Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Фузариозные болезни озимой ржи: симптомы проявления и особенности биологии возбудителей 14
1.1. Снежная плесень 14
1.2. Корневые и стеблевые гнили 17
КЗ. Фузариоз колоса 20
Глава 2 Распространенность и вредоносность фузариозных болезней озимой ржи 24
2.1. Географическая распространенность 24
2.2. Вредоносность фузариозных болезней 30
Глава 3 Условия, материал и методы исследований 38
3.1. Агроклиматические условия в годы исследований и характер вегетации озимой ржи 38
3.2. Материал и методы исследований 43
Глава 4 Видовая и внутривидовая структура популяций возбудителен фузариозных болезней озимой ржи в Кировской области 51
4.1. Видовой состав возбудителей снежной плесени и корневых гнилей 52
4.2. Видовой состав возбудителей фузариоза колоса... 56
4.3. Патогенность и вредоносность грибов рода Fu-sarium sp 61
4.3.1. Изучение патогенных свойств 62
4.3.2. Оценка вредоносности фузариозных грибов 67
4.4. Специализация и внутривидовая изменчивость
грибов рода Fusarium sp 79
4.4.1. Изучение органотропной специализации... 81
4.4.2. Внутривидовая изменчивость патогенных свойств 83
Глава 5 Полевая диагностика фузариозиого поражения колоса и зерна озимой ржи 87
5.1. Фузариозное поражение колоса озимой ржи 88
5.2. Признаки поражения и микрофлора зерна озимой ржи 95
Глава 6 Моделирование искусственных фитопатоценозовфу зариозных болезней озимой ржи 103
6.1. Методика создания искусственного инфекционного фона на снежную плесень 105
6.2. Создание искусственного инфекционного фона и оценка на устойчивость к корневым гнилям 110
6.3. Метод инокуляции растений и оценка на устойчи вость к фузариозу колоса 113
Глава 7 Наследование устойчивости озимой ржи к фузариозным болезням 117
7.1. Наследование устойчивости к снежной плесени 117
7.2. Наследование устойчивости к фузариозу колоса 12]
7.3. Закономерности наследственной передачи устойчивости к корневым гнилям 126
Глава 8 Компоненты устойчивости и критерии отбора фуза риозоустойчивых образцов и биотипов озимой ржи .: 132
Глава 9 Создание устойчивого исходного материала для селекции 140
9.1. Поиск источников устойчивости озимой ржи к фузариозным болезням 141
9.1.1. Снежная плесень 141
9.1.2. Корневые гнили 147
9.1.3. Фузариоз колоса 150
9.2. Эффективность рекуррентных отборов на инфекционных фонах 154
9.3. Использование метода гибридизации в создании фузариозоустойчивых гибридных популяций 161
9.4. Создание полирезистентных популяций 169
9.5. Селекция фузариозоустойчивых сортов озимой ржи 181
Выводы 191
Практические рекомендации 194
Список литературы 195
Приложения
- Снежная плесень
- Географическая распространенность
- Видовой состав возбудителей снежной плесени и корневых гнилей
- Методика создания искусственного инфекционного фона на снежную плесень
Введение к работе
Озимая рожь на Северо-Востоке Нечерноземья России является основной продовольственной культурой. Её посевные площади в 1995 г. превышали 1 млн. га (Кедрова, 2000). В настоящее время площадь озимой ржи в этом регионе составляет около 700 тыс. га. Наибольшие площади посева находятся в Кировской и Нижегородской областях и Республике Удмуртия. Однако, урожайность ржи невысокая в связи с нарушениями технологии возделывания и недостатками сортов. Одним из недостатков является высокая восприимчивость к фузариозной инфекции. За последние годы в регионе значительно возросла вредоносность корневых и стеблевых гнилей, фузариоза колоса и зерна, снежной плесени (Система ведения..., 2000). Возбудители этих болезней - факультативные широкоспециализированные паразиты из рода Fusarium sp. По уровню биологической опасности они стоят на первом месте среди других патогенов (Монастырский, 2000). Негативные последствия от фузариозных болезней оцениваются, как в форме прямых потерь урожая (Наумов, 1952; Новик, 1975; Золотарёв, 1979; Тороп и др., 1994; Miedaner, 1997 и др.), так и косвенных, вследствие ухудшения хлебопекарных качеств зерна (Гончаренко и др., 2003) и загрязнения его микотоксинами (Захаренко, 1993; Young, Fulcher, 1999; Монастырский, 2000 а; 2000 б; 2001 и др.).
Комплекс защитных мероприятий в борьбе с фузариозами не всегда эффективен. Протравливание семян часто не уничтожает внутреннюю инфекцию в зародыше и перикарпии (Монастырский, 2001). Обработка посевов в период вегетации растений технически сложна и сопряжена с опасностью превышения остаточных концентраций действующих веществ химических фунгицидов в урожае. Биофунгициды,- в большинстве своем, имеют низкую биологическую эффективность в защите посевов озимой ржи от снежной плесени, корневых гнилей и стеблелистовых болезней независимо от способа их применения (Шешегова, 2002 в).
Создание устойчивых сортов озимой ржи наиболее перспективный и экологически безопасный метод защиты посевов от болезней. Селекционные достижения озимой ржи на устойчивость к фузариозным болезням весьма неравнозначны. Положительные результаты получены в создании сортов, выносливых к снежной плесени. Короткостебельные сорта: Фалёнская 4, Снежана, Сибирь, Ирина, Петровна, Нарымская 89 и некоторые другие способны на 70...100% восстанавливать стеблестой после поражения растений снежной плесенью без особого ущерба для урожая. Селекция на устойчивость к корневым гнилям увенчалась созданием нескольких относительно устойчивых и толерантных сортов: Таловская 29, Таловская 33 и Таловская 36 и перспективного материала селекции НИИСХ ЦЧП (Тороп и др., 2003, 2004). В настоящее время остается большой проблемой селекция озимой ржи на устойчивость к фузариозу колоса.
