Birhman R.K., Singh B.P. Path-coefficient analyses and genetic parameters of the components of field resistance of potatoes to late blight/ Annals of Applied Biology, 1995. – V.127. – № 2. – P. 353-362.

Анализы с помощью Path-коэффициента и генетические параметры компонентов полевой устойчивости картофеля к фитофторозу.

Резюме.

Вариация, генетические параметры, взаимоотношения и фенотипический и генотипический Path-анализ компонентов полевой устойчивости картофеля к Ph. infestans изучался с использованием листьев, взятых с 16 сортов картофеля.

Межгенотипическая вариабельность была существенна для компонентов и зоны кривой развития болезни (AUDPC). Устойчивые сорта обычно имели более длинный латентный период и меньшие размер повреждений и продуктивность спороношения, чем восприимчивые сорта.

Корреляция между AUDPC и инфекционной эффективностью и между AUDPC и плотностью спор была несущественной, но латентный период, размер повреждений и продуктивность спороношения связаны с AUDPC существенно. Генетические и фенотипические анализы с использованием Path-коэффициента показали, что размер повреждений – это наиболее важный компонент полевой устойчивости. Коэффициенты генетической корреляции между AUDPC и инфекционной эффективностью, скрытым периодом и плотностью спор возникли, главным образом, из-за их косвенных эффектов на AUDPC через размер повреждений. Размер повреждений и AUDPC имели высокий генетический коэффициент вариации, наследуемость, генетический успех (генетическое превосходство).

Ключевые слова: Solanum tuberosum, фитофтороз, компоненты полевой устойчивости, генетические параметры, анализ с помощью Path-коэффициента.

Введение.

Фитофтороз, вызываемый грибом Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, наиболее вредоносная болезнь картофеля (Wastie, 1991). Использование устойчивых сортов – самый легкий и наиболее эффективный путь защиты от болезни (Birhman et al.,1992; Umaerus, Umaerus, Erjefalt & Nilsson, 1983). Более того, эволюция штаммов гриба, устойчивых к фунгицидам, сделала более важным использование устойчивости хозяина для защиты от болезни (Kadish, Grinberger & Cohen, 1990; Fry et al., 1991).

Устойчивость к грибам имеет два типа – расоспецифическая гиперчувствительность к инфекции, контролируемая доминантными генами, и полевая, или частичная устойчивость (устойчивость, которая проявляется ко всем расам, способная вызывать более, чем реакцию гиперчувствительности), которая, как считается, контролируется многими генами (Wastie, 1991). Способность гриба продуцировать физиологические расы, способные поражать генотипы со специфической устойчивостью (Umaerus et al., 1983), надежность полевой устойчивости (James & Fry, 1983; Thurston, 1971) и существование А₂ типа совместимости гриба вне Мексики (Tantius, Fyfe, Shaw & Shattok, 1986; Spielman et al., 1991) сфокусировали внимание селекционеров на полевой устойчивости.

Хотя полевая устойчивость была хорошо описана в возделываемых сортах картофеля перед открытием генов гиперчувствительности, прогресс в выведении сортов с полевой устойчивостью был очень медленным (Thurston, 1971). Скудная информация по генетике полевой устойчивости из-за своей комплексной природы и легкость, с которой специфическая устойчивость может быть внедрена в сорта вследствие простого Менделевского наследования, были главными препятствиями в селекции на полевую устойчивость (Wastie, 1991). Полевая устойчивость – это комплексное свойство, которое состоит из отдельных взаимодействий растения-хозяина и патогена, которые могут быть измерены независимо (Umaerus, 1970; Van Oijen, 1992). Детальные генетические и статистические анализы различных компонентов устойчивости могут помочь в планировании эффективной селекционной программы (Crute, 1985). Немного информации по этим аспектам имеется по фитофторозу картофеля (Umaerus et al., 1983; Wastie, 1991) и настоящее исследование предназначено для того, чтобы снабдить такими данными.

Материал и методы.

