Молекулярно-биологические аспекты проблемы патогенеза и иммунитета растений – Устойчивость винограда к вредителям и болезням

Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Павлюшин В. А., Афанасенко О. С., Вилкова Н. А.

Текст научной работы на тему «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам»

Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам

О.С. АФАНАСЕНКО, Н.А. ВИЛКОВА

Исследования по иммунитету растений к болезням и вредителям и селекция устойчивых сортов сельскохозяйственных культур являются в настоящее время приоритетными направлениями агрономической науки. На первой всероссийской конференции по иммунитету растений к болезням и вредителям, состоявшейся в 2002 г. в Санкт-Петербурге, обсуждались актуальные вопросы экологии сельского хозяйства, в частности, новые подходы к созданию и использованию в производстве устойчивых к болезням и неповрежда-емых вредителями сортов сельскохозяйственных культур. Особое внимание было уделено механизмам естественного и индуцированного иммунитета, генетике, новым методам селекции растений, основанным на использовании современных достижений генетики и генной инженерии.

За прошедшие шесть лет в условиях продолжающейся дестабилизации фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий задача насыщения агроценозов устойчивыми к болезням и вредителям сортами сельскохозяйственных культур приобрела еще большую значимость. Этой многоплановой теме и была посвящена вторая международная конференция «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам».

В ее работе приняли участие 87 человек из 28 научно-исследовательских учреждений Российской Федерации и Белоруссии. Выпущен сборник, в котором представлены материалы исследований 219 авторов.

На конференции работали четыре секции: «Общие вопросы имму-

нитета растений к вредным организмам» (председатель академик РАСХН В.А. Павлюшин), «Взаимоотношения паразитов и растений-хозяев, механизмы иммунитета растений к болезням и вредителям» (председатели Н.А. Вилкова, Н.В. Ми-роненко); «Изменчивость и структура популяций фитопатогенных микроорганизмов и вредителей»(председатели Л.А. Михайлова, С.Р. Фа-сулати); «Генетические ресурсы устойчивости растений к вредным организмам и успехи селекции в создании устойчивых сортов сельскохозяйственных культур (председатели О.С. Афанасенко, И.Б. Абло-ва). Всего заслушано 53 доклада и 21 представлен в виде постерных сообщений.

Академик РАСХН В.А. Захаренко осветил основные направления и результаты исследований по иммунитету растений к вредным организмам в программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. Особое внимание было уделено научному обеспечению создания сортов сельскохозяйственных культур с групповой и комплексной устойчивостью к вредным организмам и их рациональному использованию в прогрессивных системах интегрированной защиты растений.

В.А. Павлюшин представил ретроспективу иммунологических исследований в ВИЗР, подчеркнув, что современные исследования в данной отрасли знаний базируются на проверенных временем фундаментальных разработках предыдущих поколений ученых, таких как Н.И. Вавилов, Т.И. Федотова, И.Д. Шапиро, Н.Н. Гусева и др. Об этом же говорил и академик РАСХН М.М. Левитин

в выступлении, посвященном 100-летию со дня рождения М.В. Горленко, внесшего существенный вклад в науку об иммунитете растений к болезням.

Председатель Северо-Западного научно-методического центра Рос-сельхозакадемии академик РАСХН И.А. Тихонович в своем докладе «Иммунитет микробно-раститель-ных систем» представил материалы многолетних исследований молеку-лярно-генетических взаимоотношений микробов-симбионтов с растениями-хозяевами, проведя параллель с паразитическими взаимоотношениями, особенно в механизмах узнавания растениями их паразитов и симбионтов. Проблеме единых механизмов врожденного иммунитета у эукариот был посвящен доклад профессора МГУ Ю.Т. Дьякова.

Н.А. Вилкова рассмотрела биоце-нотическое значение иммуногене-тической системы растений в функционировании агроэкосистем. А.В. Конарев с соавторами представили материалы о роли протеи-наз вредных организмов и их ингибиторов в иммунитете растений.

