Генетическое разнообразие образцов ячменя из Монголии по устойчивости к обыкновенной злаковой тле

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Значительный ущерб посевам ячменя в южных регионах Российской Федерации причиняет обыкновенная злаковая тля Sсhizaphis graminum Rondani. Степень вредоносности насекомого зависит от сроков заселения растений (наиболее ощутимый вред озимым и яровым посевам насекомое наносит при миграции на поля в фазу всходов), численности и продолжительности питания фитофага [1]. Существенно лимитировать вредоносность тли на ячмене можно с помощью селекции и возделывания устойчивых сортов. Для S. graminum показана специфичность отношений с растениями-хозяевами, в том числе и с ячменем [2]. Возможность приспособления к устойчивому хозяину определяет необходимость постоянного поиска новых доноров устойчивости для селекции.

К настоящему времени идентифицировано лишь 4 аллеля двух генов, контролирующих устойчивость ячменя к отдельным биотипам обыкновенной злаковой тли в США. Еще в 1945 г. I.M. Atkins и R.G. Dahms [3] выделили 2 корейских сорта озимого ячменя Omugi и Dobaku, показав высокую наследуемость признака устойчивости. С использованием Omugi было получено довольно много коммерческих сортов. Анализ наследования устойчивости к тле показал, что Omugi, Dobaku, Derbent, Kearney и Will имеют общий доминантный аллель устойчивости, впоследствии обозначенный символом Rsg1a, а затем — Rsg1 [4–7]. Согласно результатам трисомного анализа ген устойчивости сорта Will локализован в центромерном сегменте хромосомы 1 [7], а с помощью молекулярных маркеров локус Rsg1 картирован на длинном плече хромосомы 3H [8]. Путем индивидуального отбора из гибридной популяции Harrison × Will отселектирован сорт Post [9], однако гетерогенность этого сорта по устойчивости к тле обусловила необходимость отбора сорта Post 90 [10]. Ген Rsg1a эффективен против биотипов тли B–G, I–K, CWR, WWG, но не Н [11–14].

Второй доминантный аллель Rsg2b, обусловливающий устойчивость к тем же биотипам тли, что и Rsg1a, идентифицирован у образца местного ячменя из Пакистана PI 426756 [11, 14, 15]. Экспрессия гена Rsg2b несколько ниже по сравнению с Rsg1a, то есть для селекции предпочтителен сорт Post 90 [16]. Вместе с тем в последующих экспериментах PI 426756 был более устойчив к биотипу E по сравнению с сортом Post 90 [17]. Кроме того, ген Rsg2b, в отличие от Rsg1a, эффективен против изолята тли TX1, то есть наблюдали дифференциальное взаимодействие насекомого и растения-хозяина. На этом основании предложены новые символы генов — Rsg1 и Rsg2. Слабо повреждается биотипами G и J сорт Wintermalt, восприимчивый ко всем остальным внутривидовым формам насекомого [12, 14]. Устойчивостью к биотипу G, помимо Wintermalt, обладают также сорта Colter и Bancroft, которые рекомендуются для селекции [18]. Затем было показано, что Wintermalt и Colter сильно повреждаются биотипом тли TX1 [17].

В настоящее время показана сложность локуса Rsg1: образец Hordeum vulgare ssp. spontaneum WBDC336 (PI 682028) имеет аллель Rsg1.a3, который обеспечивает устойчивость к биотипам обыкновенной злаковой тли C, E, H, I, WY81, WY12 MC и WY86 [19]. Установлено также, что образец H. vulgare ssp. spontaneum WBDC053 (PI 681777) несет аллель Rsg2.a3, тесно сцепленный либо аллельный Rsg2. WBDC053 устойчив к биотипам B, C, E, I, TX1, WY4A, WY4B, WY81, WY12MC и WY86, однако сильно повреждается биотипами тли F, H, WY10MC и WY10B [20].

Довольно богатый источник пополнения банка эффективных генов устойчивости к S. graminum — образцы местного ячменя. Так, среди образцов из стран Восточной и Южной Азии выявлены гетерогенные формы, различающиеся по уровню выраженности устойчивости к краснодарской популяции насекомого. Высокая устойчивость 98 образцов контролируется аллелями, нетождественными Rsg1. В результате тестирования 150 образцов из Монголии выявили 3 гетерогенные формы, среди которых 2 образца содержали растения с высокой устойчивостью к тле, 1 образец — с умеренной [21].

Упомянутые выше эксперименты были проведены в 2002–2004 гг., с использованием краснодарской популяции тли. Представляет интерес вопрос — каков уровень устойчивости монгольских образцов ячменя к «новой» популяции S. graminum почти 20 лет спустя.

