дальнейшем эти исследования получили развитие в разных странах, особенно в США, Канаде, Австралии, Италии, Мексике, Индии и др. С. Персон и Г. Сингху (Person, Singhu, 1971), проведя статистический анализ, обобщив характер доминирования признака устойчивости к ржавчине и выявленных при этом генов устойчивости, установили общие закономерности генетики устойчивости к фитопатогенам: -признак устойчивости контролируется относительно простой генетической системой. В расщепляющихся поколениях обнаруживаются простые менделеевские соотношения: устойчивость чаще контролируется олигогенно, то есть «главными» генами, чем полигенно - «малыми» генами; -если выявлены «главные» гены, то аллели устойчивости доминируют над аллелями восприимчивости;
Определение расового и генотипического состава популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы
Сбор образцов урединиоспор возбудителей бурой и желтой ржавчины проводили ежегодно при весенне-летних (май-июнь) обследованиях производственных и селекционных посевов пшеницы Краснодарского, Ставропольского краев и Ростовской области путем легкого стряхивания спор в пробирки или гербаризации зараженных листьев. Сборы осуществляли в сухую погоду для предотвращения их прорастания. При сборе образцов ржавчины руководствовались правилом, позволяющим достаточно точно выявить основные расы в популяции: соотношение изолят-раса должно быть 20:1 (Коновалова и др., 1976). При этом можно увеличивать либо число образцов (при большом сортовом разнообразии), либо количество изолятов из одного образца (при сборе на производственных посевах). Временное хранение спор проводили в холодильной камере при температуре +2+4С, более длительное - в запаянных ампулах. Выделение и размножение монопустульных изолятов возбудителей ржавчины проводили по методике ВНИИФ (Коновалова и др., 1976). Для этого выращивали по 5-8 растений пшеницы восприимчивого к возбудителю бурой ржавчины сорта Michigan Amber и желтой ржавчины - сорта Kaw. Затем с растений снимали восковой налет, пропуская лист между двумя влажными пальцами, и обрабатывали слабой суспензией урединиоспор. После этого растения слегка опрыскивали водой и помещали во влажную камеру на 18-20 часов при температуре +16+18С для бурой ржавчины и на 36 часов при температуре +14+16С для желтой ржавчины.
Затем растения переносили в изолированные боксы. При появлении первых признаков инфекции (хлоротичные пятна) проводили выборку растений, на листья:: которых имелось только одно хлоротичное пятно, оставляя в вазонах по одному растению. Вазоны с растениями изолировали стеклянными колпаками от фонаря «летучая мышь», который сверху затягивали двойным слоем марли (рисунки 12, 13). За каждым монопустульным изолятом закрепляли этикетку с обозначением номера образца и номера изолята. В изолированном состоянии растения находились до полного созревания пустулы. Размножение монопустульных изолятов культур проводили на тех же восприимчивых сортах. Растения для заражения готовили вышеописанным способом. Инфицированные ростки пшеницы освобождали от изоляционного стеклянного колпака, скальпелем соскабливали с пустулы споры на часовое стекло, содержащее две-три капли воды, тщательно перемешивали и приготовленной суспензией обрабатывали пять-семь растений восприимчивого сорта. После выдерживания во влажной камере растения помещали в оптимальные для развития патогенов условия до полного созревания пустул. На шестой-седьмой день после появления признаков инфекции урединиоспоры собирали с растений путем стряхивания их в пробирку. Эту процедуру повторяли с интервалом в два дня после каждого стряхивания. Если
инфекционного материала оказывалось недостаточно, проводили повторное размножение, после чего приступали к заражению образцов пшеницы. 2.4.3
Определение расового и генотипического состава популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы Идентификацию физиологических рас возбудителя бурой ржавчины пшеницы осуществляли по международной системе с использованием полного стандартного набора Мейнса и Джексона, состоящего из восьми сортов-дифференциаторов: Malakoff (Lrl), Carina ((Lr2b), Brevit (Lr2c), Webster (Lr2a), Loros (Lr2c), Mediterranean (Lr3a), Hussar (Lrl 1), Democrat (Lr3a). Для этого растения Б іращивали на гидропонике по методу Л.А. Смирновой, Т.П. Алексеевой (1988) с применением питательного раствора Кнопа (маточного) - на 1 л воды: 100 г азотнокислого кальция, 25 г фосфорного калия, 25 г сернокислого магния, 12,5 г хлористого калия, 0,1 г хлорного железа (рисунок 14). При поливе растений 100 мл маточного раствора разбавляли в 10 л воды. Инфицирование растений сортов-дифференциаторов проводили спорами одного монопустульного изолята вышеописанным способом. На пятый-шестой день после проявления болезни определяли тип реакции сортов-дифференциаторов на заражение по шкале Мейнса и Джексона (1926) (таблица 20). Физиологические расы обозначали порядковым номером по Международному Регистру рас возбудителя бурой ржавчины пшеницы (Коновалова и др., 1976). Выявление генотипического состава популяции возбудителя и описание его вирулентности проводили по методике Г. Грина (1965; 1966) с использованием изогенных линий и сортов пшеницы, содержащих известные в научной литературе гены устойчивости (таблица 21). Сорта, показавшие типы реакции 0, 0;, 1, 2 балла, считали устойчивыми к данному изоляту, а гены, находящиеся в них, - эффективными. Сорта с типом реакции 3 и 4 балла считали восприимчивыми, а гены их - неэффективными. Зная реакцию сортов, составляли формулу вирулентности, где в числителе указывали эффективные гены хозяина, в знаменателе - неэффективные. Идентификацию физиологических рас возбудителя желтой ржавчины пшеницы осуществляли на гидропонике с использованием сортов-дифференциаторов международного и европейского наборов (Johnson et al., 1972) (таблица 22).