Современные проблемы иммунитета растений к болезням, включающие методологическое обоснование селекции сортов сельскохозяйственных культур с длительной групповой и комплексной устойчивостью и рациональное использование генетических ресурсов устойчивости были освещены в докладе О.С. Афа-насенко.

В.А. Пухальский представил результаты многолетних молекулярно-генетических исследований сотрудников Института общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН по проблемам естественного и приобретенного иммунитета растений к болезням.

Известно, что одним из принципов поддержания стабильного фитосанитарного состояния агроце-нозов является использование генетического разнообразия устойчивости сельскохозяйственных культур. Этой проблеме был посвящен и доклад Е.Е. Радченко (ВИР).

В докладе Т.А. Гавриленко (ВИР) были представлены материалы по возможностям молекулярно-гене-тических методов для оценки генетического разнообразия культурных и диких видов картофеля по устойчивости к болезням и вредителям.

Академик РАСХН Л.А. Беспалова и И.Б. Аблова (КНИИСХ) сообщили о реализации в Краснодарском крае принципа поддержания генетической разнородности посевов с разным уровнем устойчивости для предотвращения эпифитотий. Использование мозаики из 24 сортов пшеницы с различным уровнем устойчивости к бурой ржавчине позволило свести это заболевание в основном зерносеющем регионе России почти на нет.

Были рассмотрены проблемы и перспективы индуцированной защиты растений от вредных организмов (В.Н. Буров и С.Л. Тютерев, ВИЗР), различные механизмы иммунитета растений к вредным организмам (Н.В. Мироненко, ВИЗР; Л.Я. Плотникова, Омский ГАУ; Л.Г. Яруллина, Институт биохимии и генетики Уфимского центра РАН) определены морфологические механизмы устойчивости сахарной свеклы к церкоспорозу (О.И. Сто-гниенко, Всероссийский НИИ сахарной свеклы и сахара имени А.Л. Мазлумова) и озимой пшеницы к вредной черепашке (Л.И. Нефедова, ВИЗР), обсуждены значение сортов сельскохозяйственных культур в формировании и функционировании консорций в агроцено-зах на примере овощных культур (Б.П. Асякин, ВИЗР), изменчивость природных популяций возбудителей заболеваний и связанные с этим проблемы селекции зерновых культур к болезням (Г.В. Волкова, ВНИИБЗР; Т.С. Маркелова, НИИСХ Юго-Востока, Л.А. Михайлова, ВИЗР, Т.П. Градобоева, Фаленская селекционная станция НИИСХ Северо-Востока), адаптивная изменчивость структуры популяций насекомых-фитофагов в условиях агроэкосистем (С.Р. Фасулати и А.Б. Верещагина, ВИЗР).

Использование ДНК-маркеров позволило получить новые знания по молекулярно-генетическим аспектам взаимоотношений паразитов и хозяев и изучению генетического разнообразия устойчивости и полиморфизма популяций возбудителей болезней (А.А. Славохотова, М.П. Плях-невич и С.Н. Еланский, Е.И. Гультяе-ва, С.В. Дженин, Е.А. Салина).

Наиболее представительной по числу участников оказалась секция «Генетические ресурсы устойчивости растений к вредным организмам и успехи селекции в создании устойчивых сортов сельскохозяйственных культур», на которой были представлены материалы по созданию и использованию доноров устойчивости зерновых (И.Б. Аблова, О.С. Афана-сенко, Е.Б. Будашкина, И.Г. Лоскутов, Е.Е. Радченко и М.Н. Берим, Л.Г Тырышкин и М.А. Колесова), кукурузы (В.Г. Иващенко), подсолнечника (Ю.К. Шашко и О.С. Свиридова), картофеля (Е.В. Рогозина, В.А. Колобаев), льна (Т.В. Крылова), сахарной свеклы (О.И. Стогниенко), ягодных культур (Н.В. Галицина).

