Введение к работе
Актуальность исследований. Бурая ржавчина (возбудитель Puccinia
triticina Rob. ex Desm. f.sp. tritici Erikss. et Henn.) - одна из самых распространенных и вредоносных болезней пшеницы. Потери урожая при раннем и сильном развитии патогена на восприимчивых сортах достигают 30-40 % (Лукьяненко, 1973; Орлюк, Гончарова, 1987). При 80-100 % развитии болезни в фазу колошения пшеницы ущерб урожая может составить 50 % и более (Лебедев и др., 1994; Танский и др., 1998).
Возбудитель бурой ржавчины пшеницы обладает большой экологической пластичностью, поэтому болезнь распространена во всех регионах культивирования пшеницы, а Северный Кавказ является зоной высокой вредоносности и широкого распространения болезни. Северокавказская популяция патогена всегда отличалась генетическим разнообразием и большим количеством вирулентных изолятов (Волкова с соавт., 2005). Защита растения-хозяина от возбудителя бурой ржавчины предполагает использование как химических, так и биологических методов, в первую очередь через выведение и использование устойчивых сортов. Успех селекции в этом направлении зависит от знаний закономерностей изменчивости популяции возбудителя болезни (особенно связанной с естественным отбором по вирулентности) и генофонда устойчивости пшеницы. Поэтому исследования структуры популяции гриба по вирулентности всегда остаются актуальными. Тем не менее, маркеры вирулентности позволяют оценить только малую часть общей генетической изменчивости в популяции. У ржавчинных грибов с помощью биохимических и молекулярных маркеров оценивают изменчивость независимо от селекции растения-хозяина (Chen, Line, Leung, 1993; Kolmer, Liu, Sies, 1995), и поэтому данные маркеры могут быть полезны для более полного анализа структуры популяций фитопатогенов.
В основном изучение структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы ведется с помощью классического фитопатологического метода, включающего тестирование по генам вирулентности. При использовании молекулярных маркеров для изучения популяции гриба имеются некоторые сложности: отсутствие половой рекомбинации на промежуточном хозяине, трудность получения необходимого количества биоматериала для выделения ДНК. Несмотря на многолетнее использование подобных методик за рубежом, в России этот вопрос до конца не решен. Использование комплексного подхода в изучении структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы позволит наиболее полно описать изменчивость патогена и проследить его динамику.
Ареалы популяций ржавчинных грибов могут быть огромными и занимать целые континенты. Определение границ популяций патогена на территории страны имеет важное значение для стратегии защиты и территориального распределения генов устойчивости. Но определение точного числа популяций гриба затруднительно, поскольку классическое понятие этого термина не применимо к возбудителю бурой ржавчины пшеницы в связи с тем, что гриб зимует в уредостадии и популяция является клональной (Михайлова, Васильев, 1985). Использование дополнительных маркеров (таких как RAPD-маркеры)
может помочь в решении этого вопроса.
Взаимосвязь вирулентности и молекулярной изменчивости фитопатогенов является одним из дискуссионных и неизученных вопросов, который имеет теоретическую и практическую ценность (Xia et al., 2000). В связи с чем изучение взаимосвязи вирулентности и RAPD-полиморфизма возбудителя бурой ржавчины пшеницы является актуальным.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является изучение взаимосвязи вирулентности и RAPD-полиморфизма северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- оценить распространенность и развитие P. triticina в различных агроклимати
ческих зонах Северо-Кавказского региона;
- проанализировать частоту встречаемости генов вирулентности и фенотипов
вирулентности в популяции P. triticina из различных агроклиматических зон
Северного Кавказа;
охарактеризовать молекулярно-генетическую структуру северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины по RAPD-маркерам;
- провести сравнительную оценку географически отдаленных популяций
возбудителя бурой ржавчины пшеницы по признаку вирулентности и RAPD-
маркерам;
установить взаимосвязь вирулентности и RAPD-полиморфизма
северокавказской популяции гриба.
Научная новизна. Впервые изучена северокавказская популяция P. triticina по признаку RAPD-полиморфизма.
Предложен новый подход сравнительной оценки двух методов исследований структуры популяции P. triticina, основанный на взаимосвязи частоты встречаемости генов вирулентности и RAPD-фрагментов.
Впервые установлена взаимосвязь между фенотипами вирулентности и RAPD-фенотипами северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы.
В отличие от существующих исследований, впервые проведено сравнение северокавказской популяции с географически отдаленной популяцией по ДНК-маркерам.
Практическая значимость работы. Результаты ежегодных маршрутных обследований государственных сортоучасков, производственных и селекционных посевов пшеницы предлагаются для фитосанитарного картирования бурой ржавчины на Северном Кавказе в качестве корректной основы для прогноза развития болезни.
Выявленные эффективные гены устойчивости пшеницы к P. triticina (Lr9, Lr24) предлагаются для использования в селекции.
Созданный набор ДНК изолятов возбудителя бурой ржавчины пшеницы, а также подход сравнительной оценки двух методов предлагается для использования в работе научно-исследовательских учреждений.
Новая научная информация о структуре популяции P. triticina по RAPD-полиморфизму и взаимосвязи с вирулентностью предлагается для включения в курсы лекций по популяционной биологии грибов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Северокавказская популяция Puccinia triticina по фенотипам вирулентности и RAPD-фенотипам обладает высоким разнообразием.
Установлена взаимосвязь вирулентности и RAPD-полиморфизма северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы.
Предложен новый подход сравнительной оценки двух методов исследования структуры популяции P. triticina.
Место проведения работы и декларация личного участия автора. Диссертационная работа выполнена на базе Всероссийского НИИ биологической защиты растений в период с 2007 по 2011 гг. в лаборатории иммунитета зерновых культур к грибным болезням. В основу работы положены результаты исследований структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы по вирулентности и RAPD-полиморфизму, полученные лично автором или с его непосредственным участием.
Апробация результатов исследования. Результаты исследований доложены на восьмой региональной, I и III Всероссийской научно -практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, КГАУ- 2006, 2007, 2009 гг.); IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы иммунитета и защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей» (Одесса, 2007 г.); 15 Congress of European mycologists (St. Peterburg, 2007); 9th International Congress of Plant Pathology (Torino, Italy, 2008); Международной научной конференции, посвященной 45-летию основания Института генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси «Генетика и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Минск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию ВНИИБЗР «Биологическая защита растений как основа экологического земледелия и фитосанитарной стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2010 г.); Международной конференции «Студенты и аспиранты в науке 2011», проводимой в рамках Дней молодежной науки в Оренбургской области (Оренбург, 2011 г.).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе три - в журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Научный журнал КубГАУ» (электронный ресурс), «Известия ОГАУ», «Агроэкоинфо» (электронный ресурс).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 155 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, практических рекомендаций и приложения. Работа иллюстрирована 22 таблицами и 27 рисунками. Список использованных
источников включает 241 наименование, из них 192 работы иностранных авторов.
Связь работы с государственными научными программами, грантами, конкурсами. Диссертационная работа выполнена в рамках государственной программы Россельхозакадемии по заданию 05: «Разработать агротехнологии интегрированной защиты растений, использования ассортимента биобезопасных, экологических и экономически эффективных химических и биологических средств защиты растений нового поколения, сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к вредным организмам, и на их основе региональных систем управления процессами фитосанитарного оздоровления агроценозов товаропроизводителей различных форм собственности», тема 05.03.01.01., номер государственной регистрации 01201054063.