Использовались 16 сортов картофеля (табл. 1) с различной степенью полевой устойчивости к фитофторозу (Singh, Birhman & Bhattacharyya, 1988). Генотипы были высажены рендомизированным способом в трехкратной повторности на поле в Kufri, Himachal Pradesh, India, на котором фитофтороз жесток. Пространства между участками были засажены восприимчивым к фитофторозу сортом Kufri Chandramukhi, который служит распространителем. Каждая делянка состояла из 6 рядов по 12 растений. Клубни были посажены на расстоянии 20 см в ряду, 50 см между рядами.

Опыты и наблюдения.

Предпоследние листочки с полностью выросших листьев, расположенные во второй трети по высоте растения, были собраны с пяти растений наугад с каждой делянки после 70 дней роста. Листочки были инокулированы расой 1.2.3.4.5.7.8.9.10 Ph. infestans, которая была выращена на ломтиках картофеля. Спорангии были смыты с ломтиков дистиллированной водой, доведены до 15000 спорангий/мл и инкубированы в течение 90 мин при 12 °С для того, чтобы пробудить зооспоры. Суспензия зооспор, полученная таким образом, была разбрызгана на нижней поверхности листьев (0,025 мл инокулюма/лист) при помощи микропипетки, снабженной стеклянной трубкой на конце. Зараженные листочки инкубировались при 18 °С в инкубаторе, в котором кислород обеспечивался подачей обыкновенного воздуха и следующие компоненты полевой устойчивости были измерены (Umaerus & Lihnell, 1976): инфекционная эффективность = число инфекционных единиц на 10³ проросших зооспор; размер пятен = размер пятен (см²) на листочек; латентный период = время с момента инокуляции до формирования первой спорангии; споропродуктивность = спорангии произведение на листочек; плотность спор = споропродуктивность/размер повреждений.

Прорастание зооспор было оценено путем помещения 0,025 мл споровой суспензии на пластинки, покрытые агаром, которые затем были помещены на влажную фильтровальную бумагу в стеклянные чашки Петри и инкубировались при температуре 20°С. После 24 часов пластинки были окрашены хлопковым голубым лактофенолом и подсчитывалось под микроскопом число проросших зооспор. Для оценки инфекционной эффективности инфекционные точки были подсчитаны через 3 дня после инокуляции с использованием анализирующего микроскопа (увеличение 50). Инфекционная эффективность была подсчитана делением числа инфекционных начал на листочек на число зооспор, проросших на пластинке, покрытой агаром, и умножением результата на 10³. Через 48 часов после инокуляции листочки были просмотрены на присутствие зооспор с интервалом 10 часов. Латентный период был временем между инокуляцией и формированием спорангий. Через 3 дня после латентного периода заспорированная область каждого листочка была вырезана и записана длина и ширина каждого повреждения. Область повреждения рассчитывалась путем замены этих измерений в соответствии с эллипсом:

Зона = p/4*a*b,

где а и b – длина и ширина повреждений соответственно.

Повреждения были помещены индивидуально в пробирки, содержащие 10% этилового спирта. Пробирки хранили при 4°С до тех пор, пока спорангии не были подсчитаны под микроскопом с помощью измерителя клеток крови. Было проведено 20 подсчетов на пробирку.

Вредоносность фитофтороза была оценена на 10 центральных растениях в каждом из 4 средних рядов на каждой делянке с интервалом в 10 дней, начиная с 15 июля и продолжая всех 6 наблюдений, используя шкалу Британского микробиологического общества (Anon., 1947). Была вычислена область под кривой развития болезни (AUDPC) (Shaner & Finney, 1977).

Статистический анализ.

