Гены устойчивости зернобобовых культур к болезням и вредителям:
Горох (Pisum sativum L..)

автор:

Перечень генов устойчивости к болезням и некоторых линий и сортов гороха — носителей этих генов, а также сведения об их локализации на хромосомах приведены в таблице 1

Афаномикоз (A. euteiches Drechs). Пока не идентифицированы и не локализированы гены, контролирующие устойчивость к афаномикозу. Marx et al. пришли к выводу, что наследование устойчивости гороха к афаномицетной корневой гнили контролируется независимо несколькими доминантными генами, сцепленными с нежелательными генами, что затрудняет селекцию на ее повышение. В скрещиваниях устойчивой линии G-213 с восприимчивыми сортами показано, что устойчивость доминантна и генетически сцеплена с тремя нежелательными дикими признаками — антоциановой пигментацией, длинными междоузлиями, черным рубчиком, которые контролируются соответственно доминантными аллелями трех различных несцепленных между собой локусов А, Le, PI.

В ВИРе им. Н.И. Вавилова из комбинации скрещивания (Пелюшка Коричневая и Труженик) отобрана светлосемянная линия РБА, устойчивая к афаномикозу на ранних фазах онтогенеза (85%). Предполагается, что устойчивость контролируется дупликатными генами Ae1 и Ае2 (Романова, 1990, устное сообщение).

Бледно-пятнистый аскохитоз (А. pisi). Устойчивость гороха контролируется одним рецессивным и тремя доминантными генами (табл.1). Идентифицировано несколько рас патогена. Устойчивость к расе „с“ обусловлена геном гар-1, локализованном в хромосоме IV. При анализе с помощью молекулярных маркеров некоторые QTL-маркеры были локализованы на хромосомах I, IV и VI и связаны с А.pisi устойчивостью к расе «с».

Таблица №1
Идентифицированные гены и доноры олигогенной
устойчвости к болезням у гороха (Pisum sativum L.)
ПатогеныГены устойчиво­стиХромосома, сцепление с другими генамиДоноры устойчивости
Aphanomyces euteichesДоминант­ный ген или сцепленные полигены G213
с Le, А или Р1Capella - толерантный
Ascochyta pisiRap-14 (Le?)
Rap-21 I, GriNicolson, Rondo
Rap-3Servo (vir 5072)
Rap-44 (Le?)
Erysiphe pisiЕг-13 BraJG210, JI 1210 и др.
Ег-2 JI 2480
Fusarium oxysporum f. sp. Pisi раса 1Fw-14 (td-14-Fw-1-9-Br)NGB 1741, NGB 2184
раса 2Fnw4
раса 4Рецессивный
раса 5Fw-5/Fwf(4)
раса 6Fw-3
Mycosphaerella pinodes
syn. (Ascochyta pinodes)
Rmps-1 JI 103, JI 1089, JI 252
Rmps-2 JI 96
Rmps-З
Rmps-4
Rmpf-1(4)JI 103, JI 252, JI 1089
Rmpf-2
Rmpf-З
Rmpf-4
Доминант­ный(7)(R?)
Peronospora syringae pv. pisiRpv-1 NGB 1363, NGB-1396
Rpv-2 NGB-1363
Rpv1 (Д-Rpv-af)NGB-1527
Phoma medicaginis
var. pinodella (syn. A. pinodella)
Полигены
Доминант­ный(7)Nicolson
Phytium ulti­mumДоминант­ный
Uromyces pisi, U. fabaeДоминант­ный JPY, 179, Batri Brown, Pea 9
Pseudomonas syringae5 доминант­ных генов Messire к расам 1,2,3 и 5
pv. pisi расы 1—71 рецессив­ный Fortuna-неспецифическая уст. ко всем расам, кроме р.6
P. abyss. (JI2202, JI1640) - уст. ко всем 7 расам
Вирус желтой мо­заики фасоли (BYMV) и обык­новенной мозаи­ки гороха (PCMV) Мо2(К-5-mo)NGB-1737
(wb-K-Pgm-p-2-mo)
(mo-2-sbm)
Вирус пожелте­ния жилки листа клевера (CYVV)CYV2 сцеплен с mo
СYV-2
Вирус деформи­рующей мозаики гороха (PEMV)Еn3(En-31-st)NGB-2176
Вирус мозаики листьев гороха (PLMV)Pmv
Вирус скручива­ния листьев горо­ха (PLRV)Lr NGB-2066
Вирус мозаики семян гороха (PSbMV)Sbm-16 (wlo-2-sbm-1)NGB-1778, NGB-1779
6 (Pl-sbm-1-24-Р)
Sbm-22 (mo-sbm2)
Sbm-36
Sbm-46
Вирус полосатости гороха (PSV)Рецессивный ген

