Фитопатологический скрининг и идентификация генов Lr в сортах пшеницы и тритикале озимых российской селекции

Цель – фитопатологическая оценка перспективных сортов пшеницы и тритикале озимых к возбудителю бурой ржавчины и идентификация в них генов устойчивости.

Материалом для исследования являлись 15 сортов пшеницы и тритикале озимых отечественной селекции. Критериями устойчивости к бурой ржавчине служили: тип реакции (балл) и степень поражения (%), площадь под кривой развития болезни (ПКРБ, у.е.) и индекс устойчивости (ИУ). Для идентификации Lr-генов использовали фитопатологическое тестирование и молекулярные маркеры.

Сорт тритикале Арго был абсолютно устойчив (0). Высокоустойчивыми являлись сорта тритикале Азнавур и Аргус, а также сорта пшеницы: Богема, Вольный Дон, Жаворонок, Кавалерка, Караван, Секлетия. К умеренно устойчивым отнесли шесть сортов пшеницы: Акапелла, Арсенал, Былина Дона, Вольница, Каролина 5, Корона. Сорта с расоспецифическим типом устойчивости составили 73 % изученных. С использованием молекулярных маркеров идентифицировали ген возрастной устойчивости Lr34 в сорте тритикале Арго и сортах пшеницы: Акапелла, Арсенал, Вольница, Вольный Дон, Жаворонок, Каролина 5, Корона, Секлетия. Lr18 был найден в двух сортах тритикале (Азнавур и Арго). С помощью фитопатологического тестирования было выявлено большинство неэффективных генов, за исключением Lr36, который является эффективным и постулирован в сортах пшеницы Богема, Вольный Дон, Жаворонок, а ген Lr17 – умеренноэффективным и выявлен в сорте Вольница.

Полученные данные важно учитывать в региональных селекционных программах и применять для научно обоснованного размещения сортов в производственных посевах.

1. Prasad P., Savadi S., Bhardwaj S.C., Gupta P.K. The progress of leaf rust research in wheat // Fungal Biology. 2020. V. 124(6). P. 537–550. https://doi.org/10.1016/j.funbio.2020.02.013

2. Волкова Г.В., Кремнева О.Ю., Шумилов Ю.В., Синяк Е.В., Ваганова О.Ф., Сегеда Е.С., Дерова Т.Г. Характеристика сортов и линий озимой пшеницы селекции ВНИИЗК им. И.Г. Калиненко по устойчивости к комплексу возбудителей экономически значимых болезней // Зерновое хозяйство России. 2016. N 1. С. 27–32.

3. Аблова И.Б., Беспалова Л.А., Колесников Ф.А. Набоков Г.Д., Ковтуненко В.Я., Филобок В.А., Давоян Р.О., Худокормова Ж.Н., Мохова Л.М., Левченко Ю.Г., Тархов А.С. Принципы и методы селекции пшеницы на устойчивость к болезням в КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко // Зерновое хозяйство России. 2016. N 5. С. 32–36.

4. Афанасенко О.С. Генетическая защита растений: проблемы и перспективы // Защита и карантин растений. 2016. N 1. С. 13–16.

5. Гвоздева М.С., Волкова Г.В. Влияние различных систем защиты озимой пшеницы сорта Сварог на развитие грибных болезней // Юг России: экология, развитие. 2023. Т. 18. N 2(67). С. 140–151. DOI: 10.18470/1992-1098-2023-2-140-151

6. Манукян И.Р., Абиева Т.С., Догузова Н.Н. Скрининг сортов озимой мягкой пшеницы российской и зарубежной селекции на устойчивость к бурой ржавчине в условиях предгорной зоны Центрального Кавказа // Аграрный научный журнал. 2022. Т. 10. С. 55–61.

7. Bikas B., Philomin J., Keshav B., Umisha U. A Review on Major Rust Resistance Gene and Amino Acid Changes on Wheat (Triticum aestivum L) // Advances in Agriculture. 2022. V. 2022, Article ID: 7419326, 11 p. https://doi.org/10.1155/2022/7419326

8. Bouvet L., Percival-Alwyn L., Berry S., Fenwick P., Mantello C.C., Sharma R., Holdgate S., Mackay I.J., Cockram J. Wheat genetic loci conferring resistance to stripe rust in the face of genetically diverse races of the fungus Puccinia striiformis f. sp. tritici // Theoretical and Applied Genetics. 2022. V. 135. N 1. P. 301–319. https://doi.org/10.1007/s00122-021-03967-z

9. McIntosh R.A., Dubcovsky J., Rogers W.J., Xia X.C., Raupp W.J. Сatalogue of gene symbols for wheat: 2020 supplement // Annual Wheat Newsletter. 2020. V. 66. P. 109–128.

