автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Вычислительная среда для моделирования задач механики сплошной среды на высокопроизводительных системах

На правах рукописи

Игнатов Александр Николаевич

ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ФИТОПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ ХА1ЯТНОМОИА$ САМРЕБТЮЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ К НИМ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА ВКАввЮАСЕАЕ

06.01.11 - Защита растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва 2006

Работа выполнена во ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур и Центре «Биоинженерия» РАН

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

В.К Шильникова,

доктор биологических наук, профессор Ю.Т. Дьяков,

доктор сельскохозяйственных наук К.Л. Алексеева.

Ведущая организация — Российский университет дружбы народов.

Защита состоится «25» октября 2006 г. в/т...часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.04 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва, Тимирязевская ул. 49, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан «20» сентября 2006 г.

Ученый'секретарь диссертационного Совета

А.Н. Смирнов

Общая характеристика работы

Крестоцветные растения (семейство Капустные или Brassicaceae) составляют значительную часть возделываемых овощных, масличных, кормовых и технических культур во всем мире. Например, в России, Китае и Японии они находятся на 1-2 местах по валовому сбору овощей, а в Индии, Канаде, Германии и Великобритании - на первом месте среди масличных. Среднемировые ежегодные потери растениеводства от болезней составляют 11% (FAO, 1997), и, поэтому, усиление устойчивости растений к фитопатогенам является одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства. Сосудистый бактериоз и листовая пятнистость крестоцветных, вызываемые видом Xanthomonas campestris, приводят к большим экономическим потерям при выращивании этих растений во всем мире (Williams, 1980). X. campestris является типовым представителем бактерий рода Xanthomonas, и разнообразие взаимоотношений этого патогена с крестоцветными растениями отражает большую часть многообразия патогенных отношений других ксантомонад с многочисленными растениями-хозяевами. Эффективная система защитных мероприятий должна основываться на выращивании устойчивых сортов, диагностике зараженности семян, агротехнических мероприятиях, направленных на подавление возбудителя в местах его сохранения (растительные остатки, дикорастущие и сорные крестоцветные растения). Несмотря на то, что научную селекцию на устойчивость к сосудистому бактериозу ведут уже более 50 лет, стабильных результатов не достигнуто, вероятно, из-за игнорирования фактов неоднородности популяции патогена по признаку вирулентности и расово-специфичной реакции устойчивости растений.

Вследствие концентрации производства гибридных семян капустных культур в регионах мира, имеющих благоприятный климат для развития сосудистого бактериоза, происходит широкое распространение с партиями семян высоко агрессивных клональных групп бактерий, что делает задачу совершенствования диагностики семенной инфекции актуальной.

Данная работа посвящена исследованию генетического полиморфизма Xxampestris, устойчивости капустных растений, и расовым взаимоотношениям в системе X.campestris - Brassicaceae, с целью разработки методов диагностики и селекции на устойчивость к сосудистому бактериозу.

Цель исследования

Разработать направления в системе защитных мероприятий и методы селекции капустных культур на устойчивость к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости на основе этиологии фитопатогена X. campestris pv.

campestris и взаимоотношений с растением-хозяином на генетическом уровне.

Задачи исследования

1. Создать и охарактеризовать по комплексу признаков коллекцию фитопатогена X. campestris, включающую штаммы, выделенные с культурных, дикорастущих и сорных растений из различных стран и эколого-географических зон.

2. Усовершенствовать систему растений-дифференциаторов, и определить расовую структуру популяции X. campestris pv. campestris.

3. Разработать метод оценки расово-специфичной и неспецифичной устойчивости к сосудистому бактериозу на одном растении.

4. Провести оценку расово-специфичной устойчивости видов семейства Brassicaceae, и закономерности географического распределения различных типов устойчивости.

5. По возможности идентифицировать гены расово-специфичной устойчивости растений к сосудистому бактериозу и установить характер их наследования.

6. Определить вклад различных типов устойчивости и экологических факторов в развитие заболевания в поле.

7. На основе изучения генетического разнообразия популяции X. campestris pv. campestris разработать методы молекулярной диагностики патогена.

На защиту выносятся следующие положения

1. Особенности взаимодействия фитопатогена X. campestris pv. campestris с капустными (Brassicaceae) растениями:

а) популяция фитопатогена неоднородна по признаку вирулентности и представлена физиологическими расами,

б) гены устойчивости крестоцветных растений к X. campestris pv. campestris в основном расово-специфичны,

в) в семействе Brassicaceae имеются видовые особенности распределения расово-специфичных генов устойчивости к сосудистому бактериозу,

г) неспецифичная устойчивость к сосудистому бактериозу у В. oleráceo локализована в ксилеме стебля,

д) распределение генов устойчивости в популяциях видов В. oleracea и В. rapa характеризуется географическими закономерностями.

2. Географические закономерности распределения физиологических и генетических признаков X. campestris pv. campestris.

3. Методика оценки устойчивости растений, обеспечивающая выявление расово-специфичного и неспедифичного типов устойчивости.

4. Методика диагностики X. campestris при помощи мультиплексного ПЦР анализа с оригинальными праймерами.

Научная новизна

Впервые проведена комплексная оценка физиологических (фенотипических) и генетических признаков 470 штаммов X. campestris, собранных в России, Великобритании, Японии, Венгрии, США, Германии, и других странах.

Найдены 5 новых растений-дифференциаторов, и впервые определен расовый состав X. campestris в указанных странах.

Впервые определены 6 генов расово-специфичной устойчивости к сосудистому бактериозу. Обнаружен ген авирулентности avrRxcl/3 у X, campestris, распознаваемый двумя разными расово-специфичными генами устойчивости растений Rxclи Rxc3. Показана корреляция между симптомами сосудистого бактериоза/листовой пятнистости и отсутствием/наличием локуса avrBs3. Показана зависимость расового состава популяции X. campestris от присутствия гена Хсс2109 — гомолога гена AvrPphC Pseudomonas syringae.

Впервые установлено, что крестоцветные растения с геномом А (В. rapa, В. napus) имеют расово-специфичные доминантные гены R2, R3 и Rxc4. Найдены молекулярные маркеры для гена устойчивости Rxc4. Установлено, что устойчивость растений с геномом В (В. nigra, В. carinata, В. juncea) контролируется расово-специфичным доминантным геном Rb (Rxcl), а с геномом С - расово-специфичными доминантным геном Rl(Rxc3) и рецессивным геном г5. Впервые обнаружен новый тип неспецифичной устойчивости, проявляющийся в сосудистой системе стебля и контролируемый доминантным геном Rs (Resistance in Stem) у растений В. oleráceo.

На основе изучения генетического полиморфизма штаммов X. campestris pv. campestris создана мультиплексная система ПЦР-маркеров для диагностики возбудителя. Впервые показана полифилитичность рода Xanthomonas по последовательности гена 16SрРНК. Практическая ценность

Результаты исследований служат основой для селекции растений, направленной на долговременную устойчивость к бактериозам. Они использованы в «Методических рекомендациях по методам лабораторной оценки белокочанной капусты на устойчивость к болезням» (М., РАСХН,

1994) и «Компендиуме по защите растений» (CABI, Кембридж, 2003). Разработана методика одновременной оценки устойчивости по нескольким генам устойчивости к сосудистому бактериозу и получены устойчивые линии, объединяющие несколько генов устойчивости в одном генотипе.

Источники и доноры устойчивости переданы для селекционной работы на Селекционную станцию им. H.H. Тимофеева РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Коллекция фитопатогенных ксантомонад передана во Всероссийскую коллекцию фитопатогенных бактерий (ВНИИФ). Набор линий-дифференциаторов для тестирования рас X. campestris используется для научной и учебной работы во ВНИИ фитопатологии РАСХН, Селекционной станции им. H.H. Тимофеева РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, и Центре «Биоинженерия» РАН. Типовые штаммы различных рас X. campestris pv. campestris переданы для создания инфекционных фонов в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Апробация работы

Материалы диссертации доложены на конференции «Экологические проблемы защиты растений» (Ленинград 1990), Республиканской конференции, посвященной 60-летию образования Казахского СХИ, (Алма-Ата, 1990), научной конференции «Бактериальные болезни картофеля овощей и методы борьбы с ними» (ВНИИФ 1993), Координационном совещании "Совершенствование контроля фитосанитарного состояния сельскохозяйственных культур с целью предотвращения вспышек массового развития болезней" (Москва, 1994), Всероссийском съезде по защите растений "Защита растений в условиях реформирования агропромышленного комплекса: экономика, эффективность, экологичность» (СПб, 1995), 9-й Международной конференции по фитопатогенным бактериям (Мадрас, Индия, 1996), 3-м Международном конгрессе по опылению растений (Лефбридж, Канада, 1996), 2-м Симпозиуме "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования" (Пущипо, 1997), Симпозиуме Международного общества садоводства и овощеводства по капустным (Реннес, Франция, 1997), Конференции Японского общества садоводства и овощеводства (Токио, 1997), 7-м международном конгрессе по фитопатологии в Эдинбурге (Великобритания, 1998), 6-м Симпозиуме Ашерслебена по устойчивости растений (Ашерслебен, Германия, 1998), Национальном симпозиуме по черезвычайным ситуациям в растениеводстве (Варанаши, Индия, 1998), 7-м Международном конгрессе по фитопатологии (Великобритания, 1998), IV съезде Общества физиологов растений России (Москва, 1999), Конференции «Оптимизация селекционного процесса на

основе генетических методов» (Украина, 1999), Юбилейной конференции Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева (Москва, 2000), Школе-конференции «Горизонты физ.-химической биологии» (Пущино, 2000), 2-й Международной конференции по геному сельскохозяйственных микроорганизмов (Сан Диего, США, 2001); б-й Международной конференции по патоварам Pseudomonas syringae и родственным патогенам (Италия, 2002), Конференции американского фитопатологического общества (Мичиган, США, 2002), Конференции американского фитопатологического общества (Сев. Каролина, 2003); 11-м Международном симпозиуме по молекулярному взаимодействию микроорганизмов и растений (Ст. Петербург, 2003); Всероссийском Съезде общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова. (Москва, 2004), 7-й конференции Европейского фонда фитопатологии и Британского общества фитопатологии (Великобритания, 2004), 57-м Международном симпозиуме по защите растений (Бельгия, 2005), Конференции американского фитопатологического общества (Мериленд, 2005), 11-м Международном объединенном симпозиуме по микробиологии (Сан-Франциско, США, 2005), и Объединенной конференции американского и канадского фитопатологических обществ (Квебек, 2006).

Автор признателен всем коллегам, предоставившим материалы, методическую помощь и принимавших участие в обсуждении результатов исследований: д.б.н. А.Н. Самохвалову, Ю.Б. Рогачеву, И.М. Колесникову, H.H. Балашевой, Г.Ф. Монахос, Ф.С. Джалилову, C.B. Цыганковой, Е.С. Булыгиной, Б.Б. Кузнецову, И. Агарковой, А. Сечлер, Н. Шаад, М. Эванс, Д. Тейлор, С. Роберте, Я. Кугинуки, К. Хида, и М. Хираи. Публикации

По материалам диссертации опубликовано 45 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках, и 36 публикаций по материалам конференций, всего 112 опубликованных работ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из 6 глав, включая введение, обзор литературы, описания материалов и методов проведения опытов, результатов, краткого обсуждения, теоретических выводов и рекомендаций производству. Работа содержит •ЭЙ-5' страниц текста, ZO рисунков и £ с! таблиц. Список использованной литературы содержит 384 источника, из них 300 иностранных. Приложение включает две копии документов, подтверждающих внедрение результатов исследований.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУЫ

В первом разделе обзора литературы дана общая характеристика X. campestris pv. campestris, включая филогенетическое положение и разнообразие, распространенность в мире, поражаемые культурные и дикорастущие растения, растения-резерванты, вредоносность в различных странах и эколого-географических зонах, способы распространения инфекции, методы борьбы и диагностики. Данный раздел послужил основой для главы «X. campestris pv. campestris», опубликованной под редакцией автора в составе «Компендиума по защите растений 2003», КАБ Интернейшнл (CAB International), Кембридж, Великобритания. Во втором разделе приведены описание главных культур семейства капустных, основы их таксономии и эволюции, введение в культуру, методы и достижения селекции на устойчивость к заболеваниям. В третьем разделе описаны основы генетического и физиологического взаимоотношения между растением и фитопатогенными бактериями. ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для создания представительной коллекции X. campestris pv. campestris (Хсс) автором в 1990-2005 гг. собраны пораженные сосудистым бактериозом и листовой пятнистостью растения в России, Великобритании, Японии, Германии, Венгрии и США и выделены штаммы бактерий. Ряд штаммов был получен от ряда исследователей из Таиланда, Танзании, Бразилии, Китая, Португалии и Германии. Всего было собрано и изучено 470 штаммов, они сохранены и переданы во Всероссийскую коллекцию фитопатогенных бактерий во ВНИИ фитопатологии (Голицыно).

Семена растений семейства Brassicaceae получены из коллекций ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур (ВНИССОК), Всероссийского института растениеводства, Всероссийского НИИ масличного рапса (Россия), Генбанка Веллсборна (Великобритания), Кооператива генетики крестоцветных, Генбанка министерства сельского хозяйства США, Национального института овощных и декоративных культур и чая (НИВОТ, Япония), отечественных и зарубежных коммерческих селекционных и семеноводческих компаний. Устойчивость растений оценивали с использованием оригинального метода инокуляции (см. Главу III) типовыми штаммами рас патогена. Оценку реакции растений в поле - на искусственном или естественном инфекционном фоне проводили на опытных участках ВНИИССОК и НИВОТ. Биохимические, серологические и генетические признаки штаммов определяли рекомендованными методами (Шаад, 2000; 2002). Патогепность штаммов определяли инокуляцией набора

потенциальных растений-хозяев, вирулентность - набора растений-дифференциаторов. При анализе результатов использовали следующие статистические методы: генетический анализ по Нею (Nei and Kumar, 2002), диаллельный анализ, кластерный и факторный анализы, метод главных компонент, корреляционный, и многофакторный дисперсионный анализ. ГЛАВА III. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К СОСУДИСТОМУ БАКТЕРИОЗУ И БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЛИСТОВОЙ ПЯТНИСТОСТИ

В ходе анализа литературных и собственных данных были сформулированы пять основных составляющих метода оценки устойчивости растений к фитопатогену. Они включают: (1) способ хранения штаммов, обеспечивающий постоянство генетических свойств бактерий; (2) наработку инокулюма, обеспечивающую высокую агрессивность бактерий; (3) способ инокуляции с высокой частотой заражения растений и минимальной ошибкой опыта; (4) возможность одновременной оценки к нескольким штаммам (расам) патогена на одном растении; и (5) возможность выявления различных механизмов устойчивости, таких как расово-специфичный и сосудистый. Было проведено сравнение различных способов сохранения штаммов бактерии и наработки инокулюма, методов инокуляции и фаз развития растения в момент инокуляции по критериям частоты заражения и степени вариации развития заболевания. Вновь разработанный метод искусственной инокуляции удовлетворяет всем перечисленным требованиям. ГЛАВА IV. ОЦЕНКА РАЗНООБРАЗИЯ ПОПУЛЯЦИИ X. CAMPESTRIS Фитопатогенные бактерии рода Xanthomonas обладают близкими физиологическими и генетическими признаками (Dye, 1980; Vauterin et al, 1995), что затрудняет определение видовой принадлежности бактерий, зараженности семенного и посадочного материала и определение источников инфекции при эпифитотии сосудистого бактериоза. Здоровые семена и растения могут нести эпифитные бактерии родственных патогену видов и родов, с перекрывающимся спектром основных физиологических и генетических признаков. Поэтому, практическая диагностика патогена все еще основана на использовании выделения патогена в чистую культуру на селективных средах и искусственной инокуляции растений (Schaad, 2002). Разработка надежных инструментальных методов диагностики Хсс является актуальной задачей. Для решения этой задачи необходимо изучить разнообразие биохимических, серологических и генетических признаков в популяции фитопатогена и выявить новые диагностические признаки,

пригодные для идентификации штаммов на уровне разных клональных групп, патовара Хсс и видаХ campestris.

О 0,2 0.4 0.8 0.8 1 1.2

ХАВ110 XAV3810 XV4C2 ХАС100 ХАРНВ24 . ХАМ6ЭЗ XOOL1586 ХО03002 ХСС528 XCAB298S ХСС2317 ХСС3311 ХСС1711 XCR1H48 ХСС1279 ХСА373 ХСА347

0 0.2 0.4 ОЯ 0.8 1 1.2

Linkag« Dlstance

Рис. 1. Кластерный анализ (Ward, 1963) результатов утилизации 46 питательных веществ типовыми штаммами геномовидов Xanthomonas axonopodis, включая^ vesicatoria, (группа ДНК гомологии 9), X. oryzae (10) и патоварами X. campestris: armoraciae, aberrance, raphani, и campestris (15).