Целью работы было исследование эффективности и генетического контроля устойчивости к тле у образцов ячменя, выделившихся в предыдущих опытах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучили устойчивость к краснодарской (филиал Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова Кубанская опытная станция ВИР — КОС ВИР, Гулькевичский район) популяции обыкновенной злаковой тли 175 образцов ячменя из Монголии. Кроме того, оценили устойчивость к насекомому сорта Post (к-31204, США) с идентифицированным ранее геном устойчивости Rsg1 и линий, отобранных из гетерогенных монгольских образцов к-3885, к-3904 и к-4080. Анализировали расщепление по устойчивости к S. graminum гибридов F₁ и F₂ от скрещивания выделенных форм с восприимчивым сортом Белогорский (к-22089, Россия, Ленинградская обл.).

Работу проводили в световом зале, где поддерживалась температура воздуха 20–25 °C. Насекомых для лабораторных экспериментов собирали на посевах сорго КОС ВИР в июле (период максимальной численности вредителя) на восприимчивом образце сорго [Sorghum bicolor (L.) Moench] СЛВ-2, а также на умеренно устойчивых к тле сортах Ефремовское белое и Кубанское красное 1677.

В лаборатории собранные выборки тли клонировали. На смоченную водой вату, помещенную в половинки чашек Петри, раскладывали проросшие семена ячменя сорта Белогорский, затем на всходы в каждой чашке подсаживали одну самку и закрывали стеклянными изоляторами, верхняя часть которых была затянута мельничным газом. Садки с клонами тли размещали на светоустановках, оборудованных люминесцентными лампами. В нашем распоряжении было 35 клонов, собранных на образце СЛВ-2, 29 — на Кубанском красном 1677, и 22 — на Ефремовском белом.

Для оценки устойчивости коллекционных образцов семена высевали рядами в пластиковые кюветы, наполненные нестерильной почвенной смесью. В каждую кювету помещали по два ряда неустойчивого контроля (сорт Белогорский), 10 рядов испытываемых форм, а также сорт Post. Ювенильные растения заселяли смесью клонов, стряхивая разновозрастных тлей (4–5 особей/растение) на оцениваемые образцы ячменя. В месте питания S. graminum растительные ткани некротизируются, что позволяет тестировать поврежденность растений. При гибели контроля (обычно на 10–14-й день после заселения) оценивали устойчивость по шкале от 0 (нет повреждений) до 10. Растения с баллами 1–4 (повреждено до 30 % листовой поверхности) относили к классу устойчивых, 9–10 — восприимчивых [22]. Выделившиеся по устойчивости образцы тестировали повторно.

Оценили поврежденность сорта Post и трех устойчивых линий ячменя из Монголии 86 клонами тли. Для этого опытные образцы и неустойчивый контроль высевали в сосуды с почвой в круговом порядке и закрывали стеклянными изоляторами. Всходы заселяли тлями одного клона из расчета 5 особей на растение и при гибели контроля оценивали устойчивость растений по упомянутой выше шкале. При нечетком проявлении признака эксперимент повторяли.

Для определения числа и характера взаимодействия генов, контролирующих устойчивость, проводили скрещивания устойчивых линий к-3885, к-3904 и к-4080 (материнские формы) и неустойчивого сорта Белогорский (отцовская форма).

Расщепление гибридов F₂ по устойчивости к тле анализировали в лабораторных условиях. Семена высевали рядами в пластиковые кюветы с почвой. В каждую кювету помещали по 1 ряду Р₁, P₂, F₁ и по 7–8 рядов F₂. Семена F₂ представляли собой потомство одного растения F₁. Через 2–3 дня после появления всходов удаляли ослабленные, поздно взошедшие растения. При появлении второго листа гибриды заселяли тлей (клоном, авирулентным к устойчивым линиям), из расчета 4 особи на растение. Кюветы просматривали через 2 дня и при необходимости проводили дополнительное заселение. В период гибели неустойчивого родителя оценивали поврежденность гибридов. Для уменьшения ошибки классификации фенотипов обычно проводили 2 учета: при отмирании примерно 70 % растений неустойчивой формы и через 2–3 дня, когда лишь единичные растения сорта Белогорский характеризовались баллом повреждения 9. Растения, сходные с отцовской формой (баллы 9, 10), считали гомозиготно неустойчивыми (S). К устойчивому классу (R) относили растения, сходные по степени повреждения с материнской формой. Для определения соответствия полученных (фактических) и теоретически ожидаемых данных использовали критерий χ².