Созданные в ВИР, ВИЗР, КНИИСХ, ВНИИБЗР, НИИСХЦРНЗ, ВНИИССОК, Институте цитологии и генетики СО РАН, НИИСХ Юго-Востока, НИИСХ Северо-Востока, Краснодарском НИИ овощного и картофельного хозяйства, ВНИИ льна коллекции источников и доноров устойчивости сельскохозяйственных культур имеют практическую ценность и являются значительным резервом в селекции устойчивых к вредным организмам сортов.

В решении конференции отмечен возросший научно-методический уровень исследований, особенно связанных с изучением механизмов взаимоотношений возбудителей болезней и вредителей с растения-ми-хозяевами,анализом микроэволюционных процессов в популяциях вредных организмов, созданием генетических коллекций доноров устойчивости. Представленные на конференции материалы свидетельствуют о прогрессе в исследованиях в области иммунитета растений и

многостороннем изучении явлений устойчивости сельскохозяйственных культур к разным видам патогенов и вредителей. Для многих сельскохозяйственных культур разработана методологическая и методическая база для успешной селекции сортов с групповой и комплексной устойчивостью и их использования в сельскохозяйственном производстве. Материалы, представленные на конференции, наглядно демонстрируют не только современные направления исследований в области иммунитета растений к болезням, но и перспективы их развития. Необходимо углубленное изучение межорганизменной генетики -молекулярного картирования геномов как растений, так и патогенов, клонирование генов устойчивости и генов вирулентности и изучение их функций. Остаются актуальными проблемы эволюции популяций возбудителей болезней, выявление эволюционного потенциала наиболее вредоносных видов, дивергенции популяций по отношению к видам растений-хозяев, определение конкурентоспособности на видовом и внутривидовом уровнях в условиях конкретных агроценозов, влияние абиотических и биотических факторов на экспрессию признака устойчивости. По-прежнему актуально расширение генетического разнообразия устойчивости, обоснование возможности создания сортов с длительной групповой и комплексной устойчивостью, разработка био-ценотических и иммунологических принципов использования устойчивых к вредным организмам сортов. Молекулярные маркеры устойчивости в будущем, безусловно, будут широко использоваться в селекции, так как позволяют значительно повысить эффективность и сократить время селекции.

В условиях изменяющегося климата нельзя оставлять без внимания изменения фитосанитарной ситуации. Возникновение новых болезней и усиление вредоносности известных поставят новые задачи перед селекционерами, и к ним нужно готовиться заранее.

Легкорастворимые белки листьев винограда в связи с фазами вегетации и устойчивостью к филлоксере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.12, кандидат биологических наук Рудышин, Сергей Дмитриевич

• Специальность ВАК РФ 03.00.12
• Количество страниц 142

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Рудышин, Сергей Дмитриевич

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1 Физиолого-биохимические факторы устойчивости виноградного растения к болезням и вредителям.

2.1.1 Участие белков и ферментов в механизмах филлоксероустойчивости винограда

2.1.2 Роль белковых веществ в устойчивости виноградного растения к вирусным и грибным заболеваниям

2.2.Полиморфизм белков и ферментов и его значение в исследованиях по таксономии, генетике и селекции винограда.

2.3 Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Материал, место проведения и методы выполнения исследований.

3.1.1 Материал исследований

3.1.2 Место и условия проведения работы

3.1.3 Методы выполнения исследований

3.1.4 Усовершенствование метода выделения и электрофоретического разделения легкорастворимых белков и пероксидазы листьев винограда ‘.