Успех селекционной работы по повышению устойчивости к болезням во многом определяется степенью изученности комплекса специфических вопросов патосистем. Важной частью селекционного процесса по созданию устойчивых к фузариозной инфекции сортов является изучение видового и внутривидового разнообразия возбудителей болезней, необходимого для обоснования состава искусственных инфекционных фонов и получения объективной иммунологической оценки состояния генофонда озимой ржи.
Недостаточно изученным аспектом иммунологической проблемы является анализ уровня вредоносности, патогенности и специфичности отдельных видов и штаммов фузариозных грибов. Изучение этих вопросов позволило бы установить вклад различной микобиоты в патологический процесс, определить уровень биологической опасности отдельных видов, создать "искусственные" популяции микроорганизмов с предполагаемым уровнем патогенности и агрессивности и выявить органотропную и генотипическую специализацию видов и штаммов Fusarium sp. для целенаправленных микологических работ.
В научных публикациях имеются многочисленные сведения по полевой диагностике микозов колоса, описанные в основном для пшеницы (Левитин и
др., 1994; Иващенко и др., 1997 а; Шипилова и др., 1998; Лактионова, 1999). Типы поражения колоса и зерна наиболее полно изучены при паразитировании на нем видов F. graminearum и F. culmontm, близких по патогенности, проявлению чётких симптомов и уровню вредоносности. Симптомы проявления других видов Fusarium sp. малоизучены, а на озимой ржи подобные исследования практически не проводились. Визуальная видовая диагностика фузариоза колоса в естественных полевых фитоценозах затруднена, из-за неясной картины патогенеза, обусловленного паразитизмом смешанной инфекции. Одна из задач исследований, в этой связи, — максимально ограничить или исключить влияние посторонней микофлоры, искажающей симптоматику проявления изучаемого биообъекта на растительном организме. Описание синдрома болезни на колосе может быть использовано для уточнения визуальной видовой диагностики фу-зариозов озимой ржи в условиях Северо-Востока Нечерноземья России. Характеристика патогенного комплекса на семенах может служить основанием для выбора протравителей, которые бы надежно защищали семена и всходы от различных патологий во время их роста и развития. Кроме того, большие различия в характере и степени зараженности отдельных партий семян предполагают дифференцированный подход к выбору партий на продовольственные, кормовые, семенные и другие цели.
Недостаточно разработаны вопросы взаимосвязи и роль почвенной и воздушной инфекции в распространении и интенсивности развития фузариозных болезней и инфицированности семян озимой ржи. Исследования в этом направлении позволили бы скорректировать вклад различных источников инфекции в эпифитотиологию этих болезней. Это необходимо для селекции с целью совершенствования моделей искусственных фитопатоценозов и системы защиты растений — для корректировки агроприёмов по снижению уровня вредоносности фузариозных болезней.
В литературе присутствует явная "разноголосица" по вопросам соотносительной ценности компонентов устойчивости к фузариозным болезням, осо-
бенно в отношении корневых гнилей и фузариоза колоса. Селекционеры не располагают надежными компонентами устойчивости и четкими критериями оценки и отбора фузариозоустойчивого исходного материала озимой ржи.
Генофонд озимой ржи практически не изучен по устойчивости к фузарио-зу колоса особенно в условиях искусственных эпифитотий, что затрудняет целенаправленный поиск источников генов устойчивости и селекцию в заданном направлении.
Одним из методов селекции на устойчивость к болезням является сложная ступенчатая гибридизация (Кобылянский, 1982; Кобылянский, Солодухина, 1987; Miedaner, 1997 и др.). В результате повторяющихся циклов скрещиваний возможна рекомбинация между "полезными" генами в гибридном потомстве. При этом на начальном этапе селекции весьма важно знать тип генетического контроля устойчивости: олигогенный, полигенный, цитоплазматический и характер наследования признака: рецессивный, доминантный.
Отмеченное выше, явилось основанием для разработки методики оценки, отбора и селекции сортов озимой ржи, устойчивых или выносливых к фузари-озным болезням.
Цель исследований: разработка селекционно-иммунологических принципов создания исходного материала для селекции озимой ржи на устойчивость к фузариозным болезням: снежной плесени, корневым гнилям, фузариозу колоса.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
изучить видовую структуру популяций возбудителей корневых гнилей, фузариоза колоса в Северо-Восточном регионе Нечерноземья России, на примере Кировской области, и биологические свойства доминирующих видов рода Fusarium sp.; обосновать состав искусственных инфекционных фонов;
изучить и описать комплекс симптомов фузариозного поражения колоса и зерна озимой ржи;
модифицировать существующие и разработать новые модели искусственных фитопатоценозов для оценки состояния генофонда озимой ржи по устойчивости к фузариозным болезням;
выявить и определить соотносительную ценность иммунологических и селекционно-значимых критериев оценки и отбора устойчивых селекционных образцов и биотипов;
изучить закономерности наследственной передачи устойчивости озимой ржи к фузариозным болезням;
провести скрининг образцов коллекции мировых генетических ресурсов ВНИИР, сортов отечественной селекции и селекционного материала НИИСХ Северо-Востока на жестких инфекционно-провокационных фонах; создать и использовать в селекции источники устойчивости;
разработать и использовать методику создания устойчивого исходного материала и высокоурожайных, поли резистентных популяций и сортов.
