Сельскохозяйственная биология, 2018, том 53, № 1, с. 72-84.
(для цитирования)

doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.72rus

УДК 633.111.1:632.4:632.938.1:581.192

МАСС-СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ НЕКОТОРЫХ
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВО ФЛАГОВЫХ ЛИСТЬЯХ
У ИЗОГЕННЫХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ (Triticum aestivum L.)
С РАЗЛИЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ

Л.Е. КОЛЕСНИКОВ¹, О.И. БУРОВА², Ю.Р. КОЛЕСНИКОВА³,
А.В. ЛАВРИЩЕВ¹, М.Н. ПАВЛОВА¹

Устойчивость пшеницы к болезням, в том числе к возбудителю бурой ржавчины, — важнейший фактор, способствующий сохранению урожая. Lr-гены широко используются в фитопатологической практике при оценке дифференциального взаимодействия признаков устойчивости и вирулентности в системе патоген—хозяин. Целью настоящей работы был количественный анализ элементного состава флаговых листьев у 29 изогенных линий Thatcher, характеризующихся различной устойчивостью к возбудителю бурой ржавчины пшеницы: TcLr28, TcLr29, TcLr24, TcLr47, TcLr18, TcLr19, TcLr36, TcLr3ka, TcLr3bg, TcLr16, TcLr17, TcLr44, TcLr1, TcLr2b, TcLr2c, TcLr3a, TcLr10, TcLr11, TcLr14a, TcLr20, TcLr33, TcLr26, TcLrB (ювенильные); TcLr35, TcLr12, TcLr21, TcLr48 (возрастные); TcLr46, TcLr34 (гены частичной устойчивости, partial resistance genes). Методом масс-спектрального анализа определено содержание в листьях 21 химического элемента из числа тяжелых и легких металлов, металлоидов (Na, Mg, Al, К, Са, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Se, Mo, Ba, Pb, Sb, As, Cd, Be, Ag). При проведении количественного анализа элементного состава отбирали листья без визуальных симптомов развития бурой ржавчины пшеницы. В качестве показателей патогенеза при развитии бурой ржавчины учитывали развитие болезни (по шкале Р.Ф. Петерсона), число пустул на флаговых листьях, площадь пустулы (по формуле площади эллипса), тип реакции (по шкале E.B. Mains, H.C. Jackson). Использование этого комплекса показателей позволило расширить число методов статистического анализа данных и повысить точность обнаруженных различий. Не были выявлены признаки развития бурой ржавчины на высокоустойчивых линиях, защищенных Lr-генами ювенильной устойчивости Lr24, Lr28, Lr29, Lr47. К группе умеренно устойчивых линий были отнесены TcLr18, TcLr19, TcLr36, умеренно восприимчивых — TcLr3ka, TcLr3bg, TcLr16, TcLr17, TcLr44. Сильную восприимчивость к возбудителю бурой ржавчины проявили линии TcLr1, TcLr2b, TcLr2c, TcLr3a, TcLr10, TcLr11, TcLr14a, TcLr20, TcLr33, TcLr26, TcLrB. В листьях у высокоустойчивых изогенных линий, обладающих ювенильной устойчивостью и характеризующихся отсутствием симптомов поражения возбудителем, по сравнению c линиями, проявившими сильную восприимчивость к болезни, отмечено достоверно меньшее содержание тяжелых металлов Ni, Ag, Cr, Fe, Co, Cd, а также К. Интенсивность развития бурой ржавчины снижалась с увеличением содержания селена во флаговых листьях. Линии с Lr-генами ювенильной устойчивости отличались меньшим числом достоверных корреляционных взаимосвязей между элементами вo флаговых листьях при большей степени поражения возбудителем бурой ржавчины по сравнению с линиями — носителями генов возрастной устойчивости. Выявлены достоверные положительные корреляционные связи между содержанием во флаговых листьях Al, Cr, Co, Sb, К (линии с Lr-генами ювенильной устойчивости); Al, Fe, Ni, Zn (линии с генами Lr1, Lr10, Lr21, Lr3a, Lr24) и интенсивностью развития бурой ржавчины, которая достоверно усиливалась с ростом значений коэффициента биологического накопления Al, К, Сr, Fe, Co, Ni, Sb, Cd во флаговых листьях пшеницы. Линия с геном Lr34, кодирующим у пшеницы белок, аналогичный АBC-транспортерам, выделялась более низкими значениями коэффициентов биологического накопления ряда токсичных элементов по сравнению с линиями, несущими гены NBS-LRR-белков. Полученные результаты могут быть использованы в селекционной работе с целью создания сортов яровой мягкой пшеницы, адаптированных к экологическим условиям Северо-Западного региона России.