3.2 Изучение содержания легкорастворимых белков, сухого вещества, активности пероксидазы листьев и её множественных молекулярных форм в связи с устойчивостью виноградного растения к филлоксере и патогенной микрофлоре

3.2.1 Изменения уровня легкорастворимых белков в листьях индикаторных по степени устойчивости сортов винограда в процессе вегетации

3.2.2 Динамика содержания сухого вещества в листьях исследуемых сортов винограда

3.2.3 Характер изменений показателя общей активности пероксидазы листьев в процессе вегетации индикаторных сортов

3.2.4 Молекулярный полиморфизм пероксидазы листьев сортов винограда, различающихся по степени устойчивости к филлоксере и патогенной микрофлоре.

3.3 Анализ электрофоретических спектров пероксидазы листьев как маркеров генотипа виноградного растения.

3.3.1 Исследование некоторых видов и сортов винограда по показателю молекулярного полиморфизма пероксидазы листьев

3.3.2 Изучение множественных молекулярных форм пероксидазы листьев у гибридов винограда и их родительских форм.

5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ВЫВОДОВ.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физиология и биохимия растений», 03.00.12 шифр ВАК

Роль слабосвязанных с клеточной стенкой пероксидаз в устойчивости растений к биотическому стрессу 2008 год, доктор биологических наук Граскова, Ирина Алексеевна

Фракционный состав, термоустойчивость белков и пероксидазы листьев яровой пшеницы в условиях суховея Северного Казахстана 1984 год, кандидат биологических наук Саймасаев, Сатбай Саймасаевич

Изучение активности и изоферментного состава пероксидазы, малат- и глутаматдегидрогеназ в процессе развития пшеницы 1984 год, кандидат биологических наук Ережепов, Адил

Физиологические процессы винограда в зависимости от биологических особенностей прививочных компонентов и экологических условий 1984 год, кандидат биологических наук Тогонидзе, Георгий Владимирович

Закономерности роста и плодоношения внутривидовых и межвидовых сортов винограда в зоне неукрывной культуры 2002 год, доктор сельскохозяйственных наук Ключникова, Галина Николаевна

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Легкорастворимые белки листьев винограда в связи с фазами вегетации и устойчивостью к филлоксере»

В решениях майского Пленума ЦК КПСС (1982г.) и Продовольственной программе СССР на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее развитие и рост эффективности всех отраслей сельского хозяйства, всемерная интенсификация его производства. Среднегодовое производство винограда в одиннадцатой пятилетке намечено довести до 7,5-8 млн.тонн, а в двенадцатой – увеличить до 10-11 млн.тонн.

Большим препятствием для развития виноградарства являются болезни, вредители и неблагоприятные факторы внешней среды.

Виноградарями мира на площади около 10 млн.га (из них 7,5 млн.га находится в Европе) выращивается в среднем 50-56 млн.тонн винограда, а потери составляют в пределах 26 млн.тонн в год. Кроме того, значительные затраты средств защиты и трудовых ресурсов на борьбу с болезням и вредителями увеличивают не только стоимость получаемой продукции, но и степень загрязнения окружающей среды. Поэтому наиболее рациональным, экономически и экологически оправданным методом борьбы с потерями урожая является выведение и внедрение в производство комплексно устойчивых сортов.

В постановлении Партии и Правительства по решению Продовольственной программы непосредственно перед селекционерами поставлена задача:”. усилить работы по селекции новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур”, “. создать и внедрить сорта, устойчивые к неблагоприятным факторам среды, невосприимчивые к болезням и вредителям,”

Однако на выведение нового сорта винограда, отвечающего современным требованиям селекции и оценку его генотипических особенностей обычно уходят целые десятилетия. В связи с этим, одной из актуальных задач современной физиологии и биохимии растений является разработка экспресс-методов диагностики генотипической специфичности виноградного растения с целью ускорения селекционного процесса.

Генетическая обусловленность синтеза белков (ферментов), позволяет многим исследователям использовать их в качестве маркеров специфичности свойств и признаков растений (Ушгкинсон Дх., 1968; Корочкин Л.И. и др.,1977; Созинов A.A., Рыбалка А.И., 1981; Кона-рев В.Г., 1982; Райдер К., Тейлор К., 1983).