10. Vikas V.K., Pradhan A.K., Budhlakoti N., Mishra D.C., Chandra T., Bhardwaj S.C., Kumar S., Sivasamy M., Jayaprakash P., Nisha R., Shajitha P., Peter J., Geetha M., Mir R.R., Singh K., Kumar S. Multi-locus genome-wide association studies (ML-GWAS) reveal novel genomic regions associated with seedling and adult plant stage leaf rust resistance in bread wheat (Triticum aestivum L.) // Heredity. 2022. V. 128(6). P. 434–449. https://doi.org/10.1038/s41437-022-00525-1

11. Flor Н.Н. The complementary genetic system in flax and flax rusts // Advanced Genetics. 1956. V. 8. P. 29–54.

12. Колесова М.А., Зуева А.А., Тырышкин Л.Г. Ревизия теории флора–“ген-на-ген”–для феноменов взаимодействия проростков зерновых культур с возбудителями ржавчин // Доклады Российской академии наук. Науки о жизни. 2021. Т. 496. N 1. С. 19–23.

13. Kumar K., Jan I., Saripalli G., Sharma P.K., Mir R.R., Balyan H.S., Gupta P.K. An update on resistance genes and their use in the development of leaf rust resistant cultivars in wheat // Frontiers in Genetics. 2022. V. 13. Iss. 816057. https://doi.org/10.3389/fgene.2022.816057

14. Singh R.P. Resistance to leaf rust in 26 Mexican wheat cultivars // Crop Science. 1993. V. 33.3. Р. 633–637.

15. McVey D.V., Long D.L. Genes for leaf rust resistance in hard red winter wheat cultivars and parental lines // Crop Science. 1993. V. 33.6. Р. 1373–1381.

16. Гайнуллин Н.Р., Лапочкина И.Ф., Жемчужина А.И. Киселева М.И., Коломиец Т.М., Коваленко Е.Д. Использование фитопатологического и молекулярно-генетического методов для идентификации генов устойчивости к бурой ржавчине у образцов мягкой пшеницы с чужеродным генетическим материалом // Генетика. 2007. Т. 43. N 8. С. 1058–1064.

17. Анпилогова Л.К., Волкова Г.В., Ваганова О.Ф., Авдеева Ю.В. Идентификация генов ювенильной устойчивости к возбудителю бурой ржавчины у новых отечественных сортов озимой пшеницы // Вестник защиты растений. 2011. Т. 3. С. 38–40.

18. Гультяева Е.И., Сибикеев С.Н., Дружин А.Е., Шайдаюк Е.Л. Расширение генетического разнообразия сортов яровой мягкой пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине (Puccinia triticina Eriks.) в Нижнем Поволжье // Сельскохозяйственная биология. 2020. Т. 55(1). С. 27–44. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2020.1.27rus

19. Баранова О.А. Молекулярная идентификация генов устойчивости к стеблевой ржавчине у новых допущенных к использованию сортов пшеницы // Вестник защиты растений. 2020. Т. 103. N 2. С. 113–118. https://doi.org/10.31993/2308-6459-2020-103-2-4936

20. Сколотнева Е.С., Кельбин В.Н., Шаманин В.П., Бойко Н.И., Апарина В.А., Салина Е.А. Ген Sr38: значение для селекции мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021. Т. 25. N 7. С. 740–745. DOI: 10.18699/VJ21.084

21. Жогалева О.С., Вожжова Н.Н., Шумская О.В. Скрининг генов устойчивости к бурой ржавчине (Lr) у селекционных линий озимой мягкой пшеницы // Зерновое хозяйство России. 2022. Т. 14. N 6. С. 23–28. DOI: 10.31367/2079-8725-2022-83-6-23-28

22. Манукян И.Р., Догузова Н.Н. Селекция озимой мягкой пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине // Аграрный научный журнал. 2022. N 9. С. 38–42. https://doi.org/10.28983/asj.y2022i9pp38-42

23. Кохметова А.М., Атишова М.Н., Галымбек К. Идентификация гермоплазма пшеницы, устойчивой к бурой, желтой и стеблевой ржавчине с использованием молекулярных маркеров // Вестник Национальной академии наук Республики Казахстан. 2020. С. 45–52. https://doi.org/10.32014/2020.2518-1467.40

