doi: 10.15389/agrobiology.2021.3.549rus
УДК 633.1:631.524.86:632.4
ПОИСК ГЕНОТИПОВ РЖИ И ПШЕНИЦЫ, УСТОЙЧИВЫХ
К Claviceps purpurea (Fr.) Tul. И НЕ НАКАПЛИВАЮЩИХ
ЭРГОАЛКАЛОИДЫ В СКЛЕРОЦИЯХ ГРИБА
Т.К. ШЕШЕГОВА1 ✉, Л.М. ЩЕКЛЕИНА1, Т.В. АНТИПОВА2,
В.П. ЖЕЛИФОНОВА2, А.Г. КОЗЛОВСКИЙ2
Спорынья зерновых культур, вызываемая грибом Claviceps purpurea (Fr.) Tul., — прогрессирующее заболевание ржи и пшеницы. Создание устойчивых сортов — один из эффективных способов решения этой сложной проблемы. В настоящей работе мы впервые установили состав и содержание эргоалкалоидов (ЭА) в склероциях кировской популяции C. purpurea. Показана слабая положительная связь между суммарным содержанием ЭА в склероциях (токсичность) и поражением 100 новых сортов ржи и пшеницы спорыньей (патогенность). Для селекции этих культур выявлены эффективные генетические источники, сочетающие устойчивость к поражению грибом C. purpurea и сниженное накоплению ЭА в образуемых на растениях склероциях гриба. Цель работы — определение суммарного содержания и состава эргоалкалоидов в склероциях C. purpurea, собранных с озимой ржи и яровой мягкой пшеницы в Кировской области, и выявление генотипов, у которых проявляется устойчивость к спорынье и в склероциях не накапливаются ЭА гриба. Полевые исследования проводили в ФГБНУ Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (ФАНЦ Северо-Востока) в 2017-2019 годах. Материалом служили 26 новых диплоидных (×2) сортов озимой ржи (Secale cereale L.) и 20 сортов яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) селекции ФАНЦ Северо-Востока, а также 34 и 20 образцов этих культур из мировой коллекции ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР). Растения инокулировали водной суспензией конидий C. purpurea. Использовали природные изоляты конидий патогена, выделенные из свежесобранных на территории Кировской области склероциев ржи и пшеницы. Концентрация спор в инокуляте — 3×106 кониций/мл. Инокулировали по 10-15 растений в 3-кратной повторности. Для характеристики сортов использовали два показателя: поражение (доля растений со склероциями в выборке, %) и засоренность зерна склероциями (содержание склероциев в зерновой пробе, % по массе). Отобранные склероции использовали для биометрических исследований (масса, крупность) и анализа ЭА. Устойчивость сортов к спорынье оценивали на основании шкалы T. Miedaner с соавторами. Содержание ЭА и их состав в склероциях кировской популяции гриба C. purpurea определяли в ФИЦ ПНЦ БИ РАН Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (г. Пущино). Анализ экстрактов осуществляли методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинках силикагеля (Silica gel F254, «Merck», Германия). ЭА обнаруживали по поглощению или флуоресценции в УФ-свете (λ = 264 нм) и после опрыскивания пластин реактивом Эрлиха. Метаболиты идентифицировали методом тонкослойной хроматографии со стандартными образцами и с помощью данных УФ-спектроскопии и масс-спектрометрии. Суммарное содержание ЭА в экстрактах определяли спектрофотометрически при λ = 313 нм. Установлено, что тестируемый генофонд был в основном восприимчив к спорынье. У пшеницы выявили два иммунных сорта (Новосибирская 18 и новая линия Т-66) и 13 — относительно устойчивых с поражением не более 5,2 % и примесью склероциев в зерне не более 0,3 %, в то время как у наиболее восприимчивого (индикаторного) сорта эти показатели составили 21,7 и 1,5 %. У озимой ржи иммунные формы отсутствовали, а у 10 сортов поражение варьировало от 5,8 до 33,0 %, засоренность зерна склероциями — от 0,3 до 1,4 % (у индикаторного сорта соответственно 100 и 37,0 %). У 30 различных по восприимчивости к спорынье сортов ржи и пшеницы проанализирован состав и содержание ЭА в склероциях гриба C. purpurea. Состав ЭА был одинаковым и состоял из эргокристина, эрготамина и его стереоизомера эрготаминина. Только у казахстанского сорта пшеницы Самгау был идентифицирован один эрготамин. В склероциях, собранных с растений ржи, количество ЭА изменялось от 0 до 0,36 % от их массы, с пшеницы — от 0 до 2,40 %. Обнаружено, что 9 новых популяций ржи селекции ФАНЦ Северо-Востока и 4 сорта пшеницы не накапливали ЭА. Выявлена слабая отрицательная зависимость (p = 0,05) между массой одного склероция и накоплением ЭА: у озимой ржи r = -0,46, у яровой пшеницы r = -0,32. Не установлено значимой связи между токсичностью и патогенностью гриба C. purpurea, о чем свидетельствуеткоэффициент корреляции между поражением спорыньей и содержанием ЭА у ржи, который составил r = 0,22 (p = 0,05). Тем не менее информация о содержании ЭА важна для поиска иммунологически и селекционно ценных генотипов, сочетающих устойчивость к поражению спорыньей со способностью подавлять накопление ЭА. Этим свойством выделились немецкий сорт пшеницы Epos и новые популяции ржи Румба, Гармония и Симфония.