Научная новизна исследований:
впервые разработаны научно-обоснованные принципы одного из наи
более сложных направлений селекции - создание короткостебельных, устойчи
вых к фузариозным болезням сортов озимой ржи;
изучена видовая и внутривидовая структура популяций возбудителей фузариоза колоса и зерна, корневых и стеблевых гнилей озимой ржи в Кировской области и изменчивость патогенных свойств грибов рода Fasarhtm sp.; теоретически обоснован состав искусственных инфекционных фонов; выделены патогенные виды и штаммы.
впервые для Северо-Востока Нечерноземья России сделана попытка выявления видовой этиологии фузариозного поражения колоса озимой ржи; показана сопряжённость между визуальными признаками деструкции зерна, вредоносностью и структурой патогенного комплекса;
установлена доминирующая роль аэрогенной инфекции и незначительное влияние почвенной на инфицированность зерна, распространение и интенсивность проявления фузариозных болезней;
для селекционного использования предложены модифицированные модели искусственных инфекционных фонов на снежную плесень, корневые гнили и фузариоз колоса; показана эффективность искусственных фитопатоцено-зов для создания устойчивого и толерантного исходного материала;
выявлены наиболее информативные иммунологические и селекционно-значимые компоненты устойчивости к фузариозным болезням и критерии отбора устойчивого исходного материала;
установлено преобладание эффектов доминирования в контроле устойчивости к снежной плесени, фузариозу колоса и корневым гнилям; показана цитоплазматическая детерминация и статистически достоверный материнский эффект в наследовании устойчивости озимой ржи к корневым гнилям;
с нашим авторским участием созданы сорта озимой ржи: Фалёнская 4 (1999 г. - доля авторства 10%), Снежана (2004 г. - доля авторства 30%), Рушник (проходит Государственное сортоиспытание с 2002 г.) и перспективные полир езистентные к некоторым видам Fusarium sp популяции: Факел, Фалёнская 4 х Ильмень, Лунная, Солнечная, Волна, Верос, Графиня, 65/95, 6/99, 10/99, 17/00, 10/00, 33/02, 13/03, 41/03, 37/04, 15/04, сочетающие высокую урожайность и комплекс селекционно-ценных признаков с полевой устойчивостью к фузариозным болезням;
новизна научных исследований защищена двумя патентами на сорта: Фалёнская 4 (№ 0292, зарегистрировано в Государственном реестре селекционных достижений Российской Федерации 29.03.1999 г.) и Снежана (№ 2258, зарегистрировано в Государственном реестре селекционных достижений Российской Федерации 30.03.2004 г.), заявкой на допуск к использованию сорта Рушник (дата приоритета 17.01.2002 г.)
Теоретическая и практическая ценность работы
Результаты исследований имеют значение для целенаправленного поиска устойчивого исходного материала и создания эффективных источников и высокоурожайных, устойчивых к фузариозным болезням сортов; проведения диагностики фузариозов озимой ржи; использования моделей искусственных фито-патоценозов.
Показана возможность повышения экологической адаптивности и устойчивости озимой ржи к фузариозным болезням путем рекуррентных индивидуально-семейных и биотипических отборов в сортовых и гибридных популяциях в условиях естественных и искусственных эпифитотий.
Выявлены наиболее информативные для селекции критерии оценки и отбора фузариозоустойчивого исходного материала. Созданы источники, обладающие полевой устойчивостью и толерантностью к фузариозным болезням, и предложена программа включения их в селекционный процесс.
С нашим авторским участием создано 17 перспективных популяций, находящихся в конкурсном испытании, и три сорта озимой ржи. Сорт Фалёнская 4 с 1999 г. внесен в Государственный реестр селекционных достижений РФ и районирован по Северному, Северо-Западному, Центральному и Волго-Вятскому регионам. Сорт Снежана с 2004 г. районирован по Северо-Западному региону. Сорт Рушник проходит Государственное испытание с 2002 г.
Результаты исследований были использованы в разработке ряда практических рекомендаций сельскохозяйственному производству по защите посевов зерновых культур от комплекса болезней: "Система защиты озимой ржи от комплекса болезней в Нечернозёмной зоне России" (1996 г.); "Концепция развития адаптивного земледелия Кировской области" (1998 г.); "Система ведения агропромышленного производства Кировской области до 2005 года" (2000 г.)-
Положения, выносимые на защиту
Теоретическое и экспериментальное обоснование структуры популяций возбудителей снежной плесени, корневых гнилей, фузариоза колоса озимой
ржи в Северо-Восточном регионе Нечерноземья России, состава искусственных инфекционных фонов и моделей искусственных фитоп ато ценозов.
Методические и селекционно-иммунологические принципы создания устойчивого исходного материала.
Новые сорта и перспективные популяции озимой ржи: иммунологическая, селекционная и хозяйственно-биологическая ценность.
Место проведения работы. Настоящая работа является обобщением экспериментальных данных, полученных в отделе озимой ржи и лаборатории иммунитета и защиты растений Зонального научно-исследовательского института сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого за период с 1988 по 2005 гг.