Биохимические признаки X. campestris

Фитопатогенные бактерии Хсс, выделенные из культурных растений, представлены несколькими популяциями, отличающимися по серологическим и генетическим признакам (Alvarez et al, 1994; Mguni 1996). По утилизации разнообразных источников углерода и азота виды, отнесенные к группам гомологии ДНК 9, 10, и 15 были разделены, но патоварианты и разные генотипы вида X. campestris не были различимы (Рис. 1). Наиболее информативными признаками, позволяющими отличить вид X. campestris от других были утилизация L-глутамата, глицерина, гидроксибензоата, тартата, сахарата, мальтозы, муката и салицина. Высоко агрессивные штаммы являются наиболее стабильной группой, соответствующей биохимическому описанию вида X. campestris. Вариабельность признаков непатогенных штаммов затрудняет определение их видовой принадлежности, и косвенно указывает на их высокую

ь-

D-3—

з

- Группа 9

Группа 10

Группа 15

генетическую изменчивость. Селективные для штаммов X. campestris питательные вещества L-глутамат, глицерин, гидроксибензоата, тартат, мальтозу, сахарат, мукат и салицин рекомендуется использовать при разработке питательных селективных сред. К сожалению, длительность определения утилизации источников углерода и азота стандартными методами делает их малопригодными для целей диагностики. Серологические признаки

Серологическая идентификация возбудителя сосудистого бактериоза является одной из наиболее важных практических задач при тестировании растений и семян на зараженность, а также при таксономии бактерий. В последние годы все чаще применяют моноклональные антитела, строго специфичные к отдельным антигенам, уникальным для клональных групп возбудителя (Alvarez et al, 1985; Alvarez and Lou, 1985; Alvarez et al, 1994). Получение моноклональных антител - это сложный и дорогой процесс, в отличие от поликлональных антител, реагирующих с несколькими антигенами микроорганизма. Надежный тест зараженности семян, основанный на использовании поликлональных антител был бы альтернативой другим методам диагностики опасных бактериальных патогенов. Более 180 штаммов Xanthomonas sp. были протестированы методом агглютинации в комплексе с белком А стафилококка (Lyon and Taylor, 1992), и 101 штамм - методом ELISA с поликлональными антителами, полученными к штаммам Хсс HRI738b, Хсс HRI738a, Хсс HRI3848c, X. phaseoli HRI924a, X. oryzae HR15233, X. malvacearum HRI5234, X.oryzicola HRI5234, типовым для соответствующих видов и Pseudomonas syringae pv. maculicola HRI100 (Табл. 1). Анализ результатов методом кластерной группировки был проведен отдельно для видов Xanthomonas и штаммов X. campestris (Рис. 3). Показано, что различия между видами, входящими в группы гомологии ДНК 15 (A' campestris), 10 (A', oryzae) и 9 (X. axonopodis, включая группу А X. vesicatoria) статистически не достоверны, и реакция с поликлональными антителами не может служить надежным критерием для определения видовой принадлежности бактерии. Вместе с этим, реакция агглютинации с поликлональными сыворотками, полученными для Хсс позволяла достоверно отделять штаммы ксантомонад от других желто пигментированных бактерий, и рекомендуется для промежуточной диагностики чистых культур бактерий, выделенных на селективной среде.

Альварез с соавторами (Alvarez at al, 1994) выделили с помощью моноклональных антител серотипы 1, 2 и 3, соответствующие обособленным генетическим группам. В нашей работе при помощи поликлональных антител были идентифицированы два из трех серотипов (I и 3), опознанных по типовым штаммам PHW117 и NCPPB528T (Рис. 2). Эти серотипы были также связаны с обособленными генотипами, выявленными при помощи AFLP и DIR-ПЦР анализа (см. ниже).

о 15 а> со so аз к

Lmjga DiUMof

Рис. 2. Группировка 101 штамма Хсс методом Варда (1965) по результатам ELISA против 8 поликлональных антисывороток. А - группа гомологичная серотипу 1, В - группа гомологичная серотипу 3. Названия штаммов не приведены.

Распределение серотипов среди 180 штаммов Хсс показывает, что большинство штаммов из Северной Европы, северных областей Японии, Канады и США принадлежали к серотипу 3. Штаммы серотипа 1 (Табл. 2) происходили из Африки, Юга США и Юго-Восточной Азии. Все штаммы группы 1, выделенные в Великобритании, Германии и Японии были завезены из стран, производителей семян для крупных семеноводческих компаний: ЮАР, Италии, Южной Америки. Штаммы группы 1 имеют высокую степень сходства антигенных признаков ЭПС с возбудителями листовых пятнистостей X. vitians и X. vesicatoria, распространенных в субтропической зоне.

Таблица 1.

Поликлональные антитела и их перекрестная реакция с гомологичными штаммами Xanthomonas sp.

Группа Штамм Патовар Поликлональные антитела и гомологичные виды:

ДНК 94/19 94/12 94/20 94/18 100c 94/2 115b 94/1

ХМ ХО XOL XV PSM XPH Xcc Xcc

10 HRI5232 X.malvacearum 0,71Ь* 0,35d 0,4d 0,2d 0,07b 0,61b 0,28b 0,30c

9 HRI5233 X. oryzae 0,67Ь 0,96а 0,23 e 0,29c 0,02b 0,42c 0,39b 0,22c

9 HRI5234 X.oryzicola 0,69Ь 0,3 5 d 1,73b 0,17d 0,06b 0,40c 0,11c 0,30c

14 HRI5235 X.vesicatoria 0,35с 0,3 Id 0,25 e 1,08a 0,3a 0,15d 0,04d 0,70a

10 HRI924A X. phaseoli 0,7 Ib 0,62b 0,88c 0,43c 0,21a . 1,05a 0,22b 0,35b

15 NCPPB528T Xcc 0,46с 0,29d 0,36d 0,28d 0,04b 0,32c 0,19b 0,30b

15 HRI738c 4 0,89Ь 0,47c 0,77c 0,47c 0,04b 0,54b 0,21b 0,29b

15 HRI 1279а IT 0,51с 0,33d 0,28e 0,34c 0,02b 0,23c 0,40b 0,32b

2 HRI64 X hortorum 0,37с 0,35d 2,14a 0,62b 0,01 0,31c 0,05c 0,48b

2 HRJ87 X. hortorum 1,72а 0,29d 1,72b 1,1 la 0,05b 1,43a 1,02a 0,36b

Нд HRI2152A HRI2152B Xsp. 0,08d 0,04e 0,14f 0,09e 0,06b 0,02e 0,08c 0,26c

* Группы с различиями достоверными по критерию Дункана для Р>0,05, Нд - нет данных

ХМ - X. malvacearum, ХО - X. oryzae HRI5233, XOL - X.oryzicola HRI5234, XV - X. vesicatoria HRI5235, PSM -Pseudomonas syringae pv. macuücola HRI100, XPH - HRI924a, XCC 115b - HRI738b, 94/1 - Xcc HRI3848c.

Таблица 2.

Географическое распределение серогрупп X. сатрея1г1$_

Климатическая зона Происхождение штаммов Серогруппа 1 3 Всего

Субтропическая Великобритания, импортированные семена Австралазия Япония (Юг) Африка 32 1 12 5 0 2 0 0 32 3 12 5

Умеренная США и Канада Великобритания Япония (Север) Европа 2 0 0 0 5 39* 68 14 7 39 68 14

Всего 52 128 180

*Штаммы, выделенные до 1989г

■Ш

за.а-

- Ш *

гол-^^

М 1 2 3

Рис.3. Вестерн-блот между поликлональными антителами и типовыми для серогрупп штаммами X. сатреипя ру. сатрезМз. 1, 2, 3 — штамм РН\У117 и антисыворотки 94/18, 100с и 115Ь. М - маркер белковой массы, кДа.

Также, штаммы группы 1 не выделялись из пораженных растений после продолжительного периода (1-2 месяца) воздействия низких положительных температур (+5°С), в отличие от штаммов группы 3. Можно предположить, что существуют два клона X. сатрея^х с различным географическим происхождением и разной степенью адаптированности к климатическим зонам. Как видно из представленных на Рис. 3 результатов вестерн-блот-гибризидации поликлональных антител со штаммами X. сатреьМз РН\У117, 1ПШ279а, КГСРРВ528Т, антитела 100с и 94/18 имели

сильную реакцию с антигенами штаммов серотипа 1 в регионе липополисахаридного комплекса (ЛИС) с массой около 67 кДа. Антисыворотки 94/18 и 115Ь реагировали с протеинами массой 44, 23, и 18 кДа, которые являются основными антигенами, характерными для капсулы фитопатогенных штаммов X. сатрея^ (M¡nsavage, БЬаас!, 1982). То, что группоспецифичные антитела 94/18, 100с и 115Ь реагировали с различными компонентами мембраны бактерии и капсулы бактерии - ЛПС и протеинами, подтверждало разделение популяции патогена на две основные группы (Рис. 2 и 3).

Генетические признаки X. сатреьЫь р\\ сатре$1п$

Последовательность нуклеотидов рибосомальных генов РНК (55-, 165-, 235-рРНК) используется в качестве «золотого стандарта» при определении видовой принадлежности бактерий. В ГенБанке содержится более 300 тысяч последовательностей 165-рРНК различных штаммов. Во многих случаях, этот ген используется в качестве цели при ПНР диагностике патогенных видов. Ген ¡бБ-рРНК и межгенный фрагмент /65-255-рРНК у восьми штаммов Хсс, представительных для разных географических популяций и серотипов вида (см. ниже) были секвенированы и сопоставлены с последовательностями других видов семейства ксантомонад. Кластерный анализ расположил штаммы Хсс вместе с другими видами ксантомонад, что свидетельствует о невозможности различить эти виды по последовательности рибосомальных генов. Среднее генетическое расстояние между ближайшими родственниками Хсс по формуле Нея и Ли (N01,1л, 1979) для гена 165-рРНК составило 0,0006, а для фрагмента 165-235 - 0,013. Сравнение между генами 165-рРНК 75 ксантомонад и 175 представителей близких родов 5Хепо1горЪотопах, ЬузоЪасгег и других выявило полифилетичную структуру рода Хамкотопаз. Предложено переместить виды X. ЬгатЫсет, X. а!Ьетат, X. ИуасШЫ, и X. хасЪаги в отдельный род, либо вернуть одну из групп полиморфного вида 5. таНорЫНа в род Хапфотопаз (Рис. 4).

ДНК-дактилоскопия широко используется для анализа разнообразия видов ХатРютопаз, патовариантов и штаммов различного географического происхождения (Ьои\уз 1999). Разнообразные методы (ЯАРО, гер-РСЯ, АРЬР, В1Я, БАБ) позволяют получить воспроизводимые наборы генетических маркеров, применимые для диагностики бактерий на уровне вида, подвида и группы штаммов, и даже выявления отдельных мутаций. Полиморфизм длины амплифицированных рестриктных фрагментов (АИЛ3) и ПЦР с дивергированными инвертированными повторами (ВЖ-ГТЦР) были использованы для анализа генетического разнообразия штаммов Хсс. Генетическое разнообразие 73 штаммов, выделенных из дикорастущих растений, и 20 типовых штаммов, выделенных из культурных растений, было

изучено с помощью 236 AFLP маркеров. Штаммы Хсс из дикорастущих крестоцветных были разделены на 6 групп, локализованных в различных природных зонах: приморской, горной и области, занятой сельскохозяйственными культурами. Несмотря на удаленное географическое происхождение (США, Великобритания, Россия) типовые штаммы образовывали три группы, изолированные от природной популяции фитопатогена (Рис. 5). Из трех групп Хсс, две соответствовали ранее выделенным генотипам (Alvarez et al, 1994), а третья включала несколько коллекционных штаммов Хсс и другие патовары X. campestris.

Оригинальные праймеры для DIR-ПЦР, разработанные на основе повторяющихся белок-кодирующих фрагментов ДНК (Tsygankova et al, 2004), были использованы для изучения разнообразия штаммов Хсс выделенных из культурных растений на фоне эпифитотий в России, Великобритании, США, Японии, Венгрии и Германии. DIR-ПЦР позволил получить воспроизводимые спектры генетических маркеров, характерных для каждого изученного вида ксантомонад и основных клональных групп Хсс. Из трех групп Хсс, две соответствовали ранее выделенным генотипам (Alvarez et al, 1994), а третья включала штаммы Хсс японского происхождения и другие патовары X. campestris (Рис. 6). Полученные результаты показывают, что штаммы других патоваров X. campestris (aberrance, armoraciae, raphani, barbarea, incartae) не отличаются от генетических групп Хсс по серологическим и генетическим признакам, характеризующим конституционные признаки бактерий. Этот факт нашел подтверждение в экспериментах по влиянию генотипа растения, температуры и концентрации ионов 1Г на симптомы заболевания, вызываемого штаммами Хсс.

Нами впервые установлено, что определенные генотипы растений, например В. rapa «Seven Top Green», стимулируют развитие сосудистого бактериоза при заражении штаммами патоваров X. campestris pv. armoraciae и raphani. Заражение растений штаммами Хсс опрыскиванием при низких положительных температурах (+5-10°С) и высоких значениях pH (>8,3), напротив, приводило к появлению симптомов листовой пятнистости на восприимчивых генотипах крестоцветных.

В данной работе впервые был идентифицирован ген авирулентности, ответственный за реакцию несовместимости при взаимодействии Хсс с растениями В. carinata и В. oleráceo, несущими доминантные гены устойчивости Rxcl и Rxc3. Мутантный аллель гена avrRxcl/3 имел добавочный пятинуклеотидный повтор CGCGC. Данная мутация приводит к сдвигу рамки считывания и появлению укороченного неактивного белка.

I ЮТорЬоггспаз 2

Р

<

Рлы йок»г»Р»«т> мл

¡>Р0гГ55КЦ|з1ЛУй27434 Г|

СХапи»т>гек2 РлиЛи^гЛотсини »SM2et48feMAVieMir.il

Зе1кфпр1штопа5 3

РжМохжЛоя»«« ТМптеггоо»

1.роЬ1СЧг

5В25«>» 1;ЫАУЙ8?353.1|

доздстъымгоют.и

а(В2»2253ВЬ)Ц821|ПГ».Ч }1>5«иА»»пЯ>«™и«

¿¡мюмпкыв'мяпв.ц

1«1;Ы?82221 ржксо Ф В<14ИЗ*№|М1КМ>.1|

вш »571727 ЬпЫ^ВИв 53.1Г5ЩПвЯ Ргайепа

_асИ«?езо7выа>?"И?»в II

,»В«ЯМ*5ЙЫМГИ»244.1|

Р.4а о 1)4

Рис. 4. Филогенетическое дерево, отражающее степень родства бактерий рода ХапОготопсч с другими родами семейства ХапЛотопас1асеае по последовательности гена 1бБ-рРНК. Группа «ХапШотопаБ 1» включает X. сатрез^й ру. сатревЬНз и другие близкие виды, группа «ХапЛотопав 2» включает виды, поражающие в основном однодольные растения (зерновые злаки, сахарный тростник и др.) и близкие к группе 3 рода Бгепоггоркотопав.

1139! 16

1036 б

10514

11391

ХА121

XC1Í1

en

В1

ЫСРРВ1946Т

2D520

VN1

PI1W231 -serolypeír

LUG8004

FB1011

FB122&HCPPB52ST XC(V)

Штаммы других патоваров X. campestris

Штаммы из культурных крестоцветных генотип 1

Штаммы из культурных крестоцветных генотип 3

Штаммы из дикорастущих крестоцветных

~ЙГ"

ала 0.15 o.ia ыя

Рис. 5. Фенетическое дерево, построенное по данным AFLP анализа для штаммов X. campes tris pv. campestris из культурных (генотипы 1 и 3), дикорастущих растений, и штаммов других патоваров X. campestris. Значения бутстрепа даны в % для 1 ООО повторений. .

atytMev.atjvt'Sfm^tii

---■ JC 079t pv. ayö&ft V CWBSiS

-X txcfKpp&spv. atiViXmrumNCFFB63iT X (txanfijetfw pv. w ДдяягКШ924*

Рис. 6. Дендрограмма генетических отношений между штаммами Xanthomonas, построенная NJ-методом на основе суммарных данных DIR-ПЦР. Шкала дана для генетических расстояний по Nei, Li (1979). На дереве указаны значения бутстрепа > 50%. I, II, III — генотипыX campestris.

Разработка мультиплексного метода ПЦР диагностики

Межвидовые различия у рода Xanthomonas установлены с помощью ДНК: ДНК гибридизации, в то время как последовательность консервативных генов, таких как 16S рРНК, спейсера 16S-23S рРНК и гена gyrB не имеют достаточных специфичных особенностей для диагностики видов и патовариантов ксантомонад. Рекомендованные для целей диагностики ген hrpF и некоторые другие гены подвержены частому горизонтальному переносу и могут находиться в неродственных бактериях. Нами был предложен мультиплексный ПЦР анализ, включающий целевые фрагменты ДНК, специфичные на уровне вида, патоварианта и группы рас Хсс. Были использованы X. campeí/m-специфичные маркеры для фрагментов ДНК участкаХсс0007 - tonB, hrpF, Хсс2109, и гена-гомолога avrBs3.

Гены, гомологичные avrBs3, обнаружены у штаммов, вызывающих листовую пятнистость, но не сосудистый бактериоз. Нами предложены специфичные праймеры, позволяющие дифференцировать патоварианты armoraciae (raphani) и campestris. Функциональная активность у типового штамма Хсс NCPPB528T гена Хсс2109, гомологичного локусу avrPph Pseudomonas syringae, связана с авирулентностью к гену устойчивости Rxcl (Castañeda et al., 2006). Нами впервые показано отсутствие этого локуса у штаммов рас 5 и б (раса 0 по С. Камоуп), паразитирующих на дикорастущих крестоцветных, и выдвинуто предположение о переходе Хсс на культурные растения рода Brassica в результате горизонтального переноса данного гена от фитопатогенных псевдомопад.

ГЛАВА V. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ БАКТЕРИЯМИ ВИДА XANTHOMONAS CAMPESTRIS И КРЕСТОЦВЕТНЫМИ РАСТЕНИЯМИ

Специализация видов Xanthomonas

Большинство видов и патовариантов рода Xanthomonas паразитируют на одном определенном семействе растений, хотя отмечена патогенность некоторых бактерий на растениях разных семейств (Dye, 1980). Патогенность и симптомы болезней, вызываемые наиболее близкими к Хсс видами Xanthomonas, включая X. vesicatoria, X. oryzae, X. malvacearum и другие, были изучены при перекрестном заражении растений-хозяев. Совместимые штаммы вызывали на соответствующих растениях-хозяевах типичные симптомы болезней. Несовместимые штаммы были разделены в соответствии с реакцией растений на две группы: вызывавшие реакцию сверхчувствительности (РСЧ) в месте инокуляции или "системную РСЧ" при инокуляции в стебель; и не вызывавшие защитной реакции растения после инокуляции. Распространение несовместимых бактерий в тканях растения было ограничено местом инокуляции, но при инокуляции в стебель

Таблица 4.

Географическое распределение рас X. campestris и растений с генами расово-специфичной устойчивости. Составлено по собственным экспериментальным и литературным данным (Vicente et al., 1997)__

Страна Число Преобладающие Преобладающие гены

штаммов расы (доля) устойчивости в

популяции

Япония 85 4(65%) и 1(35%) Rxc3 (70%) rS (70%)

(В. olerácea)

Великобритания 100 1(72%) и 4 (28%) Rxc4 {В. rapa, В. napus)

Португалия 61 4(51%), 0(31%) и Rxc3 (60%) r5 (70%)

1(18%) (В. oleráceo)

США 110 1 (80% культурные R4 (В. rapa, В. napus)

растения) Rxcl (дикорастущие)

5/6 (95%

дикорастущие

растения)

Германия и 40 1(75%) и 4(25%) R4 (В. rapa, В. napus)

Венгрия

Россия 45 4(58%) и 1(42%) Нет данных

Штаммы расы 4 доминировали в России, Германии, Португалии и центральной части Японии, традициошю занятых белокочанной капустой, производимой из местных семян. Штаммы расы 1 преобладали в южных районах США, Африке и Юго-Восточной Азии. Раса 1, преобладавшая в Англии и южных областях Японии может рассматриваться как интродуцированная с произведенными в субтропической зоне семенами капустных культур. Раса 0 встречалась в Португалии, в США и в России, составляя большинство на пораженных сосудистым бактериозом дикорастущих крестоцветных. Несколько вариантов рас 1 и 4 Хсс способны преодолеть гены устойчивости К1 и г5 в линиях капусты В116 и Р1436606, которые служили главными донорами устойчивости для коммерческих гибридов различных разновидностей В. о1егасеа. Большинство (95%) из найденных новых рас несли от 3 до 6 предполагаемых генов авирулентности (Табл. 5). Шесть генов устойчивости и б генов авирулентности (2б) могут дать 64 возможных комбинации генотипов растения и патогена. От 11 до 14 возможных вариантов сочетания генов авирулентности были обнаружены в природных популяциях патогена, относившихся к расам 1 и 4 по Камоун (Табл. 5).

Изменчивость рас X. campestris в естественных условиях

Штаммы расы 0 Хсс, способные преодолевать доминантный ген устойчивости Rb(Rxcl), встречающийся у растений с геномом ВВ, были выделены после инокуляции устойчивого амфитриплоидного растения с геномом ААВВСС авирулентными штаммами рас 1 и 4. Вновь обнаруженные штаммы поражали растения коллекционного образца Brassica carinata L. PI 199947 и сорт -дифференциатор «Florida Broad Leaf» (В. juncea). Оценка вирулентности мутантных и исходных штаммов на наборе сортов дифференциаторов показала, что мутация привела к инактивации двух предполагаемых генов авирулентности avrRxcl и avrRxc3.

ГЛАВА VI. РАЗНООБРАЗИЕ РАСОВО-СПЕЦИФИЧНОЙ И НЕСПЕЦИФИЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ К X. CAMPESTRIS У ДИКОРАСТУЩИХ КРЕСТОЦВЕТНЫХ И КУЛЬТУРНЫХ ВИДОВ РОДА BRASSICA

Устойчивость дикорастущих крестоцветных

Дикорастущие крестоцветные растения родов Sinapis, Егиса, СгатЪе, Thlapsi, Camelina, Alyssum, Erucastum, Erysium, Lepidim, Arabidopsis, Sisybrium, Rorippa, Capsella, Matthiola, несущие В геном (В. nigra, В. carinata, В. juncea) и R геном (Raphanus sativus) реже поражаются сосудистым бактериозом и листовой пятнистостью по сравнению с культурными видами. 76 образцов принадлежащих 40 видам наиболее распространеных крестоцветных были инокулированы 5 расами Хсс. Изученные растения, за исключением В. carinata 6987, В. torinefortii и некоторых образцов Егиса sativa и Raphanus sativus имели высокую устойчивость к расам 1 и 4.

Для изучения наследуемости гена Rb(Rxcl) было проведено скрещивание между образцами В. carinata 6987 (восприимчивый) и "Patu" (устойчивый) и изучено расщепление по устойчивости в Fj и BCi при инокуляции расами 1, 3 и 4. Наблюдавшееся расщепление было близким к 3:1 и 1:1 для F2 и ВС] соответственно (Р>0.75).

Полученные результаты подтвердили гипотезу об одном доминантном гене устойчивости, эффективном против всех рас патогена, исключая расу 0. Гомология генов устойчивости у разных видов крестоцветных растений предполагается из их сходной расовой специфичности. Таким образом, доминантный расово-специфичный ген устойчивости Rxcl(Rb) встречается у многих представителей семейства Brassicaccae. Этот ген обеспечивает иммунность к расам Хсс, паразитирующим на культурных растениях, и может быть использован в селекционных программах для создания устойчивых сортов путем межвидовой гибридизации.

Устойчивость растений с геномом А

Коллекция сортов и сортотипов В. rapa (84 образца) и В. napus (56) из пяти географических регионов (Европа, Россия, Средняя Азия, Китай и Япония) была оценена на устойчивость к штаммам Хсс трех рас (1, 3, 4). Выявлено разнообразие реакции растений среди образцов, подвидов и географических групп. Корреляции между реакцией растений к разным расам не найдено. Большинство исследованных образцов В. rapa и В. napus было восприимчиво к расе 1. Частота встречаемости устойчивости к расе 4 среди образцов В. rapa была максимальной в средне-азиатской субпопуляции, которая рассматривается как наиболее генетически разнообразная часть генофонда этого вида (Синская, 1928, Queros et al., 1992), и в генетически близкой японской субпопуляции. Более 94% изученных образцов В. napus оказались устойчивыми к расе 4. Участие единственного доминантного гена в формировании устойчивости к расе 4 проявилось при оценке популяций, полученных при скрещивании устойчивых и восприимчивых образцов турнепса и тории. Реакция популяций ВС| и Гг. полученных при скрещивании линий рапса CoSl х CoRl показывает также действие единственного доминантного гена. RAPD-маркеры устойчивости к расе 4

Молекулярные маркеры, сцепленные с признаком устойчивости нашли широкое применение в отборе растений с несколькими типами устойчивости (Michelmorc, 1997). Изучена связь RAPD маркеров с устойчивостью к расе 4 возбудителя сосудистого бактериоза капустных у Brassica rapa L. Для анализа использовали популяции дигаллоидных линий, полученных от скрещивания восприимчивого к расе 4 кормового турнепса и устойчивой пекинской капусты, и F2, полученное от скрещивания контрастных по устойчивости дигаплоидных линий. RAPD маркер WE22980. унаследованный от пекинской капусты и ассоциированный с восприимчивостью к киле, был в то же время сцеплен с признаком устойчивости к расе 4 Хсс. Два других RAPD маркера были сцеплены с восприимчивостью к сосудистому бактериозу. Эти маркеры используются для поиска новых типов устойчивости среди крестоцветных растений с А геномом. Устойчивость растений генома С

Расово-специфичная реакция как основной тип устойчивости у В. oleráceo.

Начиная с первого сообщения о генетической устойчивости сортов капусты к сосудистому бактериозу (Bain, 1955), было найдено несколько доноров устойчивости в других разновидностях и образцах В. oleracea. Многие исследователи показали олигогенный и аддитивный характер устойчивости (Camargo et al., 1995; Dickson and Hunter, 1987; Williams et al., 1972). Нами впервые было показано, что устойчивые образцы В. oleracea и

расщепляющиеся популяции гибридов, полученные с их участием, имели расово-специфичное взаимодействие с расами X. сатрезМз. Несколько дигаплоидных линий капусты японского происхождения и линия «Ри^аБе 01» обладали расово-специфичной устойчивостью' сходной с реакцией португальских листовых капуст сортотипа «Репса» (Табл. 7). Предполагается, что расово-специфичная устойчивость к сосудистому бактериозу азиатских сортов белокочанной капусты унаследована от растений, связанных происхождением с примитивными листовыми капустами средиземноморской популяции вида В. о1егасеа. Так как реакция растений при инокуляции сосудов ксилемы и гидатод различается, расово-специфичная устойчивость растений является ткане-специфичной и свойственна прежде всего мезофиллу листа.

Таблица 6.

Расщепление в потомстве образцов капуст по реакции к 3 расам X. са/прея^

ру. сатрезМв _

Популяция Раса Расщепление фактическое Всего К-ген Р>

(ожидаемое)_ (соотнош.)

Устойчив Восприимч.

Р2Б1ихР1436606(1) 3 93(92) 71(72) 164 (9:7) 0,9

1 43(41) 121(123) 164 Я5 (1:3) 0,75

4 1(0) 163(164) 164 Нет -

ВС^^БЮхРШббОб) 3 52(52) 0(0) 52 Ш (1:0) -

(1)х8Ш

1 0(0) 52(52) 52 Нет -

4 0(0) 52(52) 52 Нет -

Р2СгОС3.4 х КА454 3 128(126) 40(42) 168 Я1 (3:1) 0,75

1 45(42) 123(126) 168 115(1:3) 0,75

4 0(0) 168(168) 168 Нет -

ВС,р1(СгСС3.4х18А454) х 3 29(27) 25(27) 54 Л1 (1:1) 0,5

СгСС3.4

1 0(0) 54(54) 54 Нет -

4 0(0) 54(54) 54 Нет -

ВС1р1(СгСС3.4х18А454) х 3 42(42) 0(0) 42 Ш (1:0) -

18А454

1 22(21) 20(21) 42 115(1:1) 0,5

4 0(0) 42(42) 42 Нет -

Неспецифичная стеблевая устойчивость как возможный способ защиты на фоне эпифитотий сосудистого бактериоза.

Стеблевая устойчивость к сосудистому бактериозу была обнаружена у нескольких разновидностей В. oleracea, происходящих из Юго-Восточной Азии и в отдельных образцах стародавних сортов капуст из Восточной Европы. Наследование этого признака было изучено в гибридной популяции, полученной при скрещивании между китайской листовой капустой SRI, брокколи и белокочанной капустой, растения которой несмотря на наличие листовой устойчивости были восприимчивы к заражению через стебель.

Устойчивость стебля в гибридной популяции F2(SR1 х PI346606) наследовалась отдельно от устойчивости листьев к расе 5 и может рассматриваться как альтернативный механизм защиты растения генетически контролируемый действием одного доминантного гена названного Rs (Äesistance in ítem). По крайней мере, один другой доминантный ген аддитивно взаимодействующий с геном Rs, обеспечивал высокий уровень устойчивости на ранней фазе развития растений. Устойчивость стебля к сосудистому бактериозу является расово-неспецифичной, стабильной при высоких температурах, и появляется в самой ранней стадии развития растений. Стеблевая устойчивость может защитить растения в периоды благоприятные для эпифитотий сосудистого бактериоза, особенно в сочетании с расово-специфичпой реакцией сверхчувствительности, защищающей листья растения. Донорами стеблевой устойчивости являются линия SRI, гибриды Fi брокколи «Marathon», «Shogun», и белокочанной капусты «Pacifica» и «Singapura».

Полигеннос наследование устойчивости к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости у брокколи.

Листовая пятнистость и сосудистый бактериоз поражают брокколи при перепадах влажности и температур. Нами выявлены устойчивые к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости образцы и комбинации, а также проведена оценка наследования этих признаков в полной диаллельной схеме среди 13 самонесовместимых инбредных линий и 156 гибридов F| брокколи. Растения оценивали на устойчивость к расе 4 X. campestris в полевых условиях на искусственном инфекционном фоне. Впервые установлено, что сосудистый бактериоз и листовая пятнистость могут вызываться одним и тем же штаммом бактерии, в зависимости от условий заражения. Листовая пятнистость проявлялась при низкой температуре (<+10°С) во время инокуляции, а сосудистый бактериоз - при нормальной (+20°С). Устойчивость к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости у линий брокколи контролируется разными полигенными системами с сильными аддитивными эффектами нолигенов.

Выделенные устойчивые линии были переданы для дальнейшей селекционной работы.

Таблица 7.

Доноры устойчивости среди подвидов Brassica oleráceo сгруппированные по генам устойчивости к возбудителю сосудистого бактериоза_

Подвид Образец R—гены

alboglabra Китайская листовая капуста SRI, Rxc3, Rs

Botrytis Miracle Fi Rxc3

Italica Marathon Fi, Shogun F! Rs

tronchuda Португальская листовая капуста Pensa ISA55, Rxc3, R5

ISA454

Capitata Badger Inbred-16, Hongcock Fb Kinkei DH01, Reiho Rxc3, R5

DH01, Fujiwase 01; Fujiwase DH01, 02, 05; Harukei

DH01

PI436606, New York-402, DH M9606; Aichi-dai- R5

Bansei DH01, DH02

Reiho DH02, DH03; Fujiwase DH03, DH04 R5, Rxc4

DH M9603; M9604 Rxc4

Pacifica Fi, Singapura Fi Rs

DH - дигаплоидные линии

Значение расово-специфичной реакции в полевых условиях

Оцененена устойчивость 20 инбредных линий и сортов белокочанной капусты и брокколи {В. oleráceo), несущих гены расово-специфичной устойчивости, на естественном инфекционном фоне в трех районах, отличающихся по расовому составу популяций Хсс. Штаммы Хсс были собраны с пораженных растений в каждой местности, и изучены на растениях-дифференциаторах. По результатам полевой оценки образцы были ранжированы по восприимчивости на. основании достоверности различий между частотой встречаемости и средним баллом поражения. Образцы различались от сильно восприимчивых (встречаемость 100%, балл поражения 3,1 по 4-балльной шкале) до устойчивых (встречаемость 25%, балл 0,3). Реакция образцов во поле была сопоставлена с преобладающими расами в популяциях возбудителя сосудистого бактериоза, выявленными генами устойчивости в сортах и линиях и лабораторной оценкой устойчивости (Табл. 8), Многофакторный дисперсионный анализ подтвердил, что наблюдающуюся в полевых условиях изменчивость развития болезни можно объяснить на 90% действием расово-специфичных генов устойчивости (Табл.9). В то же время, оценка 20 сортов капусты с разными генами устойчивости на однородном искусственном инфекционном фоне, созданном расой 4 в течение 3

лет, показала существенный, но второстепенный (30-45%) характер влияния климатических условий года по сравнению с генотипом (55-70%) на развитие сосудистого бактериоза (Табл. 10).

Таблица 8.

Анализ специфичной реакции устойчивых образцов В. oleráceo при искусственном и естественном заражении._

Образец Гены Реакция в поле/теплице к

устойчивости расе патогена*

Поле 1 Поле 2 Поле 3 Раса 4 Раса 4/3 Раса 5

Ма9601, Ма9602, Рейхо №1 R5,Rxc4,Rxc3 -/-* -/- -/-

Кинпай, Кинкей 201, Аяхикари, R5, Rxc3 + / + -/-

Фудживасе, TS55, Кинсей 5

Т-656 Rxc3 + / + -/- + /+

М9603 Rxc3, R5 + / + -/ + + /-

Аоба (контроль) Нет + / + + / + + / +

♦Ранжирование полевой оценки было сделано по количественным данным

Таблица 9.

Дисперсионный анализ реакции 20 образцов В. о!егасеа с расово-специфичной реакцией при естественном заражении в трех районах с разным расовым составом популяции возбудителя сосудистого бактериоза_

Отношение MS гентипа к MS

местности и MS

Показатель Df* MS** взаимодействия факторов

Встречаемость, %:

Генотип 19 366,7579 1

Местность (Раса) 2 3805,85 0,096

Генотип х местность 38 251,5868 1,46

Развитие болезни, балл:

Генотип 19 0,59793 1

Местность (Раса) 2 11,41517 0,052

Генотип х местность 38 0,320956 1,86

♦степень свободы, **дисперсия

Таблица 10.

Дисперсионный анализ реакции 20 образцов В. о1егасеа с расово-специфичной реакцией при искусственном заражении расой 4 возбудителя сосудистого бактериоза в течении трех лет (1995-97 гг.)

Отношение MS гентипа к MS

года и MS взаимодействия

Показатель DP MS** факторов

Встречаемость, %

Генотип 19 889,4601 1

Год 2 296,0674 3,0

Генотип х год 38 161,8362 5,49

Развитие болезни, балл

Генотип 19 271,6365 1

Год 2 228,8271 1,19

Генотип х год 38 73,02422 3,72

Генотип х местность 38 0,320956 1,86

*степень свободы, **дисперсия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последние годы ксантомонады стали более вредоносными для широкого круга видов крестоцветных, включая масличные и технические культуры (Игнатов и др. 2002). Распространение возделывания масличных и фуражных крестоцветных в новых климатических и эколого-географических зонах приводит к переходу на культурные растения рас и разновидностей ксантомонад, патогенных прежде только для их дикорастущих родственников. Теперь мы можем утверждать, что предыдущая "иммунность" этих растений, отмеченная разными авторами, была вызвана большим числом расово-специфичных генов устойчивости в их популяциях. Новые расы патогена, способные преодолеть такую устойчивость, распространяются по всему миру благодаря глобализованной торговле семенами, и переходят на высоковосприимчивые разновидности, такие как цветная и кочанная капуста. Исходя из различий в локализации листовой устойчивости (в мезофилле листа) и стеблевой устойчивости (окружение сосудов ксилемы), можно предположить, что расово-специфичная устойчивость возникла в предковых популяциях крестоцветных в басейне Средиземноморья как защита против листовых патогенов, тогда как стеблевая неспецифичная реакция противостоит развитию только сосудистого бактериоза.

Эти данные позволяют выдвинуть предположение о существовании трех групп генов устойчивости характерных для геномов А, В и С, и происхождении расово-специфичной устойчивости в амфидиплоидах В. napus, В. juncea и В. carinata от их соответствующих диплоидных предков - В. гара и В. nigra, и. Диплоидные виды рода Brassica, возникли как амфидиплоиды близкородственных родителей с небольшим числом хромосом (n=3-5) (Quiros,

1998). Растения В. nigra (геном В) отделились от предка общего для В. oleracea (геном С) и В. гара (геном С) на раннем этапе эволюции, и послужили родителями для двух из трех амфидиплоидных форм рода Brassica — В. juncea (AB) и В. carinata (ВС) (U, 1935), поэтому гены устойчивости к одному патогену могут иметь не только функциональное, но и генетическое сходство.

Путь создания устойчивых к ксантомонадам сортов капустных культур лежит через объединение в одном генотипе иеспецифичной и расово-специфичной устойчивости из различных источников.

Разнообразие популяции X. campestris создает постоянную угрозу для сортов, выращиваемых в различных географических и климатических зонах. Информация о расовом составе местных популяций и клональных патогена, распространяющихся с семенами, служит теоретической базой для селекции растений и интродукции сортов в регионах наиболее опасного распространения болезни. ВЫВОДЫ

По результатам проведенных в 1989-2005 гт. исследований сделаны следующие выводы:

1. Создана и детально изучена по комплексу признаков коллекция из 470 штаммов X. campestris из дикорастущих и культурных растений. Коллекция охватывает большую часть географического ареала вида и включает штаммы из России, Великобритании, Германии, Венгрии, США и Японии, и коллекционные штаммы из Канады, Таиланда, Нидерландов, стран Африки и Латинской Америки. Штаммы депонированы в Российскую коллекцию фитопатогенных бактерий и доступны для исследователей.

2. Впервые выделены клональные группы патогена, различающиеся по серологическим и генетическим признакам. Группы отличаются по приспособленности бактерий к разным экологическим зонам, что выражено в разнокачественности антигенных свойств полисахаридной капсулы. Генотип 1 более жизнеспособен в субтропической зоне, тогда как генотип 2 - в умеренной. Генотип 3 не отличается от патоваров X. campestris, вызывающих листовые пятнистости крестоцветных. Впервые установлено, что определенные генотипы растений («Seven Top Green» и другие), стимулируют развитие сосудистого бактериоза при заражении штаммами X. campestris pv. armoraciae (raphani), обычно вызывающих листовые пятнистости. Заражение растений штаммами X campestris pv. campestris опрыскиванием при низких положительных температурах (+5-10°С) и высоких значениях pH (>8,3), напротив, приводило к появлению симтомов листовой пятнистости на восприимчивых генотипах

крестоцветных. Это подтверждает отсутствие существенных различий по консервативной части генома между патовариантами X. campestris выявленное с помощью ДНК маркеров (AFLP, DIR).

3. В результате изучения взаимоотношений между штаммами X. campestris pv. campestris и растениями различных крестоцветных культур предложена усовершенствованная система растений-дифференциаторов для рас патогена, включающая В. rapa «Just Right», «Tokyo Cross», «Seven Top Green», В. juncea «Florida Broad Leaf», В. oleracea «Badger Inbred 16», PI436606, «Miracle Fj», SRI, В. napus «Cobra» и «Giant English». Впервые идентифицированы 6 генов расово-специфичной устойчивости Rxcl(Rb) («Florida Broad Leaf»), R2 («Seven Top Green»), Rxc3(Rl) («Badger Inbred 16»; «Miracle Fi», SRI), R3 («Giant English»), Rxc4 («Just Right», «Tokyo Cross»; «Cobra»), и r5 (PI436606), распространенные среди растений семейства капустных.

4. Впервые изучены особенности расовой структуры популяции X. campestris в России, Великобритании, Японии, США и других странах. Расы 1 и 4 обнаружены в Великобритании, Германии, Венгрии, США (доминирующая раса 1), Японии, Португалии и России (доминирующая раса 4). Раса 0 была обнаружена в Португалии и США, где доминировала на дикорастущих крестоцветных растениях. При взаимодействии с усовершенствованным набором растений-дифференциаторов найдены новые варианты (расы) X. campestris. Найден ген авирулентности avrRxcl/3, отвечающий за несовместимую реакцию рас Хсс с растениями, имеющими гены устойчивости Rxc3 и Rxcl. Ген avrBs3 наиболее встречаем среди штаммов X. campestris, вызывающих листовую пятнистость. Ген avrXcc2109 наиболее встречаем среди штаммов рас 1, 3 и 4, поражающих культурные растения. Это дает возможность инструментальной диагностики патоваров и рас X. campestris.

5. Установлен характер наследования устойчивости капустных растений к сосудистому бактериозу. Устойчивость растений, имеющих А геном, контролируется расово-специфичными доминантными генами R3 и Rxc4. Найдены молекулярные маркеры для гена устойчивости Rxc4. Rxc4 был найден с высокой частотой у индийских масличных тории и сарсона (В. rapa subsp. dichotoma), а также у родственных им японских репы и листовых овощей (В. rapa subsp. nipposinicá). Устойчивость В генома, контролируется расово-специфичным доминантным геном Rb (Rxcl), широко распространенным среди дикорастущих крестоцветных. Показано, что устойчивость растений имеющих С геном, контролируется расово-специфичными доминантным геном Rl(Rxc3) и рецессивным геном г5.

Эти гены наиболее часто встречаются в средиземноморской популяции полукочанных и листовых капуст (В. oleracea var. tronchuda), а также японской и китайской популяции белокочанной капусты (В. oleracea subsp. capitata). В то же время, гены устойчивости практически не встречаются в западноевропейской популяции капусты. Выявлены доноры расово-специфичной устойчивости среди видов В. rapa (японские репы и тория), В. napus (сорт «Cobra», «Giant English»), В. oleracea (Fujiwase, PI436606, ISA55, ISA454, SRI, Badger Inbred-16, Honcock F,, Kinkei, Reiho, Harukei, PI436606, New York-402, Aichi-dai-Bansei. Доноры могут быть использованы для концентрации генов устойчивости в сортах и гибридах крестоцветных культур, что позволит снизить ущерб, вызываемый сосудистым бактериозом.

6. Обнаружен новый тип неспецифичной устойчивости, контролируемый доминантным геном Rs у растений В. oleracea, проявляющийся в сосудистой системе стебля. Выявлены доноры стеблевой устойчивости -линия листовой капусты SRI, гибриды Fj брокколи «Marathon», «Shogun», и белокочанной капусты «Pacifica» и «Singapura».

7. Проведена оценка генетической коллекции, включающей 240 образцов 40 различных видов семейства Brassicaceae, на устойчивость к отдельным расам X. campestris. Выявлено накопление устойчивости к сосудистому бактериозу в локальных географических популяциях: средиземноморской и японской для В. oleracea, индийской и японской для В. rapa, и в различных видах дикорастущих крестоцветных, включая Sinapis, Егиса, Crambe, Thlapsi, Camelina, Alyssum, Erucastum, Erysium, Lepidim, Arábidopsis, Sisybrium, Rorippa, Capsella, и Matthiola.

8. Разработан метод оценки устойчивости капустных растений к сосудистому бактериозу, выявляющий компоненты расово-специфичной и не специфичной устойчивости. Метод обеспечивает ускоренную (4-5 недель) оценку неспецифичной (стеблевой) и расово-специфичной реакции растения к нескольким расам одновременно, и дает возможность сконцентрировать несколько разных генов устойчивости в одном генотипе. Выявлена преобладающая роль (90%) расово-специфичной устойчивости в формировании полевой реакции растений и существенный вклад погодных условий (до 45%) в развитие заболевания.

9. Разработан метод мультиплексной молекулярной диагностики патогена, основанный на консервативных последовательностях генов hrpF, tonB, Хсс0007 и ХссОООб, и высокоизменчивых генов avrBs3 и avr Хсс2109. Метод позволяет отделить штаммы X. campestris, вызывающие сосудистый

бактериоз культурных растений, от штаммов, паразитирующих на дикорастущих крестоцветных, иных видов и патоваров ксантомонад. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Селекционным учреждениям предлагаются методические основы отбора

устойчивых к сосудистому бактериозу сортов и линий капустных

культур, включая:

— метод одновременной оценки устойчивости по нескольким генам устойчивости к сосудистому бактериозу с использованием типовых штаммов рас патогена,

— вовлечение в селекционные программы допоров неспецифичной стеблевой и расово-специфичной устойчивости к сосудистому бактериозу.

2. Диагностическим лабораториям предлагается:

— использовать для определения X. campestris мультиплексный ПЦР анализ, выявляющий штаммы на уровне вида, патоваров и рас патогена,

— проводить предварительную оценку расового состава местных популяций X. campestris перед интродукцией сортов и гибридов капустных культур с расово-специфичной устойчивостью к сосудистому бактериозу,

— проводить апробацию новых методов серологической и молекулярной диагностики на типовых штаммах различных генотипов X. campestris.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Самохвалов А.Н., Игнатов А.Н. и Рогачев Ю.Б, Защита капусты от килы и бактериозов. // Доклады научной конференции "Сельскохозяйственная наука Казахской ССР" - 1990. -ч.2. -С. 56.

2. Самохвалов А.Н., Игнатов А.Н. и Рогачев Ю.Б. Совмествный рост возбудителей слизистого и сосудистого бактериозов капустных in vitro. // Доклады научной конференции "Экологические проблемы защиты растений". -Л. 1990.-С. 110.

3. Самохвалов А.Н. и Игнатов А.Н. Активация иммунитета Brassica oleracea L. к сосудистому бактериозу, // Биологические науки. -1991. -№12: -С.56-60

4. Игнатов А.Н., Самохвалов А.Н. Методы выделения плазмид и плазмидный профиль Xanthomonas campestris pv. campestris. // Доклады научной конференции «Бактериальные болезни картофеля овощей и методы борьбы с ними» ВНИИФ. -М.1993. -С. 102-105

5. Игнатов А.Н., Самохвалов А.Н. Проблемы расовой дифференциации Xanthomonas campestris pv. campestris, возбудителя сосудистого бактериоза

капустных. // Доклады научной конференции «Бактериальные болезни картофеля, овощей и методы борьбы с ними» ВНИИФ. -М. 1993. -С.98-102.

6. Самохвалов А.Н., Рогачев Ю.Б., Игнатов А.Н. Методические рекомендации по методам лабораторной оценки белокочанной капусты на устойчивость к болезням. М., РАСХН. 1994. 53с.

7. Самохвалов А.Н., Игнатов А.Н., Рогачев Ю.Б. Разработка методов анализа компонентов полевой устойчивости к сосудистому бактериозу у линий белокочанной капусты. // Доклады координационного совещания "Совершенствование контроля фигосагштарного состояния сельскохозяйственных культур с целью предотвращения вспышек массового развития болезней, вредителей и сорняков". -М. 1994 С. 163-166.

8. Самохвалов А.Н., Игнатов АЛ., Рогачев Ю.Б., Захаров Н.В. Колесников И.М. Наследование устойчивости к сосудистому бактериозу (возбудитель Xanthomomonas campestris pv. campestris) у линии белокочанной капусты PI436606. // Селекция овощных культур Сборник трудов ВНИИССОК. -М, 1994, 65-69.

9. Самохвалов А.Н., Игнатов А.Н., Рогачев Ю.Б., Методы лабораторного анализа олигогенной устойчивости капусты к сосудистому бактериозу. // Селекция овощных культур. Сборник трудов ВНИИССОК. -М. -1994. -С.70-73.

10. Балашова H.H., Валеева З.Т., Игнатов А.Н., Ущаповский И.В., Жученко A.A. (мл.) и Даус B.C. Роль микрогаметофита в адаптации растений к эконише произрастания. // Сельскохозяйственная биология. -1994. -№3. -С.59-64.

11. Игнатов А.Н., Самохвалов A.II.; Рогачев Ю.Б. Особенности в отношениях патоген-хозяин для бактерий Xanthomonas campestris. // Всероссийский съезд по защите растений "Защита растений в условиях реформирования агропром. комплекса: экономика, эффективность, экологичность":-СПб. 1995.-С. 199-200.

12. Бунин М.С. Исидзава Я., Юи С., Игнатов А.Н. Разнообразие и филогенетическое происхождение сортов азиатской субпопуляции Raphamts sativus L. //Сельскохозяйственная биология. -1995.-№3. -С. 54-64.

13. Балашова H.H., Игнатов А.И., Рогачев Ю.Б. Изменчивость гаметофита капусты под воздействием бактериальных патогенов и килы. // Сельскохозяйственная биология. -1995. -№5. -С. 115-118.

14. Игнатов А.Н. Расово-специфичная устойчивость к Xanthomonas campestris у Brassica rapa и В. napus. //9-я международная конференция по фитопатогенным бактериям. -1996.-С.218. [на английском языке]

15. Игнатов А.Н. Реакция микрогаметофита на возбудителя сосудистого бактериоза у устойчивых и восприимчивых генотипов Brassica oleráceo L.. III-й международный конгресс по опылению. -1996. -С. 110. [на английском языке]

16. Игнатов А.Н., Рогачев Ю.Б., Захаров Н.В. Колесников И.М. Самохвалов А.Н. Сосудистый бактериоз капусты. // Защита растений. -1996. -№7. -С. 38.

17. Игнатов А.Н. Использование быстрорастущих растений Brassica oleracea и В. гара в качестве модельных объектов для изучения генетики овощных капустных. // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования. 2-й симпозиум. -1997. -С. 308-309.

18. Колесников И.М, Игнатов А.Н.; Харламов Д.М. 1997 Состояние и перспективы гетерозисной селекции брокколи. // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования. 2-й симпозиум. -1997. -Т.4. - С. 320-322

19. Самохвалов А.Н.; Рогачев Ю.Б.; Игнатов А.Н.; Колесников И.М. Устойчивость сортов и гетерозисных гибридов капусты белокочанной к сосудистому бактериозу. // В книге: Гетерозис сельскохозяйственных растений. -М. -1997. -С.141-142.

20. Игнатов А.Н., Харламов Д.М. и Рогачев Ю.Б. Наследование устойчивости к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости у самонесовместимых линий брокколи. // В книге: Гетерозис сельскохозяйственных растений. -М. -1997. -С.139-140.

21. Игнатов А., Висенте Дж., Конуелл Дж., Роберте С., Тейлор Дж. Идентификация рас Xanthomonas campestris pv. campestris и источников устойчивости. // Симпозиум ISHS по капустным. 10-й семинар по генетике крестоцветных. -1997. -С.215. [на английском языке]

22. Игнатов А., Кугинуки Я., Кобаяши Л., Масуда X., Ямада К., Хида К. Изменчивость патогенности у Xanthomonas campestris pv. campestris в Японии. // Журнал Японского общества садоводства и овощеводства. -1997. -В.4. -№1. -С.67-68. [на японском языке]

23. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Сосудистый бактериоз крестоцветных и источники устойчивости у капустных. Н Японский журнал сельскохозяйственных исследований. -1998. -В.32. -С. 167-172. [на английском языке]

24. Игнатов А.Н. Устойчивость к сосудистому бактериозу у капустных. // Национальный симпозиум по чрезвычайным ситуациям в растениеводстве. Индия.-1998. -С.105. [на английском языке]

25. Игнатов А.Н., Поляков К.Л., Самохвалов А.Н. Количественный анализ серологических признаков Xanthomonas campestris. И Сельскохозяйственная биология. -1998. -№1. -С. 106-115.

26. Висенте Дж., Игнатов А., Конуелл Дж., Роберте С., Тейлор Дж. Создание улучшенного набора крестоцветных дифференциаторов для рас Xanthomonas

campestris pv. Campestris. II 7-й международный конгресс по фитопатологии., Эдинбург, Великобритания, -1998, -Р.2.2.71 [на английском языке]

27. Супрунова Т.П., Игнатов А.Н., Сеитова A.M., Монахос Г.Ф., Джалилов Ф.С., Кугинуки Я., Дорохов Д.Б., Хираи М. (1999) RAPD маркеры устойчивости к киле крестоцветных у Brassica rapa L. II IV съезд общества физиологов растений России, -1999. -С.249.

28. Игнатов А.Н., Сеитова A.M., Цветков И.В. и Дорохов Д.Б. Сопряженное развитие устойчивости капустных растений и патогенности бактерии Xanthomonas campestris (Pamm.) Dow. // IV съезд общества физиологов растений России. -1999. -С.218.

29. Игнатов А.Н., Кугинуки Я., Супрунова Т.П., Помозгова Г.Е., Сеитова A.M., Дорохов Д.Б., Хираи М. (1999) RAPD маркеры сцепленные с локусом устойчивости к расе 4 возбудителя сосудистого бактериоза у Brassica rapa L. // IV съезд общества физиологов растений России. -1999. -С.217.

30. Цветков И.Л., Монахос Г.Ф., Сеитова A.M., Супрунова Т.П., Игнатов

A.Н., Дорохов Д.Б. (1999) Идентификация генотипов и определение сортовой чистоты гибридов капустных культур с помощью белковых и ДНК спектров. // Научная конференция «Семя» 1999. М. -С. 111.

31. Монахос Г.Ф., Харламов Д.М., Колесников И.М., Игнатов А.Н. Состояние и перспективы селекции брокколи. // Конференция «Оптимизация селекционного процесса на основе генетических методов». -1999. -С. 111-112.

32. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Расово-специфичная реакция устойчивости к сосудистому бактериозу у Brassica oleráceo. И Европейский журнал фитопатологии (Нидерланды). -1998, -В. 104. -С. 821-827. [на английском языке]

33. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Сосудистая устойчивость к сосудистому бактериозу у Brassica oleracea. И Канадский журнал ботаники. (Канада) -1999. -В.77. -№3. -С. 442-446. [на английском языке]

34. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Расово-специфичная устойчивость к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости вызываемым Xanthomonas campestris. И Журнал защиты растений (Германия). -1999. -В.5. -№1. -С.37-39. [на английском языке]

35. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Патотипы Xanthomonas campestris pv. campestris в Японии. II Труды фитопатологии и энтомологии Венгрии. -1999. -

B.34. -№3. -С. 177-181.. [на английском языке]

36. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Изменения симптомов болезни вызываемой Xanthomonas campestris pv. campestris на капустных под действием окружающей среды. // Труды фитопатологии и энтомологии Венгрии. -1999. -В.34. -№3. -С.183-186. [на английском языке]

37. Федорова М.И., Игнатов А.Н., Балашова Н.Н, Баринова Т. Анализ корреляционных связей морфологических признаков редиса Raphanus sativus L.. // Сельскохозяйственная биология. 1999; 3, 110-116.

38. Дорохов Д.Б., Сеитова A.M., Игнатов А.Н., Цветков И.Л., Супрунова Т.П., Лаптева М.Н. ДНК-идентификация: проблемы и перспективы. // Селекция и семеноводство. -1999. -N4. -С. 44-46.

39. Игнатов А., Кугинуки Я., Хида К. Распределение и наследуемость расово-специфичной устойчивости к Xanthomonas campestris pv. campestris у Brassica rapa и В. napus. II Журнал Российского общества фитопатологов. -2000. -№1. -С.83-87. [на английском языке]

40. Цветков И.Л., Игнатов А.Н., Дорохов Д.Б. Особенности внутривидовой дифференциации капустных культур при идентификации генотипов по изоферментным спектрам кислых фосфатаз и а-эстераз. // Школа-конференция «Горизонты физ.-хим.биологии». -2000. -Т.1, - С. 131-132.

41. Кравченко Е.В. Игнатов А.Н.; Дорохов Д.Б. 2000 Использование молекулярных маркеров в исследованиях динамики растительного генома. // Школа-конференция «Горизонты физ.-хим.биологии». -2000. -Т.1, - С. 121-122.

42. Супрунова Т.П., Монахос Г.Ф., Игнатов А.Н., Цветков И.Л., Сеитова A.M., Дорохов Д.Б. Применение ДНК (RAPD) маркеров для анализа линейной чистоты и гибридности капусты белокочанной. // Междунар.науч.-практ.конф."Селекция и семеноводство овощных культур в XXI в."-М., 2000; Т.2, - С. 223-225.

43. Игнатов А.Н., Кугинуки Я., Супрунова Т.П, Позмогова Г.В., Сеитова А. М-, Дорохов Д.Б., Хираи М. RAPD маркеры ассоциированные с устойчивостью к расе 4 Xanthomonas campestris pv. campestris (Pamm.) Dow. у Brassica rapa L. // Генетика. -2000. -B.36. -№3. -С. 281-283.

44. Игнатов А.Н., Монахос Г.Ф., Джалилов Ф.С. Появление расы 0 в результате спонтанной мутации изолята расы 1 Xanthomonas campestris pv, campestris - возбудителя сосудистого бактериоза крестоцветных. // Известия ТСХА. -2000. -№4. -С. 71-75.

45. Монахос, Г.Ф., Игнатов А.Н., Джалилов Ф.С., Цветков И.Л., Вишнякова Х.М., Дорохов Д.Б., Позмогова Г.В., Соловьев A.A. Вновь синтезированный ашюгексаплоидный вид Brassica с геномом ААВВСС как источник устойчивости к киле и сосудистому бактериозу крестоцветных. // Известия ТСХА.-2001. -№ 2.-С. 51-59.

46. Игнатов А.Н., Джалилов Ф.С., Монахос Г.Ф., Позмогова Г.В. Спонтанные мутации генов Xanthomonas campestris pv. campestris avrBs3 и avrBs2 изменяют вирулентность на крестоцветных с расо-специфичной устойчивостью. //Геном сельскохозяйственных микроорганизмов-2.

Конференция. -2001. http://www.intl-pag.org/ amg/2/ abstracts/ P02_01.html [на английском языке]

47. Харламов Д., Игнатов А. Наследование устойчивости к сосудистому бактериозу и листовой пятнистости у самонесовместимых линий брокколи. // Сельскохозяйственная биология. -2001. -№5. -С.50-55.

48. Игнатов А., Монахос Г.Ф., Джалилов Ф.С., Тейлор Дж.Д. Устойчивость капустных с геномами В и D к Xanthomonas campestris pv. campestris, вызывающему сосудистый бактериоз. // Журнал Российского общества фитопатологов. -2001. -№2. -С. 71-73 [на английском языке]

49. Игнатов А., Монахос Г.Ф., Джалилов Ф.С. Изменение расы Xanthomonas campesrtis pv. campesrtis I на 0 in planta. // Журнал Российского общества фитопатологов. -2001. -№2. -С. 68-70. [на английском языке]

50. Игнатов А.Н.; Джалилов Ф.С.; Монахос Г.Ф. 2001. Анализ расового состава популяции Xanthomonas campestris pv. campestris (Pamm.) Dow. в России и селекция на устойчивость к сосудистому бактериозу. // Генетические коллекции овощных растений. -ВИР. -СПб., 2001. -Ч.З. -С. 179-190.

51. Цветков И.Л., Игнатов А.Н., Дорохов Д.Б. Полиморфизм изоферментных маркеров и идентификация сортов капусты белокочанной, брюссельской, савойской и брокколи (Brassica oleracea L.) // Сельскохозяйственная биология. -2001.-N.5. -С. 81-87.

52. Игнатов А.Н., Кугинуки Я. Хида К. Возбудитель бактериозов капустных Xanthomonas campestris. О создании устойчивых к ксантомонадам растений семейства Brassicaceae. // Сельскохозяйственная биология. -2002. -В.5. -С.75-84.

53. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Политыко В.А., Игнатов А.Н., Николаева Е.В., Шаад Н. Распределение и вирулентность Pseudomonas syringae pv. atrofaciens, вызывающего базальный бактериоз в России. // 6-я международная конференция по патоварам Pseudomonas syringae и родственным патогенам. -2002. -С. 56. [на английском языке]

54. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Политыко В.А., Игнатов А.Н., Николаева Е.В., Шаад Н. Оценка генетических ресурсов пшеницы на устойчивость к российским штаммам Pseudomonas syringae pv. atrofaciens, вызывающего базальный бактериоз. // 6-я международная конференция по патоварам Pseudomonas syringae и родственным патогенам. -2002. -С. 92 [на английском языке]

55. Матвеева Е.В., Политыко В.А., Игнатов А.Н., Николаева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Шаад Н. Бактериальные патогены зерновых культур в России. // Фитопатология. -2002. -В. 92. -С.52. [на английском языке]

56. Форта A.B., Игнатов А.Н., Пономаренко В.В., Дорохов ДБ., Савельев Н.И. Филогения видов яблони рода Malus на основе анализа морфологических признаков и молекулярного анализа ДНК. // Генетика. -2002. -№.10. -С. 13571369.

57. Игнатов А.Н.; Джалилов Ф.С.; Монахос Г.Ф., Позмогова Г.В. Ген авирулентности Xanthomonas campestris pv. campestris гомологичный avrBs2 распознается двумя расово-специфичными генами устойчивости у капустных. // Генетика. -2002. -В.38. -№12. -С.1405-1411.

58. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Игнатов А.Н., Политыко В.А., Николаева Е.В., Шаад Н.В. Генетическая изменчивость реакции злаков к Pseudomonas syringae pv. atrofaciens. Н Журнал российского общества фитопатологов. -2002. -№3.-С.65-70. [на английском языке]

59. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Игнатов А.Н., Политыко В.А., Николаева Е.В., Шаад Н.В. Встречаемость Pseudomonas syringae pv. atrofaciens, вызывающего базальный бактериоз в России. // Журнал российского общества фитопатологов. -2002. -№3. -С: 49-54. [на английском языке]

60. Матвеева Е.В., Игнатов А.Н., Пехтерева Е.Ш., Николаева Е.В. Политыко В.А. Биологическая защита от бактериозов растений. // АГРО XXI. -2003. -№10. -С. 68-69.

61. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Игнатов А.Н., Политыко В.А., Николаева Е.В., Шаад Н.В. Распределение и вирулентность Pseudomonas syringae pv. atrofaciens, вызывающего базальный бактериоз в России. // В книге: Pseudomonas syringae и родственные патогены. Ред. Якобелис Н.С. и др. -Клювер Акад. Пабл. (Нидерланды) 2003. -С. 97-105. [на английском языке]

62. Гапоненко А.К., Игнатов А.Н. Генетическая инженерия растений -направления развития. И В книге: Трансгенные растения — новое направление в биологической защите растений. Ред. Надыкта В.Д. и Угрюмов Е.П. -Краснодар. 2003. -С. 81-99.

63. Игнатов А. (Редактор) Xanthomonas campestris pv. campestris, файл данных. II Компендиум защиты растений. КАВ Интернейшнл. Кембридж. (Великобритания) 2003. [на английском языке]

64. Игнатов А.Н., C.B. Цыганкова, Матвеева Е.В., Е.В. Булыгина, Б.Б. Кузнецов, Н. Шаад. Кластер tonB Xanthomonas и Ralstonia solanacearum связан со спектром растений хозяев у фитопатогенных бактерий. II 10-й Конгресс молекулярного взаимодействия растений и микробов. Ст. Петербург. Россия. Июль 18-25, 2003. PBX 113. [на английском языке]

65. Игнатов А.Н., Матвеева Е.В., Цыганкова C.B., Политыко В.А., Шаад Н. Полиморфизм ДНК Xanthomonas translucens в России выявленный при помощи

ПЦР маркеров и последовательности 16s-23s ITSR. И Фитопатология. -2003. -

B.93. -С.38-39. [на английском языке]

66. Боброва В.К., Милютина И., Троицкий А., Матвеева Е.В., Политыко В., Игнатов А., Шаад Н. Идентификация и характеристика псевдомонад, вызывающих поражение зерновых в России. // Фитопатология. -2003. -В.93. -

C.9. [на английском языке]

67. Сеитова A.M., Игнатов А.Н., Супрунова Т. П., Цветков И. Л., Дейнека Е.В, Дорохов Д.Б. и Скрябин К.Г. Генетическое разнообразия дикой сои (Glycine soja Sieb. & Zucc.) в Дальневосточном регионе России. // Генетика. -2004. -В.38. -№1. -С. 248-253.

68. А.Н. Игнатов, C.B. Цыганкова, Е.В. Булыгина Молекулярная характеристика кластера генов tonb-exbd2 у фитопатогенных бактерий и его возможное участие в определении специализации патогена. // Всероссийский Съезд общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова. -М. 2004. -С.156.

69. Игнатов А.Н., B.C. Донцов, C.B. Цыганкова, Е.В. Булыгина, Б.Б. Кузнецов. Полиморфизм и ассиметрия изменчивости нуклеотидной последовательности 16s рРНК и 16s-23s ITS у бактерий рода Xanthomonas и близкородственных видов. // Всероссийский Съезд общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова. -М. 2004. -С. 146.

70. Игнатов А.Н., C.B. Цыганкова, Е.В. Булыгина, Б.Б. Кузнецов, Е.В. Короткое" Использование факторного анализа для оценки распределения арбитрарных ПЦР маркеров и обоснование многовариантного ПЦР анализа у прокариот. // Всероссийский Съезд общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова. -М. 2003. -С.155.

71. Игнатов А.И., Лунина Н., Цыганкова С., Николаева Е., Матвеева Е., Булыгина Е., Кузнецов В., Шаад Н. Изменчивость регуляторного региона на 5'-конце гена toriB у Xanthomonas связана со спектром растений-хозяев. // В книге: Открытие, развитие и применение в фитопатологии. Ред. Уель С. -2004. -С. 4950. [на английском языке]

72. Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Николаева Е.В., Игнатов А.Н., Шаад Н. Усовершенствованный метод лиофилизации для фитопатогенных бактерий. // В книге: Открытие, развитие и применение в фитопатологии. Ред. Уель С. -2004. -С. 49. [на английском языке]

73. Гапоненко А.К.,. Игнатов А.Н., Яковлева И.В. Генетическая инженерия растений - итоги и перспективы. // В. книге: Геном, клонирование, происхождение человека. Ред. Чл.-корр. РАН Л.И. Корочкин. -Фрязино «Век 2». 2004. - 224 сс.

74. Цыганкова C.B., Игнатов А.Н., Булыгина Е.С., Кузнецов Б.Б., Коротков Е.В. Генетические отношения среди штаммов Xanthomonas campestris pv.campesíris выявленные при помощи новых праймсров для гер-ПЦР. // Европейский журнал фитопатологии (Нидерланды). -2004. -В.110. -№8. -С.845-853. [на английском языке]

75. Игнатов А., Маллабаева Д., Дорохов Д., Скрябин К. Молекулярные маркеры для оценки биоразнообразия и биобезопасности основных ГМ культур и их дикорастущих родственников. // В книге: Геномика для биобезопасности в биотехнологии. Ред. Дж.П. Haan. - Клювер Академик Паблишере (Нидерланды). 2004 [на английском языке]

76. Игнатов А.Н. и Хида К. Встречаемость и наследование A-типа оболочки семян у Brassica rapa L. Сельскохозяйственная биология. -2004. -№3. -С. 123127.

77. Матвеева Е.В., Игнатов А.Н., Цыганкова C.B., Пехтерева Е.Ш. Фокина В.Г., Шаад Н. Фенотипическое и генетическое разнообразие российской популяции эрвиний вызывающих черную ножку и мягкую гниль картофеля. И 57-й Международный симпозиум по защите растений. -2005. -С.160 [на английском языке]

78. Игнатов А.Н., Матвеева Е.В., Политыко В.А., Шаад Н. Определение фитопатогенпых бактерий на злаках в России. // 57-й Международный симпозиум по защите растений. -2005. -С.155. [на английском языке]

79. Цыганкова C.B., Матвеева Е.В., Пехтерева Э.Ш., Игнатов А.Н., Шаад Н.В. Генетическое разнообразие среди штаммов пектолитических эрвиний на картофеле в России. И Съезд Американского фитопатологического общества 2005. Отдел Потомака. Океан-сити. 16-18 марта 2005 г. -С. 25-26. [на английском языке]

80. Игнатов А.Н., И. Агеркова, А. Сечлер, Б. Оливер, А. Видавер, Н. Шаад. Генетическое разнообразие популяции Xanthomonas campestris pv. campestris на крестоцветных растениях в центральной Калифорнии. И Фитопатология (США), (в печати) [на английском языке]

81. Шаад. Н., Постникова Е., Клафлин Е., А. Видавер, И. Агаркова, А. Сечлер, А. Игнатов, Б. Рамундо. Перенос трех фитопатогенных подвидов Acidovorax avenae в новый вид Mesothermophilus gen. nov.: предложение видов Mesothermophilus avenae (ex Manns, 1909), M. citrulli (ex Schaad et al., 1978), M. cattieyae (ex Pavarino, 1911), и предложение M. setariae. Il Международный журнал систематики бактерий (США) (в печати) [на английском языке]

Объем 2,5 печ. л.

Зак. 638.

Тираж 100 экз.

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

Введение.

Глава 1. Статическая балансировка загрузки.

Постановка задачи.

Критерии декомпозиции графов.

Иерархический алгоритм декомпозиции графа.

Огрубление графа.

Первичное разбиение графа.

Спектральная бисекция.

Восстановление графа.

Дополнительные критерии декомпозиции.

Инкрементный алгоритм декомпозиции графа.

Иерархическое хранение больших сеток.

Измельчение пирамидальных сеток.

Глава 2. Динамическая балансировка загрузки.

Постановка задачи.

Алгоритм серверного параллелизма.

Структура параллельной программы

Управляющий алгоритм балансировки загрузки.

Основной цикл взаимодействия управляющих процессов.

Двухуровневый алгоритм серверного параллелизма.

Глава 3. Распределенная визуализация.

Постановка задачи.

Архитектура системы визуализации.

Этапы визуализации.

Серверная и клиентская части системы визуализации.

Визуализация трехмерных скалярных данных.

Методы преобразования решеток в пирамидальные сетки.

Разбиение ячейки на 24 пирамиды.

Разбиение 8-ми ячеек на 24 пирамиды.

Разбиение ячейки на 5 пирамид.

Симметричное разбиение смежных ячеек.

Разбиение ячейки на 6 пирамид.

Аппроксимация изоповерхности.

Виды данных описывающих триангуляцию.

Точность аппроксимации.

Вычисление абсолютной ошибки.

Сохранение топологических особенностей.

Методы построения аппроксимирующей триангуляции.

Метод кластеризации.

Метод детализации.

Метод синтеза.

Метод редукции.

Параллельные алгоритмы построения аппроксимирующих триангуляций.

Результаты тестирования.

Зависимость времени обработки и коэффициента сжатия методом редукции от точности аппроксимации.

Зависимость времени и коэффициента сжатия от гладкости изоповерхности .119 Соотношение времени чтения данных и времени их обработки.

Сравнение метода синтеза и метода редукции.

Зависимость времени расчета и коэффициента сжатия от числа используемых процессоров.

GRID технологий визуализации данных.

Интерфейс системы визуализации.

Глава 4 Среда моделирования сеточных задач на распределенных вычислительных системах.

Управление вычислительным экспериментом.

Моделирование обтекания трехмерных тел сложной формы.

Моделирование обтекания ступеньки.

Моделирование обтекания сферы.

Моделирование обтекания летательных аппаратов.

Распределенное хранение сеточных данных.

Моделирование задач горения.

Моделирование распространения горячей газовой струи.

Моделирование добычи углеводородов с помощью методов перколяции.

Параллельный алгоритм генерации последовательностей псевдослучайных чисел

Многопроцессорные системы терафлопной производительности, объединяющие в настоящее время от сотен до сотен тысяч процессоров, позволяют выполнять за короткое время большие объемы вычислений. Их использование допускает проведение вычислительных экспериментов, направленных на решение с высокой точностью естественнонаучных и технологических задач. Большая часть современных суперкомпьютеров востребована не в полной мере. Косвенным свидетельством тому служит статистика использования 500 крупнейших многопроцессорных систем мира, согласно которой область применения более половины из них не конкретизирована.

Накопленный опыт применения многопроцессорных систем ориентирован, в первую очередь, на параллельные системы средней производительности, содержащие относительно небольшое число процессоров. При переходе к вычислительным системам, количество процессоров в которых исчисляется сотнями и более, требуется создание адекватных средств обработки больших объемов данных. Необходимы параллельные алгоритмы и средства, поддерживающие всю цепочку действий, требуемых для численного моделирования задач на подробных сетках. В том числе: методы формирования геометрических моделей высокого качества, генераторы поверхностных и пространственных сеток, средства декомпозиции сеток, библиотеки распределенного ввода-вывода, алгоритмы и библиотеки балансировки загрузки процессоров, средства визуализации результатов крупномасштабных экспериментов и многое другое. Разработка методов, обеспечивающих поддержку любого из перечисленных этапов, представляет собой серьёзную научную и технологическую проблему. Не менее актуальной и сложной является проблема согласования и объединения методов в рамках единой системы, позволяющей специалисту прикладной области воспользоваться ими для выполнения вычислительного эксперимента.

Полноценная вычислительная среда может быть создана только в условиях тесного взаимодействия специалистов в области разработки параллельных приложений и специалистов в области решения прикладных задач, поскольку создание адекватных средств невозможно без глубокого понимания проблем, присущих основным этапам вычислительного эксперимента, выполняемого на системах массового параллелизма.

Значительный качественный разрыв между производительностью компьютеров рабочего места пользователя и распределенного вычислительного пространства, обуславливающий возникновение многих проблем практического использования многопроцессорных систем, будет продолжать возрастать. Подтверждением тому служит активное развитие GRID технологий и возможностей метакомпьютинга, приводящее к интенсивному росту объединенных вычислительных мощностей при относительно низкой стоимости их объединения. В настоящее время нет доступных пакетов, обеспечивающих использование терафлопных вычислительных систем для решения задач механики сплошной среды. Существующие пакеты ориентированы на использование последовательных систем, например FlowVi-sion [1,2,3], либо кластерных систем с ограниченным числом процессоров, например пакет GDT [4,5], или один из ведущих пакетов численного моделирования двух и трехмерных задач газовой динамики, Fluent [6]. Подобная ситуация складывается и в ряде других областях знаний. Создание пакетов, снимающих с прикладного программиста вопросы, не относящиеся непосредственно к предметной области, является приоритетной задачей, поскольку целесообразность дальнейшего развития самих вычислительных систем непосредственно зависит от наличия инструментария, обеспечивающего возможность их эффективного применения.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью создания средств, обеспечивающих эффективное решение задач механики сплошной среды методами математического моделирования на вычислительных системах терафлопного диапазона.

Цель работы состоит в создании алгоритмов и компонентов вычислительной среды, обеспечивающих возможность эффективного решения задач механики сплошной среды методами математического моделирования на многопроцессорных вычислительных системах терафлопного диапазона.

В диссертации представлены новые параллельные алгоритмы рациональной декомпозиции многомерных регулярных и неструктурированных сеток, динамической балансировки загрузки, сжатия триангулированных поверхностей и согласованного формирования на множестве процессоров фрагментов последовательностей псевдослучайных чисел большой длины. Предложена модель и создана система распределенной визуализации трехмерных результатов вычислительных экспериментов. Система визуализации предназначена для изучения данных, объем которых не оставляет возможности их анализа с помощью последовательных программ, и может быть использована для интерактивного изучения сеточных данных различной природы. Создана вычислительная среда, обеспечивающая согласованное применение разработанных методов при проведении вычислительных экспериментов с использованием сеток содержащих и более узлов на системах терафлопного диапазона и метакомпьютерах. С ее помощью выполнено моделирование задач обтекания тел сложной формы, горения и добычи углеводородов на вычислительных системах с большим числом процессоров.

В первой главе рассматриваются методы рациональной декомпозиции графов, описывающих регулярные и нерегулярные сетки. Обсуждается ряд критериев декомпозиции, рассматривается метод иерархической обработки и хранения больших сеток.

Эффективным методом построения параллельных вычислительных алгоритмов моделирования задач механики сплошной среды является метод геометрического параллелизма. Основная проблема при его использовании связана с необходимостью решения задачи статической балансировки загрузки - выбора такой декомпозиции расчетной сетки, при которой вычислительная нагрузка распределена равномерно между процессорами, а накладные расходы, вызванные возможным дублированием вычислений и необходимостью передачи данных между процессорами малы. Задача сводится к разбиению вершин некоторого графа на заданное число классов эквивалентности - доменов. Задача рационального разбиения графов, наиболее близкой к которой можно считать задачу о разрезании графов [7], принадлежит классу yVP-полных [8], что обуславливает необходимость использования для ее решения эвристических алгоритмов.

К простым, но малоэффективным алгоритмам относятся методы рекурсивного координатного [10,11] и инерциального [9] разбиения. Заслуживают упоминания алгоритмы рациональной декомпозиции сеток, основанные на методах спектрального разбиения, алгоритмах Kernighan-Lin (KL) и Fiduccia-Mattheyses (FM) [62, 67]. Наиболее эффективны иерархические методы рационального разбиения графов [61,78,79]. Доступен ряд пакетов декомпозиции графов, среди которых выделяются последовательные и параллельные версии пакетов СНАСО [12,17] и PARMETIS [13], пакеты PARTY [14], JOSTLE [15], SCOTCH [16], Zolman [189].

Для ряда задач актуальны дополнительные критерии декомпозиции. Минимизация максимальной степени домена [22] позволяет снизить число актов обмена данными на каждом шагу по времени, тем самым увеличить эффективность расчетов. Обеспечение связности каждого из подграфов, соответствующих доменам позволяет в ряде случаев упростить вычислительные алгоритмы [21], повысить коэффициенты сжатия сеточных данных.

Иерархические алгоритмы, положенные в основу перечисленных выше пакетов декомпозиции графов, не контролируют связность и максимальную степень доменов. В связи с этим, актуальна разработка алгоритмов декомпозиции, отвечающих этим критериям. В качестве альтернативы разработан инкрементный метод рационального разбиения графов, наиболее близким аналогом которого, является пузырьковый алгоритм [18].

В заключении главы рассмотрен метод иерархической обработки и хранения больших сеток. Его применение позволяет значительно снизить время выполнения декомпозиции и ввода-вывода сеток, содержащих 10" и более узлов на этапах численного моделирования и анализа результатов, за счет переноса основных операций по декомпозиции сетки на выполняемый однократно подготовительный этап.

Вторая глава посвящена вопросам динамической балансировки загрузки при моделировании на МВС химически реагирующих многокомпонентных течений. Рассматривается разработанный в соавторстве с М.А.Корнилиной алгоритм серверного параллелизма, обеспечивающий децентрализованное перераспределение элементарных заданий, размещенных на множестве процессорных узлов.

Одной из глобальных экологических проблем современности является рост концентрации метана в атмосфере, значительным источником эмиссии которого являются добыча, переработка и транспортировка природного газа и нефти. При прорыве газа из скважин месторождений для уменьшения экологических последствий газовый фонтан поджигают. Однако горение метана само по себе наносит значительный вред, поскольку среди продуктов горения присутствуют высокотоксичные оксиды азота.

Используемая для оценки экологических последствий модель химически реагирующих течений предполагает совместное решение уравнений газовой динамики и химической кинетики, описывающих реакции с участием 19 веществ.

Согласно методу суммарной аппроксимации [138] поочередно рассматриваются газодинамические процессы, и процессы, описывающие химическую кинетику горения. Газодинамические течения описываются кинетически согласованными разностными схемами, уравнения химической кинетики интегрируются при помощи L-устойчивых методов решения жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Общее время расчета уравнений блока кинетики горения многократно превышает время расчета уравнений блока газовой динамики, причем распределение вычислительной загрузки процессоров на этапе расчета кинетики горения отличается сильной неоднородностью из-за большой разницы времён необходимых для расчета областей интенсивного протекания химические реакции и областей, расположенных на удалении от зоны горения. В связи с этим известных алгоритмов статической (геометрический параллелизм, он же «domain decomposition») и динамической (коллективное решение, он же «processor farm» [143,111], диффузная балансировка

19]) балансировки загрузки не достаточно для организации эффективного вычислительного процесса. Так же неэффективен для задач с высокой динамикой миграции по сетке вычислительной нагрузки блочный алгоритм

20], ориентированный на задачи с медленным дрейфом «горячих» областей. В связи с этим разработан алгоритм серверного параллелизма. Он основан на принципах коллективного решения, но в значительной мере свободен от его недостатков благодаря наделению каждого из процессоров управляющими функциями. Разработан кластерный алгоритм серверного параллелизма, позволяющий, за счет введения процессов-шлюзов, обеспечить высокую эффективность выполнения расчетов на объединении нескольких кластерных систем, соединенных относительно слабыми каналами передачи данных.

В третьей главе рассматривается проблема распределенной визуализации результатов крупномасштабных вычислительных экспериментов.

Проблема визуализации больших объемов научных данных отмечается в публикациях с конца 1980х годов. В это время было сформировано новое научное направление - научная визуализация, в основе которой лежит комбинированный подход, предполагающий интерактивное отображение научных данных в среде виртуального окружения и предоставляющий исследователю возможность непосредственного манипулирования изучаемыми объектами, в рамках которого проблеме анализа больших объемов данных уделяется значительное внимание. С ростом числа процессоров, используемых для проведения вычислительных экспериментов, сложность задачи преобразования больших объемов вычисленных данных к виду, пригодному для наглядного отображения качественно возрастает, поскольку графические станции и компьютеры рабочих мест пользователей уже не обеспечивают её решение. Наиболее естественным путем решения проблемы является использование технологии клиент-сервер. В его рамках:

• сервер визуализации, как правило, выполняемый на многопроцессорной системе, обеспечивает обработку большого объема данных;

• клиент визуализации, выполняясь на компьютере рабочего места пользователя, обеспечивает интерфейс взаимодействия с пользователем и непосредственное отображение данных подготовленных сервером, используя при этом аппаратные и программные мультимедийные возможности персонального компьютера, как для построения наглядных визуальных образов (с помощью графических ускорителей, стерео устройств), так и для управления ими (с помощью многомерных манипуляторов).

На серверной компоненте системы визуализации готовятся данные, обеспечивающие формирование на клиентской компоненте именно трехмерного образа объекта, манипулирование которым с целью осмотра с различных точек зрения возможно уже без дополнительных обращений к серверу. В этом одно из существенных отличий предлагаемого подхода от методов используемых в большинстве доступных систем визуализации (например, VISIT, EnSight, ParaView), выполняющих на стороне сервера «рендеринг» - формирование двумерного растрового образа изучаемого объекта.

Созданная система визуализации RemoteView обеспечивает изучение трехмерных скалярных данных. Одним из наиболее мощных и наглядных методов представления трехмерных скалярных данных является визуализация изоповерхностей, в связи с чем поддерживается именно этот метод. Среди подходов к визуализации поверхностей, выделяется метод, основанный на использовании мультитриангуляций [173,172,72,169]. Использование относительно простых структур данных - линейных массивов треугольников, позволяет опираться на известные алгоритмы огрубления триангуляций. Кроме того, современные видеоускорители аппаратно поддерживают отображение массивов треугольников, что значительно повышает наглядность визуализации, как за счет высокой скорости вывода данных на экран, так и за счет возможности автоматического формирования стереоизображений.

Ядро системы визуализации представлено рядом алгоритмов фильтрации и сжатия первичных данных, позволяющих аппроксимировать результаты вычислений ограниченным объемом данных, достаточным, однако, для восстановления изучаемого образа с заданным уровнем качества. При сжатии преследуются две основные цели: сжатие непосредственно в процессе визуализации - сжатие данных до заданного объема за короткое время, определяемое требованиями, накладываемыми интерактивным режимом. Основным минимизируемым параметром в этом случае является объем данных, описывающих изучаемый объект - он лимитирован временем, отведенным на передачу данных на компьютер рабочего места пользователя; сжатие данных с целью их долговременного хранения для выполнения визуализации впоследствии - формирование сжатого образа, описывающего исходные данные с заданной точностью. Время сжатия не является в данном случае лимитирующим фактором, основное внимание уделяется увеличению степени сжатия.

Простейшие алгоритмы сжатия, основанные на уменьшении точности представления вещественных чисел, описывающих сетку и последующей компрессии с помощью стандартных алгоритмов группового кодирования (RLE), кодирования строк [99, 98] и им подобных значительного выигрыша не дают. Информация о связях между узлами сетки практически не сжимается стандартными методами. Существующие специальные методы, среди которых наиболее эффективен метод шелушения [140], существенно ориентированы на планарность графов и не обобщаются непосредственно на случай триангуляций, расположенных в трехмерном пространстве.

В связи с этим основной интерес представляют алгоритмы, формирующие некоторую новую триангулированную поверхность, аппроксимирующую исходную изоповерхность, но содержащую значительно меньшее количество узлов. В этой связи полезен ряд базовых алгоритмов огрубления триангуляций и многоуровневого описания трехмерных объектов поверхностными сетками [168, 169, 170, 171].

Для системы визуализации разработаны алгоритмы сжатия триангулированных поверхностей на основе методов синтеза и, созданные в соавторстве с С.В.Муравьевым, методы сжатия редукцией.

Разработанная в соавторстве с П.С.Криновым и С.В.Муравьевым система визуализации успешно функционирует не только на кластерах и суперкомпьютерах, но и на метакомпьютерах, поскольку объемы передаваемых в ходе ее работы данных относительно невелики.

В четвертой главе рассматриваются вопросы построения среды моделирования сеточных задач на распределенных вычислительных системах. Создание единой среды моделирования, даже при условии, что для каждого ее блока имеются в наличии алгоритмы и программные модули, представляет собой серьезную проблему, поскольку требует поиска решений, обеспечивающих согласованное выполнение модулей и взаимную стыковку их интерфейсов. В свою очередь, наличие прототипа вычислительной среды и решение с его помощью актуальных прикладных задач позволяет лучше обозначить проблемы использования многопроцессорных систем и стимулирует поиск путей их преодоления. Именно такой подход, основанный на тесной интеграции методов решения прикладных задач и методов создания параллельного математического обеспечения, позволяет разработать вычислительную среду, обеспечивающую решение с помощью МВС и метакомпьютеров сложных задач, требующих больших вычислительных мощностей.

Возможности среды демонстрируются на примере моделирования задач обтекания трехмерных тел (в соавторстве с С.А.Суковым и И.В.Абалакиным), горения в атмосфере метана (в соавторстве с М.А.Корнилиной) и добычи углеводородов с помощью методов перколя-ции (в соавторстве с И.И.Антоновой). Предлагается параллельный алгоритм генерации последовательностей псевдослучайных чисел большой длины.

Система управление пакетом. Основная цель разработки системы управления пакетом - упрощение процедуры выполнения вычислительного эксперимента на распределенной вычислительной системе. В качестве действий, инициируемых с помощью системы управления, могут выступать вызовы модулей построения геометрической модели, формирования поверхностной и пространственной сетки, подготовки параметров запуска, выполнения расчета, запуск сервера визуализации, клиента визуализации, и так далее.

Основой сеанса работы с вычислительной средой служит проект -набор данных, включающий описание множества действий, модулей, промежуточных файлов и параметров, относящихся к циклу вычислительных экспериментов, направленных на решение прикладной задачи. Формирование проекта и изменение состава действий, выполняемых в его рамках, обеспечивается средствами системы управления, что предоставляет возможность моделирования широкого круга задач. Предусмотренные при настройке проекта операции могут быть инициированы пользователем непосредственно с помощью динамически формируемых элементов интерфейса системы управления. С помощью интерфейса вычислительной среды можно инициировать выполнение локальных заданий - на компьютере пользователя, и заданий, требующих параллельной обработки - на многопроцессорных серверах и удаленных системах. С точки зрения пользователя авторизация, позволяющая использовать распределенные вычислительные ресурсы выполняется только один раз - в начале сеанса. Как правило, между модулями данные передаются с помощью файлов, что упрощает согласование интерфейсов модулей подготовленных разрозненными командами разработчиков. Перечисленные свойства системы управления значительно упрощают работу пользователя с множеством модулей, поддерживающих различные этапы вычислительного эксперимента, в том числе при их выполнении на распределенных вычислительных мощностях.

Моделирование обтекания трехмерных тел сложной формы.

Приведены примеры моделирования обтекания ряда трёхмерных тел. В качестве математической модели газодинамического обтекания трехмерных объектов использовалась система записанных в дивергентной форме безразмерных уравнений Навье-Стокса, описывающая течения вязкого теплопроводного совершенного газа. Пространственная дискретизация выполнялась на тетраэдральных сетках с использованием методов конечных объемов (конвективный перенос) и конечных элементов (диффузионная часть). Численный поток через грани барицентрических контрольных объемов определялись с помощью схемы Роу и кинетически согласованной разностной схемы (Б.Н.Четверушкин).

Моделирование задач горения. Моделирование процессов горения является одной из наиболее сложных с вычислительной точки зрения проблем и требует больших вычислительных ресурсов. Результаты моделирования горения струи метана на многопроцессорной системе МВС-1000М показывают, что применение алгоритма серверного параллелизма обеспечивает эффективность на уровне 60% при расчете сетки, содержащей 1000x1000 узлов, на 600 процессорах, что подтверждает хорошую масштабируемость метода. Так же высокую эффективность подтвердили расчеты горения метановой струи на объединении двух кластеров. Несмотря на медленный канал связи между системами (30 и 12-процессорной) была получена более, чем 90% эффективность.

Моделирование добычи углеводородов с помощью методов пер-коляции. Актуальность проблемы интенсификации добычи нефти обусловлена истощением месторождений и необходимостью снижения остаточной нефтенасыщенности и обводнённости продукции. Перспективным выглядит использование для этих целей подхода, основанного на методах теории перколяции. Для достоверного описания трехмерного пористого коллектора месторождения с помощью перколяционной модели необходимо использовать решетки содержащие более 107 узлов [174], что стало возможным в последнее время благодаря развитию высокопроизводительных многопроцессорных систем. Изучению методов теории перколяции и свойств, описываемых ими многомерных геометрических структур, посвящены монографии [175, 176]. Перколяционный подход для описания фильтрации флюидов и активного нефтевытеснения рассматривается в работах [103,104,105,106].

Трёхфазная динамическая перколяционная модель (ДПМ) [105] хорошо описывает такие эффекты, как наличие порога протекания, кластеров запертой нефти и рукавов прорыва вытесняющего агента, конечное время распространения волн давления. Использование больших вычислительных мощностей позволило обнаружить важное для практических приложений свойство ДПМ: увеличение фильтрационного потока при использовании импульсного режима внешней накачки.

Параллельный алгоритм генерации последовательностей псевдослучайных чисел. Для формирования на многопроцессорных системах перколяционных решеток, содержащих 109 и более узлов, требуются последовательности псевдослучайных чисел (ПСЧ) большой длины. Кроме того, необходима возможность определения любого члена ПСЧ без вычисления всех предыдущих, что позволяет параллельно формировать размещенные на процессорных узлах части решетки и избежать хранения перколяционных решеток, сохраняя вместо них параметры соответствующих фрагментов последовательности. При моделировании стохастических процессов каждый эксперимент должен быть воспроизведен многократно с различными выборками используемых случайных величин, поэтому возможность непосредственного определения произвольного элемента ПСЧ значительно повышает эффективность расчетов. Выигрыш достигается за счет возможности использования в разных экспериментах разных независимых фрагментов достаточно длинной последовательности ПСЧ.

При построении генератора использован подход, основанный на рекуррентных соотношениях [119] и аналогичных им генераторах Фибоначчи [177,179]. Разработаны алгоритмы формирования ПСЧ длины 2"5-1, 2ЗП -1 , 21023 - 1 бит, что соответствует 1076, 10ш, Ю307 вещественных чисел.

По теме диссертации опубликовано более 40 работ [21-60], из них 9 статей - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, перечень которых определен Высшей аттестационной комиссией [21-29].

Автор глубоко благодарен Б.Н.Четверушкину, оказавшему большое влияние на все этапы выполнения исследований, за неослабевающее внимание к работе и постоянную поддержку. Автор выражает искреннюю благодарность своему учителю Е.И.Леванову за постоянное внимание и поддержку. Автор глубоко благодарен А.Р.Кесселю и С.С.Лапушкину за постановку задачи моделирования динамики заводнения месторождений нефти и газа с помощью перколяционных методов, предложенную математическую модель и плодотворные обсуждения. Автор выражает глубокую благодарность С.В.Полякову, за многочисленные дискуссии по широкому кругу затрагиваемых в диссертации вопросов. Автор благодарен П.С.Кринову, С.А.Сукову, С.В.Муравьёву, М.А.Корнилиной,

С.В.Болдареву, И.И.Антоновой и Д.В.Петрову за совместную работу над созданием и реализацией ряда рассматриваемых в диссертации алгоритмов, библиотек и программ. Автор благодарен Б.М.Шабанову, О.С.Аладышеву, П.Н.Телегину и другим сотрудникам МСЦ РАН за внимательное отношение и всестороннюю поддержку, позволившую успешно выполнить значительную часть вычислительных экспериментов. Автор выражает свою особую благодарность И.И.Галигузовой за доброжелательную поддержку на протяжении многих лет.

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты диссертации:

• Разработана вычислительная среда, включающая алгоритмы и программы обработки на многопроцессорных вычислительных системах сеточных данных, средства распределенного ввода-вывода, декомпозиции, сжатия и визуализации нерегулярных сеток.

• Предложена модель и создана система распределенной визуализации трехмерных результатов вычислительных экспериментов.

• Предложен и изучен ряд алгоритмов декомпозиции нерегулярных графов. Предложенные алгоритмы обеспечивают выполнение статической и динамической балансировки загрузки процессоров при моделировании сеточных задач на МВС с общей и распределенной памятью.

• На примере численного моделирования ряда задач механики сплошной среды показана эффективность применения предложенных методов на многопроцессорных системах и метакомпьютерах.

1. Зибаров A, Бабаев Д., Шадский A GasDynamicsTool 4.0: передовые CFD-технологии для персонального компьютера. // «САПР и графика» Ю'2000. С.44-53, http://www.sapr.ni/Archive/SG/2000/10/8/5. http://www.cfd.ru6. http://www.fluent.co.uk/

2. Евстигнеев В А Применение теории графов в программировании./ Под ред. А.П.Ершова. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985-352 с.

3. Гэри М, Джонсон Д., Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. -М. Мир, 1982.-416 е., ил.

4. К. Gremban, G. L Miller, and S.-H. Teng Moment of inertia and graph separators. In Fifth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, pp452«461, January 1994.

5. R. D Williams, Performance of dynamic load balancing algorithms for unstructured mesh calculations, Concurrency: Practice and Experience, 3 (1991), pp. 457-481.

6. Bruce Hendrickson and Robert Leland The Chaco User's Guide: Version 2.0, Sandia Tech Report SAND94--2692,1994.

7. Rolf Diekmann, Robert Preis, Frank Schlimbach, Chris Walshaw. Shape-optimized mesh partitioning and load balancing for parallel adaptive FEM // Parallel Computing, 26,2000 pp.1555-1581

8. R Diekmann, S. Munhukrishman, M V Nayakkankuppam, Engineering diffusive load balancing algorithms using experiments Lecture Notes in Computer Science, 1253 (1997), pp. 111-122.

9. Ф HЯсинский, Л.П.Чернышева, В В Пекунов. Математическое моделирование с помощью компьютерных сетей. Иваново, 2000 204 с.

10. Якобовский МВ. Обработка сеточных данных на распределенных вычислительных системах. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 2004. Вып.2. с. 40-53.

11. Якобовский М.В Инкрементный алгоритм декомпозиции графов. // Вестник Нижегородского Университета им. Н.И.Лобачевского. Серия «Математическое моделирование и оптимальное управление». 2005. Вып. 1(28). Нижний Новгород: Издательство ННГУ. с. 243-250.

12. Корнилина МА., ЯкобовскийМВ Моделирование эволюции сложных нелинейных систем на многопроцессорных вычислительных комплексах // М.:Журнал физической химии. 1995. Т.69. N 8. МАИК «Наука» С.1533-1536.

13. Дородницын Л В, Корнилина М.А , Четверушкин Б Н, Якобовский М В. Моделирование газовых течений при наличии химически активных компонентов // М.: Журн. физ. химии. 1997. Т.71, N 12. МАИК «Наука» с. 2275-2281.

14. Лапушкин С С, Бренерман MX, Якобовский М.В. Моделирование динамических процессов фильтрации в перколяционных решетках на высокопроизводительных вычислительных системах. // М.: Математическое моделирование. 2004. Т. 16, № 11. с. 77-88.

15. Абалакин И.В., Бабакулов А.Б, Музафаров XА., Якобовский М.В Моделирование течений умеренно разреженного газа на транспьютерных системах. // Математическое моделирование. 1992. Т.4. N 11. с. 3-18.

16. Самарская Е А., Четверушкин Б И., Чурбанова Н Г, Якобовский М.В. Моделирование на параллельных вычислительных системах процессов распространения примесей в горизонтах подземных вод // Математическое моделирование. 1994. Т.6. N 4. С.3-12.

17. КорнилинаМА, СамарскаяЕА, Четверушкин Б Н, Чурбанова Н Г, Якобовский М.В. Моделирование разработки нефтяных месторождений на параллельных вычислительных системах // М.: Математическое моделирование. 1995. Т.7. N 2. с. 35-48.

18. IakobovskiM.V Parallel Sorting of Large Data Volumes on Distributed Memory Systems. // В кн.: Mathematical modeling: modern methods and applications. The book of scientific articles/edited by Lyudmila A.Uvarova. -Moscow: Yanus-K. 2004. c.153-163.

19. Якобовский MB Распределенные системы и сети. Учебное пособие. // М.: МГТУ "Станкин", 2000, 118 с, ил

20. КульковаЕЮ, Якобовский М.В Решение задач на многопроцессорных вычислительных системах с разделяемой памятью. Учебное пособие. //М.: «Янус-К», 2004.-32 с.

21. Abalakin I.V Boldyrev S.N Chetverushkin В N. Zhokhova A.V, Iakobovski M V Parallel Algorithm for Solving Flow Problems on Unstructured Meshes 16th IMACS World Congress 2000. Proceedings. Lausanne August 21-25, Switzerland, 2000

22. Корнилина МА, Четверушкин БН, Якобовский MB Моделирование фильтрации двухфазной жидкости в водонапорном режиме на высокопроизводительном модуле POWER РС-601 Препринт ИММ, 1995. N 12. 17 с.

23. Якобовский MB. Параллельные алгоритмы сортировки больших объемов данных. В сб. "Фундаментальные физико-математические проблемы и моделирование технико-технологических систем", вып. 7, под ред. Л.А. Уваровой. М., Изд-во "СТАНКИН", 2004. с. 235-249

24. В. Hendricbon, R. Leland. Multilevel Algorithm for Partitioning Graphs. // Supercomputing '95 Proceedings. San Diego, CA, 1995.

25. В Kernighan and S Lin, An efficient heuristic procedure for partitioning graphs. Bell System Technical Journal, 29 (1970), pp. 291-307.

26. BN. Parlett, H.Simon and LMStringer. On Estimating the Largest Eigenvalue with the Lanczos Algorithm. // Mathematics of computation March 1995. - Vol. 38, Number 157. - p. 153-165.

27. Bruce Hendrickson and Robert Leland A Multi-Level Algorithm for Partitioning Graphs, Tech. Rep. SAND93-1301, Sandia National Laboratories, Al-buquerce, October 1993.

28. Bruce Hendrickson and Robert Leland An Improved Spectral Partitioning Algorithm for Mapping Parallel Computations. // SIAM J. Comput. Phys. -March 1995. Vol. 16, N 2. - p. 452-469.

29. CAR Hoare Communicating sequential processes. In B. Shaw, editor, Digital Systems Design. Proceedings of the Joint IBM University of Newcastle upon Tyne Seminar, 6-9 September 1977, pp. 145-56. Newcastle University, 1978.

30. С Fiduccia and R Mattheyses A linear time heuristic for improving network partitions. In In Proc. 19th IEEE Design Automation Conference, pages 175181, 1982.

31. Deshpande S M. Kinetic theory based new upwind methods for inviscid compressible flow. AIAA Paper 86-0275, 1986.

32. Dijkstra E. W. Cooperating Sequential Processes in Programming Languages, ed. F.Genuys, Academic Press, New York. NY, 1968.

33. Dijkstra E W. Solution of a Problem in Concurrent Program Control. // CACM, Vol. 8, No. 9, Sept. 1965, p. 569.

34. Domain decomposition method for partial differential equations. Proc. of the 1st Int. Symp. (Eds. R.Glowinsti et al.), SIAM, Philadelphia. 1988.

35. E Puppo and R. Scopigno. Simplification, LOD, and Multiresolution- Principles and Applications. Technical Report C97-12, CNUCE, C.N.R., Pisa (Italy), June 1997. (also in: EUROGRAPHICS'97 Tutorial Notes, Eurographics Association, Aire-la-Ville (CH)).

36. Fiedler M A property of eigenvectors of nonnegative symmetric matrices and its application to graph theory. Praha, Czechoslovak Mathematical Journal, 25(100) 1975, pp. 619-633.

37. Fiedler M Eigenvectors of aciyclic matrices. Praha, Czechoslovak Mathematical Journal, 25(100) 1975, pp. 607-618.

38. Flynn MJ. Some Computer Organizations and their Effectiveness. // IEEE Trans Comput., vol. C-21, pp. 948-960, 1972.

39. George Karypis, Vipin Kumar: Multilevel Graph Partitioning Schemes. ICPP (3) 1995: 113-122

40. Glouber R. II J. Math Phys., 1963, v.4, P.469

41. Hendrickson B. and Leland R. A Multi-Level Algorithm for Partitioning Graphs, Tech. Rep. SAND93-1301, Sandia National Laboratories, Albu-querce, October 1993.

42. Huffman D A. Amethod for the construction of minimum redundancy codes. // Proc. Of IRE., 1952,40, p.1098-1101.

43. I.V. Abalakin, SN. Boldyrev, B.N. Chetverushkin, M V Iakobovski, A.V. Zhokhova Parallel Algorithm for Solving Problems on Unstructured Meshes. 16th IMACS World Congress 2000 Proceedings. Lausanne, August 21-25, 2000.

44. Iakobovski M V, Krinov P.S, Muravyov S V. Large data volume visualization on distributed multiprocessor systems. // Book of Abstracts. Parallel Computational Fluid Dynamics. «Янус-К». 2003. p.301-304.

45. Juan Raul Cebral ZFEM: Collaborative visualisation for parallel multidisci-plinary applications. Parallel CFD '97: Recent development and advances using parallel computes, Manchester, May 19-21, 1997, Preprints.

46. Kershaw D.S The incomplete cholesky-conjugate gradient method for the iterative solution of linear equations. // J. Comput. Phys. 1978. - Vol. 26, N l.-p. 43-65.

47. Kessel A R., Berim G.O./fProg. Synopsis of VI UNITAR International Conference on Heavy Crude and Tav Sands, Houston Texas, 1995, P. 147

48. M. Vlakobovski, P.S Krinov. Visualisation of grand challenge data on distributed multiprocessor systems. // 5 International congress of mathematical modeling. Books of abstracts, V.l // responsible for volume L.A.Uvarova -M.: "JANUS-K", 2002.

49. P.S Krinov, M.V.Iakobovski, S.V.Muravyov. Large data volume visualization on distributed multiprocessor systems. // Book of Abstracts. Parallel Computational Fluid Dynamics.: May 13-15, Moscow, Russia, "JANUS-K", 2003,. c. 301-304.

50. PARIX 1.3 for Power PC: Software documentation and Reference manual, Parsytec Computer GmbH, 1994.

51. Roe L Approximate Riemann Solvers, Parameter Vectors, and Difference Schemes, J. Сотр. Phys.,1981,43, p.357-372.

52. SunOS 5.2 Network interfaces programmer's guide, Sun Microsystems, 1992.

53. T. J. Barth and D. C.Jespersen The Design and Application of Upwind Schemes on Unstructured Meshes, AIAA paper 89-0366, 1989.

54. Welch T.A. A technique for high-perfomance data compression. // IEEE Corn-put. 17, 6 (June 1984), p. 8-19.

55. Ziv J, and Lempel A Compression of individual sequences via variable-rate coding. // IEEE Trans. Inf. Theory IT-24, 5 (Sept. 1978), p. 530-536.

56. Абалакин И.В, Жохова A.B., Четверушкин Б H. Разностные схемы на основе кинетического расщеплении вектора потока, Математическое моделирование, 2000,13, № 4, с.73-82.

57. Архитектура ЭВМ и численные методы. Сб. науч. трудов / Под ред. В.В.Воеводина. М.: ОБМАН СССР, 1983г. 142 с.

58. Бердышев В И, Петрак JI.B Аппроксимация функций, сжатие численной информации, приложения. Екатеринбург: УрО РАН, 1999.

59. Берим Г.О, Кессель А.Р, Обобщенная кинетическая модель Изинга. Приложение к задачам фильтрации нефти // Известия академии наук, Энергетика, 1998, N 4, с. 52-64.

60. В.ЕАлемасов, Д.В Апросин, МХ.Бренерман, А.Р.Кессель, Я И.Кравцов, Численное моделирование процессов фильтрации в нефтяном пласте // Журнал физической химии, 1998, т.72, № 3, с. 569-573.

61. ВЕАлемасов, Д В Апросин, МХБренерман, А.Р.Кесселъ, Я.И Кравцов, Динамическая перколяционная модель двухфазной фильтрации как модель процессов в нефтяном пласте// Известия академии наук, Энергетика, 1998, N4, с. 65-77.

62. В.Е.Алемасов,МХ.Бренерман,А.Р.Кесселъ,Я.И.Кравцов, Моделирование процессов в "слабо" перемешанных многофазных средах с помощью случайных блужданий. Модели "блуждающих фаз" и "блуждающих волн'7/Математическое моделирование, 1996, т.8, N 5, 37-51.