Ключевые слова: яровая мягкая пшеница, изогенные линии Thatcher, Lr-гены, элементный состав, патогенез, бурая ржавчина пшеницы

Полный текст

THE MASS SPECTRAL ANALYSIS OF SOME CHEMICAL ELEMENTS’
CONTENT IN THE FLAG LEAVES OF WHEAT (Triticum aestivum L.)
ISOGENIC LINES WITH DIFFERENT RESISTANCE TO BROWN RUST

L.E. Kolesnikov¹, O.I. Burova², Yu.R. Kolesnikova³, A.V. Lavrishchev¹,
M.N. Pavlova¹

The wheat resistance to diseases, including the leaf rust pathogen, is the essential factor contributing to yield preservation. The Thatcher lines with Lr-genes are widely used in the assessment of differential interaction between resistance and virulence genes of a host plant and the pathogen. The aim of this work was a quantitative analysis of chemical element composition of flag leaves in 29 Thatcher isogenic lines with various genes for resistance to wheat leaf rust, TcLr28, TcLr29, TcLr24, TcLr47, TcLr18, TcLr19, TcLr36, TcLr3ka, TcLr3bg, TcLr16, TcLr17, TcLr44, TcLr1, TcLr2b, TcLr2c, TcLr3a, TcLr10, TcLr11, TcLr14a, TcLr20, TcLr33, TcLr26, TcLrB (juvenile resistance); TcLr35, TcLr12, TcLr21, TcLr48 (age-related resistance); TcLr46, TcLr34 (partial resistance genes). The content of twenty-one chemical elements, including heavy, light metals, and metalloids (Na, Mg, Al, К, Са, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Se, Mo, Ba, Pb, Sb, As, Cd, Be, Ag) in leaves of the isogenic lines was identified by mass spectrometry analysis. For quantitative analysis, leaves without visual symptoms of wheat leaf rust were collected. The disease development according to the R.F. Peterson’s scale, pustule number on flag leaves, pustule area according to the ellipse area formula, and reaction type according to the scale of E.B. Mains and H.C. Jackson have been considered as parameters of the pathogenesis caused by the wheat leaf rust agent. The wide range of the parameters enabled us to use various statistical methods and to improve the accuracy of the differences identified. On the highly resistant lines protected by the Lr-genes of juvenile resistance, Lr24, Lr28, Lr29, Lr47, the signs of brown rust have not been revealed. The lines TcLr18, TcLr19 and TcLr36 were moderately resistant to the disease whereas the lines TcLr3ka, TcLr3bg, TcLr12, TcLr16, TcLr17, TcLr44, and TcLr46 were moderately susceptible. The high susceptibility to the wheat brown rust was found for TcLr1, TcLr2b, TcLr2c, TcLr3a, TcLr10, TcLr11, TcLr14a, TcLr20, TcLr33, TcLr26, and TcLrB. In the leaves of highly resistant isogenic lines with juvenile resistance and no symptoms, there was significantly less amount of heavy metals (Ni, Ag, Cr, Fe, Co, and Cd) and also K as compared to that in the lines with high susceptibility to the disease. The brown rust intensity decreased with the increase of the selenium content in the flag leaves. The lines bearing juvenile resistance Lr-genes showed a fewer reliable correlations between the chemical elements accumulation in the flag leaves and the greater affection by the leaf rust pathogen compared to the lines with genes of age-related resistance. It was found that the flag leaf levels of Al, Cr, Co, Sb, K in the lines with Lr-genes of juvenile resistance and Al, Fe, Ni, Zn in the lines with genes Lr1, Lr10, Lr21, Lr3a, Lr24 significantly correlate with leaf rust manifestations. The leaf rust severity intensified significantly as the coefficients of Al, K, CR, Fe, Co, Ni, Sb, and Cd biological accumulation in the flag leaves increased. The line with Lr34 gene, encoding a wheat protein similar to ABC transporters, differs from the other lines in lower biological accumulation coefficients for some toxic elements when compared to the lines which express plant NBS-LRR proteins. These findings can be helpful in spring soft wheat screening when breeding cultivars adapted to the environment conditions of the north-western regions of Russia.

Keywords: common spring wheat, isogenic Thatcher lines, Lr-genes, elemental composition, pathogenesis, wheat brown rust.