Гены Rap-1 и Rap-4, вероятно, сцеплены в хромосоме IV с локусом Le, контролирующем в доминантном состоянии длинные междоузлия и высокорослые растения, в рецессивном (le) — короткие междоузлия, стебель зигзагообразный, растения низкорослые. Ген Rap-2, локализированный в хромосоме I, сцеплен с локусом I-i (оранжево-желтые-зеленые семядоли) и Gri-gri (сероватая срединная полоса вокруг семени по контуру семядолей — ее отсутствие).

Зимующий горох Nicolson является наиболее устойчивым, как к различным расам A.pisi, так и A.pinodella. Антоциановый пигмент, обильно содержащийся в растениях этого сорта, является губительным для возбудителя аскохитоза.

Темнопятнистый аскохитоз (M. pinodes) является одной из самых вредоносных и широко распространенных болезней гороха на всех континентах. Наиболее глубокие генетические исследования М.pinodes были проведены в Великобритании Clulow, Lewis и Matthews в 80—90 гг. XX столетия. В результате проведенных исследований было установлено следующее.

Устойчивостью к патогену обладают некоторые образцы из коллекции гермплазмы гороха JII (института Джона Иннеса), происходящие из Афганистана, Эфиопии и Сирии (JI96, 103, 252, 1089).

Было установлено два типа устойчивости: один проявляется на эпикотилях (стеблях) и другой на листьях, которые были найдены на всех устойчивых образцах. При изучении характера наследования устойчивости 7 линий гороха, у которых были устойчивы стебли и листья к М. pinodes, скрещивали с линией JI296 (сорт Chemin Long) с восприимчивыми стеблем и листьями. Во всех гибридах F1 устойчивость была доминантной по отношению к восприимчивости. Когда у растений F2 пяти гибридов были инокулированы стебли или листья, расщепление по генотипу 3 устойчивых: 1 восприимчивый показало, что устойчивость стебля или листьев контролируется одним доминантным геном.

При скрещивании линий JI97 и JI1089 с устойчивыми стеблями (УС) и листьями (УЛ) с линией с восприимчивыми стеблями (ВС) и листьями (ВЛ) каждое растение F2 было инокулировано. Гибридологический анализ показал, что расщепление соответствовало дигибридной модели: 9 (УСЛ) : 3 (УЛ) : 3 (УС) : 1 (ВСЛ) или 15У : 1В, и гены устойчивости стебля и листьев неаллельны и наследуются независимо друг от друга. Они обозначены Rmps (УС) и Rmpf (УЛ). Всего идентифицировано 4 гена Rmps и 4 гена Rmpf. Генетическая природа устойчивости гороха к M pinodes открывает возможность создания линий и сортов с комбинированной устойчивостью стебля и листьев, хотя практически ус-тойчивость стебля имеет большее значение.

Мучнистая роса (Erysiphe pisi). Идентифицировано 2 рецессивных гена устойчивости гороха к Е.pisi — еr1- и еr-2 и несколько доноров различного происхождения: доноры гена еr-1: Highlight (Швеция), JI1559 (Mexique 4), JI210 (Индия), JI1951 (Китай), JI82 (Афганистан), JI1210 (США); донор гена еr-2 JI2480 (Великобритания). Ген ег-1 локализован в хромосоме 3, сцеплен с локусом Bra-bra (во взаимодействии с Вг обуславливает развитие крупного прицветничка — без прицветничка) и, вероятно, с локусом Gty-gty (семенная кожура мелкозернистая с правильно распределенными мелкими выпуклостями — гладкая).

В связи с тем, что сведения о генетике устойчивости гороха к Е.pisi противоречивы, методы RAPD и AFLP-анализов были успешно использованы для идентификации молекулярных маркеров генов устойчивости. Устойчивые образцы сорта (УС) гороха были скрещены между собой и с восприимчивыми сортами (ВС). Поколения F1 и F2 оценивали в полевых условиях. Изоляты патогена были собраны с посевов гороха в разных штатах США и Канады, а гибридные линии оценивали в 6 различных пунктах земного шара.