63. В Мельников Криптография от папируса до компьютера М., ABF, 1996, ил., 336 с.

64. ВатолинД, Ратушняк А., Смирнов М, Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. - 384 с.

65. Высокоскоростные вычисления. Архитектура, производительность, прикладные алгоритмы и программы суперЭВМ: Пер. с англ./ Под ред. Я.Ковалика. Москва: Радио и связь, 1988,432 с.

66. Гудман С, Хидетниеми С. Введение в разработку и анализ алгоритмов. М.: Пер. с англ. Мир, 1981,368 с.

67. Д А Аляутдинов, А.НДалевич Параллельный СИ (PARALLEL С). М.: МАИ, 1991, 112 с.

68. Дж. Ортега. Введение в параллельные и векторные методы решения линейных систем: Пер.с англ-М.:Мир, 1991, с.24, с.34.

69. Джамса К, Коуп К Программирование для Internet в среде Windows. -Санкт-Петербург: Питер пресс, 1996.

70. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004,464 стр.

71. Дональд Жнут Искусство программирования, т.З. Сортировка и поиск 2-е изд.: Пер. с английского М.: Издательский дом «Вильяме», 2001.

72. Дородницын Л.В, Четверушкин Б.Н, Чурбанова Н Г. Кинетически согласованные разностные схемы и квазигазодинамическая система для моделирования течений плотных газов и жидкостей. Математическое моделирование, 2001,13, № 4, с. 56-79.

73. Дородницын JI.В, Корнилина МА., Четверушкин Б.Н, Якобовский МВ. Моделирование газовых течений при наличии химически активных компонентов // М.: Журн. физ. химии. 1997. Т.71, N 12. МАИК «Наука» с. 2275-2281.

74. Ентов В.М, Мусин P.M. Микромеханика нелинейных двухфазных течений в пористых средах. Сточное моделирование и перколяционный анализ. М.: Изв. РАН, МЖГ, 1997.

75. ИМ.Соболь Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.

76. Климов А.С. Форматы графических файлов: К.: НИПФ "ДиаСофт Лтд.", 1995-480 с.

77. Ковеня В Я., Тарнавский ГА., Черный С.Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.-247 с.

78. Коновалов А.Н. Введение в вычислительные методы линейной алгебры. Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма, 1993,159 с.

79. Корнилина МА., Самарская ЕА., Четверушкин БН, Чурбанова Н.Г., Якобовский М.В. Моделирование разработки нефтяных месторождений на параллельных вычислительных системах. Математическое моделирование. М.: Т.7. № 2, 1995. С.35-48.

80. Кринов П.С., Якобовский М.В, Муравьев С.В Сжатие и визуализация триангулированных поверхностей // V-я научная конференция МГТУ "Станкин" и "Учебно-научного центра математического моделирования

81. МГТУ "Станкин" ИММ РАН". Программа, сборник докладов. - М.: Янус-К, ИЦ МГТУ "Станкин" с. 32-42.

82. Маркин МА , Лопатин В.А. Т9000. // Журнал д-ра Добба N 3, 1991, стр. 34-37.

83. Митчел ДА.П., Томпсон ДжА., Мансон ГА., Брукс Г Р. Внутри транспьютера. М.: Мейкер, 1992, 206 с.

84. Никифоров А.И., Никанъшин ДП Перенос частиц двухфазным фильтрационным потоком. Математическое моделирование 10, N 6,42-52 (1998)

85. Оре О. Теория графов. 2- изд.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980,336с.

86. ПХоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники: В 2-х томах. Пер. с англ. -М.: Мир, 1983.-Т.2 590с.

87. Питерсон У. Коды, исправляющие ошибки. // М.: Пер. с англ. Мир, 1964,338 с., ил.

88. Программирование на параллельных вычислительных системах: Пер. с англ. /Р.Бэбб, Дж.Мак-Гроу, Т.Акселрод и др.; под ред. Р.Бэбба II. -М.:Мир, 1991,-376 е., ил.

89. Рождественский Б Л., Яненко Н Н. Системы квазилинейных уравнений и их приложения к газовой динамике. М.: Наука, 1978.

90. С.Гудман, С Хидетниеми. Введение в разработку и анализ алгоритмов. М.: Пер. с англ. Мир, 1981, 368 с.

91. Самарский А А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент // Вестник АН СССР. 1979. - №5. - С. 38-49.

92. Самарский А.А Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. - 616 с.

93. Самарский А.А., Колдоба А.В, Повещенко ЮА, Тишкин В Ф., Фаворский АЛ. Разностные схемы на нерегулярных сетках. Минск, 1996.

94. Самарский А А , Михайлов А.П Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М.: Наука. Физматлит, 1997. - 320 с. - ISBN 5-02015186-6.

95. Самарский А.А., Попов ЮП. Разностные схемы газовой динамики. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1975.

96. Скворцов А В, Костюк Ю.Л. Сжатие координат узлов триангуляции // Изв. вузов. Физика, 2002, № 5, с. 26-30

97. С.В Муравьев. Параллельные алгоритмы сжатия результатов численного моделирования трехмерных задач гидродинамики. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

98. Стивене У. Unix: взаимодействие процессов. Мастер-класс./ Пер. с англ.Д.Солнышков. Спб: Питер, 2002.-576 с. ISBN 5-318-00534-9.

99. Транспьютеры. Архитектура и программное обеспечение. Пер. с англ. / Под ред. Г. Харпа. М.: Радио и связь, 1993, 304 е., ил.

100. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина, Мир, 1988

101. ХейгеманЛ, ЯнгД Прикладные итерационные методы. М.: Мир, 1986. - 448 с.

102. Четверушкин Б Н Кинетически-согласованные схемы в газовой динамике. М.: Издательство МГУ, 1999.

103. Шенен П., Коснар М, Гардан И., Робер Ф., Робер И., Витомски П, Кас-тельжо П. Математика и САПР. М.: Мир, 1988.

104. Эксперимент на дисплее: Первые шаги вычислительной физики / Автор предисловия А.А. Мигдал. М.: Наука, 1989. 175 е., ил. - (Серия "Кибернетика - неограниченные возможности и возможные ограничения").

105. Языки программирования. Под ред. Ф.Женуи, Пер. с англ. В.П.Кузнецова, Под ред. В.М.Курочкина. М.: Мир, 1972,406 стр.150. hypeffun.org

106. Якобовский MB. Распределенные системы и сети. Учебное пособие. -М.: МГТУ "Станкин", 2000, 118 с, ил

107. Куценко JIН., Маркин Л.В Формы и формулы- М.:Изд. МАИ.-1994-176с.

108. Васильев BP., Волобой А.Г., Вьюкова НИ, Галактионов В А., Контекстная визуализация пространственных данных. «Информационные технологии и вычислительные системы», № 4, 2004, стр. 25-34.

109. Бочков М.В, Четверушкин Б.Н. Об одном алгоритме численного решения уравнений кинетики пробоя. М.: Ин-т прикл. матем. им. М.В.Келдыша АН СССР, 1985. Препр. N 123.

110. Бочков MB. Об одном вычислительном алгоритме для систем неоднородных уравнений математической физики // Дифференц. ур-ния. 1988. -Т.24, N7. - С.1150-1160.

111. V. Skala Precission of iso-surface extraction from, volume Data and Visualization, Algoritmy'2000. Int.Conf., Slovakia, 2000, pp.368-378.

112. Rosenbrock H H. Some general implicit processes for the numerical solution of differential equations. // Comput. J. 1963. V.5. №4. P.329-330

113. А.Б Альшин, ЕА.Альшина, H.H. Калиткин, А.Б Корягина Численное решение сверхжестких дифференциально-алгебраических систем.// ДАН, 2006, том 408, №4, с. 1-5.

114. А.Б. Алыиин, ЕА Альшина, Н.Н. Калиткин, А Б Корягина Схемы Розен-брока с комплексными коэффициентами для жестких и дифференциально-алгебраических систем.// :ЖВМиМФ, 2006, том 46, №8, с. 14101431..

115. Buscaglia G.C., Dari Е A. Anisotropic mesh optimization and its application in adaptivity // Internat. J. Numer. Neth. Eng. 1998.

116. Castro Diaz MJ, Hecht F Mohammadi B. New progress in anisotropic grid adaptation for inviscid and viscous flows simulations: Rapp. Rech. 2671, Inst. Nat. Rech. Informat. Automat. France, 1995. P. 1-22.

117. Fortin. M., Vallet M.-G, Dompierre G., Bourgault Y., Habashi W.G Anisotropic mesh adaptation: theory, validation and application // Comput. Fluid. Dynamic. Chichester etc.: John Wiley and Sons Ltd. 1996 P. 174-180.

118. George P.L Automatic mesh generation. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 1991.

119. Yu Vassilevski and К Lipnikov, An adaptive algorithm for quasioptimal mesh generation, Computational Mathematics and Mathematical Physics, 39, № 9, p.1468-1486.

120. Zavattieri P D, Dari E A , Buscaglia G.C. Optimization strategies in unstructured mesh generation // Internat. J. Numer. Meth. In Engng. 1996. V.39.P. 2055-2071.

121. Puppo E, Scopigno R Simplification, LOD and multiresolutional principles and applications // EUROGRAPHICS'97. 1997. -Vol. 16, № 3.

122. Enrico Puppo, Larry Davis, Daniel DeMenthon, Y Ansel Teng Parallel terrain triangulation. Intl. J. of Geographical Information Systems, 8(2): 105128, 1994.

123. Michael Garland and Paul S Heckbert Fast polygonal approximation of terrains and height fields. Technical Report CMU-CS-95-181, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, September 1995.

124. Delingette H Simplex Meshes: a General Representation for 3D Shape Reconstruction. INRIA research report no. 2214. March 1994.

125. Скворцов А В. Триангуляция Делоне и ее применение // Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2002.

126. Мирза НС, Скворцов А.В., Чадное Р.В. Упрощение триангуляционных моделей поверхности. // Теоретическая и прикладная информатика: Сборник статей / Под ред

127. АФ Терпугова Томск: Изд-во Том ун-та, 2004 Вып 1 154 с.

128. В И. Селяков, В В Кадет. Перколяционные модели процессов переноса в микронеоднородных средах. М., Недра, 1995 г.

129. Тарасевич Ю.Ю Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие. М.: Едиториал УРСС, 2002. 112 с.

130. Медведев Н Н. Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некристаллических систем / РАН, Сиб. отд-ние, РФФИ, Институт химической кинетики и горения СО РАН. Новосибирск: НИИЦ ОИГГМ СО РАН, Издательство СО РАН, 2000,214 с.

131. G. Marsaglia, "Random numbers fall mainly on the planes", Proc. Nat. Acad. Sci. USA 61, 1 (1968), 25-28.

132. R. P. Brent, On the Periods of Generalized Fibonacci Recurrences, Technical Report TRCS -92-03, Computer Sciences Laboratory, ANU, March 1992.

133. Кнут Дональд Эрвин, искусство программирования, том.2. Получисленные алгоритмы, 3-е издание.: Пер с англ., : Уч пос М.: Издательский дом <Вильямс>, 2001. - 832 е., ил.

134. John Brillhart, D Н. Lehmer, J.L. Selfridge, Bryant Tuckerman, and SS.

135. Wagstaff, Jr. "Factorizations of bAn+l, b=2,3,5,6,7,10,l 1,12 up to High Powers", Third Edition, American Mathematical Society, 2002,236 pp.

136. Коновалов H.A., Крюков В А., Погребцов A A , Сазанов ЮЛ. C-DVM -язык разработки мобильных параллельных программ // Программирование. 1999. №1.

137. Н.А Коновалов, В А Крюков DVM-подход к разработке параллельных программ для вычислительных кластеров и сетей // "Открытые системы", 2002, №3

138. В А.Крюков, Р В.Удовиченко. "Отладка DVM-программ", Программирование 2001, № 3, стр. 19-29

139. G.Karypis, V.Kumar. Multilevel k-way partitioning scheme for irregular graphs, Journal of Parallel and Distributed Computing, 48 (1998), pp. 96-129.

140. Pilkington, J.R, and Baden, S.B Dynamic partitioning of non-uniform structured workloads with spacefilling curves. IEEE Trans, on Parallel and Distrib. Sys. 7(3), Mar. 1996.

141. R Diekmann, R Preis, F. Schlimbach, C. Walshaw. Aspectratio for mesh partitioning. In D. Pritchard and J. Reeve, editors Proc. EuroPar'98 pages 347351, LNCS 1470 SpringerVerlag, 1998.

142. А.Н.Андрианов Разработка методов и программных средств для параллельного программирования вычислительных задач на адаптивных сетках (Грант РФФИ № 05-07-90080-в)

143. К Devine, Е Вотап, R. Heaphy, В Hendricks on, and С. Vaughan Zoltan Data Management Services for Parallel Dynamic Applications. Computing in Science and Engineering, Vol. 4, No. 2, March/April 2002, pp. 90-97.

144. B.J1 Авербух Специализированные системы научной визуализации. Институт математики и механики УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия http://www.vniitf.ru/rig/konfer/8zst/s6/6-18.pdf

145. П.С.Крииов. Визуализация результатов моделирования задач газовой динамики на многопроцессорных вычислительных системах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук., Москва, ИМ РАН, 2005.

146. КеллиДж. J1 Общая топология. М.: Наука, 1968. - 384 с.

147. P. Cignoni, С Montani and R. Scopigno. "A comparison of mesh simplification algorithms". Computers and Graphics 22 (1998), pp.37-54.

148. P. Hinker and C. Hansen. Geometric optimization. In IEEE Visualization '93 Proc., pages 189-195, October 1993.

149. A.D. Kalvin and R H. Taylor. Superfaces: Poligonal mesh simplification with bounded error. IEEE C.G.&A., 16(3):64-77, 1996

150. William J. Schroeder, Jonathan A Zarge, and William E Lorensen. Decimation of triangle meshes. In Edwin E. Catmull, editor, ACM Computer Graphics (SIGGRAPH '92 Proceedings), volume 26, pages 65-70, July 1992.

151. R Ronfard and J. Rossignac. Full-range approximation of triangulated poly-hedra. Computer Graphics Forum (Eurographics'96 Proc.), 15(3):67-76, 1996.

152. ME Algorri and F. Schmitt. Mesh simplification. Computer Graphics Forum (Eurographics'96 Proc.), 15(3):78-86, 1996.

153. B. Hamann. A data reduction scheme for triangulated surfaces. Computer Aided Geometric Design, 11(2): 197-214, 1994.

154. A Ciampahni, P Cignoni, C. Montani, and R. Scopigno. Multiresolution decimation based on global error. The Visual Computer, 13(5):228-246, June 1997

155. Greg Turk. Re-tiling polygonal surfaces. In Edwin E. Catmull, editor, ACM

156. Computer Graphics (SIGGRAPH '92 Proceedings), volume 26, pages 55-64, July 1992

157. KL Low and T.S Tan. Model simplification using vertex clustering. In 1997 ACM Symposium on Interactive 3D Graphics, pages 75-82, 1997

158. J. Cohen, A. Varshney, D. Manocha, G. Turk, H Weber, P Agarwal, F Brooks, andW. Wright. Simplification envelopes. In Computer Graphics Proc., Annual Conf. Series (Siggraph '96), ACM Press, pages 119-128, Aug. 6-8 1996

159. M Reddy. Scrooge: Perceptually-driven polygon reduction. Computer Graphics Forum, 15(4): 191-203, 1996

160. C. Andujar, D Ayala, P. Brunei, R. Joan-Arinyo, and J. Sole'. Automatic generation of multiresolution boundary representations. Computer Graphics Forum (Eurographics'96 Proc.), 15(3):87-96, 1996

161. Соколинский JT.Б Обзор архитектур параллельных систем баз данных // Программирование. -2004. -No. 6. -С. 49-63.

162. Соколинский Л.Б Организация параллельного выполнения запросов в многопроцессорной машине баз данных с иерархической архитектурой // Программирование. -2001. -No. 6. -С. 13-29.

163. С. L. Bajaj and D.R. Schikore. Error bounded reduction of triangle meshes with multivariate data. SPIE, 2656:34-^5, 1996

164. K.Lipnikov, Yu.Vassilevski On control of adaptation in parallel mesh generation. // Engrg. Computers, V.20, pp. 193-201

165. KLipnikov, Yu.Vasilevski Generators of anisotropic adaptive grids. http,//math.lanl.gov/~lipnikov/Research/AniGrids/AniGrids.html

166. С.Н.Боровиков, И.Э.Иванов, И А.Крюков Построение тетраэдризации Делоне с ограничениями для тел с криволинейными границами. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2005, Т. 45, № 8, с. 1407-1423

167. С.Н.Боровиков Построение нерегулярных треугольных сеток на криволинейных гранях на основе триангуляции Делоне. // Математическое моделирование. 2005, Т. 17, № 8, с. 31-35

168. Л Ю. Бараш. Алгоритм AKS проверки чисел на простоту и поиск констант генераторов псевдослучайных чисел, Безопасность информационных технологий, 2 (2005) 27-38.

169. Lorenz CD Ziff R.M. Precise determination of the bond percolation thresholds and finite-size scaling corrections for the sc, fee, and bcc lattices.// Phys. Rev. E 57,230-236 (1998).

170. Kesten H. The critical probability of bond percolation on the square lattice equals 1/2/// Comm. Math. Phys. 74,41-59 (1980).

171. Gushin V. A., Matyushin P V. et al., 2003, Parallel Computing of 3D Separated Homogeneous and Stratified Fluid Flows around Bluff Bodies, Parallel Computational Fluid Dynamics, May 13-15, Abstracts, p. 100.