Бесплатный фрагмент - Заразиха подсолнечниковая (Orobache cumana) в начале ХХІ века

ВВЕДЕНИЕ

В Украине значительное перенасыщение севооборотов подсолнечником вызвало ряд негативных явлений, в особенности распространение и усиление вредности болезней и вредителей, в частности заразихи.

Заразиха подсолнечниковая (Orobanche cumana Wallr.) — паразитическое бесхлорофилльное растение, поражающее корневую систему растения-хозяина, поглощающее из неё воду, питательные вещества и выделяющее токсичные продукты обмена.

Orobanche cumana Wallr. относится к полиморфному виду, состоящему в настоящее время из ряд рас, названных буквами латинского алфавита: А, B, С, D, E, F, G и H. Расы F, G и H является наиболее вирулентными, которые в течение последнего десятилетия были обнаружены сначала в Испании (1995—1996 гг.) и в Румынии (1997 г.) и Турции (2006 г.). В этих странах созданы линии-дифференциаторы устойчивости подсолнечника к каждой из них.

В Украине примерно с 80-х до конца 90-х годов эпифитотной обстановки с заразихой на подсолнечнике не возникало. Успешная селекция новых гибридов подсолнечника в течение столетней его истории выращивания позволяла решать проблему устойчивости к заразихе. В тот период времени в популяциях заразихи везде преобладала раса С с некоторой примесью вирулентных особей расы D.

В последние годы в регионах юга России, где в основном выращивают подсолнечник, тоже начали распространяться новые расы заразихи (F, G и H), которые стали поражать весь отечественный ассортимент и гибриды иностранной селекции. В Украине в связи с повышением частоты проявления вредоносности заразихи на полях подсолнечника, актуальными являются исследования по распространению, определению рас паразита и снижению его уровня организационными, технологическими и селекционными мероприятиями.

Прорастание семян заразихи происходит благодаря стриголактонам, выделяемым в почву корнями подсолнечника, которые привлекают арбускулярные микоризные грибы (АМ-грибы). Стриголактоны являются веществами «голода» растений и относятся к новому классу фитогормонов, участвующих во многих физиологических процессах, в том числе в регулировании доступности питательных веществ корнями.

У заразихи был идентифицирован специфичный рецептор KARRIKIN INSENSITIVE2 DIVERGENT (KAI2d), который участвует в дифференцированном распознавании корневых экссудатов подсолнечника. В геноме паразита установлено несколько генов KAI2d, что кодируют рецепторы KAI2d. В результате открытия веществ, участвующих в прорастании семян заразихи, обсуждаются новые стратегии защиты подсолнечника от этого растения-паразита, которые находятся на стадии разработки.

На основе стриголактонов создан синтетический препарат GR24 и его аналоги с целью их внесения в почву для стимулирования прорастания семян заразихи. Аминокислота метионин сильно ингибирует раннее развитие заразихи без фитотоксичного эффекта у подсолнечника. Семена заразихи хуже распознают корни подсолнечника, которые колонизированы АМ грибами, бактериями Rhizobium leguminosarum, Azospirillum brasilense из-за изменения состава корневых экссудатов в колонизированных растениях.

Большой интерес среди синтезированных элиситоров представляет ацибензолар-S-метил. Он вызывает системную устойчивость к бактериальным, грибным и вирусным болезням, индуцирует синтез PR-белков, а также активизирует защитные реакции подсолнечника на внедрение заразихи и приводят к одревеснению эндодермы, и торможению проникновения гаусторий семян заразихи через клеточную стенку клеток корня.

В связи с появлением новой информации в этой области исследований, публикация книги «Заразиха подсолнечниковая в начале ХХІ века: морфология, развитие, меры контроля и новые стратегии защиты от паразита» является вполне своевременной. В книге обобщены материалы, посвященные особенностям развития заразихи и разработке мер защиты подсолнечника от паразита.

