Введение
Актуальность изучения вирусных
заболеваний растений обусловлена тем исключительным влиянием, которое
испытывают живые организмы во взаимодействии с этими патогенами. Вирусы, подчиняя
себе репликационную систему клетки, изменяют метаболизм растения и наносят
ощутимые потери для растений, которые культивируются человеком, но с другой
стороны, способствуют эволюции видов в природе. Положение вирусов в систематике
до сих пор вызывает споры, но несомненно, что их исследование имеет важнейшее
значение для понимания жизнедеятельности всех живых организмов. В этой связи,
открытие более ста лет назад
Среди культур, которым вирусные инфекции наносят значительные убытки, картофель занимает особое место, поскольку патогены передаются вместе с посадочным материалом, и таким образом, длительное время циркулируют в агроэкосистемах, вызывая высокие потери урожая — до 15–70% [5]. Важнейшим вопросом для культивирования картофеля является контроль вирусных инфекций, поэтому поиск источников устойчивости к вирусам — актуальная задача для селекции. Успешная борьба с вирусными болезнями картофеля возможна лишь в результате применения системы мероприятий, первостепенная роль в ней принадлежит селекции и семеноводству [4]. Использование естественной устойчивости к патогенам — это идеальное решение проблемы защиты растений и экологически безопасный для окружающей среды метод выращивания сельскохозяйственных культур. Изучение и установление свойств вирусов способствует созданию сортов, устойчивых к этим патогенам. Установлено, что у вида S.tuberosum, ssp andigena, который входит в родословную многих современных сортов, устойчивость к PVY контролируют два гена: Ryadg, который отвечает за крайнюю устойчивость растений картофеля, и Nyadg, контролирующий реакцию сверхчувствительности [12, 15]. Сверхчувствительность и крайнюю устойчивость к Х-вирусу картофеля контролирует ген Nxchc, интродуцированный в современные сорта картофеля от дикого вида S. chacoense Bitt. [14, 17].
До открытия, сделанного
Таким образом, исследования
устойчивости сортов картофеля к вирусным заболеваниям с учетом зоны
возделывания, поиск источников устойчивости растений картофеля, как к биотическим, так и абиотическим факторам, а также изучение свойств вирусов,
поражающих картофель в определенной
Цель исследования
Целью исследования было установление и идентификация вирусов, вызывающих заболевания картофеля в зоне Лесостепи Украины, а также изучение коллекции сортов картофеля и выделение для дальнейшего использования в селекционной работе сортообразцов, устойчивых к вирусным заболеваниям.
Материалы и методы
Исследования
проводилось в Устимовской опытной станции растениеводства Института растениеводства
им.
Объектом
для изучения были сорта картофеля коллекции Устимовской опытной станции
растениеводства в количестве 630 образцов из 32 стран ближнего и дальнего зарубежья. За биологическим статусом
коллекция представлена сортами (cultivar).Изучение коллекционного материала
проводилось на природном инфекционном фоне в соответствии с общепринятыми методиками
в картофелеводстве [3, 6–8]. Устойчивость сортов оценивали по
Гидротермический коэффициент для
оценки условий вегетации рассчитывали по [10]. Классификации зон увлажнения,
согласно
Сорта, которые в ходе полевой визуальной оценки были выделены как устойчивые к вирусным заболеваниям, тестировали на содержание латентной вирусной
инфекции. Выделение вирусов и очистку вирусных
препаратов, установление физических, имуннологических и
Морфологию вирусных частиц изучали методом
электронной микроскопии. Негативное контрастирование очищенных вирусных
препаратов проводили 2, 0% раствором
фосфорновольфрамовой кислоты на протяжении
Идентификацию вирусов проводили
твердофазным иммуноферментным анализом (
Результаты и их обсуждение
Фенотипическим проявлением вирусной инфекции являются вирусные болезни растений. Характер развития и распространение вирусных болезней картофеля определяются биологическими и генетическими особенностями сортов. Визуальная диагностика, при которой учитывается присутствие на растениях локальных и системных симптомов — самый простой и дешевый метод изучения вирусных заболеваний, однако зависимость степени выраженности симптомов от генотипа растения, штамма возбудителя и условий эксперимента снижает его надежность [2]. В связи с этим, как существенное дополнение к визуальной диагностике сортов, был использован широкий спектр вирусологических методов для идентификации вирусов.