Влияние пестицидов на изменчивость структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности
Среди антропогенных факторов наибольшим давлением на популяции фитопатогенов в агробиоценозах, кроме рассмотренного выше сортового фактора, характеризуются химические средства защиты растений. Пестициды, являясь мощным индуктором микроэволюционных преобразований в популяциях возбудителей болезней, ведут к изменениям их генетической структуры. Следствием таких изменений является формирование резистентных к применяемым фунгицидам популяций патогена. Сегодня резистентность выступает как фактор, масштабно дестабилизирующий фитосанитарную обстановку агроэкосистем. По последним данным, как уже отмечалось, резистентность к фунгицидам разных химических классов зарегистрирована в популяциях 180 видов фитопатогенов (Сухорученко, 2005). Для сравнения - 10 лет назад эта цифра была вдвое меньше, что свидетельствует о прогрессирующем развитии устойчивости возбудителей болезней к пестицидам. Как правило, наибольшее число резистентных форм регистрируется в регионе, где фунгициды широко применяются. А Северный Кавказ, как известно, является зоной активного применения химических средств защиты. Только на Кубани ежегодно против ржавчинных заболеваний на пшенице обрабатывается порядка 700 тыс. га (это примерно 60% всех посевных площадей). В обзоре литературы упоминалось, что впервые действие фунгицидов на состояние структуры популяции ржавчинных грибов было изучено во Е ИИБЗР (Алексеева и др., 1991). При этом установлено, что применение Тилта и Фоликура способствует накоплению в популяции фенотипов рас 25 и 62 возбудителя бурой ржавчины. В популяции стеблевой ржавчины применение
Тилта, Фоликура и Альто вызывало увеличение частоты встречаемости фенотипов расы 34 и элиминирование фенотипов расы Зк. В настоящей главе представлены результаты исследований за период 2001-2005 гг. по изучению влияния пестицидов, наиболее применяемых на Северном Кавказе для защиты пшеницы, на генофонд вирулентности популяции возбудителя бурой ржавчины. В качестве пестицидов использовали: протравитель Раксил, СП (20 г/кг); фунгициды Альто, СК (400 г/л), Альто Супер, КЭ (250+80 г/л), Амистар Ф, СК (250 г/л), Рекс С, КС (125 г/л), Тилт, КЭ (250 г/л), Фоликур, КЭ (250 г/л), Фундазол, СП (500 г/кг); гербициды Диален Супер, ВР (344+120 г/л), Секатор, ВДГ (125+50+12,5 г/кг); инсектициды Би-58 Новый, КЭ (400 г/л), Циткор, КЭ (250 г/л); регуляторы роста растений Агат 25К, ТПС (титр 5-8 х 1010) и Силк, ВЭ (100 г/л). В анализ, как и при изучении влияния сортового фактора на структуру популяции гриба, были взяты линии-носители генов устойчивости пшеницы к возбудителю бурой ржавчины, эффективных для Северного Кавказа, а также используемых в селекционной практике южного региона: Lrl3, Ьг14в, Lrl5, Lrl6, Lrl7, Lrl8 Lr21, Lr23, Lr24, Lr25, Lr26, Lr28, Lr32, Lr34, Lr35, Lr37, Lr39. Рассмотрим направление отбора по вирулентности в популяции патогена под влиянием фунгицидов триазолового класса - Альто, СК ( 400 г/л ципроконазол), Альто супер, КЭ (250 г/л пропиконазол+ 80 г/л ципроконазол), Рекс С, КС (125 г/л эпоксиконазол), Тилт, КЭ (250 г/л пропиконазол), Фоликур, КЭ (250 