24. Wu H., Kang Z., Li X., Li Y., Li Y., Wang S., Liu D. Identification of wheat leaf rust resistance genes in Chinese wheat cultivars and the improved germplasms // Plant disease. 2020. V. 104(10). P. 2669–2680. https://doi.org/10.1094/PDIS-12-19-2619-RE

25. Yuan L.I.U., Gebrewahid T.W., Zhang P.P., Li Z.F., Liu D.Q. Identification of leaf rust resistance genes in common wheat varieties from China and foreign countries // Journal of Integrative Agriculture. 2021. V. 20(5). P. 1302–1313. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(20)63371-8

26. Kumar K., Jan I., Saripalli G., Sharma P.K., Mir R.R., Balyan H.S., Gupta P.K., An update on resistance genes and their use in the development of leaf rust resistant cultivars in wheat // Frontiers in Genetics. 2022. V. 13. P. 816057. https://doi.org/10.3389/fgene.2022.816057

27. El-Orabey W.M., Mabrouk O.I., Gad M.A., Esmail S.M. Inheritance and detection of leaf rust resistance genes in some Egyptian wheat cultivars // International Journal of Genetics and Genomics. 2020. V. 8(1). P. 1–10. DOI: 10.11648/j.ijgg.20200801.11 28. Omara R.I., Shahin A.A., Ahmed S.M., Mostafa Y.S., Alamri S.A., Hashem M., Elsharkawy M.M. Wheat Resistance to Stripe and Leaf Rusts Conferred by Introgression of Slow Rusting Resistance Genes // Journal of Fungi. 2021. V. 7. P. 622. https://doi.org/10.3390/jof7080622

28. Hanzalová A., Dumalasová V., Zelba O. Wheat leaf rust (Puccinia triticina Eriks.) virulence frequency and detection of resistance genes in wheat cultivars registered in the Czech Republic in 2016-2018 // Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2020. V. 56. N 3. P. 87–92. DOI: 10.17221/86/2019-CJGPB

29. Talebi R., Mahboubi M., Naji A.M., Mehrabi R. Physiological specialization of Puccinia triticina and genome-wide association mapping provide insights into the genetics of wheat leaf rust resistance in Iran // Scientific Reports. 2023. V. 13(1). p. 4398. https://doi.org/10.1038/s41598-023-31559-y

30. Kolmer J.A., Fajolu O. Virulence phenotypes of the wheat leaf rust pathogen, Puccinia triticina, in the United States from 2018 to 2020 // Plant Disease. 2022. V. 106. N 6. P. 1723–1729. https://doi.org/10.1094/PDIS-10-21-2321-RE

31. Дувеиллер Е., Сингх П.К., Меццалама М., Сингх Р.П., Дабабат А. Болезни и вредители пшеницы. Руководство для полевого определения (2-е издание). Анкара, 2018. 147 с.

32. Волкова Г.В., Кремнева О.Ю., Анпилогова Л.К., Шумилов Ю.В., Синяк Е.В. Методические указания по изучению устойчивости сортов пшеницы к комплексу патогенов. 2012. 43 с.

33. Макаров А.А., Коваленко Е.Д., Соломатин Д.А., Маторина Н.М. Методы полевой и лабораторной оценки неспецифической устойчивости растений к болезням // Типы устойчивости растений к болезням: Материалы научного семинара: РАСХН, ВИЗР, Инновационный центр защиты растений. 2003. С. 17–24.

34. Long D.L., Kolmer J.A. A North American system of nomenclature for Puccinia recondita f. sp. tritici // Phytopathology. 1989. V. 79. P. 525–529.

35. Волкова Г.В., Кудинова О.А., Гладкова Е.В., Ваганова О.Ф., Данилова А.В., Матвеева И.П. Вирулентность популяций возбудителей ржавчины зерновых колосовых культур. Краснодар : ИП Дедкова С.А., 2018. 38 с.

36. Mains E.B., Jackson H.C. Physiologic specialization in the leaf rust of wheat: Puccinia triticina Erikss. // Phytopathology. 1926. V. 16(1). P. 89–120.

37. Flor Н.Н. The complementary genetic system in flax and flax rusts // Advanced Genetics. 1956. V. 8. P. 29–54.

38. Поморцев А.А., Лялина Е.В., Животовский Л.А., Калабушкин Б.А., Пухальский В.А. Электрофорез запасных белков как метод сортового контроля у ярового ячменя // Селекция и семеноводство. 2004. N 3. С. 20–28.

