Фенотипическое проявление устойчивости

Качественный и количественный характер проявления вертикальной и горизонтальной устойчивости сказываются на симптомах болезни у растений, обладающих этими формами устойчивости. Вертикальная устойчивость чаще всего проявляется в форме реакции сверхчувствительности (СВЧ), т. е. активной реакции зараженных клеток, выражающейся в их гибели и сопровождающейся гибелью или прекращением развития паразита в тканях. Чаще всего СВЧ проявляется в виде небольшого некроза, возникающего вскоре после заражения, в месте внедрения паразита. Так при фитфто-розе картофеля любой ген устойчивости дает такую реакцию на заражение листа авирулентной расой. При этом спороношение паразита полностью подавлено. Более разнообразно проявление вертикальной устойчивости у пшеницы, зараженной ржавчинными грибами. Например, шкала учета типов реакций пшеницы на заражение возбудителем стеблевой ржавчины Puccinia graminis f. sp. tritici (шкала Стекмена) основана на соотношении двух показателей: размера пустулы и интенсивности защитной реакции (некроза или хлороза) (рис. 4.2). В этой шкале 5 основных типов реакции 0-4 (от хлороза без пустулы до крупной пустулы без хлороза), один смешанный тип (X), при котором типы реакции на разных участка листа не одинаковы, и много дополнительных подтипов (0; 2 + 3 = и т. п.). Все типы и подтипы, при которых вокруг места заражения или образовавшейся небольшой пустулы возникает защитная реакция (некроз или хлороз), часто объединяют в один показатель «устойчивость» R (resistance); реакции, при которых вокруг крупной или средней величины пустулы нетзащитного некроза (типы 3 и 4), объединяют в реакцию восприимчивости S (succeptibility).

Таким образом, в отличие от фитофтороза картофеля, при реакциях устойчивости пшеницы к ржавчинным грибам, контролируемых некоторыми генами ВУ, возможно внутритканевое развитие и даже споруляция паразита, хотя количество образующихся спор значительно ниже, чем в восприимчивых растениях. По-видимому, скорость включения защитных реакций и интенсивность их протекания (экспрессия) для разных генов устойчивости не одинаковы.
Например, устойчивые к бактерии Xanthomonas oryzae сорта риса показывают три фенотипа: бессимптомная реакция (гены устойчивости Xa1, Ха7, Xa10 и Xa12, побурение (ген Ха2) и мелкие желтые пятна (Ха3, Ха4 и Ха5).
Степень экспрессивности разных генов ВУ удобно изучать при болезнях, вызываемых мучнисторосяными грибами. Их мицелий простирается по поверхности листа; после образования первичного гаустория в эпидермальной клетке и питания образуются вторичные гифы, формирующие гаустории в соседних клетках эпидермиса. Удалив с листа с помощью прозрачной липкой ленты эпидермис с мицелием, можно проводить цитологические наблюдения за развитием гриба, а, сняв мицелий можно изучать накопление в нем питательных веществ, полученных из растения. В лаборатории американского фитопатолога А. Эллингбо было показано, что ген ВУ пшеницы Pm1 почти полностью подавляет развитие вторичных гиф паразита; ген Рm2 включает защитные механизмы позднее и не влияет на развитие вторичных гиф, но вызывает образование некроза или хлороза через 3-4 сут. после заражения; ген Pm3 подавляет развитие лишь 60-70 % инфекций, в то время как 30-40 % развивается и образует спороношение. В других опытах возбудителем мучнистой росы заражали листья пшеницы, получившие из питательного раствора радиоактивную серу. Через разные интервалы мицелий снимали и определяли накопление в нем радиоактивности. Оказалось, что вынос серы резко подавлялся в присутствии генов Pm1 и Рm4 уже через 16 часов после внедрения, т. е. эти гены быстро включают защитные реакции; ген Рm3 подавлял вынос серы лишь через 20 час и не так резко, как предыдущие гены, а ген Рm2 — через 24 часа.
Горизонтальная устойчивость дает в чистом виде восприимчивый тип реакции (3 или 4 по шкале Стекмена). Степень устойчивости сорта выражается в снижение числа пятен на растении и числа спор в одном пятне. Произведение этих двух показателей, названное И. Г. Одинцовой и Л. А. Михайловой индексом устойчивости, является хорошим выражением степени ГУ пшеницы к бурой ржавчине. Следовательно, наблюдая поведение сортов в поле на инфекционном фоне, можно по проявлению болезни установить форму их устойчивости: если наблюдается реакция сверхчувствительности, то сорт обладает ВУ к распространенным в поле расам патогена, если же два сорта, не различаясь типом пятен, имеют в одинаковых условиях достоверные различия в числе пятен, то один из сортов имеет более высокую ГУ, чем второй. Однако, такое заключение может быть сделано лишь как сугубо предварительное, ибо число пятен не всегда отражает тип устойчивости. Части при ВУ реакция сверхчувствительности протекает настолько быстро, что некроз не наблюдается (устойчивость выражается отсутствием симптомов болезни). Если полевая популяция состоит из смеси вирулентных и авирулентных рас, то первые вызовут образование пятен болезни, а наличие вторых будет выражаться как снижение числа инфекционных пятен, т. е. как типичная ГУ. Такое явление наблюдали японские фитопатологи при изучении устойчивости сортов риса к пирикуляриозу. Возбудитель болезни гриб Magnaporthe grisea имеет высокую спонтанную изменчивость, поэтому полевые популяции обычно представлены смесью рас, и число пятен на листьях определяется часто не столько степенью ГУ, сколько числом генов ВУ (табл. 4.2).
Сорта Зенит и Катактара ведут себя как имеющие ГУ (мало инфекционных пятен), хотя на самом деле содержат много эффективных генов ВУ, наличие которых не позволяет формировать симптомы заражения большинству спор, попадающих на листья. Эти данные показывают, что для оценки степени горизонтальной устойчивости в присутствии вертикальной надо использовать вирулентные для данного сорта расы.
Для изучения ГУ голландский фитопатолог К. Цадокс предложил метод анализа инфекционного цикла, т. е. изучение всех его этапов от попадания спор на поверхность растения до образования новых спор (табл. 4.3).