Исследования выполнены в соответствии с Государственными программами НИР: 033.051.03.03.01.0i.08.PS.; 02.03.01.03.01.03.05.; 01.01, атакже:
08.04.01. - "Создать зимостойкий, высокоурожайный (4,0...6,0 т/га) сорт озимой ржи с высокими хлебопекарными качествами, комплексной устойчивостью к наиболее опасным болезням, устойчивый к полеганию" (2001 ...2005 гг.);
05.01. - "Разработать научные основы селекции озимой ржи в зоне Северо-Востока Российской Федерации для создания сортов с комплексной устойчивостью к наиболее вредоносным грибным фузариозным (снежная плесень, корневая гниль) и ржавчинным заболеваниям. Иммунная рожь" (1996...2010 гг.).
В 2005 г. диссертант в составе авторского коллектива награжден Дипломом Российской академии сельскохозяйственных наук за лучшую завершенную научную разработку: "Комплексные исследования по разработке научных основ селекции озимой ржи в Северо-Восточном регионе Российской Федерации, созданию адаптивных сортов продовольственного назначения и переработке зерна ржи на пищевые цели".
Апробация работы. Результаты исследований были доложены лично или представлены на: международных симпозиумах ЭУКАРПИА по селекции ржи
(Finland, Jyvaskyla, 1995; Germany, Stuttgart, 1996; Poland, Radz'ikow, 2001); научной конференции "Агрономическая наука — достижения и перспективы" (Киров, 1994); научно-практических конференциях: посвященной 75-летию Татарского НИИСХ (Казань, 1996), "Научные основы стратегии адаптивного растениеводства Северо-Востока Европейской части России" (Киров, 1999), "Вопросы экологии и природопользования в аграрном секторе" (Ижевск, 2003); научных сессиях: "Новые методы селекции и создание адаптивных сортов сельскохозяйственных культур: результаты и перспективы" (Киров, 1998), Кировского, филиала АЕ и Вятского регионального отделения РАЕН (Киров, 2001); Всероссийских совещаниях: "Пути повышения комплексной устойчивости культивируемых растений к болезням и вредителям" (Голицыно, 1999), "Перспективы защиты растений в 2001 году" (Киров, 2001), "Современные системы защиты растений от болезней и перспективы использования достижений биотехнологии и генной инженерии" (Голицыно, 2003); Всероссийском научно-методическом совещании: "Вопросы селекции, семеноводства и технологии возделывания озимой ржи" (Безенчук, 2000); 2 съезде Всероссийского общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Санкт-Петербург, 2000); международных научно-практических конференциях: "Проблемы мобилизации, инвентаризации, сохранения и изучения генофонда важнейших сельскохозяйственных культур для решения приоритетных задач селекции" (Санкт-Петербург, 2001), "Здоровье - питание - биологические ресурсы" (Киров, 2002), "Рожь: селекция, семеноводство, технологии и переработка" (Киров, 2003), "Пути решения проблем повышения адаптивности, продуктивности и качества зерновых и кормовых культур" (Самара, 2003), "Стратегия и тактика экономически целесообразной адаптивной интенсификации земледелия" (Беларусь, Жодино, 2004); "Основные итоги и приоритеты научного обеспечения АПК Евро-Северо-Востока" (Киров, 2005).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 70 печатных работ, изданных в России и за рубежом, в том числе "Методические рекомен-
дации по созданию искусственных инфекционных фонов и оценке озимой ржи на устойчивость к фузариозным болезням" и иллюстрированный "Атлас микроорганизмов сельскохозяйственных растений"; получено два патента на созданные сорта.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 266 страницах, состоит из введения, девяти глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Она включает 48 таблиц, 21 рисунок и 22 приложения. Список цитируемой литературы содержит 357 наименований отечественных и зарубежных авторов.
В работе использованы материалы, полученные лично автором, а также материалы работ, выполненных при его непосредственном участии.
Автор выражает глубокую признательность директору НИИСХ Северо-Востока, академику РАСХН В.А. Сысуеву за предоставленную возможность и оказанное содействие при проведении научных исследований. Сердечно благодарю за совместную работу, ценные советы и поддержку своего учителя, доктора биологических наук, профессора В.Д. Кобылянского (ВНИИР). Благодарю за творческое сотрудничество доктора сельскохозяйственных наук Л.И. Кедрову и кандидатов сельскохозяйственных наук Ю.П. Савельева и Л.М. Щеклеину, коллективы отдела озимой ржи, лаборатории иммунитета и защиты растений НИИСХ Северо-Востока за практическую помощь в проведении исследований. Автор считает своей обязанностью и приятным долгом выразить признательность заведующей отделом микологии и иммунитета сельскохозяйственных растений ВНИИФ, кандидату биологических наук Е.Д. Коваленко и научным сотрудникам отдела кандидатам биологических наук Т.М. Коломиец и А. В. Овеян кино и за совместное проведение фитосанитарного мониторинга посевов озимой ржи в Кировской области и начальных этапов микологических исследований.
Снежная плесень
Болезнь проявляется рано весной после схода снега. На листьях растений наблюдается рыхлый паутинистый, вначале серый, а затем розоватый налёт. При сильном развитии болезни на листьях образуются ярко-розовые мицели-альные скопления гриба. На полях происходит очаговая или полная гибель посевов (Тупеневич, 1940; Неофитова, 1976; Золотарёв, 1976 б и др.).
Основной возбудитель снежной плесени - гриб Fusarium nivale (Fr.)Ces.; синонимы: Gerlachia nivalis, Mtcrodochium nivale (Fr.) Sam., Hallet. Сумчатая стадия гриба - Calonectria nivalis Schaff, Calonectria graminicola (Berk, et Br.).