г/л тебуконазол), которые обладают сходным биохимическим механизмом действия на гриб, блокируя образование эргостеринов и ингибируя деметилазу предшественников стеринов. Так, под влиянием большинства испытанных фунгицидов не изменялась частота изолятов, вирулентных к линиям-носителям генов устойчивости Ьг14в, Lrl5, Lrl6, Lrl7, Lr25, Lr26, Lr28 (кроме варианта с Фоликур), Lr37, оставаясь на уровне встречаемости в популяции патогена, не обработанной химическими препаратами (таблица 42, рисунок 31). Изученные фунгициды, за исключением
Альто и Фоликур, вызывали положительный отбор по вирулентности к Lr23, увеличивая частоту изолятов в популяции гриба от 1% до 8 - 28%. Отрицательный отбор отмечен для изолятов гриба, вирулентных к линиям с генами Lrl3, Lrl8 и Lr35. Из популяции возбудителя бурой ржавчины под влиянием фунгицидов этих химических групп элиминировали изоляты, вирулентные к изогенным линиям с Lr21, Lr32, Lr34 (за исключением варианта с Альто и Фоликур), Lr39. Изменение частоты различных по вирулентности изолятов в популяции гриба под влиянием триазоловых фунгицидов сопровождалось изменением среднего уровня вирулентности, снижаясь в 1,3 (вариант с Альто супер) - 2,0 раза (вариант с Тилт). В исследования были также включены фунгициды из класса бензимидазолов (Фундазол) и стробилуринов (Амистар Ф). Биохимический механизм действия бензимидазолов заключается в специфическом связывании с тубулином, что приводит к нарушению расхождения хромосом; стробилуринов - в ингибированиии цитохрома Ы в митохондриях (Тютерев, 2001). Применение Фундазола вызывало увеличение в популяции ржавчинного гриба вирулентности к Lrl6, Lrl7 и Lr23; на уровне необработанной фунгицидом популяции оставалась частота изолятов, вирулентных к линиям с генами Ьг14в, Lrl5, Lr25, Lr26, Lr28; отрицательный отбор по вирулентности отмечали для Lrl3, Lrl8, Lr35, Lr37 и элиминировали изоляты, вирулентные к изогенным линиям с генами Lr21, Lr32, Lr34, Lr39 (таблица 43, рисунок 32). Бензимидазолы в отличие от триазолов увеличивали примерно вдвое частоту изолятов, вирулентных к линиям с генами Lrl6 и Lrl7, но при этом снижали вирулентность к Lr37. Средняя вирулентность популяции патогена, обработанной Фундазолом, составила 28,5%, что в 1,3 раза ниже уровня вирулентности популяции возбудителя без обработки фунгицидом
Моделирование изменчивости частоты изолятов, вирулентных t к линиям-носителям определенных генов устойчивости, в популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы
Многочисленные исследования возбудителя бурой ржавчины пшеницы дают возможность выявить факторы, существенно влияющие на изменение структуры популяции гриба. Основным из них, как уже отмечено выше и экспериментально доказано, является устойчивость высеваемых сортов. При введении новых генов устойчивости фенотипическая численность популяции фитопатогена падает. Однако вследствие небольшого числа сохранившихся вирулентных клонов может быстро достигать исходных размеров, но уже с изменившимися частотами отдельных клонов. Многолетние данные о вирулентности возбудителя бурой ржавчины в Канаде, о чем упоминалось в гл. 1, позволяют убедительно продемонстрировать это положение.