39. Procunier J.D. Leaf rust resistance genes Lr29 and Lr25. MAS Wheat. URL: https://maswheat.ucdavis.edu/protocols/Lr29 (дата обращения 21.12.2024)

40. Soria M.A., Zhang W., Dubcovsky J. Rusts resistance gene Lr34-Yr18-Sr57, powdery mildew resistance gene Pm18. MAS Wheat. URL: https://maswheat.ucdavis.edu/protocols/Lr34 (дата обращения 21.12.2024)

41. Gupta S.K., Charpe A., Prabhu K.V., Haque Q.M.R. Identification and validation of molecular markers linked to the leaf rust resistance gene Lr19 in wheat // Theoretical and Applied Genetics. 2006. V. 113. P. 1027–1036.

42. Sadeghabad A.A., Dadkhodaie A., Heidari B., Razi H., Mostowfizadeh-Ghalamfarsa R. Microsatellite markers for the Triticum timopheevi-derived leaf rust resistance gene Lr18 on wheat 5BL chromosome // Breeding science. 2017. V. 67(2). P. 129–134.

43. Зеленева Ю.В., Плахотник В.В., Судникова В.П. Методические подходы к определению расонеспецифической устойчивости к возбудителю Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici Erikss. et Henn // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2017. N 2. С. 9–15.

44. Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л. Идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у новых российских сортов мягкой пшеницы // Биотехнология и селекция растений. 2021. Т. 4. N 2. С. 15–27. DOI: 10.30901/2658-6266-2021-2-o2

45. Skowrońska R., Kwiatek M., Tomkowiak A., Nawracała J. Development of multiplex PCR to detect slow rust resistance genes Lr34 and Lr46 in wheat // Journal of Applied Genetics. 2019. V. 60. P. 301–304. https://doi.org/10.1007/s13353-019-00520-z

46. Brar G.S., Feau N., Gill U.S., Hiebert C., Leboldus J., Park R.F. Surveillance, breeding, and cultural practices to prevent a rust storm on crops and trees // Canadian Journal of Plant Pathology. 2021. V. 43(2). P. S183–S187. https://doi.org/10.1080/07060661.2021.1996063

47. Плотникова Л.Я., Штубей Т.Ю. Эффективность генов возрастной устойчивости пшеницы к бурой ржавчине Lr22b, Lr34, Lr37 в Западной Сибири и цитофизиологическая основа их действия // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 16. N 1. С. 123–131.

48. Carpenter N.R., Griffey C.A., Malla S., Chao S., Brown-Guedira G.L. Mapping Lr18: A leaf rust resistance gene widely deployed in soft red winter wheat. Identification and Mapping of Resistance to Puccinia striiformis and Puccinia triticina in Soft Red Winter Wheat. 2017. 88 р.

49. Шишкин Н.В., Дерова Т.Г., Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л. Эффективность генов устойчивости пшеницы к бурой ржавчине в условиях Ростовской области // Зерновое хозяйство России. 2019. N 2. С. 69–73. DOI: 10.31367/2079-8725-2019-62-2-69-73

50. Volkova G.V., Kudinova O.A., Vaganova O.F., Agapova V.D. Effectiveness of Leaf Rust Resistance Genes in the Adult and Juvenile Stages in Southern Russia in 2011–2020 // Plants. 2022. V. 11. N 6. P. 793. DOI: 10.3390/plants11060793

51. Volkova G.V., Vaganova O.F., Kudinova O.A. Virulence of Puccinia triticina in the North Caucasus region of Russia // Spanish journal of agricultural research. 2020. V. 18. N 1. P. 1001. http://dx.doi.org/10.5424/sjar/2020181-14749

52. Gultyaeva E., Shaydayuk E., Gannibal P. Leaf rust resistance genes in wheat cultivars registered in Russia and their influence on adaptation processes in pathogen populations // Agriculture. 2021. V. 11. N 4. P. 319. https://doi.org/10.3390/agriculture11040319

53. Dakouri A., McCallum B.D., Radovanovic N., Cloutier S. Molecular and phenotypic characterization of seedling and adult plant leaf rust resistance in a world wheat collection // Molecular Breeding. 2013. V. 32. P. 663–677. https://doi.org/10.1007/s11032-013-9899-8

54. Рathan A.K., Park R.F. Evaluation of seedling and adult plant resistance to leaf rust in European wheat cultivars // Euphytica. 2006. V. 149. P. 327–342. https://doi.org/10.1007/s10681-005-9081-4