Обстоятельные исследования по биоэкологии гриба F. nivale были проведены Шаффнитом (Schaffnit, 1912, 1913), СМ. Тупеневичем (1940), А.И. Райл-ло (1950), Н.А. Наумовым (1952); В.И. Билай (1955, 1977), А.И. Золотарёвым (1979) и другими исследователями. Разносторонние сведения, полученные ими, постоянно углубляются и дополняются новыми фактами.
Морфологические и культуральные признаки F. nivale достаточно стабильные. Шаффнит (Schaffnit, 1913) установил, что в процессе своего развития гриб образует, как бесполое, так и половое спороношение. Инфекционными структурами являются микро - и макроконидии, хлам ид ос поры. Конидии образуются в воздушном мицелии и пионнотах, веретеновидно-серповидные с постепенно суживающейся верхней клеткой, с 1...3 перегородками (макроконидии) или одноклеточные (микроконидии) (Райлло, 1950; Литвинов, 1967). В.И. Билай (1955) считает морфологию макро - и микроконидий и культуральные признаки: структуру, топографию и пигментацию воздушного и субстратного мицелия основными диагностическими признаками при идентификации видов рода Fusarium sp. В описаниях А.И. Райлло (1950), В.И. Билай (1955, 1977), цвет воздушного мицелия изменяется в диапазоне от белого до разных оттенков розового в зависимости от субстрата. А.В. Овсянкина (2000) отмечает, что вид F. nivale характеризуется очень бедной морфологией колоний на агаризованных питательных средах и низкой частотой встречаемости (25%) высокоспорулирующих штаммов культуры. В наших исследованиях большинство изолятов этого гриба также имело слабое спороношение или стерильный мицелий. Это вызвало необходимость в дополнительных исследованиях по подбору оптимальных, питательных сред при культивировании этого гриба (Шешегова, 2002 б, 2003 б). В целом идентификация вида F. nivale при культивировании изолятов и прямом микро-скопировании особых трудностей в наших исследованиях не вызывала.
Условия окружающей среды оказывают существенное влияние на первичное заражение растений и распространение снежной плесени. По данным многих исследователей (Туманов, 1940; Тупеневич, 1940; Васильев, 1956; Моисейчик, 1967; Золотарёв, 1979; Koczowska і dr., 1981; Кобылянский, 1982; Кедрова, 2000 и др.), усилению распространения и развития болезни способствуют: высокий снежный покров, лёгший на незамершую почву, температура на глубине узла кущения растений, близкая к нулю, частые зимние оттепели, длительное таяние снега весной и высокая влажность воздуха в этот период. Л.И. Кедрова (2000) обращает внимание на то, что задержка таяния снега на пониженных элементах макро - и микрорельефа даже на несколько часов приводит к более сильному развитию болезни и гибели посевов, чем на участках, где снег сошел чуть раньше.
Гриб F. nivale обладает способностью развиваться при температуре более низкой, чем требуется для других грибов. По данным Шаффнита (Schaffnit, 1913), мицелий гриба сохраняет жизнеспособность в диапазоне температур от 5С до -25С и повреждается лишь при температуре -33С, что связано с особым коллоидным состоянием белковых веществ клетки и повышенной концентрацией солей клеточного сока. Это свойство позволяет ему избегать антагонистической конкуренции в почвенном микоценозе в зимне-весений период. По данным А.И. Золотарёва (1979), оптимум и максимум прорастания спор F. nivale, почти одинаковые для конидий и сумкоспор, совпадают с этими значениями температур для роста мицелия, а минимум несколько выше, чем нижний порог для роста мицелия. А.В. Овсянкиной (2000) была установлена оптимальная тем 16 пература для вегетативного роста и споруляции гриба: от +5С до +12С. Автор также отмечает, что гриб активен как патоген в течение короткого периода времени и в дальнейшем инфекция, сохраняющаяся на растениях, в почве и на растительных остатках, не является вредоносной для растения-хозяина. Положение верно относительно снежной плесени. Однако участие гриба в патогенезе фуза-риоза колоса (Монастырная и др., 1992; Кузьмичёв и др., 1993; Самохина,2005) и листовых инфекций (Назарова, Соколова, 2000) указывает на значительную роль сумчатой стадии в распространении и развитии этих болезней. А.И. Золотарёв (1979) полагает, что, образуясь во влагалищах листьев, перитеции F. nivale своими аскоспорами заражают колосья пшеницы, и в условиях Северо-Востока Нечерноземья России совершенная стадия гриба, сохраняющаяся на растительных остатках до появления новых всходов ржи, несомненно, играет большую роль и в осенне-весеннем возобновлении паразитической активности возбудителя снежной плесени. Т. Миеданер с соавторами (Miedaner et al., 1995 б) установили, что содержание белков F, nivale в растении после перезимовки наибольшее, а затем оно уменьшается. Авторы отмечают, что при усилении ростовых процессов в генотипе включаются механизмы, вызывающие депрессию развития мицелия гриба. Постепенное повышение содержания грибных метаболитов, в том числе и F. nivale, отмечено в период цветения растений, а наибольшее их значение наблюдается при полной спелости зерна.
Географическая распространенность
Распространённость болезней связана со многими факторами, а именно: наличием инфекционного начала и благоприятных абиотических условий для развития патогенов, круга восприимчивых культур и сортов и т.д. (Гойман, 1954). Болезни, вызываемые грибами рода Fusarium sp. (снежная плесень, корневые и стеблевые гнили, фузариоз колоса и зерна), известны во всех ржано-производящих странах. Ареал этих болезней в Российской Федерации практически совпадает с зоной возделывания озимой ржи.