Ключевые слова: озимая рожь, яровая пшеница, спорынья, склероции Claviceps purpurea, устойчивые сорта, эргоалкалоиды, токсичность, патогенность.
T.K. Sheshegova1 ✉, L.M. Shchekleina1, T.V. Antipova2,
V.P. Zhelifonova2, A.G. Kozlovskiy2
Ergot [Claviceps purpurea (Fr.) Tul.] is a progressive disease of rye and wheat crops. Ergot alkaloids (EA) derived from the fungus can cause severe health problems in both humans and animals. Ergot-resistant cereals are the guarantors to solve the problem. Here, we aimed to determine the EA profiles and content in sclerotia of the Kirov population of C. purpureа and to search for rye and wheat genotypes resistant to ergot and with no EA accumulation to be used as sources of these traits in breeding. One hundred varieties of winter rye (Secale cereale L.) and spring soft wheat (Triticum aestivum L.) obtained from the collection of the Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR) and bred at the Rudnitsky Federal Agricultural Research Center of the North-East were tested in 2017-2019 for ergot resistance by artificial inoculation of flowers with a suspension of C. purpureа conidia (3×106/ml). EA profiles and amount were estimated by thin layer chromatography on silica gel plates (Silica gel F254, Merck, Germany). The metabolites were identified by co-chromatography with standards and by UV spectra (a UV-160A spectrophotometer, Shimadzu, Japan) and mass spectra (an LCQ Advantage MAX spectrometer, Thermo Finnigan, Germany). Most of the tested samples were susceptible to ergot. In wheat, only two varieties were immune (Novosibirskaya 18 and a new line T-66) and 13 varieties were relatively resistant with a lesion level of no more than 5.2 % and a sclerotia content in grain of no more than 0.3 % vs. 21.7 % and 1.5 % in the most susceptible (indicator) variety. In winter rye, immune forms were absent, in 10 varieties, the lesion varied from 5.8 % to 33.0 % and sclerotia contamination of grain from 0.3 % to 1.4 % vs. 100 % and 37.0 % in the indicator) variety). The immune and least affected varieties of rye and wheat can be used in breeding programs as genetic sources for the trait. The EA composition and amount in the fungus C. purpurea sclerotia were analyzed in 30 varieties of rye and wheat with different susceptibility to ergot. The EA composition was the same and consisted of ergocristine, ergotamine, and its stereoisomer ergotaminine. Only in the Kazakh wheat variety Samgau, we identified one EA, the ergotamine. The amount of EA in sclerotia varied from 0 % to 0.36 % of their weight for rye plants and from 0 to 2.40 % for wheat plants. Nine new rye populations bred at the at the Rudnitsky Federal Agricultural Research Center of the North-East and four wheat varieties do not accumulate EA. A weak negative relationship was found between the weight of a sclerotium and the EA accumulation, r = -0.46 (p = 0.05) for winter rye and r = -0.32 (p = 0.05) for spring wheat. The revealed tendency increases the biological hazard of the small and most difficult to separate fraction of sclerotia in the grain mass. No significant relationship was found between the toxicity and pathogenicity of the fungus C. purpurea as evidenced by the correlation between the ergot occurrence and the EA content in the rye (r = 0.22, p = 0.05). Nevertheless, data on the EA level are important for the search for immunologically and breeding-valuable genotypes that combine resistance to ergot and no EA accumulation. This trait is characteristic of the German wheat variety Epos and the new rye populations Rumba, Harmony, and Symphony.
Keywords: winter rye, spring wheat, ergot, Claviceps purpurea, sclerotia, resistant cultivars, ergo alkaloids, toxicity, pathogenicity.
1ФГБНУ Федеральный аграрный научный центр |
Поступила в редакцию |
