bioselБиотехнология и селекция растенийPlant Biotechnology and Breeding2658-62662658-6258VIR10.30901/2658-6266-2021-3-o3biosel-135Research ArticleМЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙMETHODS OF MOLECULAR GENETICS IN PLANT BREEDINGИдентификация носителей аллеля mlo11(cnv2) устойчивости к мучнистой росе среди ячменей коллекции ВИРIdentification of barley accessions from the VIR collection carrying the mlo11(cnv2) powdery mildew resistance allelehttps://orcid.org/0000-0002-5531-2728АбдуллаевР. А.AbdullaevR. A.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетики, старший научный сотрудник; к.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

abdullaev.1988@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5531-2728АлпатьеваН. В.AlpatievaN. V.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетики, старший научный сотрудник; к.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

alpatievanatalia@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2344-9233ЛебедеваТ. В.LebedevaT. V.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетики, старший научный сотрудник; к.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

tlebedeva47@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3990-6526КовалеваО. Н.KovalevaO. N.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетических ресурсов овса, ржи и ячменя; к.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

o.kovaleva@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3019-0306РадченкоЕ. Е.RadchenkoE. E.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетики, главный научный сотрудник, руководитель отдела генетики и лаборатории иммунитета; д.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

eugene_radchenko@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0474-8860АнисимоваИ. Н.AnisimovaI. N.

190000 Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;  Отдел генетики, ведущий научный сотрудник ; д.б.н.

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000, Russia

irina_anisimova@inbox.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation202114122021433744Copyright © Абдуллаев Р.А., Алпатьева Н.В., Лебедева Т.В., Ковалева О.Н., Радченко Е.Е., Анисимова И.Н., 20212021Абдуллаев Р.А., Алпатьева Н.В., Лебедева Т.В., Ковалева О.Н., Радченко Е.Е., Анисимова И.Н.Abdullaev R.A., Alpatieva N.V., Lebedeva T.V., Kovaleva O.N., Radchenko E.E., Anisimova I.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://biosel.elpub.ru/jour/article/view/135

Актуальность. Поиск генотипов ячменя Hordeum vulgare L., носителей эффективных генов устойчивости к возбудителю мучнистой росы Blumeria graminis f. sp. hordei , актуален для российской селекции. Аллель mlo11, обеспечивающий длительную защиту ячменя от патогена, редко встречается среди допущенных к выращиванию на территории России сортов. Информации о встречаемости среди российских сортов другого эффективного аллеля – mlo11(cnv2) – нет, поэтому поиск его источников актуален. Материал и методы. В полевых и лабораторных условиях, изучили устойчивость 7 образцов ячменя из Эфиопии и 7 – из Японии к северо-западной популяции возбудителя мучнистой росы. Для идентификации аллелей гена Mlo были определены нуклеотидные последовательности фрагментов MITE (миниатюрного инвертированного мобильного элемента Stowaway-типа) и прилегающего промоторного участка. Результаты. С помощью фитопатологических тестов в поле и условиях теплицы, а также молекулярных маркеров, были исследованы 14 образцов ячменя из Эфиопии и Японии, по предварительной оценке, устойчивых к мучнистой росе. У четырех образцов из Эфиопии к-20087, к-20523, к-20524 и к-28126 впервые идентифицировали высокоэффективный аллель устойчивости ячменя к мучнистой росе mlo11(cnv2). В полевых условиях взрослые растения оказались устойчивыми, а в теплице поражались мучнистой росой умеренно (1-2 балла). Симптомы болезни оказались схожими с описанными для образца Eth295 – носителя вариантного аллеля mlo11(cnv2): единичные пустулы и отсутствие некротических пятен на листьях. С помощью ПЦР у всех 14 образцов были амплифицированы фрагменты MITE и участка прилегающего к Mlo 5' промоторной последовательности. Фрагменты были клонированы и секвенированы и только у образцов к-20087, к-20523, к-20524 и к-28126 в нуклеотидных последовательностях были обнаружены маркерные SNP для аллеля mlo11(cnv2): замены цитозина на тимин в позициях 262 транспозона и 452 в промоторной области. Образцы относятся к различным разновидностям и отличаются друг от друга по ряду других морфологических признаков, то есть не являются дублетами. Заключение. Генотипы, отобранные в ходе исследования, могут служить источниками аллеля mlo11(cnv2) при создании устойчивых к мучнистой росе сортов ячменя.