Снежная плесень наиболее широко встречается в регионах с благоприятными условиями для патогенеза. В Польше эта болезнь распространена преимущественно в южной части страны на пониженных участках макрорельефа (Lacicowa, Filipowicr, 1972), а также в северо-восточной части, где снеговой покров более 50 см удерживается в течение 114 и более дней (Pielka, 1970; Дву-ражна и др., 1974; Bojarciuk et al., 1990). В Чехословакии высота расположения опытного участка над уровнем моря также является определяющим в развитии снежной плесени на посевах озимой ржи (Velikovsky, 1971). Комплексные исследования взаимосвязи болезни с факторами окружающей среды, проведённые в Австрии (Germ, 1958), позволили выявить три типа районов (неблагоприятный, благоприятный и особенно благоприятный) для развития болезни. Как отмечает А. Мештерхази (Mesterhazy, 1974), снежная плесень в годы без снега или с незначительным снежным покровом причиняет небольшой ущерб в Венгрии, но в многоснежные зимы распространение и вредоносность болезни существенно возрастают. В Германии снежная плесень является одной из наиболее важных проблем в селекции озимой ржи. По данным Т. Миеданера с соавторами {Miedaner et al., 1993 б), возбудитель болезни - гриб Microdochium nivale (Fr.) образует споры (макроконидии) меньшего размера, чем обычно, и в основном с одной перегородкой, что, по мнению авторов, значительно повышает адаптивность патогена в различных полевых агроценозах.
К районам, где риск сильного поражения озимой ржи снежной плесенью очень велик, относятся также Финляндия (Jamalainen, 1959, 1969), Швеция и Норвегия (Ekstrand, 1950), Республика Беларусь (Гончарик, Дорожкин, 1931; Мухин и др., 1971; Новик, 1975, 1985; Неофитова, 1976; Сергеенко, 1978, 1984; Иодко и др, 1989; Немкович, 2000; Бирюкович, Урбан, 2003), Украина (Витвиц-кий, 1975, 1977), Прибалтийские страны (Сарв, 1961; Каск, 1971, 1974; Жевите-Кульвените, 1984; Лисова, 1991).
В Российской Федерации, отмечают Е.М. Полтарев и А.Ф. Шулындин (1971), зона распространения снежной плесени начинается с 48...49 с.ш. и далее на восток и на север. Наиболее сильное развитие болезни отмечается на северо-востоке европейской части России (Кедрова, 1973, 2000; Золотарёв, 1976 а, 1976 б, 1979, 1984; Шешегова, 1990, 1992 б, 1993; Жохова, Назарова, 1994; Назарова, Соколова, 2000) и северо-западных районах страны (Кобылянский, Ильичёв, 1971; Крутиков, 1973; Личикаки, 1974; Тупеневич, 1937, 1940, 1974; Корнеев, Берлянд-Кожевников, 1980). В Центральном регионе развитие снежной плесени усиливается в годы с многоснежной и относительно тёплой зимой. Так, в 1994 г. в Московской, Владимирской, Тверской и Смоленской областях из-за гибели посевов от этой болезни озимые рожь и пшеницу пересевали на 50% площадей (Назарова, Соколова, 2000). Интенсивность развития снежной плесени в других регионах Российской Федерации (Поволжье, Сибирь, Урал, Дальний Восток) определяется в основном характером абиотических условий в зимне-весенний период.
В Кировской области снежная плесень в той или иной степени проявляется ежегодно (Кедрова, 1973, 2000; Шешегова, 1990, 1992 б, 1993). Это обусловлено особыми естественно-географическими и агроклиматическими условиями Северо-Восточного региона Нечерноземья России: продолжительными (140...160 дней) и многоснежными (80...100 см) зимами; неглубоким промер 26
заниєм почвы (20...50 см) с температурой на глубине узла кущения растений на уровне критической (0...-4С); относительно низким уровнем плодородия почв (низкое содержание гумуса и питательных веществ, особенно фосфора, повышенная кислотность почв и их низкая биологическая активность). Все эти факторы создают благоприятную экологическую нишу для возбудителей снежной плесени и усиливают развитие и вредоносность болезни.
Корневые гнили занимают первое место по распространению среди других инфекционных заболеваний зерновых культур (Фадеев и др., 1986).
Большинство исследователей ухудшение фитосанитарного состояния полевых агроценозов и возрастающее развитие корневых гнилей связывают с насыщением севооборотов зерновыми и техническими культурами (Гешеле, 1971; Юдкин и др. 1986; Бенкен, 1992; Назарова, Соколова, 2000; Коломейченко, Лысенко, 2001; Сидоров, 2003). По данным А.А. Бенкен с соавторами (1992), севооборот с 50%-ным насыщением зерновыми культурами и ежегодным чередованием зерновых и не зерновых культур позволяет получать высокие урожаи, но не обеспечивает достаточно хорошего фитосанитарного состояния посевов сельскохозяйственных культур. Роль севооборотов в фитосанитарной стабилизации полевых агроценозов основана на фунгицидной активности почвы, которая проявляется в торможении образования и прорастания конидий патогенов или их лизисе.
Видовой состав возбудителей снежной плесени и корневых гнилей
Ранее проведёнными исследованиями (Schaffnit, 1912, 1913; Тупеневич, 1937, 1940, 1966, 1974; Jamalainen 1959; Pichler, 1957; Сергеенко, 1984; Золотарёв 1976 а, 1976 б, 1979; Шешегова, 1992 а, 1993; Miedaner et al., 1993 а; Овсян-кина, 2000 и др.) установлена доминирующаяая роль F. nivale (Microdochium пі-vale) в развитии снежной плесени озимой ржи. В комплексе возбудителей идентифицированы, кроме того, виды F. culmorum (Miedaner et al., 1993 а; Шешегова, 1993; Овсянкина, 2000), F. avenaceutn (Овсянкина, 2000), а также F. oxyspo-rum и F. sporotrichiella (Кононенко и др., 1998) - на озимой пшенице и Botrytis cinerea Pers., вызывающий.так называемую серую плесень (Золотарёв, 1979).