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты оценки устойчивости коллекции образцов ячменя из Монголии к «старой» и «новой» популяциям S. graminum в целом совпадают (табл. 1). В 2021 г. отмечено большее число образцов, у которых выявлены растения с высокой (3 балла) устойчивостью к вредителю. Видимо, данные образцы не выделили в 2004 г. вследствие низкой частоты этого фенотипического класса. В 2021 г. выделено также 28 гетерогенных образцов, у которых проявление устойчивого компонента варьировало в пределах 5–7 баллов (повреждено от 31 до 60 % листовой поверхности).

 

Таблица 1. Образцы ячменя из Монголии, выделившиеся по устойчивости к обыкновенной злаковой тле

№ по каталогу ВИР	Образец	Разновидность	Устойчивость, балл
			2004 г.	2021 г.
3885	Местный	Pallidum, coeleste, violaceum, himalayense	4–6, 8, 9	7–9
3904	«	Coeleste	4–6, 8, 9	5, 7, 8
3926	«	Pallidum	10	3, 7, 8
4080	«	Coeleste, revelatum	5, 7–10	4–10
21731	«	Revelatum, coeleste	10	3, 8, 10
21737	«	Coeleste	6, 7	3, 7, 8
22089	Белогорский (контроль)		9, 10	9, 10

 

Значительная изменчивость признака может обусловливаться проявлением генов с низкой экспрессивностью и/или присутствием в популяции S. graminum клонов с различной вирулентностью к изученным формам. Заселение чистых линий, выделенных из гетерогенных образцов к-3885, к-3904 и к-4080, смесью клонов (популяцией) тли обусловливало поврежденность растений от 2 до 8 баллов. При заселении этих линий клонами насекомого наблюдали три фенотипических класса: устойчивый (1–4 балла, проявление генов с высокой экспрессивностью у данного образца к данному клону), умеренно устойчивый (5–8 баллов, действие генов со слабым фенотипическим проявлением) и восприимчивый (9–10 баллов, вирулентность данного клона и к главным, и к малым генам устойчивости). Следовательно, подтвердились оба предположения: выделены линии, защищенные генами устойчивости к тле с отчетливым и слабым фенотипическим проявлением, которые дифференциально взаимодействуют с генотипами насекомого.

Частота выявления на образцах сорго клонов тли, вирулентных к образцам ячменя с отчетливо проявляющимися генами устойчивости, существенно различалась: при питании в поле на умеренно устойчивых сортах сорго шло отчетливое накопление в сравнении с восприимчивым образцом СЛВ-2 (превышение в 1,6–2,2 раза) вирулентных к образцам ячменя клонов S. graminum (табл. 2). Эффективность генов устойчивости невысокая: 32–45 % клонов в краснодарской популяции насекомого вирулентны к образцам из Монголии и к сорту Post.

 

Таблица 2. Частота вирулентных к образцам ячменя клонов S. graminum, собранных на трех сортах сорго, %

Образец ячменя	Сорт сорго
	СЛВ-2	Ефремовское белое	Кубанское красное 1677
Post	22,9	40,9	41,4
к-3904	20,0	31,8	44,8
к-4080	25,7	54,5	55,2
к-3885	28,6	45,5	48,3

 

В результате оценки устойчивости четырех образцов ячменя к 86 клонам S. graminum выявили 15 фенотипов вирулентности (по 12 — среди клонов, собранных на СЛВ-2 и Кубанском красном, 10 — на Ефремовском белом). Доминировал фенотип, авирулентный ко всем образцам ячменя (табл. 3). Два фенотипа вирулентности (10-й и 14-й) отмечены лишь среди сборов на Кубанском красном 1677, а 7-й фенотип был уникален для образца СЛВ-2.

 

Таблица 3. Фенотипическое разнообразие краснодарской популяции S. graminum

Фенотип вирулентности	Частота фенотипа, %	Образцы ячменя
		Post	к-3904	к-4080	к-3885
1	34,8	R	R	R	R
2	7,0	S	R	R	R
3	2,3	R	S	R	R
4	4,6	R	R	S	R
5	7,0	R	R	R	S
6	7,0	R	R	S	S
7	1,2	S	S	R	R
8	3,5	R	S	S	R
9	3,5	S	R	R	S
10	1,2	S	R	S	R
11	7,0	R	S	S	S
12	3,5	S	R	S	S
13	1,2	S	S	R	S
14	4,6	S	S	S	R
15	11,6	S	S	S	S

Примечание. R — устойчивость, S — восприимчивость образца.