ГЛАВА 1

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАРАЗИХИ ПОДСОЛНЕЧНИКОВОЙ (OROBACHE СUMANA WALLR.)

1.1. РОД ЗАРАЗИХА (ОROBANCHE)

Паразитизм на растениях — это коэволюционный механизм, встречаемый в 4000 видов (приблизительно 1% покрытосеменных растений), который неоднократно проявлялся во время эволюции покрытосеменных растений как самостоятельное событие в 17 семействах растений от полюсов до сухих и влажных тропиков. Эти растения стали приспособленными для использования ресурсов автотрофных растений через различные уровни паразитизма.

В семейство Заразиховые (Orobancháceae) входит самая многочисленная группа облигатных подземных паразитов, которая включает 13 родов, среди которых выделяется род Заразиха. Род Заразиха — Оrobanche по сравнению с другими родами семейства Заразиховые отличается исключительным разнообразием видового состава (известно более 120 видов). Объясняется это широким ареалом распространения и большим диапазоном в выборе растений-хозяев. Представители рода Заразиха паразитируют на дикорастущих, культурных и сорных растениях.

В Украине насчитывается около пяти видов паразитов культурных растений из рода Заразиха. Наиболее вредоносны следующие виды, заражающие технические, кормовые, декоративные, овощные, бахчевые культуры: заразиха подсолнечниковая — О. сumana Wallr., заразиха ветвистая, или конопляная, — O. ramose L., заразиха египетская, или бахчевая, — О. aegyptiaca Pers., заразиха капустяная — О. muteliі F.W. Schultz. и заразиха люцерновая — O. lutea Baumg.

В процессе эволюции все органы растений этого рода, кроме стебля, цветков и плодов, подверглись значительным изменениям: корни превратились в короткие мясистые волокна присоски, присасывающиеся к корням растения-хозяина, листья утратили хлорофилл и стали мелкими буроватыми, желтоватыми или лиловатыми чешуйками с очередным расположением.

Почти все заразихи обладают сравнительно высокой специализацией. Каждый вид приспособлен к паразитированию на ограниченном круге питающих растений, принадлежащих только одному или нескольким определенным семействам, родам и видам.

Заразиха подсолнечниковая паразитирует, главным образом, на подсолнечнике; из других растений поражает томат, табак, махорку, сафлор, полынь и др. Заразиха египетская, или бахчевая, поражает около 70 видов растений, в том числе картофель, табак, капусту, томат, тыквенные. Заразиха ветвистая, или конопляная, заражает в основном табак, томат, также коноплю, капусту, морковь, дыню и др.

Отсутствие хлорофилла в листьях, подземный паразитизм, физическая связь и синхронизация роста с культурой, а также исключительное поглощение питательных веществ через сосудистую систему хозяина, а не из почвы, делают контроль паразитов из рода Заразиховых сложной сельскохозяйственной задачей. Кроме того, биологическое сходство между хозяином и паразитом, которое характеризуется высоким взаимодействием растений этого рода с культурами, усложняет разработку эффективных методов борьбы с заразиховыми.

1.2. ЗАРАЗИХА ПОДСОЛНЕЧНИКОВАЯ — ОПАСНЫЙ ВИД ПАРАЗИТА

Из паразитов рода Заразиховых заразиха подсолнечниковая (Orobache сumana Wallr.) является опасным, тяжелоискореняющимся цветочным паразитом, который отнимает у растения влагу и питательные вещества, существенно снижает его урожайность. Orobache сumana относится к полиморфному виду, насчитываемому в настоящее время ряд рас, названных буквами латинского алфавита: А, B, С, D, E, F, G и H. Они отличаются между собой вирулентностью и агрессивностью к сортам и гибридам подсолнечника, распространенных в Украине.

