3.1. Формы, значение и методы создания исходного материала.
Исходный материал для селекции на устойчивость к болезням и вредителям черпается прежде всего из уже существующих сортов, которые уже обладают устойчивостью. Большую роль имеют растения дикой флоры, а также другие культуры. Методами хромосомной инженерии созданы эффективные доноры, например сорт пшеницы Трансфер, обладающий геном устойчивости к бурой ржавчине Lr 9. Очень ценные формы дает генетическая инженерия.
Селекционные сорта. Устойчивость культурных видов зависит от места происхождения растений и патогенов. Так, исследования Г.В. Волковой [30] по определению влияния видов пшеницы различного географического происхождения на проявление устойчивости к патогенам, показали, что высокую устойчивость к северокавказской популяции возбудителя бурой ржавчины проявляли коллекционные образцы ВИР им. Н.И. Вавилова: диплоидные виды T. monococcum (100 %) и T. urartu (30,3 %); тетраплоидные – T. timopheevii (94,9 %), T. dicoccum (57,5 %), T. araraticum (33,3 %) и T. persicum (33,3 % от числа изученных). Таким образом, на основании полученных данных, Г. В. Волкова подтверждает, что виды пшеницы, принадлежащие по происхождению к региону Закавказья, были более устойчивыми, чем виды иного происхождения.
Местные сорта. Прежде всего, в этом отношении выделяются пшеницы Китая, среди которых обнаружено большое число местных сортов, обладающих резко выраженным иммунитетом к бурой ржавчине. Сравнительной стойкостью к ржавчине отличаются многие формы Северной Индии. Из европейского материала особый интерес представляют аборигенные сорта, свойственные северной Италии (Ломбардия), южной Франции и Испании.
Дикорастущие формы. Из диких видов наибольший интерес представляют виды Aegilops и Thinopyrum. Перенос генов от данных видов в пшеницу затруднён, но может быть достигнут посредством прямой гибридизации, рекомбинации гомологичных хромосом, возвратных скрещиваний. Таким образом, перенос из генома диких сородичей новых генов в геном пшеницы составляет одно из решений проблемы устойчивости.
В нашей стране для улучшения пшеницы путём введения в её генотип чужеродных генов в качестве донора наиболее часто используют вид пырея Thinopyrum intermedium. А. Винхус, изучая связь хромосом с устойчивостью к ржавчинным заболеваниям у этого вида, обнаружила пырейную хромосому, контролирующую устойчивость к бурой, жёлтой и стеблевой ржавчине и осуществила замещение каждой хромосомы пшеницы хромосомой пырея [31, 32]. Многие агрономически важные признаки, включая устойчивость к грибным заболеваниям, перенесены в мягкую пшеницу с помощью отдалённой гибридизации от различных видов Aegilops [32]. Наиболее продуктивным источником новых генов устойчивости к листовой ржавчине пшеницы оказался вид Aegilops tauschii. Из него в геном мягкой пшеницы перенесены 9 генов: Lr21, Lr22а, Lr32, Lr39, Lr40, Lr41, Lr42, Lr43 и Lr44 [33, 34].
Гибридные популяции. В селекции на устойчивость к болезням выдающаяся роль принадлежит отдаленной гибридизации. Мутагенез в этом направлении селекции особого развития не получил, хотя примеры устойчивых сортов мутантов имеются. Исключение — хромосомная инженерия у пшеницы и некоторых других культур. Например, на основе транслокации 1RS.1BL были созданы сорта пшеницы, которые имели устойчивость к мучнистой росе, бурой, желтой и стеблевой ржавчине, но при этом не имели потерь в качестве зерна.
Зато биотехнологические методы сыграли здесь исключительную роль, речь идет об отборах из культуры клеток на селективном фоне с включением токсинов факультативных паразитов. И это значительный успех генетической инженерии: перенос генов устойчивости из далеких в систематическом отношении организмов в геном селектируемых культур [47].
3.2. Генетическая природа и характер наследования устойчивости к грибным заболеваниям
Болезни проявляются в результате взаимодействия двух организмов – растения и возбудителя, который губит клетки растения, выделяя в них токсины, и переваривает их посредством ферментов деполимераз. Обратная реакция растений заключается в обезвреживании токсинов, инактивации деполимераз и торможении роста патогенов посредством эндогенных антибиотиков.
Невосприимчивость растений к возбудителям болезней называется иммунитетом, или фитоиммунитетом. Н. И. Вавилов выделил природный, или врожденный, и приобретенный иммунитет. В зависимости от механизма защитных функций иммунитет может быть активным и пассивным. Активный, или физиологический, иммунитет предопределяется активной реакцией клеток растения на проникновение в них патогена. Пассивный иммунитет представляет собой категорию устойчивости, которая связана с особенностями как морфологической, так и анатомической структуры растений.
Эффективность физиологического иммунитета, обусловливается, в основном, слабым развитием возбудителя при резком проявлении иммунности – его ранним или поздним отмиранием, которое часто сопровождается локальным отмиранием клеток самого растения.
Иммунитет полностью зависит от физиологических реакций цитоплазмы гриба и клеток хозяина. Специализация фитопатогенных организмов определяется способностью их метаболитов подавлять в растении активность защитных реакций, индуцированных заражением. Если клетки растений воспримут проникающий патоген как посторонний организм, возникает серия биохимических изменений, направленных на его устранение, поэтому заражение не происходит. В ином случае наступает заражение.
Характер развития болезни зависит от особенностей обоих компонентов и условий окружающей среды. Наличие инфекции еще не означает проявление болезни. Ученый Дж. Деверолл в связи с этим выделяет два типа инфекции:
1) высокий, если возбудитель болезни вирулентный, а растение восприимчивое к данной болезни;
2) низкий, характеризующийся вирулентным состоянием возбудителя болезни и повышенной устойчивостью к нему растений. При низкой вирулентности и слабой устойчивости отмечается промежуточный тип инфекции.