Исследователи выделяют различное количество фузариозных грибов и других видов и групп микроорганизмов, присутствующих в ризоплане и ризосфере озимой ржи. В патогенезе корневых гнилей ряд исследователей: Т. Мие-данер с соавторами (Miedaner et al., 1995 а), Шиллинг с соавторами (Schilling et al., 1996), Козик с соавторами (Cosic er al., 1999) основную роль отводят нескольким видам Fusarium sp. (F. culmorum, F, avenaceum, F. graminearum, M, nivale), а также Preudocerkosporella herpotrichoides (Fron.) Deighton. Церкоспо-реллезные корневые гнили имеют большое распространение на посевах озимой ржи и в Беларуси (Немкович, 2000).
По данным специалистов из ВНИИФ Т.М. Коломиец, Е.Д. Коваленко (1995) и А.В. Овсянкиной (2000, 2003), в комплексе возбудителей корневых гнилей озимой ржи на территории Российской Федерации присутствует до 16 видов фузариозных грибов. При этом в Волго-Вятском регионе превалирует вид F. culmorum, в Центральном и Нижневолжском - F. heterosporum, в Центрально-Чернозёмном и Средневолжском - В. sorokiniana. В Северо-Западном регионе преобладают виды F. culmorum и F. solani (Иващенко и др., 1997 а); в Башкортостане в ризосфере озимой ржи доминируют F. oxysporum и F. culmorum (Гарифуллина, Долгова, 1996).
Исследования структуры популяций возбудителей снежной плесени и корневых гнилей озимой ржи в Кировской области начаты в 1994 г. в рамках Государственной программы НИР 05.01. "Иммунная рожь". Совместно со специалистами ВНИИ фитопатологии проводился мониторинг фитосанитарного состояния посевов озимой ржи на территории области и осуществлялся сбор инфекционного материала. Изучение видовой структуры и внутрипопуляцион-ной изменчивости фузариозных грибов вначале осуществлялось во ВНИИ фитопатологии. С 1997 г. микологические исследования инфекционных образцов начаты в группе иммунитета озимой ржи Зонального НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого, проведённые непосредственно автором. В материалах диссертации приводятся результаты микологических исследований, выполненных с 1997 по 1999 гг. - по северной агроклиматической зоне области и с 1998 по 2002 гг. - по центральной и южной зонам. За годы исследований проанализировано около 160 инфекционных образцов (корни и прикорневые междоузлия), собранных на территории Кировской области и сопредельных областях и республиках. Получено в чистую культуру и идентифицировано 1045 природных изолятов микроорганизмов (прилож. 5).
В результате исследований выявлена доминирующая роль фузариозной инфекции в патогенезе корневых гнилей озимой ржи на территории Кировской области (37,1...64,3%) (рис. 4, прилож. 6), что в целом согласуется с экспериментальными данными других авторов (Коломиец, Коваленко, 1995; Овсянки-на, 2000, 2003).
В южной зоне области доля фузариозной инфекции в микобиоте корневой системы растений озимой ржи была в среднем на 12,9 и 14,6% ниже, чем в центральной и северной зонах, соответственно. При этом в сообществе микро организмов увеличивалась встречаемость других родов: виды Helminthosporium sp. составляли в среднем за годы исследований от 7,8 до 15,1%; Altemaria sp. -от 18,2 до 35,3%; Penkillium sp. - от 13,5 до 22,8% среди других микроорганизмов. Изменения видовой структуры микофлоры корневой системы озимой ржи, вероятно, связаны с более засушливыми условиями окружающей среды в этой агроклиматической зоне и периодическим недостатком почвенной влаги в отдельные фазы онтогенеза растений. Как более адаптированные к недостатку влаги, данные группы микроорганизмов вытесняли из почвенного субстрата отдельных представителей рода Fusarium sp., жизнедеятельность которых значительно угнеталась в стрессовых гидротермических условиях.
В северной агроклиматической зоне области выявлена более бедная по таксономическому составу микофлора корневой системы растений - до 5 родов. Частота встречаемости видов Fusarium sp. составляла от 44,4 до 63,3%, Aspergillus sp. - от 5,1 до 5,5%, Altemaria sp. - от 15,4 до 27,7%, РепісіШит sp. от 10,3 до 22,2%, Helminhosporium sp. -от 3,3 до 5,1%).
Среди природных изолятов встречались также колонии бактериальной природы с серой или розовой пигментацией субстрата и большим количеством слизи. Идентификация их не проводилась; бактериальные изоляты не принимались в расчёт видовой структуры возбудителей корневых гнилей озимой ржи как не имеющие отношения к патогенному комплексу.
Таким образом, основными компонентами корневых инфекций в фитоценозе озимой ржи являются виды родов Fusarium sp., Altemaria sp. и РепісіШит sp., которые ежегодно находятся в некотором динамическом равновесии.
Методика создания искусственного инфекционного фона на снежную плесень
Создание устойчивых к снежной плесени сортов озимой ржи требует техники быстрого тестирования исходного материала с высокой точностью и воспроизводимостью эксперимента.