Заразиха подсолнечниковая отличается от других видов заразихи неветвящимся стеблем высотой до 30 см и более. Orobache сumana — это однолетнее растение с прямостоячим бледно-желтым стеблем, имеет редуцированные листья (желтоватые, чешуйчатые), которые лишены хлорофилла, и характеризуют ее как специализированного паразита. Цветки заразихи пазушные, пятичленные, с двугубым венчиком синего, беловатого или фиолетового цвета, с четырьмя тычинками, которые собраны по несколько десятков в колос или колосовидную метелку.

С точки зрения генетики диплоидных видов О. cumana Wallr., обладает числом хромосом (2n) из 38 и по оценкам, размер генома составляет 1,42 Gb. Заразиха способна к апомиксису — механизму размножения неполовым путем, а также как самоопылению, так и перекрестному опылению, которое осуществляется с помощью мухи-фитомизы — Phytomysa orobanchia и шмелей. Участие в образовании семян перекрестного опыления, вызывающего рекомбинацию генов, самоопыления, приводящего к закреплению новых успешных комбинаций, и апомиксиса, который позволяет получать семена без опыления, способствует к появлению новых рас.

Завязь у заразихи — верхняя, одногнездная. Плод — коробочка, раскрывающаяся двумя или тремя створками и содержащая до 2 тыс. семян и более. Семена мельчайшие, длиной 0,2–0,6 мм, шириной 0,17–0,25 мм, округлые или продолговатые, темно-бурые, с ячеистой поверхностью. Семена заразихи занесены в Книгу рекордов Гиннеса как самые мелкие.

Паразит размножается семенами, которые зимуют в почве и представляют собой основной источник заражения подсолнечника и ряда культурных растений. В одном плоде насчитывается по 1500—2000 и даже 2500 семян, а целое растение формирует до 60000—80000. На одном растении заразихи их может быть до 100 тыс.

Строение семян заразихи уникально во многих отношениях. Зародыш в семени заразихи, так же как и у многих других паразитических растений, недоразвит, не расчленен на корень, стебель и семядоли, а состоит из групп клеток, окруженных запасающей тканью, содержащей питательные вещества, необходимые проростку до тех пор, пока он не присосется к питающему растению. Липиды являются основным материалом для хранения семян. Основными жирными кислотами в липидах семян заразихи являются олеиновая и линолевая кислоты. В сухих семенах паразита также содержится небольшое количество стеариновой и пальмитиновой кислот.

Прорастание семян является узким местом в жизненном цикле заразихи. Для их прорастания необходим химический стимул. Этот стимул обычно происходит от близлежащих корней хозяина. Семена заразихи прорастает, как правило, при наличии корневых выделений подсолнечника.

Паразитарная стратегия паразита обычно успешна благодаря координации ранних стадий развития с химическими сигналами от хозяина. Семена заразихи ощущают растение-хозяина посредством распознавания вторичных метаболитов, высвобождаемых его корнями, которые активируют программу развития, включающую прорастание, рост корешка в направлении корня хозяина, развитие органа прикрепления и создание соединительной ткани, соединяющей сосудистые ткани хозяина и паразита.

Проникновение апикальных клеток проростка заразихи в сосуды является пусковым моментом для их деления и формирования многоклеточного гаусториального органа внутри коровой паренхимы, образования в нѐм собственной проводящей системы и развития, так называемого, клубенька снаружи корня.

Апексы проростка паразита проникают непосредственно в клетки коровой паренхимы и достигают ксилемы и флоэмы за счет способности гаусториальных клеток заразихи выделять во внешнюю среду экстрацеллюлярные ферменты, способствующие лизису клеточных стенок корня подсолнечника.

Некоторые соединения вторичного метаболизма были описаны как вещества, обладающие стимулирующей активностью прорастания. Большинство из них относятся к стриголактонам, но также изофлаванонам и сесквитерпеновым лактонам. В основе процесса, вызывающего прорастание семян паразита, лежит рецептор-опосредованный сигнальный механизм, который аналогичен восприятию растительного гормона через рецепторы. Обычно экссудаты одного растения содержат более одного соединения с независимой стимулирующей активностью в отношении прорастания семян паразита. При этом более чем одно соединение может быть специфически распознано заразихой в корневых экссудатах растения.