Исходя из того, что опытная станция расположена в центральной части Левобережной Украины на границе между Лесостепной и Степной
зонами в
С целью определения влияния внешних условий на характер
развития и распространение вирусных болезней
был произведен расчет гидротермического коэффициента (ГТК) за
вегетационный период
Таблица 1
— Гидротермический коэффициент вегетационного периода картофеля,
Годы |
Месяцы |
|||
май |
июнь |
июль |
август |
|
2011 |
0, 4 |
3, 0 |
2, 4 |
0, 2 |
2012 |
0, 7 |
0, 3 |
1, 1 |
0, 4 |
2013 |
0, 3 |
0, 3 |
0, 6 |
0, 6 |
Согласно данным таблицы 1, засушливые условия окружающей среды преобладали в зоне южной части Лесостепи Украины, что создало благоприятный фон для развития вирусных болезней, за исключением 2011 года (июнь, июль). Соответственно, в эти месяцы наблюдалось избыточное количество осадков. В июне отмечено 195, 5 мм осадков при среднем многолетнем показателе — 57, 0 мм. Среднемесячная температура воздуха составляла +21, 8°С при среднем многолетнем значении + 19, 5°С. В первой декаде июля 2011 г. выпало 155, 3 мм осадков при среднем многолетнем значении 72, 0 мм.
Установлено, что наиболее
распространенными и вредоносными заболеваниями в данной
— вирусное скручивание листьев (возбудитель болезни вирус L, Potato leaf roll virus, ВСЛК);
— морщинистая мозаика (возбудитель болезни Potato virus Y в разных комбинациях с вирусами Potato virus X, Potato virus S, Potato virus A, Potato virus M, реже встречается моноинфекция PVY);
— полосчатая мозаика (возбудитель болезни — Potato virus Y), известно, что созданные в последние годы сорта имеют лишь относительную или полевую устойчивость к вирусу скручивания листьев, возбудитель болезни;
— вирус скручивания листьев
картофеля (PLRV). Генетическая природа такой устойчивости обусловлена
полигенным комплексом, что дает возможность повысить резистентность картофеля
против болезни путем получения трансгрессий. Последовательным скрещиванием
Симптомы болезни зависят от штамма, сорта, внешних условий, но в основном однотипные: листья пораженных растений становятся хрупкими, огрубевшими, скручиваются вдоль средней жилки, симптомы заболевания проявляются преимущественно на нижних листьях, верхние иногда остаются без симптомов поражения (рисунок 1).
Рисунок 1 — Симптомы вирусного скручивания листьев на растениях картофеля, сорт Катюша (Украина), 2012 г.
Отличие в симптомах обусловлено первичной или вторичной вирусной инфекцией. Отмечено, что прорастание инфицированных клубней задерживалось и наблюдалось образование нитевидных проростков.
Интенсивному развитию полосчатой мозаики, как показали результаты наших исследований, способствует недостаточное обеспечение растений влагой на фоне высоких температур. В период умеренной влажной погоды заболевание встречалось реже. Основным симптомом поражения полосчатой мозаикой был некроз тканей листьев и стеблей. Болезнь проявлялась сначала на молодых растениях в виде мозаики, а позже (в период бутонизации) — темным некрозом вдоль жилок с нижней стороны листа, на черешках, иногда на стеблях растений (рисунок 2).
Рисунок 2 — Симптомы полосчатой мозаики на картофеле, сорт Билина (Украина), 2013 г.
Черешки у пораженных растений становились хрупкими, усыхали, но не отпадали длительное время. Отмирание начиналось с нижних листьев. Пораженные растения отставали в росте, иногда погибали еще до начала цветения. Нами отмечалось, что полосчатая мозаика часто совмещалась с морщинистой мозаикой. Y— вирус картофеля в сочетании с другими вирусами картофеля, такими, как AВК, XВК, SВК, MВК, вызывает вредоносные заболевания, которые иногда приводят к значительной потере урожая (до 70%)[5].Возбудитель полосчатой мозаики Y-вирус картофеля (PVY) распространен во всех районах выращивания картофеля. Эффект совместного действия патогенов во многом зависит от комбинации вирусов и сортовых особенностей картофеля.