Значения деляночных оценок основывалось на 5 листьях с повторности, использовавшихся для статистического анализа компонентов устойчивости. Перед статистическим анализом данные по инфекционной эффективности были переведены в обратный квадратный корень, данные по латентному периоду и размеру повреждений были переведены в квадратный корень, и данные по плотности спор и споропродуктивности были трансформированы в логарифмическую шкалу. Генотипический коэффициент вариации (GCV) был определен по формуле, предложенной Burton (1952), делением квадратного корня генотипической вариансы на значение множества х10². Фенотипическая варианса была взята как сумма ошибки вариансы и генетической вариансы, последняя была подсчитана путем вычитания значения ошибки суммы квадратов и деления разности на число повторностей. Наследуемость была подсчитана в широком смысле по формуле, предложенной Johnson, Robinson & Comstock (1955) и генетический успех (также известный как генетическое превосходство или реакция на отбор, определяемое как разница между значением родителей отобранных форм и основным множеством) было предсказано по формуле предложенной данной Luch (1949) и Johnson et al. (1955) путем умножения наследуемости на фенотипическое стандартное отклонение, а затем умножением на стандартный дифференциал отбора (обозначаемый k или i). Дифференциал отбора это значение фенотипической ценности родителей, выраженное как отклонение от средней основного множества, т. е. от значения фенотипической ценности всех организмов в родительском поколении, перед тем как был проведен отбор. По данному значению отобранных организмов возможно прочитать значение стандартного дифференциала отбора из таблицы (Falkoner, 1989). Коэффициенты генетической корреляции среди всех значений были определены из компонентов вариансы и ковариансы (Falkoner, 1989). Фенотипические и средовые коэффициенты корреляции  среди всех значений были также подсчитаны. Фенотипическая корреляция – это ассоциация между двумя величинами, которые можно прямо наблюдать. Генетическая корреляция – это корреляция селекционных значений. Средовая корреляция это корреляция средовых отклонений вместе с неаддитивным генетическим различием. Генетические и средовые корреляции соответствуют участию ковариансы в аддитивном генетическом компоненте против всего остального. Только существенность фенотипической корреляции была проверена. Прямые и косвенные path-коэффициенты были получены как предложено Wright (1921, 1934), Dewey & Lu (1959) и Li (1975).

Результаты.

Высоко комплексные расы Ph. infestans с более чем 10 R-генов существуют в Kufri (Bhattacharyya, Schekhawat & Singh, 1990), и фитофтороз был вредоносен на опытном участке. Значение суммы квадратов для AUDPC из-за повторностей было незначительным, показывая, что инфекция была одинакова по всему опытному участку.

Анализ вариансы обнаружил существенную межгенотипическую вариабельность по всем величинам (табл. 2). Внутригенотипическая вариабельность, оцениваемая как существенности или несущественности значения суммы квадратов повторения vis-a-vis ошибка значения суммы квадратов, была существенной только для инфекционной эффективности. Среди компонентов, самая высокая межгенотипическая вариабельность как показывают значения коэффициентов генотипической вариации, была отмечена для размера повреждения и самая низкая для плотности спор (табл. 1, 5).

В большинстве случаев, устойчивые сорта имели более длинный латентный период, чем восприимчивые сорта, и восприимчивые сорта имели больший размер повреждений и большую споропродуктивность, чем устойчивые сорта. Не было определенной тенденции для инфекционной эффективности и плотности спор.

Фенотипические, генетические и средовые коэффициенты корреляции среди шести значений показаны в табл. 3. 60 % фенотипической корреляции было существенно. Во всех случаях направление коэффициентов фенотипической корреляции было тем же самым, что и соответствующие коэффициенты генетической корреляции. Последние были выше, чем соответствующие коэффициенты фенотипической корреляции. В то время как коэффициент фенотипической корреляции между AUDPC и инфекционной эффективностью и AUDPC и плотностью спор были несущественны, латентный период, размер повреждений споровая продуктивность коррелировали существенно с AUDPC. Эта корреляция была положительной с размером повреждений и споровой продуктивностью и отрицательной с латентным периодом. Споровая продуктивность имела самую высокую корреляцию с AUDPC на фенотипическом уровне. На генетическом уровне коэффициент корреляции между продуктивностью спороношения и AUDPC была той же, что и коэффициент корреляции между размером повреждений и AUDPC. Латентный период имел существенную отрицательную корреляцию с другими компонентами.