Для прорастания семян нужна влажность почвы в пределах 70—85%. Они не выдерживают долгого пребывания в насыщенной влагой почве, где быстро теряют всхожесть. При температуре свыше 50 0С семена погибают. Оптимальная температура для прорастания заразихи 16—25 0С. При температуре ниже 10 0С и выше 35 0С семена не прорастают.

Семена заразихи способны прорастать на любой глубине пахотного горизонта под воздействием корневых выделений определенных видов растений-хозяев. Если вблизи семян паразита таких растений нет, то они не прорастают, однако могут сохранять жизнеспособность в течение 8–12 лет. Эта способность сформировалась у них с введением научно-обоснованных севооборотов, в которых подсолнечник возвращаться на прежнее место не ранее, чем через 8 лет.

Число проросших семян заразихи и энергия их прорастания зависят не только от корневых выделений растения-хозяина, но и от целого ряда других условий: от вида питающего растения, его иммунологических свойств и концентрации клеточного сока, от вирулентности паразита и близости его семян к корню подсолнечника, от реакции среды, температуры и влажности почвы и др.

Прорастание, присасывание заразихи к корням питающегося растения и ее начальное развитие происходят скрытно в почве. Под влиянием корневых выделений растения-хозяина семена паразита могут прорастать в почве на несколько миллиметров. При этом из семени выходит слегка извитый росток с булавовидным утолщением на конце, растущий в том направлении, где выше концентрация корневых выделений мигающего растения. Прикоснувшись к корню восприимчивого к заразихе растения, утолщение начинает разрастаться, а остальная часть ростка атрофируется, превращаясь в тонкую ниточку; затем связь с оболочкой семени прерывается.

Находясь в контакте с корнем, апикальные клетки проростка заразихи выделяют клейкое вещество и ферменты, с помощью которых разлагает межклеточный пектин. А высокое осмотическое давление внутри апикальных клеток способствует к их проникновению непосредственно в клетки коровой паренхимы корня подсолнечника путѐм вдавливания и разрушения клеточной стенки.

Возникшее утолщение на корне растения-хозяина покрывается бугорками, придающими ему вид звездочки. Один из гаусториев, раздвигая клетки паренхимы коры корня, внедряется в нее и доходит до ксилемы. Трахеиды, развивающиеся внутри гаустория, сливаются с проводящими элементами растения-хозяина в единое целое настолько, что между ними трудно бывает найти границу. На противоположном конце заразихи образуется почка, покрытая многочисленными чешуйками, превращающимися позднее в видоизмененные листья. Почка развивается в цветоносный стебель, выносящий соцветие на поверхность почвы.

Прорастание семян заразихи, разбросанных в почве, ее присасывание и развитие происходят постепенно по мере роста корневой системы питающего растения. Поэтому на корнях одного растения-хозяина можно наблюдать все фазы формирования паразита; от прорастания семян до созревания коробочек. От момента прорастания семян заразихи до появления ее растений на поверхности почвы проходит не менее 1,5–2 месяцев.

Жизненный цикл заразихи состоит из нескольких этапов: от прорастания семян до цветения и формирования семян. Этот процесс может быть условно разделен на четыре периода. На первом этапе прорастание семян O. cumana индуцируется хозяином. Прорастание является одним из наиболее изученных этапов жизненного цикла заразихи. Молекулы веществ, секретируемые корневой системой хозяина, играют главную роль в индукции прорастания паразита. Известно, что два основных типа соединений, выделяемых корнями подсолнечника, вызывают прорастание семян О. cumana: стриголактоны и сесквитерпеновые лактоны. Прорастание семян сопровождается второй стадией, на которой происходит закрепление паразита на корне подсолнечника. Проникновение и установление сосудистых связей между паразитом и хозяином достигается посредством гаустории, формирующейся на кончике корешка O. cumana. После сосудистого соединения заразиха начинает вырабатывать флоэмный поток, действуя как сильный приемник питательных веществ. На третьем этапе орган накопления питательных веществ, называемый почкой, быстро развивается в точке прикрепления, из которого в конечном итоге вырастет подземный побег. Последняя стадия — это наземная стадия 4, которая начинается с появления O. cumana из земли и заканчивается цветением, формированием и рассеиванием семян.

Из-за отсутствия в листьях хлорофилла заразиха вынуждена получать питательные вещества из других растений с помощью гаусторий — органа, уникального для паразитических растений, через который паразит отводит воду и питательные вещества от хозяина.

Предполагают, что возникновение паразитизма у растений основано на двух основных механизмах. Первый механизм рассматривает поразительное морфологическое сходство между некоторыми паразитическими растениями с гаусториями, корневыми клубеньками и корневыми галлами. При этом паразиты могли эволюционировать благодаря эндофитной ассоциации или горизонтальной передаче генов от бактерий или других микроорганизмов, которые могут придавать паразитарную способность. Второй механизм, названный эндогенным путем, заключается в том, что паразитические функции могли развиться от генов растений, кодирующих непаразитарные функции. Эти механизмы не обязательно являются взаимоисключающими, и оба они могли иметь важное значение для развития паразитизма.

Эволюция от автотрофного к гетеротрофному способу питания привела к сокращению основных вегетативных органов заразихи в сторону рудиментарных вариантов, нефункциональных для автотрофов. При этом корневая система у зрелых растений паразита видоизменилась в гаустории, а их листья уменьшились до небольших бесхлорофилльных чешуек.

Гаустории — это ключевая особенность паразитизма растений, которая независимо развивается у покрытосеменных растений. Эти органы позволяют заразихе заражать подсолнечник с помощью последовательных функций, сначала как органа, связывающего хозяина, а затем как инвазивного органа в отношении сосудистой системы хозяина, где устанавливается непрерывность сосудов, позволяющая паразиту забирать воду и питательные вещества из растения.

Гаустории паразитных растений переносят воду, элементы питания (в том числе азот) и часто органические питательные вещества. Массовый отток воды и растворенных питательных веществ из сосудистой системы подсолнечника достигается заразихой путем поддержания более низкого водного потенциала по отношению к хозяину. В связи с этим паразиту присущ более высокий показатель транспирации, поддержанию которого способствует дополнительный механизм открытия устьиц. Так, показатели транспирации у патогена может быть в десять раз выше, чем у растения-хозяина.

С другой стороны, растения заразихи имеют низкой водный потенциал даже тогда, когда подсолнечник подвергается водному стрессу. Содержание сахара, накопленного в гаусториях паразита, колеблется в 6—8 раз выше, чем у их растений-хозяев. Способность гаусторий эффективно передавать ресурсы подсолнечника приводит к значительной потере его урожайности.

Гаустории развиваются и увеличиваются вместе с утолщением стебля хозяина благодаря наличию интеркалярной меристемы, активность которой синхронизирована с активностью меристемы патогена. Таким образом, развитая сеть (эндофитная система) паразита является жизнеспособной довольно долго — на протяжении всего периода вегетации подсолнечника. Развитие эндофитной системы начинается после формирования сосущих гаусторий, первые побеги возникают в месте инфицирования.

Типичным для заразихи является развитие боковых побегов из дополнительных почек с интеркалярных меристем вдоль сосущих гаусторий, которые длительное время остаются жизнеспособными. Интеркалярная меристема у паразита представляет собой активно растущие меристематические участки, расположенные большей частью в нижней части эмбрионального побега, где интенсивно протекают процессы дифференциации тканей, выделяются поперечные пояски недифференцированной меристемы, которая получила название вставочной. Она относится к верхушечным меристемам (следовательно, по происхождению является первичной), клетки которых надолго задерживаются в эмбриональном состоянии среди специализированных тканей. Переход её в деятельное состояние может быть сильно отделён по времени от периода эмбрионального роста побега. В связи с этим интеркалярные меристемы у заразихи часто называют остаточными.

Деятельность этих меристем обусловливает рост органа в длину после прекращения верхушечного роста (интеркалярный рост). Такой рост часто связан с фазой выноса цветоноса на уже сложившемся растении. Участки интеркалярной меристемы имеются также в редуцированных листочках паразита, их деятельность обеспечивает увеличение размеров видоизмененных листочков после выхода их из почки.

В O. cumana известен эндогенный и экзогенный тип образования побега. Первый тип формирования цветоноса связан с закладкой меристемы непосредственно в клубеньке. Этот путь развития считается основным результатом эволюции паразитизма в семействе Orobanchaceae.

В большей части проростков заразихи наблюдается второй тип образования стебля, когда эпикотилярная зона редуцированного зародыша, выполнив гаусториальную функцию в эндосперме, не отмирает, а развивается в апекс побега. Из нее в дальнейшем вырастает одиночный стебель. Экзогенное формирования апекса побега обусловлено адаптацией к паразитизму на однолетних (главным образом, культурных) растениях-хозяина, что требует существенного сокращения времени для развития плодоносящихся побегов.

Известно, что Orobache сumana вид–полифаг, которому свойственны резкие различия морфологических признаков при развитии на разных видах растений-хозяев. Четко выраженная изменчивость морфологических признаков у видов-полифагов отражает их способность к освоению новых, часто систематически весьма разнородных видов растений.

Разнообразие морфологических признаков у заразихи наблюдается часто на одном и том же хозяине-подсолнечнике. Встречаются соцветия как с рыхло расставленными, так и с плотно расположенными цветками. Причем, такое разнообразие часто обнаруживается на одном и том же растении-хозяине. Кроме того, довольно часто наблюдается явление, когда цветки располагаются на всем стебле и даже ниже уровня почвы. Хотя обычно нижняя треть стебля лишена их.

Считается, что на современном этапе развития клубенька Orobache сumana Wallr в нем заметны изменения, способствующие сокращению сроков развития вторичных плодущих побегов и увеличению семенной продуктивности в целом. Это свидетельствуют о широкой адаптационной изменчивости паразита, способствующей сохранению и увеличению семенной продуктивности в быстро меняющихся условиях среды обитания.

ГЛАВА 2

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЕЛЕКЦИЯ ПОДСОЛНЕЧНИКА НА УСТОЙЧИВОСТЬ К OROBACHE СUMANA

2.1. МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ ПОДСОЛНЕЧНИКА ОТ ПАРАЗИТА

Подсолнечник обладает иммунной системой, включающей разные механизмы защиты в ответ на проникновение заразихи. Различают две основные системы защиты: узнавание рецепторами растения патоген-ассоциированных молекулярных образцов (recognition of pathogen associated molecular patterns –PAMPs или MAMPs) и индуцированный эффектором иммунитет (effector-triggered immunity — ETI).

У подсолнечника на основании базового защитного ответа, инициируемого на ранних стадиях взаимодействия патогена и растения, через узнавание рецепторами клетки внедряющегося патогена формируется общая, или неспецифическая, устойчивость. Под неспецифической резистентностью понимают способность организма противостоять воздействию разнообразных по своей природе факторов.

На начальном этапе прорастания семян заразихи, прикрепления и проникновения гаустории в корень известно несколько механизмов, приводящих к возникновению общей устойчивости подсолнечника к паразиту. К ним относятся снижение экссудации стриголактонов корнями хозяина, укрепление клеточной стенки через поперечное сшивание белков или осаждение на ней метаболитов (лигнин, суберин, каллоза), накопление токсичных фенольных соединений в точке заражения.

В то же время новые вирулентные расы заразихи способны избегать узнавания растительными рецепторами и заражать подсолнечник. В ответ на эту угрозу, новые устойчивые гибриды подсолнечника способны узнавать инфицирующие их патогены с помощью белков R (белков устойчивости, или резистентности), взаимодействующих непосредственно или опосредованно с эффекторами патогенов, которые являются видо- или штаммоспецифичными. Такое взаимодействие индуцирует сильный специфический защитный ответ растения, который часто связан с клеточной смертью для ограничения размножения и распространения патогена, и формирует специфическую устойчивость подсолнечника к заразихе. Специфическая резистентность характеризуется высокой степенью противодействия организма к воздействию определенных факторов или их близких групп.

Большинство белков R содержат нуклеотидсвязывающий, протеинкиназный сайты и богатые лейцином повторы и обозначаются как белки NBS-LRR. Домен белка, содержащий повтор, богатый лекцином, ответственен за связывание белка с белком, то есть отвечает за распознавание патогена. Протеинкиназный и нуклеотидсвязывающий домены задействованы в фосфорилировании белков и регуляции экспрессии защитных генов. NBS-LRR-белки участвуют в запуске сигнальных каскадов, приводящих к развитию летальной программируемой клеточной смерти (гиперчувствительный ответ, HR) через генерацию активных форм кислорода (ROS).

На этапе, когда произошло проникновение и заражение паразитом корня, известно ряд механизмов, обусловливающих образование специфической устойчивости подсолнечника. К ним относятся образование внутри сосудов-хозяев гелеобразных веществ, блокирующих передачу питательных веществ; формирование токсичных соединений, убивающих заразиху; гибель внешних клеток корня.

Общая и специфическая устойчивость подсолнечника к заразихе может быть качественной, называемая еще вертикальной, которая обычно контролируется единичными доминантными генами, и количественной (горизонтальной), передающаяся несколькими генами.

Качественная стойкость гибридов подсолнечника к цветковому паразиту достаточно хорошо изучена. Она часто рассматривается как устойчивость «ген против гена» и обычно весьма специфична в отношении определенного гибрида или сорта растения и конкретной расы патогена. Этот тип устойчивости подсолнечника к заразихе не является длительным: под селекционным давлением, оказываемым устойчивыми гибридами, происходит отбор мутаций у патогена. В результате появляются новые расы заразихи, которые поражают устойчивые гибриды подсолнечника. Именно качественная устойчивость подсолнечника к заразихе, которая контролируется единичными доминантными генами, на протяжении длительного времени была мишенью для создания гибридов, устойчивых к этому паразиту.

Возникновение качественной устойчивости подсолнечника к заразихе связывают с генами NBS-LRR (R-гены), контролирующими белки R. R-гены кодируют нуклеотидсвязывающие сайты (NBS) и богатые лейцином повторы (LRR). R-белки участвуют в обнаружении различных патогенов, включая заразиху, бактерии, вирусы, грибы, нематоды, насекомые и оомицеты.

Растительные белки NBS-LRR многочисленны и древние по происхождению. Они кодируются одним из крупнейших семейств генов, известных в растениях. Это большое семейство контролируется сотнями разнообразных генов и может быть подразделено на функционально различные субсемейства, содержащие TIR-домен (TNL) и CC-домен (CNL). R-белки объединяются в основные классы белков генов устойчивости следующим образом: TIR-NBS-LRR, CC-NBS-LLRR, NBS-LRR, PK, TM-CC, LRR-TM, LRR-TM-PK.

У Arabidopsis thaliana генов, кодирующих NBS-LRR, примерно около 150, в рисе посевном (Oryza sativa) — более 400, и, вероятно, значительно больше в крупных геномах растений, которые еще не полностью секвенированы. Многие NBS-кодирующие последовательности были амплифицированы из разнообразных видов растений с использованием ПЦР с вырожденными праймерами на основе консервативных последовательностей в домене NBS. В настоящее время в публичных базах данных имеется более 1600 NBS-последовательностей. Они встречаются у несосудистых и голосеменных видов, а также покрытосеменных растений.

Эволюция R-генов растений протекала в основном путем дублирования и равной или неравной мейотической рекомбинации. Исследование генов R, помимо его теоретической ценности, представляет собой значительный практический интерес для создания растительных генотипов, устойчивых к вредным организмам.

У подсолнечника известно ряд генов, вызывающих устойчивость к разным расам заразихи. Стойкость к расам растения-паразита обусловливается обычно доминантными генами: Or1 (вызывает стойкость к расе А), Or2 (– стойкость к расам А, В), Or3 (– стойкость к расам А, В и С), Or4 (– стойкость к расам А, В, С и D), Or5 (– стойкость к расам А, В, С, D и Е) и так далее.

Со всех известных генов наиболее детальный молекулярный анализ был проведен для гена Or5. Для этого гена было идентифицировано 5 локусов SCAR и 1 локус RAPD. Наименьшее расстояние между SCAR маркерами и функциональными генами было обнаружено для RTS05 и составило 5,6 сМ. Расстояние между SSR локусом СRT392 и Or5 составило 6,2 сМ.

Как правило, гены устойчивости к заразихе у подсолнечника распределены по хромосомам не случайно, а как бы скучено. Причем они имеют одиночное мультиаллельное расположение (один локус с множеством кодоминантных аллелей, контролирующих устойчивость к разным расам патогена).

Обычно возникновение кластеров близ лежащих генов характерно для R-генов и обусловлено внутри- и межгенными обменами участков ДНК, имеющих прямые или инвертированные повторяющиеся последовательности, часто приводящие к неравному кроссинговеру. Продукты R-генов отличаются деталями структурны рецепторных участков и могут связываться с разными по химической структуре элиситорами. Таким образом, у хозяина и паразита устанавливаются расоспецифические взаимоотношения, описываемые как система «ген-на-ген». При этом гены устойчивости у подсолнечника обычно являются доминантными, а гены вирулентности у патогена — рецессивными.

Устойчивое состояние (несовместимость) развивается только в том случае, если комплементарные гены хозяина и паразита находятся в доминантном состоянии. Если же один из них или оба гена рецессивные, то растение восприимчиво, а паразит вирулентен (состояние совместимости).

Взаимодействие продуктов этих генов у хозяина и патогена можно объяснить следующим образом: ген устойчивости R-ген контролирует синтез специфического белка-рецептора, а ген авирулентности (Avr-ген) — специфического элиситора. Их взаимодействие приводит к индукции защитных реакций. Если у растения отсутствует рецептор или у паразита элиситор, то защитная реакция не развивается.

Отсутствие рецепции у чувствительных гибридов подсолнечника к заразихе может быть связано с делецией генов хозяина и паразита (рецептора или элиситора нет вообще) или мутациями этих генов (взаимодействие элиситор-рецептор ослаблено или потеряно). В этой связи у O. cumana и подсолнечника обнаружена очень высокая частота мутирования локусов, ответственных за заражение хозяина и устойчивость к патогену, превышающая частоту других генов. Однако у паразита в связи с морфологическими и биологическими особенностями развития и широкою адаптационною изменчивостью частота мутирования генов паразитизма намного выше, чем у подсолнечника генов устойчивости к патогену.

У заразихи роль элиситоров выполняют пектолитические ферменты, выделяемые гаусториальными клетками, которые растворяют межклеточные пластинки, и при продвижении апекса проростка паразита к сосудам, не нарушают кортикальные клетки корня подсолнечника.

Химическая структура R-белков была расшифрована лишь в конце прошлого века. Эти белки содержат несколько участков (доменов). Самый крупный участок имеет большое число (несколько десятков) повторяющихся последовательностей аминокислот, среди которых чаще других встречается аминокислота лейцин (повторы, богатые лекцином — ПБЛ).