При изучении устойчивости к морщинистой мозаике установлено, что симптомы заболевания проявлялись в начале вегетации. Пораженные растения отставали в росте и развитии. На поверхности листовой пластинки между жилками наблюдались вздутия, вследствие чего листья становились морщинистыми. Верхушка и края листовой пластинки закручивались к низу (рисунок 3).
Рисунок 3 — Симптомы морщинистой мозаики на растениях картофеля, сорт Ramos (Нидерланды), 2012 г.
У многих растений наблюдалось значительное уменьшение размеров пластинки листа. Со временем эти признаки усиливались и становились доминирующими. В отдельных случаях на поверхности листьев наблюдались мелкие некротические пятна, вследствие чего листья как будто покрыты ржавчиной. Наблюдалось резкое нарушение роста и развития растений. Цветение растений часто отсутствовало. Черешки листьев становились хрупкими, листья усыхали, но не опадали. Со временем на растениях наблюдалось постепенное отмирание почти всех листьев.
При первичном заражении в год посадки заболевание развивалось медленно. Сначала отмечалась крапчатость или мозаика на верхних листьях, которые со временем деформировались. Часто на них отмечался некроз. При позднем заражении признаки заболевания в первый год совсем не фиксировались и выявлялись лишь в последующей репродукции.
Во время исследований было
установлено, что визуальная оценка заболеваний может усложняться
В связи с этим в Лаборатории экологии вирусов и диагностики вирусных заболеваний ННЦ «Институт биологии» Киевского национального университета имени Тараса Шевченко были проведены исследования с использованием современных вирусологических методов. Методом иммуноферментного анализа в растениях с симптомами вирусных заболеваний выявили наличие антигенов вирусов, преимущественно МВК и YВК, а также ВСЛК и SВК (таблица 2).
Таблица 2 — Содержание антигенов вирусов в бессимптомных растениях картофеля и в растениях с симптомами вирусных заболеваний некоторых сортов картофеля, О. П.
Сорта/образцы |
Данные визуальной диагностики |
ВСЛК |
МВК |
YВК |
SВК |
Катюша |
Скручивание листьев |
2, 065 |
0, 039 |
0, 040 |
0, 038 |
Билина |
Плосчатая мозаика |
0, 043 |
0, 034 |
0, 922 |
0, 036 |
Ramos |
Морщинистая мозаика |
0, 045 |
0, 702 |
0, 812 |
0, 348 |
Fausta |
Морщинистая мозаика |
0, 042 |
1, 015 |
0, 969 |
0, 036 |
Roslau |
Морщинистая мозаика |
0, 048 |
0, 975 |
1, 114 |
0, 038 |
Galina |
Без симптомов |
0, 049 |
0, 037 |
0, 041 |
0, 035 |
Bintje |
Без симптомов |
0, 046 |
0, 039 |
0, 041 |
0, 040 |
Позитивний контроль |
- |
2, 065 |
1, 815 |
1, 152 |
1, 510 |
Негативный контроль |
- |
0, 044 |
0, 032 |
0, 038 |
0, 036 |
В бессимптомных растениях сортов Galina и Bintje антигенов вирусов не выявлено, поскольку данные оптической плотности не превышали негативный контроль. В растениях сорта Катюша с симптомами скручивания листьев выявили высокое содержание антигенов ВСЛК, оптическая плотность образцов превышала негативный контроль в 46, 9 раз. Также антигены YВК и МВК выявили в растениях с симптомами морщинистой мозаики (сорта Ramos, Fausta и др.). В растениях сорта Билина, на которых при визуальной диагностике были выявлены симптомы полосчатой мозаики, выявлены антигены YВК.
Результаты обнаружения вирусов в растениях картофеля подтвердились с помощью электронной микроскопии (рисунки 4, 5).
Рисунок 4
— Электронограмма вирусов MBK и YBK, выявленных в листьях картофеля, сорт
Fausta (Германия), микроскоп
Рисунок 5
— Электронограмма вирусов YBK и MBK, выявленных в листьях картофеля,
сорт Roslau (Германия), микроскоп
Вирусные частицы YВК нитевидные, модальная длина составляет 750 нм [18], по другим данным — 730×11 нм [11]. Вирус существует в виде комплекса штаммов, которые вызывают широкое разнообразие симптомов на листьях и клубнях картофеля, что приводит к снижению урожая и потере качества клубней. Y — вирус картофеля обладает способностью быстро развиваться при накоплении в популяциях мутаций и рекомбинации между штаммами, приспосабливаясь к новым сортам картофеля в различных условиях среды [15]. Для МВК характерны частицы с длиной 650 нм и шириной 12 нм. Вирус также имеет много штаммов, которые отличаются вирулентностью и могут существовать длительное время в виде латентной инфекции.
На основании проведенных нами в
Таблица 3 — Сорта картофеля устойчивые к основным вирусным заболеваниям в Лесостепи
Украины,
Вирусное заболевание |
Сорт |
|
Скручивание листьев картофеля |
Кристал |
Россия |
Ada |
Польша |
|
Bzura |
Германия |
|
Sprint |
Германия |
|
Aguila |
Германия |
|
Roxy |
Германия |
|
Shwalbe |
Германия |
|
Tempora |
Германия |
|
Turbella |
Германия |
|
Apta |
Германия |
|
Kardula |
Германия |
|
Iskra |
Чехия |
|
Galina |
Чехия |
|
Jaerla |
Нидерланы |
|
Sante |
Нидерланы |
|
Grata |
Нидерланы |
|
Kardinal |
Нидерланы |
|
Bintije |
Нидерланы |
|
Ostara |
Нидерланы |
|
Debora |
Нидерланы |
|
Resy |
Нидерланы |
|
Полосчатая мозаика |
Ракурс |
Украина |
Ada |
Польша |
|
Sprint |
Германия |
|
Apta |
Германия |
|
Agwila |
Германия |
|
Augusta |
Германия |
|
Carla |
Германия |
|
Eros |
Германия |
|
Grata |
Германия |
|
Lori |
Германия |
|
Luna |
Германия |
|
Oda |
Германия |
|
Ponta |
Германия |
|
Shwalbem |
Германия |
|
Feldeslohn |
Германия |
|
Desiree |
Нидерланды |
|
Ostara |
Нидерланды |
|
Radoza |
Нидерланды |
|
Saturna |
Нидерланды |
|
Electre |
Бельгия |
|
Maritta |
Франция |
|
Морщинистая мозаика |
Kardula |
Германия |
Pamir |
Германия |
|
Iskra |
Чехия |
|
Galina |
Чехия |
|
Magura |
Румыния |
|
Igor |
Югославия |
|
Marijke |
Нидерланды |
|
Desiree |
Нидерланды |
|
Ostara |
Нидерланды |
|
Debora |
Нидерланды |
|
Radosa |
Нидерланды |
|
Resy |
Нидерланды |
Таким образом, на основании комплексной оценки с использованием вирусологических методов были выделены несколько сортов, устойчивых к полосчатой и морщинистой мозаикам: Desiree и Radoza. Сорта Iskra и Galina проявили устойчивость к скручиванию листьев и морщинистой мозаике, а растения сорта Ostara проявили устойчивость к трем вирусным болезням. Остальные сортообразцы проявили устойчивость только к одному из заболеваний.
Выводы
В результате проведенных исследований было установлено, что симптомы вирусных заболеваний на сортах картофеля максимально проявлялись в разные периоды вегетации: морщинистая мозаика легко диагностировалась в первой половине вегетации (до цветения); вирусное скручивание листьев и полосчатая мозаика — во второй половине вегетации. Широкий спектр современных лабораторных методов подтвердил наличие вирусов в инфицированных растениях.
В результате изучения выделены сорта картофеля, которые рекомендуются для дальнейшего их включения в селекционный процесс: устойчивые к вирусу скручивания листьев картофеля — Кристал (Россия); Ada, Bzura (Польша); Sprint, Aguila, Roxy, Shwalbe, Tempora, Turbella, Apta, Kardula (Германия); Iskra, Galina (Чехия); Jaerla, Sante, Grata, Kardinal, Bintij, Ostara, Debora, Resy (Нидерланы); устойчивые к вирусу морщинистой мозаики — Kardula, Pamir (Германия); Iskra, Galina (Чехия); Magura (Румыния); Igor (Югославия); Marijke, Desiree, Ostara, Debora, Radosa, Resy (Нидерланды) и полосчатой мозаике — Ракурс (Украина); Ada (Польша); Sprint, Apta, Agwila, Augusta, Carla, Eros, Grata, Lori, Luna, Oda, Ponta, Shwalbe, Feldeslohn (Германия); Desiree, Ostara, Radoza, Saturna (Нидерланды); Electre (Бельгия); Maritta (Франция).