 

Клоны обыкновенной злаковой тли с различными фенотипами вирулентности («тест-клоны») позволяют идентифицировать гены устойчивости у выделенных форм ячменя. Если хотя бы один клон, авирулентный к тестеру данного гена устойчивости, повреждает изучаемый сорт, это означает, что сорт не имеет функционального аллеля данного гена. При заселении опытных образцов S. graminum с фенотипом вирулентности 2 сорт Post был восприимчив, а образцы из Монголии устойчивы к вредителю. Это означает, что образцы к-3904, к-4080 и к-3885 имеют аллели генов устойчивости, отличающиеся от идентифицированного ранее гена Rsg1. Сравнение взаимодействия опытных образцов с тлей, имеющей фенотипы вирулентности 3, 4 и 5, указывает на различие генетического контроля признака у всех местных форм из Монголии. Подкрепляет эти выводы и попарное сравнение устойчивости образцов к тле с фенотипами вирулентности 6–14.

При анализе гибридов F₂ поврежденность линий, выделенных из образцов к-3904, к-4080 и к-3885, варьировала от 1 до 5 баллов. У гибрида F₁ к-4080 × Белогорский устойчивость доминировала: поврежденность растений составляла 2–3 балла. В двух других случаях уровень устойчивости гетерозигот был несколько ниже (2–7 баллов), что свидетельствует о неполном доминировании признака. В популяциях F₂ полученное соотношение фенотипов соответствовало теоретически ожидаемому 3R : 1S (табл. 4), то есть образцы местного ячменя из Монголии несут по одному доминантному аллелю устойчивости.

 

Таблица 4. Расщепление по устойчивости к S. graminum гибридов F₂ от скрещивания устойчивых образцов ячменя с восприимчивым тестером

Комбинация скрещивания	Изучено растений	Соотношение фенотипов R : S		χ2	р
		фактическое	теоретическое
к-3885 × Белогорский	125	93 : 32	3 : 1	0,024	0,8–0,9
к-3904 × Белогорский	207	147 : 60	3 : 1	1,754	0,1–0,2
к-4080 × Белогорский	294	225 : 69	3 : 1	0,367	0,5–0,75

Примечание. χ²_0,05 = 3,84. R — устойчивость, S — восприимчивость образца.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Генетическое разнообразие образцов ячменя из Монголии по устойчивости к обыкновенной злаковой тле невысоко. Выделили 6 гетерогенных образцов, у которых выявлены растения с высокой устойчивостью к вредителю; у 28 образцов поврежденность листовой поверхности устойчивого компонента варьировала от 31 до 60 %. В результате оценки устойчивости чистых линий, отобранных из гетерогенных образцов к-3885, к-3904 и к-4080, а также сорта Post (носитель идентифицированного ранее гена Rsg1) к 86 клонам тли выявили 15 фенотипов вирулентности. Образцы к-3885, к-3904 и к-4080 имеют по одному доминантному аллелю устойчивости, которые различаются между собой и отличаются от Rsg1. Показано, что генотипы S. graminum дифференциально взаимодействуют не только с главными, но и со слабо проявляющимися генами устойчивости линий ячменя.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли равный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Вклад каждого автора: Е.Е. Радченко — концепция и дизайн исследования, анализ полученных данных, написание текста; Р.А. Абдуллаев — анализ полученных данных, написание текста; Д.Е. Акимова — сбор и обработка материалов, написание текста, обзор литературы; И.Ю. Зайцева — сбор и обработка материалов, написание текста.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-76-00018, https://rscf.ru/project/21-76-00018/).

ADDITIONAL INFORMATION

Author contribution. Thereby, all authors made equal contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. Contribution of each author: E.E. Radchenko — concept and design of the study, analysis of the data obtained, writing the text; R.A. Abdullaev — analysis of the data obtained, writing the text; D.E. Akimova — collection and processing of materials, writing text, literature review; I.Yu. Zaitseva — collection and processing of materials, writing text.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This work was supported by the Research Foundation Flanders (project No. 21-76-00018, https://rscf.ru/project/21-76-00018/).

Об авторах

Евгений Евгеньевич Радченко

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова

Автор, ответственный за переписку.
Email: eugene_radchenko@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-3019-0306
SPIN-код: 1667-0530
Scopus Author ID: 7005353107

д-р биол. наук, гл. научн. сотр.

Россия, Санкт-Петербург

Ренат Абдуллаевич Абдуллаев

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова

Email: abdullaev.1988@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-1021-7951
Scopus Author ID: 57211915135

канд. биол. наук, ст. научн. сотр.

Россия, Санкт-Петербург

Дарья Евгеньевна Акимова

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова

Email: nezabutkabitter@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0657-1715

аспирант

Россия, Санкт-Петербург

Ирина Юрьевна Зайцева

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Email: irzajtseva@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8283-9747

студентка

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы