Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 496, № 1, стр. 19-23

Теория Г. Флора “ген-на-ген” (1956 г.) является фундаментальным представлением о генетических основах взаимодействия растений с вредными организмами в случае расоспецифической устойчивости. Согласно классическому варианту этой теории выдвинуты три Положения: 1) для каждого гена устойчивости растения у патогена существует только один строго ему комплементарный ген вирулентности; 2) если в системе взаимодействия генотип растения – генотип патогена хотя бы одному аллелю устойчивости противостоит комплементарный аллель авирулентности, то фенотипически наблюдается устойчивость хозяина (авирулентность патогена); 3) если каждому аллелю устойчивости противостоит комплементарный аллель вирулентности, наблюдается восприимчивость растения (вирулентность паразита) [3, 4]. Данное представление доказано для многих систем взаимодействия путем параллельного изучения наследования устойчивости растений к изолятам возбудителей и вирулентности генотипов грибов к растениям-хозяевам, в том числе и для систем взаимодействия злаки – возбудители ржавчинных болезней [5–7]. Отметим, что иногда в системе взаимодействия пшеницы с возбудителями ржавчин наблюдали случаи несовпадения числа генов, контролирующих устойчивость хозяина и вирулентность патогена [8–10], что, однако, могло быть связано с тесным сцеплением нескольких генов устойчивости (по результатам гибридологического анализа постулируется наличие одного гена, а фактически их несколько).

В нашей работе при изучении системы пшеница – изоляты Puccinia triticina Ericss. показано, что данные по взаимодействию взрослых растений с патогеном не могут быть объяснены классическим взаимоотношением ген-на-ген [11]. В настоящей работе мы представляем экспериментальные данные, доказывающие, что классическая теория Флора не может объяснить во многих случаях и взаимодействие проростков зерновых культур с возбудителями ржавчин и предлагаем ее уточненный вариант.

Монопустульные изоляты (клоны, генотипы) возбудителей листовой ржавчины пшеницы P. triticina, карликовой ржавчины ячменя P. hordei Otth и корончатой ржавчины овса P. coronata Corda размножали на отрезках листьев восприимчивых сортов, помещенных на вату, смоченную водой при 22°С и 28°С, а также помещенных на вату, смоченную растворами хлористого калия (0.48 г/л), аммиачной селитры (1.29 г/л) и гидразида малеиновой кислоты (ГМК, maleic acid hydrazide MAH) (10 мг/л) при 22°С [12]. Клонами P. triticina инокулировали растения 5 линий пшеницы, клонами P. hordei – растения 5 сортов ячменя, клонами P. coronata – растения 5 сортов овса. Растения до и после заражения выращивали при 22°С и постоянном освещении – 2500 люкс. Типы реакции на заражение учитывали через 8 сут после инокуляции по шкале [13], где 0 (отсутствие симптомов заражения) – устойчивость хозяина, авирулентность патогена, 3 (крупные пустулы без некрозов) – восприимчивость растения, вирулентность изолята патогена.

Результаты экспериментов для 4 клонов каждого патогена приведены в табл. 1–3.

Полученные данные однозначно указывают на невозможность объяснения взаимодействия растение-патоген в рамках классической теории Флора “ген-на-ген”.

Аргументацию данного утверждения приводим для системы взаимодействия пшеница – возбудитель листовой ржавчины; для двух других систем она будет абсолютно аналогичной. Далее рассмотрим противоречия наших экспериментальных данных каждому из трех Положений (2, 3 и 1) теории Флора.

Положение 2. Если в системе взаимодействия хотя бы одному аллелю устойчивости противостоит комплементарный аллель авирулентности, то наблюдается устойчивость хозяина (авирулентность патогена). Фактические данные противоречат данному утверждению. В системе взаимодействия пшеница – P. triticina клон 2 был авирулентен на линии с геном Lr23, клон 3 – на линии с геном Lr2а и клон 4 – на линиях с генами Lr1 и Lr20 при размножении их на отрезках листьев в воде. Согласно теории Флора эти клоны имеют аллели авирулентности, соответствующие данным генам устойчивости. Однако эти генотипы гриба проявили реакцию вирулентности после их размножения в присутствии ГМК (см. табл. 1), т.е. они должны иметь аллели вирулентности, комплементарные данным генам устойчивости.

Авирулентные при размножении на воде клоны 3 на линии с геном Lr20 и 4 – на линиях с генами Lr2а, 23, 26 после их размножения в присутствии хлористого калия были вирулентны к этим линиям, что указывает на наличие у них в первом эксперименте аллелей авирулентности, а во втором – аллелей вирулентности. Эти очевидные противоречия могут теоретически быть объяснены влиянием ГМК и соли калия на изменение экспрессии конкретных аллелей авирулентности, чему явно противоречит отсутствие таких изменений у других клонов патогена.

Положение 3. Если каждому аллелю устойчивости противостоит комплементарный аллель вирулентности, наблюдается восприимчивость растения (вирулентность паразита).

Полученные данные противоречат и этому утверждению. Клон 1 P. triticina, размноженный на воде при 22°С, вирулентен к линиям с генами Lr1, 20, 23, 26 (см. табл. 1) и, соответственно, согласно классической теории “ген-на-ген” имеет аллели вирулентности, комплементарные данным генам устойчивости; клон 2 вирулентен на линии с геном Lr2а и согласно теории Флора имеет комплементарный аллель вирулентности. Эти клоны, размноженные в присутствии соли азота, были авирулентны к данным линиям, следовательно, согласно теории Флора должны иметь соответствующие аллели авирулентности.

Аналогично, после размножения при 22°С клон 1 был вирулентен на линии с геном Lr2a, клон 2 – на линиях с генами Lr1, 20 и 26, клон 3 – на линии с геном Lr23, т.е. они имеют аллели вирулентности к данным генам устойчивости. При их размножении при повышенной температуре они были авирулентны на данных линиях и, следовательно, имеют аллели авирулентности. Данное противоречие можно было бы объяснить влиянием соли азота и повышенной температуры на экспрессию этих аллелей вирулентности по типу модификационной изменчивости, и они начинают функционировать как аллели авирулентности. Этому, однако, очевидно противоречит отсутствие таких изменений для других комбинаций взаимодействия линия-клон патогена (например, линии с геном Lr1 и клоном 2 при его размножении в присутствии аммиачной селитры, линии с геном Lr1 и клоном 1 при его размножении при высокой температуре).

Положение 1. Для каждого гена устойчивости растения-хозяина у патогена существует только один строго ему комплементарный ген вирулентности. Полученные экспериментальные результаты противоречат и данному положению. Так, под действием аммиачной селитры у некоторых генотипов патогенов изменяется экспрессия гена (ов), комплементарных генам резистентности, но не зависимых от гена, обусловливающего вирулентность в отсутствие этого вещества. При размножении клонов при повышенной температуре также изменяется экспрессия дополнительных генов вирулентности, комплементарных генам устойчивости, и не связанных с генами, детерминирующими вирулентность в “нормальных” условиях. Таким образом, только для одного гена устойчивости патоген должен иметь не менее 3 (вероятно больше) комплементарных ему аллелей авирулентности, экспрессирующихся в различных условиях. Также клон-специфичное изменение авирулентности генотипов патогенов в сторону вирулентности к конкретному гену резистентности хозяина под действием ГМК и соли калия указывает на наличие не менее 3 аллелей вирулентности, комплементарных конкретному гену устойчивости растения. Таким образом, одному гену устойчивости хозяина комплементарны несколько генов вирулентности возбудителей ржавчин зерновых культур, дифференциальная экспрессия которых наблюдается при изменении условий размножения генотипов возбудителей. Альтернативным объяснением может быть наличие у патогенов одного гена вирулентности, комплементарного одному гену устойчивости хозяина, но имеющего несколько (очевидно более 5) аллелей вирулентности и авирулентности, каждый из которых специфически изменяет экспрессию под действием абиотических факторов внешней среды.

Таким образом, по результатам проведенной работы взаимодействие хозяин-патоген в варьирующих условиях развития возбудителей ржавчин зерновых культур не может быть описано в рамках классической теории Флора “ген-на-ген”. В уточненном виде данные взаимоотношения могут быть описаны как “ген-на-гены” либо “аллель-на-аллели”. Предлагаемая ревизия теории “ген-на-ген” расширяет представления о генетических основах взаимодействия хозяин-патоген и теоретически может привести к ряду практических следствий в изучении устойчивости зерновых культур, популяционных исследований фитопатогенов и защиты растений.