Для идентификации RAPD-маркеров, сцепленных с er-1, скрещивали УС Highlight с ВС Radley и 57 растений F3 были оценены с праймерами Operon из университета Британской Колумбии при использовании bulked segregant анализа. RAPD-анализ был выполнен по Williams et al. Геномная ДНК была экстрагирована стандартным СТАВ методом. Гомозиготные потомства F4 гибрида JI2480/Radley использовали для идентификации маркеров, сцепленных с еr-2. Всего было оценено 128 AFLP праймерных комбинаций (8 EcoRI и 16 Msel праймеров). EcoRI праймер 5’-GACTGCGTACCAATTC-3’ (E) + три селективных нуклеотида и Msel праймер 5’-GATGAGTCCTGAGTAA-3’ (М) + три селективных нуклеотида были использованы для скрининга популяции из 81 индивидуума. AFLP-анализ выполнен по Vos et al.

Все потомства F1 комбинаций скрещивания У×В были восприимчивыми, а в F2 наблюдалось расщепление ЗВ:1У. Устойчивость сортов Highlight, АС Tanor, Тага, Mexique 4, Stratagem и линий JI210, JI1951, JI1210 контролировалась одним рецессивным геном еr-1.

В комбинации скрещивания Highlight / JI2480 все растения F1 были восприимчивы с генотипом Еr-1 Еr-2 , а в поколении F2 наблюдалось расщепление по дигибридному типу 9В : 7У, т. к. устойчивость линии JI2480 обусловлена другим неаллельным рецессивным геном еr-2. Устойчивость, контролируемая геном еr-1 хорошо проявлялась в полевых и лабораторных условиях, а ген еr-2 не экспрессировал в лабораторных условиях.

Вирулентность используемых изолятов Е.pisi на различных сортах и линиях гороха была сходна в различных географических точках, за исключением Непала, где проявилась вариабильность патогена. Испытанные сорта и линии, за искючением Mexique 4, предложено использовать в качестве линий-дифференциаторов. Устойчивость Mexique 4 (JI1559) не была преодолена ни одним из испытанных изолятов ни на отдельных образцах листьев, ни в полевых условиях Северной Америки, Европы и Непала. Хотя Heringa et al. (1969) утверждали, что Mexique 4 имеет оба гена устойчивости еr-1 и еr-2, результаты Tiwari et al. показали, что этот сорт все-таки обладает только одним геном устойчивости еr-1.

Ампликоны трех Орегоп праймеров: ОРО-18, ОРЕ-16 и OPL-6 были сцеплены с еr-1. OPO-181200 был сцеплен в транс-положении с еr-1 и рекомбинантов не было отмечено. ОРЕ-161600 (4±2сМ) и OPL-61900 (2±2сМ) были сцеплены с ег-1 в цис-положении. Фрагменты ОРО-181200 и ОРЕ-161600 секвенированы с обозначением специфических праймеров. Специфическая праймерная пара Sc-OPO-181200 будет полезной для идентификации гомозиготных устойчивых индивидуумов в F2 и последующих расщепляющихся регенерациях. Sc-OPE-161600 найдет самое большое применение в отборе гетерозиготных BCnF1 индивидуумов в беккроссовых селекционных программах.

Среди 128 AFLP праймерных комбинаций, испытанных для идентификации маркеров, сцепленных с еr-2, три комбинации были сцеплены в транс-положении с еr-2 и одна комбинация в цис-положении с еr-2.

Интрогрессия обоих генов устойчивости в один сорт гороха может увеличить продолжительность устойчивости. Так как еr-1 обеспечивает высокий уровень устойчивости, идентификация линий, несущих оба гена представляется трудной при использовании обычных методов. Поэтому, использование молекулярных маркеров для идентификации генов устойчивости намного упрощает их интрогрессию в один геном гороха.

Ген ег-1 представлен во многих сортах и линиях гороха и обеспечивает высокий уровень устойчивости. Ген ег-2 обеспечивает только частичную устойчивость. Попытки продолжения идентификации, инкорпорации дополнительных генов устойчивости и пирамидирования генов могут быть осуществлены при использовании молекулярных маркеров.