Path-коэффициентный анализ был проведен с использованием фенотипических и генотипических коэффициентов корреляции в отдельных моделях и прямые и обратные эффекты компонентов по AUDPC на фенотипическом и генотипическом уровнях представлены в табл. 4. На обоих фенотипическом и генотипическом уровнях размер повреждений и плотность спор имели сходный положительный эффект на AUDPC (табл. 4). Положительный эффект плотности спор на AUDPC была вычислена по ее отрицательному обратному эффекту через споровую продуктивность. Латентный период имел незначительный прямой эффект на AUDPC. Отрицательный фенотипический коэффициент корреляции латентного периода с AUDPC был существенным из-за его отрицательного обратного эффекта через размер повреждений и плотность спор. Отрицательный прямой эффект инфекционной эффективности на AUDPC был определен по его положительному обратному эффекту на размер повреждений и плотность спор. Споровая продуктивность имела отрицательный прямой эффект на AUDPC как на фенотипическом, так и на генетическом уровнях. Эффект был большим, чем вычисленный по большим положительным косвенным эффектам через размер повреждений и плотность спор, приводящий в результате к высокому положительному коэффициенту корреляции между споровой продуктивностью и AUDPC. В то время как инфекционная эффективность, размер повреждений и плотность спор оказывали негативное косвенной влияние на AUDPC через споровую продуктивность, латентный период имел положительное косвенное влияние на AUDPC.

Оценка фенотипических коэффициентов вариации для всех значений превысили соответствующие генотипические коэффициенты вариации наследуемости и генетического успеха были выше для AUDPC. Размер повреждений имел средний генотипический коэффициент вариации и генетического успеха, но высокую наследуемость. Латентный период, плотность спор и споровая продуктивность имели низкий генотипический коэффициент вариации и генетического успеха, но высокую наследуемость. Инфекционная эффективность имела низкий генотипический коэффициент вариации, наследуемость и генетический успех.

Обсуждение.

Анализ компонентов сильно помог в понимании природы механизмов, лежащих под понятием частичная устойчивость растений к патогенам (Broers, 1989; Singh, Payne & Rajaram, 1991; Van Oijen, 1992). Для того чтобы определить относительный вклад этих компонентов устойчивости в уменьшение заболевания, обычно используются два подхода (Van Oijen, 1992). Первый включает в себя определение опытным путем корреляции между индивидуальными компонентами устойчивости и величиной прогресса болезни. Соответственно различные авторы изучили отношение различных компонентов, т.е. инфекционной эффективности, латентного периода, размера повреждений и споровой продуктивности к полевой устойчивости (Wastie, 1991). Большинство этих ученых исследовали отношение полевой устойчивости с одним компонентом за раз. Мы нашли различные компоненты полевой устойчивости, которые существенно взаимодействуют (табл. 3). Таким образом, невероятно, что изучение одного компонента не помогает в оценке относительного вклада индивидуальных компонентов устойчивости, потому что они взаимодействуют, и их влияния дополняют друг друга в течение эпифитотии. Несколько авторов изучили относительное влияние различных компонентов прогресса болезни (Van Oijen, 1992).

Путевой анализ невероятно полезен в решении относительной важности взаимодействующих причинных факторов для объекта исследования. Для полезного путевого анализа широкое генетическое разнообразие должно существовать для компонентов среди исследуемых генотипов. Мы наблюдали существенные межгенотипические различия для инфекционной эффективности, латентного периода, размера повреждений, плотности спор, споровой продуктивности и AUDPC. Эти находки подтверждают и расширяют результаты доложенные раньше различными авторами касательно этих компонентов (для повторения см. Wastie, 1991). Что касается существенного внутригенотипического различия по инфекционной эффективности, которую мы наблюдали, предыдущие результаты противоречивы. В то время как Lapwood (1961) доказал существенность внутригенотипического различия, Umaerus (1969) нашел это незначительным.