Из таблицы видно, что на каждом этапе инфекционного цикла плотность популяции снижается. Увеличение числа пустул по сравнению с числом внутритканевых колоний объясняется тем, что из одной колонии могут возникнуть две пустулы: на верхней и на нижней сторонах листа.
Долю инфекционных единиц на каждой стадии цикла, т. е. отношение их к числу инфекционных единиц, выражает показатель 1t, долю инфекционные единиц, погибших на каждом этапе, — показатель gt, а долю выживших — 1 - gt, который вычисляется делением числа инфекционных единиц на последующем этапе цикла на число единиц на предыдущем этапе (ПО, АП, BA и т. д.).
Сравнение показателя gt у сортов с различным уровнем ГУ может дать важную информацию для выявления этапа инфекционного цикла, на котором выражается действие генов ГУ данных сортов. Чем выше показатель gt, тем сильнее выражена ГУ. У приведенного в таблице сорта Рубин наивысший показатель (0,55) приходится на этап между формированием апрессориев и подустьичных везикул. Скрещиванием сортов, устойчивость которых проявляется на разных этапах инфекционного цикла; можно совместить разные гены ГУ и тем самым получить гибриды, трангрессивные по устойчивости.
Еще сложнее обстоит дело при оценке ГУ и ВУ для системных болезней. При испытаниях в полевых условиях редко наблюдается абсолютная непоражаемость или, наоборот, 100%-я пораженность сорта, поэтому различия между устойчивым и восприимчивым сортами даже при наличии ВУ количественные. Например, граница между устойчивыми и восприимчивыми к головневым грибам сортами злаков в 10 % пораженности установлена чисто эмпирически. Сорта, пораженные менее, чем на 10%, рассматриваются как имеющие ВУ, а сорта, пораженные сильнее, — как имеющие ту или иную степень ГУ.
Часто приходится учитывать также степень пораженности, ибо разные сорта при одинаковом проценте пораженных растений могут сильно различаться интенсивностью развития болезни, например, при такой системной болезни, как вертициллезный вилт хлопчатника (возбудитель Verticillium daliliae). По-видимому, пораженность определяется в таких случаях экспрессивностью и пенетрантностью генов устойчивости: от пенетрантности генов зависит число пораженных растений, а от их экспрессивности — степень пораженности. Такие представления позволяют вести направленную селекцию на повышение экспрессивности и пенетрантности генов устойчивости, однако, связь этих свойств генов с вертикальной и горизонтальной устойчивостью неясна.