Ранний отбор растений с ценными признаками, более точное и полное описание структуры генотипа существующих или вновь создаваемых сортов на основе изучения баяков и ферментов представляет большой интерес для практики сельского хозяйства, что в конечном счете ведет к его интенсификации.

Научная новизна -работы

На основании исследований эталонных по устойчивости и новых комплексно устойчивых сортов винограда селекции института “Мага-рач” впервые установлено, что в период цветения контрастно проявляется зависимость: чем устойчивее растение к филлоксере и патогенной микрофлоре, тем выше уровень легкорастворимых белков в лис-‘, тьях.

Выделены стабильные маркеры генотипа – “основные модели” электрофоретических спектров пероксидазы.

Установлены сходства и различия некоторых видов рода по изоформам пероксидазы листьев.

Внесены модификации в режимы и параметры выделения и электро-форетического разделения легкорастворимых белков и пероксидазы листьев, позволяющие получить дополнительную информацию о молекулярном полиморфизме пероксидазы виноградной лозы.

Теоретическая и практическая значимость •работы

Полученные данные расширяют знания о роли белковых веществ в процессах устойчивости виноградного растения к филлоксере, вносят определенных вклад в раскрытие структуры генотипа винограда на основе изучения изоферментов пероксидазы листьев.

Выявленные корреляционные зависимости, диагностические при£- ‘ >наки и теоретические выводы данной работы рекомендованы для использования в последующих исследованиях в области физиологии, биохимии, генетики и селекции винограда. Результаты исследований полиморфизма пероксидазы листьев винограда вошли в руководство “Методические рекомендации по современным методам анализа и эксперимента” (1980г.).

Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях секции Ученого совета ВНИИ ВиВ “Магарач” по виноградарству (Ялта, 1980-1982 гг.), научно-практической конференции ВНИИ ВиВ “Магарач” (Ялта, 1980 г.), координационном совещании по проблеме “Физиология и биохимия растений” (Харьков, 1981 г.), 1У Украинском биохимическом съезде (Днепропетровск, 1982 г.), совместном заседании Бюро Южного научного центра АН УССР и НКС Крымской области по проблеме “Развитие селекционных работ о применением новых методов для выведения высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных культур” (Ялта, 1983 г.).

ОГОРОДоведение

Ущерб, наносимый сельскому хозяйству болезнями и вредителями, огромен, поэтому выведение устойчивых сортов — одна из наиболее актуальных проблем современной селекции.

Устойчивость или восприимчивость растений — следствие взаимодействия двух генотипов (растения и патогена), следовательно, и эволюция их идет сопряженно. Устойчивость растения определяется различными факторами: ритмом роста и развития, анатомическими особенностями листьев, стеблей, цветков, физиологическими и биохимическими особенностями и т. д. Но фенотипическое проявление болезни определяется характером внешней среды — наличием условий для заражения и развития болезни. Знание этих условий позволяет создавать лучшие провокационные фоны для выявления и браковки поражаемых растений.

Создание устойчивости — самое трудное направление селекции. Вредители и особенно болезни имеют большой потенциал изменчивости, что в сочетании с их колоссальными способностями к размножению (каждая пустула ржавчины кукурузы производит до 40 тыс. спор) обеспечивает патогену высочайшие приспособительные возможности. Поэтому разнообразие рас и биотипов паразитов огромно. Так, у корончатой ржавчины овса установлено около 150 рас, у бурой ржавчины пшеницы — более 200 рас и т. д. Наиболее интенсивно процесс расообразования идет на полях селекционных учреждений, где имеется громадное разнообразие генотипов растений и, следовательно, патогенов. Вирулентность, агрессивность различных рас неодинаковы. Сорт может быть устойчив к одним расам паразита, но поражаться другими. Новый сорт при расширении его районирования может встретиться с теми расами, к которым он неустойчив. Вследствие этого, а также по ряду других причин сорт уже через 5—10 лет теряет устойчивость.