Взаимоотношения между объектами интересны в связи с изменениями, возникшими в результате отбора: важно знать как улучшение одного параметра вызывает одновременные изменения в других (Falconer, 1989). Guzman (1964) и Umaerus (1969) также обнаружили, что устойчивые сорта имеют больший латентный период, чем восприимчивые, и последние имеют больший размер повреждений и большую споровую продуктивность, чем устойчивые. В то время как мы не нашли связи между инфекционной эффективностью и AUDPC, более ранние отчеты в этом направлении противоречивы (Umaerus, 1970; Van Oijen, 1992). Эти авторы установили, что хотя сорта различаются по проникновению и компонентам после проникновения, компоненты после проникновения широко определены полевой устойчивостью сортов.

Существенные коэффициенты корреляции среди различных компонентов могут накапливаться из-за плейотропного эффекта генов, или цепочки (Parlevliet, 1986; Shaner et al., 1978). Такая ситуация была между латентным периодом и другими компонентами; между размером повреждений и AUDPC, между споровой продуктивностью и размером повреждений, и между плотностью спор и AUDPC. В тех случаях, где величина фенотипического и генотипического коэффициентов корреляции одинаковая, корреляции имели незначительные средовые и неаддитивные компоненты (Falconer, 1989; Kang, Miller & Tai, 1983). Генетические коэффициенты корреляции между инфекционной эффективностью и AUDPC, между инфекционной эффективностью и размером повреждений и между размером повреждений и плотностью спор были в 2 раза больше чем относительные фенотипические коэффициенты корреляции, которые предлагают широкие средовые и/или неаддитивные генетические компоненты. С другой стороны, генетические и фенотипические коэффициенты корреляции размера повреждений, плотности спор, споровой продуктивности и AUDPC с латентным периодом, размера повреждений, плотности спор и AUDPC со споровой продуктивностью и размера повреждений с AUDPC были одинаковыми, показывающими незначительность средовых и неаддитивных компонентов. Широкое различие между средовыми и генетическими корреляциями, особенно различие значений показывает что генетические и средовые источники вариации влияют на объекты путем различных физиологических механизмов (Falconer, 1989). Такой была ситуация по связям всех компонентов, кроме размера повреждений с AUDPC.

Корреляция между двумя величинами показывает степень связи между ними или влияние других величин. С практической позиции, генетические путевые коэффициенты были бы более полезны для селекционера, чем фенотипические путевые коэффициенты в решении более эффективных селекционных критериев (Kang et al., 1983). В наших опытах размер повреждений, следовавший за плотностью спор, имели самый большой прямой эффект на AUDPC как на генетическом, так и фенотипическом уровнях, показывая, что они наиболее важные компоненты полевой устойчивости к фитофторозу. Теоретически Van Oijen (1992) также нашел уровень роста повреждений наиболее важным компонентом полевой устойчивости.

Наследуемость в широком смысле, которая включает как аддитивные, так и неаддитивные компоненты генетической вариабельности, была высокой как для размера повреждений, так и плотности спор. Наследуемость, рассматриваемая вместе с генетическим превосходством, более полезна для надежного предсказания результативного эффекта отбора, чем только наследуемость (Johnson et al., 1955). Генетический успех был высоким для размера повреждений и низким для споровой продуктивности. Эти факторы делают размер повреждений наиболее важным компонентом в селекции на полевую устойчивость. У картофеля, где превосходные генотипы могут поддерживаться вегетативно, размер повреждений может быть использован как селекционный критерий в селекции на полевую устойчивость. Эффекты инфекционной эффективности, латентного периода и споровой продуктивности на устойчивость, вероятно, могут быть измерены лучше, чем их влияние на размер повреждений.

В заключении наши результаты предлагают, что в изученном материале все компоненты имели существенное различие, наследуются, и отбор на полевую устойчивость будет высоко эффективным по размеру повреждений.