Так Kolmer (1991), с помощью индексов Глисона (Gleason index), Шеннона (Shannon index), Симпсона (Simpson index) оценил фенотипическое разнообразие двух популяций гриба в Канаде в течение 1931-1987 годов. Популяции востока и прерии были сходными с 1931 по 1937 годы, когда в обоих регионах выращивали восприимчивые сорта. Различия появились после внедрения в прериях устойчивых сортов, оказывающих селективное действие на популяцию патогена. В настоящее - время популяции значительно различаются по вирулентности. По данным того же автора, широко используемый ген Lr9 (FFR 518, FFR 522, Coker 9474, Coker 9474, Coker 98356) в конце 1990-х годов потерял свою эффективность вследствие возрастания доли фенотипа патогена, вирулентного к сортам с этим геном (Kolmer, 2002). Напротив, ген Lrl6 вновь стал эффективным ввиду снижения численности вирулентных изолятов в популяции патогена после снятия с производства сорта Selkirk, защищенного геном расоспецифической устойчивости Lrl6 (Marshall D., 1992). При анализе вирулентности популяции P. triticina из штата Техас (США) хорошо наблюдается увеличение количества изолятов (до 30-50%), преодолевающих устойчивость гена Lr24, по мере введения его в коммерческие сорта (Long D., Roberts J., 1994). Классическим примером потери устойчивости сорта является описанная выше история российских сортов озимой пшеницы Аврора и Кавказ, созданных в 60-х годах 20 столетия и имевших высокоэффективный ген устойчивости к бурой ржавчине Lr26 (Воронкова и др., 1975).
В настоящее время в селекции пшеницы к возбудителю бурой ржавчины используется устойчивость как качественного, так и количественного проявления. По мнению М.Смэйл и соавторов (1998), в развивающихся странах, где сортосмена протекает медленно из-за трудностей в создании новых сортов и приобретении сортов извне, несовершенного рынка семян или там, где давление болезни слишком велико и расходы на защиту от нее чересчур высоки, наиболее приемлемо культивирование сортов с частичной, но длительно сохраняющейся устойчивостью. Развитые страны, не имеющие подобных проблем, могут позволить себе использование также и специфической устойчивости, значительно более эффективной в сохранении урожая. Так, выращивание сортов пшеницы, защищенных геном Lrl9, в Мексике сохраняло до 50% - урожая; сортов с геном Lr34 в сочетании с другими генами - до 48%, тогда как использование неспецифической устойчивости сохраняло до 30% урожая (Smale et al., 1998). Специфическая устойчивость пшеницы к бурой ржавчине, контролируемая олигогенами, привлекательна для селекционеров, поскольку она легко передается в скрещиваниях от донора потомству. Селекция пшеницы в странах, где большое внимание уделяется устойчивости к бурой ржавчине (США, Канада, Австралия), в немалой степени базируется на использовании генов специфической устойчивости. Но чем более устойчив сорт, тем выше давление отбора на популяцию гриба. Победа всегда остается на стороне патогена, благодаря высоким темпам мутирования и наличию богатой пищевой базы, обеспечивающих непрерывность действия движущего отбора. К сожалению, крайне мало систематических, охватывающих длительный период исследований влияния генотипа сорта на динамику различных по вирулентности изолятов гриба. Моделирование изменчивости частоты изолятов еще более сложная задача. Мы попытались подойти к ее решению. Активным участником данной работы был В. И. Терехов. Сложность проблемы очевидна: за период К сезонов происходит давление сортовой политики селекционера и/или других фигурантов на количественное соотношение между различными по вирулентности изолятами, составляющими общий фонд вирулентности. Фигуранты стремятся к общему благу, но даже при такой мотивации им трудно мгновенно изменить ситуацию для парирования неблагоприятных тенденций. Исходя из такого понимания вопроса, необходимо признать, что система «хозяин-патоген» регулируется не свободно, но и под влиянием «воли», а также под воздействием техногенных воздействий. Поэтому, предшествующий «портрет» системы, как источник информации, зависит от указанных (и других) ограничений. Это приводит его (портрет) восприятие в разряд континуума, находясь в котором можно оценивать «разумность» поступков в настоящем, исходя из интересов в будущем, которое в континууме уже было.
Основной тезис предложенной работы состоит в следующем: возможно ли, находясь в информационном поле континуума, предсказать будущее, которого еще не было - за пределами континуума? На рисунке 41 условно отображен процесс, суть которого обсуждена в преамбуле. Со стороны патогена континуум во времени будет менять объем (разнообразие) под воздействием потока воздействий (сорт, технология и др.). Реакция континуума (через разнообразие патогена) будет формироваться под влиянием неких причинно-следственных связей. AHj;j- компонента вложенности j-ro изолята в HJ-M сечении. Подобное же разъяснение соотносится и к сечениям і+к. Ситуация і+к символизирует выход Если в некий момент і на оси времени сделать сечение (по НІ), ТО условно ему будет соответствовать некое распределение ДНу, вложенное в HJ: здесь Hj - код Шеннона в і-м сечении; за пределы континуума, что соответствует поставленной задаче.
