Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Дикие родственники мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) обладают многими генами, представляющими агрономический интерес, и могут быть ценными источниками устойчивости к болезням, насекомым и экстремальным факторам окружающей среды. В первую очередь это касается видов близко родственных мягкой пшенице, к которым относится Aegilops speltoides Tausch 2n = 14, геном S. В Каталоге генных символов пшеницы зарегистрировано 11 генов, перенесенных из данного вида, из них 6 генов устойчивости к листовой ржавчине (Lr28, 35, 36, 47, 51, 66), 3 к стеблевой ржавчине (Sr32, 39, 47) и два к мучнистой росе (Pm12, 32) [1]. Транслокация 4AS.4AL-7S#2S с геном Lr28 была получена при использовании Aegilops speltoides как супрессора гена Ph-гомеологичной конъюгации для индукции рекомбиногенеза хромосомы 2M Aegilops commosum и второй группы хромосом мягкой пшеницы [2]. С момента идентификации Lr28 прошло более 35 лет, однако он сохраняет высокую эффективность в Индии и других странах полуострова Индостан, а также на территории России [3, 4]. Необходимо отметить, что имеются патотипы возбудителя листовой ржавчины, вирулентные к этому гену, в Северной Америке, Австралии, Египте [2, 5]. В связи с этим проводятся работы (в основном в Индии) по комбинированию с другими генами устойчивости к возбудителю листовой ржавчины, в частности с Lr24 [6]. В настоящее время известно о присутствии данного гена в сорте Sunland в Австралии, наборе почти изогенных линий в Индии [2, 7], кроме того, идентифицирован данный ген в наборе сортов Египта [5], однако в России в настоящее время нет коммерческих сортов с этим геном устойчивости к листовой ржавчине [4]. Использование гена Lr28, а точнее транслокации 4AS.4AL-7S#2S, в практической селекции невозможно без изучения эффектов на агрономические показатели. Такие работы с данной транслокацией проводились лишь на наборе почти изогенных линий в Индии [7]. Не было выявлено отрицательных эффектов на урожайность зерна, массу 1000 зёрен, показатели качества муки. Несмотря на высокую эффективность гена Lr28 в России, такие исследования не проводились и нет информации на эффекты транслокации 4AS.4AL-7S#2S, как в условиях нормального увлажнения, так и в засушливых условиях. Это побудило нас создать для этих целей соответствующую изолинию на генотипе широко распространенного сорта Саратовская 68.

Цель исследования: по результатам изучения почти изогенных линий яровой мягкой пшеницы определить влияние транслокации 4AS.4AL-7S#2S на агрономически важные признаки, в том числе продуктивность зерна и показатели качества муки и хлеба.

Материалы и методы исследования

Используемый материал включал следующие генотипы:

сорт-реципиент яровой мягкой пшеницы Саратовская 68;

почти изогенные линии яровой мягкой пшеницы: Саратовская 68*4//Tc Lr28, где Tc Lr28 – почти изогенная линия сорта Thatcher c геном Lr28, то есть с транслокацией 4AS.4AL-7S#2S.

Исследования включали три этапа: первый этап – для подтверждения наличия чужеродного материала у исследуемых почти изогенных линий Саратовская 68*4//TcLr28 (С68 Lr28) была проведена идентификация Lr-генов с использованием молекулярного маркера Lr28 (SCS421) [8]. ПЦР-анализ был выполнен по ранее опубликованной методике [9]. Продукты амплификации были выявлены в ультрафиолетовом свете на 1,5 % агарозном геле, содержащем этидиум бромид.

Второй этап – оценка на устойчивость линий к листовой ржавчине в полевых условиях – фаза молочно-восковая спелость (селекционный посев НИИСХ Юго-Востока, условия средней эпифитотии патогена в 2017 г.) и в лабораторных условиях – в фазе проростков (первого листа) в ВИЗРе. Инокуляцию растений в фазе проростков проводили саратовской популяцией Puccinia triticina Erikss, собранной в 2018 г., и тремя тест-клонами, маркированными вирулентностью к Lr9, Lr19 и Lr26 (табл. 1). Результаты учитывали на 10-е сутки по шкале E.B. Mains и H.S. Jackson [2] Растения с типом реакции 0, 0; 1, 2 считались устойчивыми, а 3, 4 и Х – восприимчивыми.