Полевой метод, разработанный В.К. Неофитовой (1976), наиболее приближенный к естественным условиям патогенеза, однако он достаточно трудоёмок и требует больших объёмов биоматериала (инфицированные раститель-ные остатки и зерносмесь) для внесения его в почву. Кроме того, имеет место длительный период заражения и высокозначимое (г = 0,67...0,79) по степени развития болезни взаимодействие "генотип — год", "генотип - среда", что приводит к значительному варьированию признака устойчивости к снежной плесени у одного и того же генетического материала (Miedaner et al., 1993 б).
Кроме полевой оценки, разработано достаточно большое количество лабораторных и камеральных тест-методов: метод Винштеда и Валькера (Win-stead, Walker, 1954), Виртанена (Virtanen, 1956), Смосек и Здрагаловой (Smocek, Zdrahalova, 1965), В. Великовского (1974), Т. Миеданера с соавторами (Miedaner et al., 19936), В.А. Корнеева, Л.Г. Чадаевой (1985) и другие. Однако большинство из них энергоёмки, дорогостоящи и требуют хорошего технического и приборного обеспечения для выполнения биохимических, иммунофер-ментных и других видов анализов. Кроме того, в ходе проведения многих из этих экспериментов объекты исследований (растения) чаще всего уничтожаются, и отбор устойчивых биотипов в этом случае становится невозможным.
Наша модель искусственного инфекционного фона предусматривает различные объекты инокуляции (почва и/или семена) и формы инфекционного материала (инфицированная F. nivale зерносмесь и/или споровая суспензия патогенных штаммов F. nivale), а также обеспечивает оптимальные условия для развития патогена и заражения растений. Основное отличие предлагаемой модели фитопатоценоза от известных полевых методов заключается в повышении жёсткости инфекционного фона за счёт использования споровой суспензии для заражения семян и двойного инфекционного фона (заражение почвы и семян). Необходимость имитации такого жёсткого фона и оценки сортимента озимой ржи вызвана крайне неблагополучными условиями перезимовки в Северо-Восточном регионе Нечерноземья России. Одним из основных факторов, определяющих характер перезимовки ржи в этом регионе, является ежегодное развитие снежной плесени. Оценка исходного материала в условиях жесткого биотического стресса позволяет выявить и отобрать для селекции уникальные по устойчивости к болезни селекционные образцы и отдельные биотипы.
Известно, что основными источниками инфекции снежной плесени являются семена и почва (Неофитова, Новик, 1969, 1970; Золотарёв, 1976 а, 1976 б, 1979, 1984; Сергеенко, 1978; Боярчук, Боярчук, 1980; Bojarczuk М., Bojarczuk J., 1985 и др.). Нашими исследованиями (Шешегова, 1993; Кобылянский, Шеше-гова, 1997) установлена приоритетная роль семенной инфекции (37...52%), по сравнению с почвенной (14,7...33,1%), в возобновлении и интенсивности развития болезни. В случае двойной инфекционной нагрузки (заражение почвы и семян) жёсткость инфекционного фона значительно повышается: поражение образцов превышало 90% (табл. 15). В этих условиях гибель растений крайне высокая. Сохранялись лишь отдельные биотипы, наиболее устойчивые к жёсткому биотическому стрессу.
Наращивание твёрдого инокулюма осуществлялось на зерне плёнчатых и голозёрных культур: ржи, пшеницы, овса, ячменя, взятых в их равном весовом соотношении. Плёнчатая культура в составе зерносмеси "разрыхляет" субстрат и обеспечивает полное заселение ёмкости мицелием грибов. Составленную зерносмесь промывали от пыли и грязи и во влажном состоянии засыпали в 1,0.. .0,5-литровые колбы, заполненные на 2/3 их объёма, затем стерилизовали в автоклаве текучим паром под давлением 1 атм. в течение 1 часа. Остывший и слегка тёплый субстрат (t +25...30 С) заражали в стерильных условиях соответствующим видом (штаммом) гриба. Для этого использовали кусочки питательной среды с мицелием и спорами или споровую суспензию.
При приготовлении споровой суспензии проводили поверхностный смыв стерильной водой с колонии патогенного высокоспорулирутощего штамма, а затем устанавливали величину инфекционной нагрузки с помощью камеры Го-ряева. Плотность суспензии 5 х I05 конидий в 1 мл. Добивались необходимой концентрации инокулята путём многократных разведений исходной суспензии, постоянным микроскопированием и контролем за изменением количества спор.
Заражение субстрата проводилось с помощью медицинского шприца без иголки в стерильных условиях. В 0,5-литровую колбу вносили 10...15 мл ино-кулята, в 1-литровую - 15...20 мл или кусочки питательной среды (2...3 см) с мицелием и спородохиями гриба. Колбы оставляли в тёплом помещении (t +20...25"С) в течение 2-х недель. Затем инфицированный субстрат высыпали на полиэтиленовую плёнку, подсушивали до сыпучего состояния и размалывали до фракции мелкой крупки.
Эксперименты проводились в камере низких температур (КНТ) и в полевых условиях. В камеральных условиях семена высевали в пятилитровые веге-тационные сосуды, в поле - на делянки площадью 1 м . При заражении семян их замачивали в течение 2-х часов в споровой суспензии из расчёта 2 мл иноку-лята на 100 зёрен, затем подсушивали и высевали в вегетационные сосуды или в поле. Этот способ инокуляции нашёл широкое применение в последние годы при получении устойчивого исходного материала, который был использован в создании популяций: Верос, 6/99, 17/00, 13/03- Внесение твёрдого инокулюма в почву проводили одновременно с посевом на глубину заделки семян в дозе 15 г/сосуд (КНТ) или 200 г/м2 (поле).