Исходя из выше изложенного и полученных нами результатов по изучению образцов картофеля на наличие вирусных заболеваний, необходимо обеспечить контроль вирусов, а также усилить работы по селекции сортов картофеля на комплексную устойчивость к вирусам.
Для эффективной борьбы с вирусными
болезнями необходимо знать природу возбудителя и его биологические свойства. Поэтому
при выявлении симптомов заболевания необходимо применять широкий спектр
вирусологических методов, а именно:
Литература
- Вірусні інфекції картоплі та їх
перебіг за умов модельованої мікрогравітації/
Л. Т. Міщенко ,В. П. Поліщук ,О. П. Таран , О. І. Гордєйчик.- К.: Фітосоціоцентр, 2011. — 144 с. - Гавриленко Т. А., Рогозина
Е. В. Антонова О. Ю. Создание устойчивых к вирусам растений картофеля на основе традиционных подходов и методов биотехнологии// Идентифицированный генофонд растений и селекция.-Санкт-Петербург ,2005. — С.644–662. - Изучение и поддержание образцов мировой коллекции картофеля.- Ленинград, 1986. — 23 с.
- Камераз
А. Я. Предпосылки селекции картофеля на устойчивость к вирусным болезням /С. Н. Вирусные болезни с.-х. растений и меры борьбы с ними /Тр. V Всесоюзного совещания по вирусным болезням растений. — К.: — Наукова думка, 1966. — С. 161–170. - Картофель. Возделывание, уборка, хранение /под. ред. Д. Шпаар. — Мн.:ЧУП «Орех». — 2004. — 465 с
- Международный классификатор СЭВ видов картофеля секции Tuberarium (Dun.) Buk. Рода Solanum L. — Ленинград, 1984. — 43 с.
- Методические рекомендации по проведению исследований с картофелем. — К.: УНИИСХ, 1983. — 216 с.
- Методичні рекомендації щодо проведення досліджень з картоплею. — Немішаєве: ІК, 2002. — 183 с.
- Чигрин
А. В. Вирусное скручивание листьев и усойчивость к нему образцов картофеля на юге Лесостепной зоны России и Украины //Исходный материал для селекции культурных растений / Биол. ВИР. — 1994. — Вип. 233. — с. 43–45. - Чирков
Ю. И. Основы агрометеорологии / Чирков Ю.И. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — 247 с. - Brunt
A. A. Potiviruses /Virus andVirus-like Diseases of Potatoes and Production ofSeed-Potatoes (eds. G.Loebenshtein)/ Klumer Academic Publisher, 2001. — P.77–87. Celebi-Toprak F., SlackS. A. Jahn M. M. A new gene Nytbr for hypersensitivity to Potato virus Y from Solanum tuberosum maps to chromosome IV //Theor. Appl. Genet. — 2002. — № 104.- Р. 669–674.- Clark
M. F. Characteristic of the detection of plant viruses /M. F. Clark ,A. M. Adams // J. of Gen. Virology. — 1977. — Vol. 34, № 2. — P. 475–483. - Cockerham G. Genetical studies on resistance to potato viruses X and Y//
Heredity.- 1970.-
v. 25. — P. 309–348. - Jones R.
A. C. Strain group-specific andvirus-specific hypersensitive reactions to infection with potyvirus in potato cultivars//Ann. Appl. Biol. — 1990. —v. 117. — P 93–105. - Karasev A.
v. , GrayS. M. Continuous and Emerging Challenges of Potato virus Y in Potato//Annual Review of Phytopathology. -2013. -v. 51. — Р. 571–586. - Marczewski W., Flis B., Syller J.,
Schafer-Pregl R., Gebhardt C. A major QTL for resistance to Potato leafroll virus (PLRV) is located in a resistance hotspot on potato chromosome XI and is tightly linked toN-gene-like markers// Mol.Plant-Microbe Interact.- 2001.-v. 12.- P. 1420–1425. - Virus taxonomy. Ninth report of the International Committee on Taxonomy of
Viruses // eds. A.