Фузариозное увядание (Fusarium oxysporum f. sp. pisi). В табл. 1 представлены 4 доминантных и 1 рецессивный гены устойчивости к F. pisi и, соответственно, 5 различных физиологических рас патогена. Следовательно, в этом случае мы имеем типичную картину расоспецифической устойчивости, которая чаще непродолжительна, но из этого правила есть исключения. Так, ген Fw, который присутствует в 50% сортов гороха, сохраняет эффективную устойчивость к F. oxysporum pisi (раса 1) в течение 20 лет. Ген Fw-1 локализован в хромосоме IV, сцеплен с локусом Td-td (листочки зубчатые — цельнокрай-ние) и локусом Br-br (вместе с геном Bra - крупный прицветничек -без прицветничка; гетерозигота обуславливает развитие маленького прицветничка). Хотя новый ген Fnw, эффективный против расы 2, еще не использован так широко в коммерческих сортах, тем не менее также обладает способностью контролировать высокостабильную устойчивость. Наиболее устойчивые образцы к расе 1 происходят из Эфиопии, Индии, Турции. Гены Fw и Fnw находятся в хромосоме IV и между ними имеется слабое сцепление — частота перекреста равна 40%.

В 1987 г. описан новый ген Fwf, контролирующий устойчивость к расе 5 F.oxysporum pisi и локализированный также в хромосоме IV. Доминантные гены устойчивости к расам 5 и 6 достаточно долгое время не использовались в коммерческих сортах гороха.

Анализ устойчивости гороха к фузариозу и другим болезням с использованием молекулярных маркеров позволил установить следующее: RLFP-маркеры р.252, р.254, р.248, р.227, р. 105, р.236 и RAPD-маркеры Н19, У14, У15 сцеплены с генами устойчивости mо, Fw, ег.

Ложная мучнистая роса гороха (Peronosporosa pisi). Устойчивость к Р.pisi контролируют 2 рецессивных (rpv-1 и rpv-2) и 1 доминантный ген (Rpv). Ген Rpv локализован в хромосоме 1 и сцеплен с локусами D—d (антоциановая пигментация в пазухе прилистника — ее отсутствие) и Af—af (листья обычные — листочки превращены в усики). В Шведском генбанке (NGB) имеются доноры всех трех генов устойчивости.

Ржавчина (Uromyces pisi, U. fabae). Устойчивые к ржавчине линии гороха JPY, 179, Batri Brown и Pea 9 скрещивали с сильновосприимчивыми сортами Т163, PG-3 и Hans для изучения характера наследования при искусственном заражении. В F1, все растения были устойчивыми, а в F2 наблюдали расщепление на устойчивые и восприимчивые, на основе чего сделан вывод о доминантном моногибридном характере наследования устойчивости.

Бактериоз гороха (Pseudomonas syringae pv.pisi — Psp. ). Бактериоз, вызывающий значительное снижение урожая и качества семян обнаружен в большинстве горохосеющих ареалов мира. У Psp известны 7 физиологических рас и взаимодействие сорт — патоген соответствует теории Флора «ген-на-ген», т. е. проявляется типичная картина расоспецифической устойчивости. К сожалению, среди культурных сортов и линий пока не обнаружена устойчивость к расе 6, хотя примитивные образцы Pisum abyssinicum проявили устойчивость стеблей ко всем 7 расам патогена.

Elvira-Recuenco и Taylor провели эксперимент по изучению наследования нерасоспецифической устойчивости образцов Р. abyssinicum при их скрещивании с культурными сортами гороха. Для этого два сорта гороха, Kelvedon Wonder (восприимчивый ко всем расам) и Fortune (устойчивый ко всем расам, кроме расы 6) скрещивали с двумя образцами Р. abyssinicum: JI2202 и JI1640. Растения F2 и семена F3 инокулировали типичным штаммом расы 6 Psp. Результаты отмечали через 7—10 дней после инокуляции. Типичная реакция восприимчивости заключалась в распространении области поражения от места инокуляции, в то время как типичная устойчивая реакция проявлялась в некрозе, локализованном в точке инокуляции.

В связи с количественной природой устойчивости к Psp, происходящей от P.abyssinicum, учет устойчивости в расщепляющемся материале достаточно сложен. В поколении F2 расщепление было близко к соотношению 2В:1У. Наличие малых генов с аддитивными эффектами приводит к предположению о реакции неспецифической или частичной устойчивости.

У части гибридов в F2 наблюдалось расщепление 3:1 по высоте растения (высокий:карлик) и восприимчивости : устойчивости, что указывает на контроль устойчивости одним рецессивным геном.

Cousin et al. приводят перечень всех сортов-дифференциаторов гороха, позволяющий идентифицировать физиологические расы паразита (табл. 2).