Третий этап – оценка показателей продуктивности зерна, физических свойства теста и хлебопекарных показателей у почти изогенной линии С68 Lr28 в сравнении с сортом-реципиентом. Исследования проводились в 2016–2018 гг., из которых наиболее благоприятными были 2016 и 2017 гг., но 2016 г. выделялся повышенным количеством осадков и сильной эпифитотией стеблевой ржавчины и жёлтой пятнистости, а в 2017 г. отмечалась эпифитотия листовой ржавчины. Кроме того, в начале вегетации в 2017 г. (до стадии трубкования) отмечалась эпифитотия септориоза листьев. 2018 г. характеризовался сильной засухой. Экспериментальный материал рендомизированно высевался в 7 м2 делянки в 4-кратной повторности. Норма высева 400 зёрен на 1 м2. Качество зерна и теста оценивали по содержанию сырой клейковины и показателям прибора ИДК-1 и альвеографа Шопена с выпечкой опытных образцов хлебцев. Полученные данные подвергли соответствующему статистическому анализу с использованием программ «Agros-2.10». Сравнения были проведены в пределах почти изогенной пары и соответствующим сортом-реципиентом.

Результаты исследования и их обсуждение

Для подтверждения наличия гена Lr28 у С68 Lr28 были взяты четыре почти изогенные линии и проведён ДНК-маркёрный анализ на ген Lr28. ПЦР-анализ показал наличие исследуемого гена у всех линий. Таким образом, доказано, что почти изогенные линии несут ген Lr28, а значит, и транслокацию 4AS.4AL-7S#2S, следовательно, приводимые результаты фитопатологических и пребридинговых исследований являются корректными.

Сорт яровой мягкой пшеницы Саратовская 68, используемой в качестве реципиента в данных исследованиях, относится к группе высокопродуктивных и широко возделываемых в Нижнем и Среднем Поволжье. ПЦР-анализ с помощью ДНК-маркёров Lr-генов показал наличие у Саратовской 68 гена Lr10. Этот ген неэффективен в зоне Поволжья [4]. Оценка сорта Саратовская 68 тремя тест-клонами, различающимися по вирулентности к Lr9, Lr19, Lr26, а также саратовской популяцией возбудителя листовой ржавчины, собранной в Саратове в 2018, показала тип реакции на патоген (IT) равный 3, то есть восприимчивость. В тоже время почти изогенная линия С68 Lr28 показала IT = 0 ко всем тест клонам и саратовской популяции патогена. Это подтвердило оценку на устойчивость к P. triticina проведённую на фоне средней эпифитотии P. triticina в 2017 г. – Саратовская 68 – IT = 3 и С68 Lr28 – IT = 0. Таким образом, показана эффективность гена Lr28 в Саратовской области (Нижнее Поволжье РФ) и перспективность селекционной работы с ним на устойчивость к P. triticina. Е.И. Гультяевой была показана эффективность гена Lr28 против поволжской, северо-кавказской, уральской и западно-сибирской популяций P. triticina. К северо-западной популяции возбудителя листовой ржавчины эффективность оценивается как среднеустойчивая [4].

Результаты изучения продуктивности зерна у почти изогенной линии С68 Lr28 показали, что в среднем за период с 2016 по 2018 г. отмечено незначимое повышение урожайности у линии по сравнению с сортом-реципиентом Саратовская 68 (табл. 2). Анализ урожайности зерна по годам показал, что в 2016 г. на фоне достаточного увлажнения и сильной эпифитотии возбудителя стеблевой ржавчины, продуктивность зерна была одинаковой. При этом как сорт-реципиент, так и С68 Lr28 поразились Puccinia graminis Erikss IT = 3. В 2017 г. на фоне достаточного увлажнения и средней эпифитотии P. triticina линия С68 Lr28 достоверно превысила сорт-реципиент Саратовская 68 на 200 кг/га. В данном случае проявилось прямое негативное влияние поражения сорта-реципиента листовой ржавчиной. Схожее защитное действие гена Lr28 на почти изогенных линиях яровой мягкой пшеницы по сравнению с сортами-реципиентами наблюдалось в Индии, где превышение продуктивности зерна на фоне эпифитотии листовой ржавчины колебалось от 100 до 150 кг/га [7]. Наиболее интересен был 2018 г., который характеризовался сильной засухой в течение всего вегетационного периода. Как показали результаты, С68Lr28 значимо превысила сорт Саратовская 68 по продуктивности зерна. Это превышение составило 300 кг/га (табл. 2). Таким образом, есть основание утверждать, что транслокация 4AS.4AL-7S#2S не понижает засухоустойчивость. В целом ряд образцов вида Aegilops speltoides Tausch из Турции, Ирака, Сирии, Израиля и Италии обладают высокой жаро- и засухоустойчивостью [10]. Таким образом, возможны переносы чужеродного материала из данного вида положительно влияющего на засухоустойчивость.

Анализ массы 1000 зёрен, как одного из важных элементов продуктивности зерна, показал значимое понижение у линии с транслокацией 4AS.4AL-7S#2S, причём это понижение наблюдалось все три года исследований. Данный эффект проявился даже в 2017 г. на фоне эпифитотии листовой ржавчины. Эти данные не согласуются с данными Kumar et al. (2004), которые определили повышение массы 1000 зёрен у почти изогенных линий яровой мягкой пшеницы с геном Lr28 по двухлетним исследованиям. Причём линии и реципиенты изучались как при обработке фунгицидом от P. triticina, так и при воздействии патогена [7]. Полученное разное влияние на массу 1000 зёрен может быть вызвано различиями в сортах-реципиентах и разными условиями вегетации. Схожее снижение массы 1000 зёрен наблюдали Petrash et al. (2016) [11]. Они наблюдали снижение массы 1000 зёрен у трёх транслокаций 5BS.5BL-5SL, 6BS.6BL-6SL, 7DS-7SS.7SL в яровой мягкой пшенице, полученных с использованием эгилопс спельтоидес. Необходимо отметить, что одна из используемых ими транслокаций также имеет перенос из хромосомы 7S, как и в транслокации 4AS.4AL-7S#2S с Lr28. По показателям период всходы – колошение, высота растений и устойчивость к полеганию различий между сортом-реципиентом Саратовская 68 и линией С68 Lr28 не было (табл. 2). Таким образом транслокация 4AS.4AL-7S#2S не удлиняет сроки колошения и высоту растений и не ухудшает устойчивость к полеганию, что важно в практической селекции.

Важным этапом в создании сортов мягкой пшеницы является качество конечной продукции – муки и хлеба. К сожалению, нередко вовлечение чужеродной генетической изменчивости в генофонд мягкой пшеницы ухудшает ряд показателей качества муки и хлеба. Широко известно отрицательное влияние 1BL-1RS-транслокации на хлебопекарные свойства и жёлтый цвет муки у линий с транслокацией 7DS-7DL-7Ae#1L [12]. В наших исследованиях было выявлено, что транслокация 4AS.4AL-7S#2S с Lr28 не влияет на показатели клейковины – содержание и показатель прибора ИДК-1, а также упругость теста, отношение упругости теста к растяжимости (P/L), силы муки, пористости мякиша. Однако было выявлено значимое понижение объёма хлеба (табл. 2). К похожим результатам пришли Kumar с соавт. [7]. По полученными ими данным фаринографа не выявлено различий по стабильности теста, но выявлено различие (снижение) по времени образования теста. По данным альвеографа на созданных ими почти изогенных линиях по P/L был неоднозначный эффект – в зависимости об сорта-реципиента у части изолиний не выявлено различий, а у части изменения как в сторону увеличения, так и уменьшения. В данном случае проявился чёткий эффект сорта-реципиента. В целом можно констатировать незначительное влияние транслокации 4AS.4AL-7S#2S с Lr28 на показатели муки и хлеба, что делает применение этой транслокации в селекции на устойчивость к возбудителю листовой ржавчины ещё более привлекательным.

Выводы

Анализ влияния транслокации 4AS.4AL-7S#2S с Lr28 на продуктивность зерна у почти изогенной линии яровой мягкой пшеницы за период с 2016 по 2018 г. показал положительное влияние (превышение) в 2017 г. (эпифитотия листовой ржавчины) и 2018 г. (сильная засуха). В среднем по урожайности зерна за три года существенных различий нет. Тем не менее есть незначительное превышение по продуктивности зерна у линии с Lr28 над сортом-реципиентом Саратовская 68. Важным моментом является выявленное положительное влияние в засушливый период.

Исследования влияния 4AS.4AL-7S#2S – транслокации на показатели качества муки и хлеба (содержание клейковины, упругость теста, отношение упругости теста к растяжимости, сила муки, пористость хлеба) не выявили существенных отличий от сорта-реципиента. Обнаружено лишь значимое уменьшение объёма хлебцев.

Исходя из выявленных эффектов транслокация 4AS.4AL-7S#2S с Lr28 в зоне Поволжья России является привлекательной для селекции мягкой пшеницы на устойчивость к возбудителю листовой ржавчины. В связи с тем, что в части регионов России имеются вирулентные к Lr28 патотипы P. triticina рекомендуется комбинировать его с другими генами устойчивости к листовой ржавчине.