Существование взаимодействующих генов у растений и их паразитов экспериментально доказал американский фитопатолог Н.Н. Флор [35], выдвинувший гипотезу «ген на ген». На основе своих исследований Н.Н. Флор сделал вывод о том, что каждому гену устойчивости или восприимчивости 15 растения-хозяина соответствует определённый комплементарный ген вирулентности или авирулентности паразита. Если аллели генов устойчивости и вирулентности доминантны, то растение устойчиво к болезни. Если же одна из взаимодействующих аллелей или обе из них находятся в гомозиготном рецессивном состоянии, то наблюдается восприимчивость к заболеваниям. Исходя из этого, Н.Н. Флор установил, что гены устойчивости доминантны, а гены вирулентности рецессивны [35].
Устойчивость растений к болезням, в том числе к листовой ржавчине пшеницы, принято определять как специфическую (вертикальную) и неспецифическую (горизонтальную). Разделение на типы устойчивости предложено Ван дер Планком на основании наличия или отсутствия дифференциального взаимодействия расы патогена и генотипа растения-хозяина [34]. Дальнейшие исследования опровергли некоторые положения гипотезы Ван дер Планка. Так, доказано: гены растения и патогена, участвующие в расоспецифических взаимодействиях, могут иметь малый эффект и выражаться количественно; факторы, задерживающие развитие патогена и снижающие степень развития эпифитотий, могут быть как расоспецифическими, так и неспецифическими к расам, а также находиться под моногенным или полигенным контролем; при высокой степени устойчивости (иммунитете) остановка развития патогена происходит на ранних стадиях без проявления признаков поражения. При поражении сорта с набором генов расоспецифической устойчивости полевой популяцией паразита, состоящей из смеси вирулентных и авирулентных рас, проявления болезни вызовут только вирулентные расы, а следы расоспецифического взаимодействия могут быть незаметны невооружённым глазом. В результате устойчивость сорта будет проявляться как снижение числа инфекционных пятен, то есть как типичная горизонтальная устойчивость. Однако, факты, противоречащие теории Ван дер Планка, не умаляют его заслуг: он первым показал, что сорта могут длительно сохранять устойчивость, сдерживая развитие эпифитотий. Горизонтальная устойчивость понятие многозначное, поэтому при исследованиях возникали термины, отражающие ту или иную грань этого явления. Так, R. Johnson [36] в 1983 г. предложил определение «длительная устойчивость» (durable resistance), означающее устойчивость, сохраняющуюся эффективной в широко возделываемом сорте в течение долгого периода времени при условиях среды, благоприятных для развития болезни. Длительная устойчивость может детерминироваться моно-, олиго- и полигенами. Термин «толремность» означает способность популяции растений снижать скорость развития эпифитотий. Факторы, сдерживающие развитие эпифитотий, могут быть активными и пассивными и иметь различный генетический контроль. Таким образом, новые исследования показали, что проявления устойчивости, относимые Ван дер Планком к горизонтальным, могут определяться различными взаимодействиями (расоспецифическими и неспецифическими) и иметь разный генетический контроль. Для селекции необходимы термины, обозначающие долговременную эффективность устойчивости сорта и способность сорта сдерживать развитие эпифитотий. Термин «горизонтальная устойчивость» можно использовать для определения формы устойчивости, сдерживающей развитие патогена и оказывающей умеренное давление на популяцию патогена. Для обозначения взаимодействия растений с расами патогена предпочтительно называть его расоспецифическим (специфическим) или неспецифическим к расам. К настоящему времени сложилось представление о специфической устойчивости как признаке качественном, проявляющемся в виде реакции сверхчувствительности и являющемся результатом взаимодействия гена устойчивости растения и гена авирулентности патогена. Данный вид устойчивости контролируется олигогенами, которые, будучи использованными в коммерческих сортах, быстро теряют эффективность вследствие накопления в 17 популяции патогена мутаций по комплементарным генам авирулентности [37]. Тем не менее, специфическая устойчивость пшеницы к бурой ржавчине, привлекательна для селекционеров, поскольку она легко передаётся 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. При рациональном расходовании запасов генов этого типа она может быть перспективной для использования в защите от болезни [38]. Неспецифическая устойчивость считается количественным признаком; она проявляется в уменьшении числа пустул на единицу листовой поверхности, числа спор в пустуле и увеличении длительности латентного периода; реакции сверхчувствительности не наблюдается [37]. В конечном итоге эта устойчивость проявляется в снижении скорости развития эпифитотии. Предполагается, что она полигенна, детерминирована малыми генами с аддитивным эффектом и сохраняется в течение более длительного времени, чем устойчивость специфическая в силу того, что популяция патогена имеет меньше шансов накопить мутации вирулентности, преодолевающие полигенную устойчивость [38]. Наследуемость неспецифической устойчивости пшеницы к листовой ржавчине оценивается на уровне 0,5-0,9. Это свидетельствует о том, что растения с данным типом устойчивости достаточно легко могут быть отобраны в процессе селекции [39]. Неспецифическая устойчивость, как и любой признак, характеризующий растение, подвержена эволюционным изменениям. По теории П.М. Жуковского [40] устойчивые формы растений чаще возникают в ареале совместной родины патогена и растения-хозяина, там, где темпы изменчивости популяций патогена выше, чем в других регионах распространения хозяина. Вследствие этого на совместной родине отдельные гены специфической устойчивости обесцениваются быстро, и потому особую значимость для выживания вида растения приобретает неспецифическая устойчивость [34]