M. Q. King ,M. J. Adams ,E. B. Carstens ,E. J. Lefkowitz : Elsevier, 2012. — 1327 p.
Literature
- Vіrusnі іnfekcії kartoplі ta їx
perebіg za umov model’ovanoї mіkrogravіtacії/
L. T. Mіshhenko ,v. P. Polіshhuk,O. P. Taran , O. І. Gordєjchik.- K.: Fіtosocіocentr, 2011. — 144 s. - Gavrilenko T. A., Rogozina E.
v. Antonova O.Yu. Sozdanie ustojchivyx k virusam rastenij kartofelya na osnove tradicionnyx podxodov i metodov biotexnologii// Identificirovannyj genofond rastenij i selekciya.-Sankt-Peterburg ,2005. — S.644–662. - Izuchenie i podderzhanie obrazcov mirovoj kollekcii kartofelya.- Leningrad, 1986. — 23 s.
- Kameraz A. Ya. Predposylki selekcii kartofelya na ustojchivost' k virusnym boleznyam // Virusnye bolezni s.-x. rastenij i mery bor’by s nimi / Tr. V Vsesoyuznogo soveshhaniya po virusnym boleznyam rastenij. — K.: — Naukova dumka, 1966. — S. 161–170. pod red. Moskovec S. N.
- Kartofel'. Vozdelyvanie, uborka, xranenie /pod. red. D.Shpaar. — Mn.:ChUP «Orex». — 2004. — 465 s
- Mezhdunarodnyj klassifikator SE’V vidov kartofelya sekcii Tuberarium (Dun.) Buk. Roda Solanum L. — Leningrad, 1984. — 43 s.
- Metodicheskie rekomendacii po provedeniyu issledovanij s kartofelem. — K.: UNIISX, 1983. — 216 s.
- Metodichnі rekomendacії shhodo provedennya doslіdzhen' z kartopleyu. — Nemіshaєve: ІK, 2002. — 183 s.
- Chigrin A.
v. Virusnoe skruchivanie list’ev i usojchivost' k nemu obrazcov kartofelya na yuge Lesostepnoj zony Rossii i Ukrainy //Isxodnyj material dlya selekcii kul’turnyx rastenij / Biol. VIR. — 1994. — Vip. 233. — s. 43–45. - Chirkov Yu. I. Osnovy agrometeorologii / Chirkov Yu. I. — L.: Gidrometeoizdat, 1988. — 247 s.
- Brunt
A. A. Potiviruses /Virus andVirus-like Diseases of Potatoes and Production ofSeed-Potatoes (eds. G.Loebenshtein)/ Klumer Academic Publisher, 2001. — P.77–87. Celebi-Toprak F., SlackS. A. Jahn M. M. A new gene Nytbr for hypersensitivity to Potato virus Y from Solanum tuberosum maps to chromosome IV. Theor. Appl. Genet. 2002.-№ 104.- Р. 669–674.- Clark
M. F. Characteristic of the detection of plant viruses /M. F. Clark ,A. M. Adams // J. of Gen. Virology. — 1977. — Vol. 34, № 2. — P. 475–483. - Cockerham G. Genetical studies on resistance to potato viruses X and Y//
Heredity.- 1970.-
v. 25.-P. 309–348. - Jones R.
A. C. Strain group-specific andvirus-specific hypersensitive reactions to infection with potyvirus in potato cultivars//Ann. Appl. Biol. — 1990. —v. 117.- P 93–105. - Karasev A.
v. , GrayS. M. Continuous and Emerging Challenges of Potato virus Y in Potato//Annual Review of Phytopathology.-2013.-v. 51.- Р. 571–586. - Marczewski W., Flis B., Syller J.,
Schafer-Pregl R., Gebhardt C. A major QTL for resistance to Potato leafroll virus (PLRV) is located in a resistance hotspot on potato chromosome XI and is tightly linked toN-gene-like markers// Mol.Plant-Microbe Interact.- 2001.-v. 12.- P. 1420–1425. - Virus taxonomy. Ninth report of the International Committee on Taxonomy of Viruses // eds. A.
M. Q. King ,M. J. Adams ,E. B. Carstens ,E. J. Lefkowitz : Elsevier, 2012. — 1327 p.