Селекция на иммунитет трудна и потому, что очень сложна генетика иммунитета, особенно генетика взаимоотношения хозяина и паразита. Растения с наиболее благоприятным сочетанием генов устойчивости встречаются крайне редко, и выявить их трудно. Устойчивость часто неблагоприятно коррелирует с другими ценными свойствами растений.

Оценка устойчивости дается либо по распространению болезни, либо по степени поражения растений. Первый способ обычно применяют при заболеваниях, поражающих целые растения (вирусные болезни, головня, спорынья и т. д.). Подсчитывают число пораженных и непораженных растений на делянке или в пробе и вычисляют процент поражения. Так же обычно оценивают и повреждение вредителями. Степень поражения характеризуется процентом поверхности листьев или стеблей, покрытых пустулами. Разработаны специальные шкалы, с которыми сравнивают пораженные органы растения. Так оценивается, например, поражение ржавчиной.

Оценку на иммунитет на фоне естественного заражения можно проводить только в годы сильного распространения болезни или вредителя.

Систематическая, целенаправленная селекция на иммунитет возможна только при использовании инфекционного фона, причем степень инфицированности должна быть оптимальной, так как слабый фон не гарантирует полного проявления болезни, и отобранный материал может оказаться недостаточно устойчивым. Нежелателен и слишком жесткий фон, при котором могут быть поражены и выбракованы растения, удовлетворяющие в настоящее время производство по своей устойчивости и сочетанию ценных признаков. Инфекционный фон можно создавать различными способами. Проявлению многих болезней способствуют севообороты с очень короткой ротацией, а еще в большей степени — монокультура.

Более эффективны методы, связанные с искусственным заражением путем внесения инфекции в почву (оценка заразихоустойчивости, устойчивости к корневым гнилям), инокуляции семян (заражение спорами твердой головни) и нанесения инфекции на стебли, листья или цветки растений (для заражения ржавчиной, аскохитозом). Инфицирование растений достигается также посредством инъекций, опыления и т. д. Для лучшего заражения некоторыми болезнями (ржавчины, мучнистая роса и др.) делянки обильно поливают и накрывают пленкой.

Применяют и искусственное заражение вредителями. Для этих целей в ряде стран широко применяется размножение вредителей на искусственных питательных средах.

Весьма перспективен для селекции многих культур метод создания многолинейных сортов. Такой сорт является смесью семян нескольких линий хорошего (обычно районированного) сорта, которые не различаются, по основным хозяйственно-биологическим показателям. Но в каждую из этих линий путем насыщающих скрещиваний введены гены устойчивости к различным расам патогена.

Применение многолинейных сортов замедляет процесс приспособления патогена к поражению такого сорта. Если какая – либо линия начинает поражаться новой расой болезни, то ее можно заменить другой, непоражаемой.

При создании устойчивых сортов пшеницы, подсолнечника, картофеля и других культур широко используется межвидовая гибридизация. Особое значение имеют скрещивания с видами, обладающими групповым иммунитетом, т. е. устойчивыми к ряду болезней (например, пшеница Тимофеева). Применяются также искусственный мутагенез и другие методы.

По ряду культур выведение устойчивых сортов позволило уменьшить потери урожая. Резко снижена вредоносность стеблевой ржавчины пшеницы, фитофторы и рака картофеля, заразихи подсолнечника, решена проблема спорыньи у ржи. Тем не менее, селекция на иммунитет остается весьма актуальной задачей.

Источники:

http://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-problemy-immuniteta-rasteniy-k-vrednym-organizmam
http://www.dissercat.com/content/legkorastvorimye-belki-listev-vinograda-v-svyazi-s-fazami-vegetatsii-i-ustoichivostyu-k-fill
http://ogorodstvo.com/rasteniyevodstvo/45/ustojchivost-k-boleznyam-i-vreditelyam.html