Таблица №2
Шкала устойчивости сортов-дифференциаторов гороха
к расам Pseudomonas syringae pv.pisi.
Сорта-дифференциаторыРасы
123456
LincolnRRRRRS
ProgretaRRRSRS
AbadorRRSRRS
PartridgeRSRRRS
BelindaRSRSSS
Early OnwardSRSSRS

Анализ расщепления среди линий F3 при скрещивании между сортами-дифференциаторами позволил изучить генетику специфической устойчивости к расам.

Было установлено, что устойчивость к расе 2 контролируется одним доминантным геном; к расам 3, 4 и 5 соответственно одним рецессивным геном. Доминантный ген устойчивости к расе 2 также определяет устойчивость к расе 5.

Вирусные болезни гороха. Matthews называет 7 основных вирусов, поражающих горох и некоторые другие зерновые бобовые культуры: BYMV, CYVV, PEMV, PLMY, PLRV, PSbMV, PVS.

Устойчивость гороха к вирусам обыкновенной мозаики гороха и желтой мозаики фасоли контролируется рецессивным геном то, расположенным на хромосоме II. Ген то тесно сцеплен с локусом К—k (крылья нормальные — редуцированные до размера лодочки, которую тесно облегают); Wb—wb (вместе с Wa, Was, Wla, Wsp растения имеют нормальный восковой налет — слабый, бобы без воскового налета). Донором гена mo может служить образец NGB1737. Этот ген несет устойчивость ко всем штаммам ВYMV и PCMV.

Описано также несколько линий кормовых бобов, устойчивых к штаммам BYMV, а также устойчивость к этому вирусу идентифицирована у фасоли и нута. Локализация генов устойчивости и их сцепление с другими полезными генами приведены в табл. 2. Ген sbm1, контролирующий устойчивость гороха к PSbMV, локализован в хромосоме VI и тесно сцеплен с локусами: Wlo—wlo (нормальный восковой налет — листочки без воскового налета); Рl—рl (рубчик темный — светлый); Р—р (нормальный пергаментный слой в створках боба вместе с V — отсутствие пергаментного слоя в генотипе ppvv или разорванный пергаментный слой в генотипе ppVV).

Всего 4 рецессивных гена sbm 1, sbm 2, sbm З и sbm 4 контролируют устойчивость гороха к трем обычно встречающимся патотипам PSbMV и они успешно используются в селекционных программах. Кроме того, гены sbm 2 и sbm З придают устойчивость к чечевичному штамму PSbMV а sbm 4 к PSbMV-Р4. sbm 2 сцеплен с геном то на хромосоме II, а гены sbm1, sbmЗ, sbm4 расположены в кластере, локализованном на хромосоме VI.

Устойчивость гороха к PEMV (деформирующая мозаика гороха) контролируется доминантным геном Еn, но эта устойчивость преодолевается некоторыми недавно открытыми штаммами вируса. Ген En локализован в хромосоме III и сцеплен с локусом St—st (прилистники нормальной величины — сильно редуцированные).

Было обнаружено сцепление некоторых генов устойчивости с изозимными маркерами: Еn с Adh-1, FW с Est-s и mo с Pgm-p. Кроме того, с генами mo, FW, ег сцеплены молекулярные маркеры: RLFP-маркеры р. 252, р. 254, р. 248, р. 227, р. 105, р. 236 и RAPD-маркеры Н19, У14, У15.

Антоциановая пигментация растения связана с устойчивостью ко многим болезням, в связи с чем не всегда ясно, устойчивость связана с экспрессией отдельного гена или плейотропным эффектом генов, кодирующих антоциановую пигментацию. Среди бело- и зеленосе-мянных сортов гороха комплексной устойчивостью к аскохитозу и корневым гнилям отличаются сорта Laga, Hijlgro, Pouli, Flavanda, Dick Trom, Rovar.

Замена доминантных аллелей рецессивными в беккроссовых скрещиваниях снижала степень устойчивости к вирусу. Подобная картина была отмечена при изучении устойчивости гороха к корневой гнили, вызываемой F. solani f. pisi и Pythium ultimum.

Устойчивость, наследуемую по материнской линии, не удавалось передать хозяйственно ценным, но восприимчивым сортам из-за сцепленности с доминантными генами, обуславливающими антоциановую пигментацию растения (локус А) и пигментацию семенной оболочки рубчика (локусы F, M и PI).

При анализе расщепляющихся поколений гибридов между устойчивыми и восприимчивыми линиями установлено положительное влияние гена А на устойчивость, что объясняется ингибирующим воздействием флавоноидов.