Background. The search for barley (Hordeum vulgare L.) genotypes that carry effective genes for resistance to powdery mildew agent Blumeria graminis f. sp. hordei is a present-day issue for Russian plant breeding. The mlo11 allele that confers long-term protection of barley against the pathogen is rarely found among the varieties, approved for cultivation in the territory of Russia. There is no information on the occurrence among Russian varieties of another effective allele, mlo11 (cnv2), therefore, the search for its source is a current necessity. Materials and methods. Seven barley accessions from Ethiopia and 7 accessions from Japan have been tested for resistance to the northwestern population of the powdery mildew agent in the field and in laboratory conditions. To identify of the Mlo gene alleles, nucleotide sequences of the Stowaway-MITE (Miniature Inverted-repeat Transposable Elements) and the adjacent promoter fragments were determined. Results. Phytopathological tests in the field and greenhouse conditions, as well as molecular markers were used to study 14 barley accessions from Ethiopia and Japan. According to the preliminary tests, plants were resistant to powdery mildew. The highly effective allele of powdery mildew resistance mlo11 (cnv2) was for the first time identified in four barley accessions from Ethiopia, k-20087, k-20523, k-20524 and k-28126. Under field conditions, adult plants were resistant, and in the greenhouse they were moderately damaged by powdery mildew (1-2 points). The disease symptoms were similar to those described for the sample Eth295, a carrier of the mlo11(cnv2) allele variant: single pustules and the absence of necrotic spots on the leaves. The fragments of Stowaway-MITE and adjacent Mlo 5' promoter sequences were amplified in all 14 accessions. The amplicons were cloned and sequenced. The unique marker SNPs within the MITE and Mlo 5’ promoter sequences, i.e. the substitutions of cytosine by thymine in positions 262 and 452, were found only in k-20087, k-20523, k-20524 and k-28126. These accessions belong to different botanical varieties and differ from each other in a number of morphological features, i.e. they are not duplicates. Conclusions. The genotypes selected as a result of the study can serve as a source of the mlo11(cnv2) allele in breeding powdery mildew-resistant barley varieties.

ячменьBlumeria graminisустойчивостьмолекулярные маркерымутантный аллельbarleyBlumeria graminisresistancemolecular markersmutant allele.Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект № 21-76-00018, https://rscf.ru/project/21-76-00018/).The study was carried out with financial support from the Russian Science Foundation (Project #21-76-00018, https://rscf.ru/project/21-76-00018/).ReferencesAbdullaev R.A., Lebedeva T.V., Alpatyeva N.V., Yakovleva O.V., Kovaleva O.V, Radchenko E.E., Anisimova I.N., Batasheva B.A., Karabitsina Yu.I., Kuznetsova E.B. Genetic diversity of barley accessions from Ethiopia for powdery mildew resistance. Russian Agricultural Sciences. 2019;45(3):232-235. DOI: 10.3103/S1068367419030029Abdullaev R.A., Lebedeva T.V., Alpatyeva N.V., Yakovleva O.V., Kovaleva O.V, Radchenko E.E., Anisimova I.N., Batasheva B.A., Karabitsina Yu.I., Kuznetsova E.B. Genetic diversity of barley accessions from Ethiopia for powdery mildew resistance. Russian Agricultural Sciences. 2019;45(3):232-235. DOI: 10.3103/S1068367419030029Абдуллаев Р.А., Баташева Б.А., Алпатьева Н.В., Чумаков М.А., Радченко Е.Е., Ковалева О.Н., Яковлева О.В. Устойчивость допущенных к использованию в России сортов ячменя к вредным организмам и токсичным ионам алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020;181(3):120-127. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-120-127Abdullaev R.A., Batasheva B.A., Alpatieva N.V., Chumakov M.A., Radchenko E.E., Kovaleva O.N., Yakovleva O.V. Resistance of barley cultivars approved for use in Russia to harmful organisms and toxic aluminum ions. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2020;181(3):120-127. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-120-127Алпатьева Н.В., Антонова О.Ю., Радченко Е.Е., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Анисимова И.Н. ПЦР-диагностика вредных организмов гуара: (методические указания) / под ред. Е.К. Потокиной. Санкт-Петербург: ВИР; 2019. DOI: 10.30901/978-5-907145-44-3Alpatieva N.V., Antonova O.Yu., Radchenko E.E., Abdullaev R.A., Karabitsina Y.I., Anisimova I.N. PCR diagnostics for harmful organisms of guar: (guidelines). E.K. Potokina (ed.). St. Petersburg: VIR; 2019. [in Russian]. DOI: 10.30901/978-5-907145-44-3Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8Anisimova I.N., Alpatyeva N.V., Abdullaev R.A., Karabitsina Y.I., Kuznetsova E.B. Screening of plant genetic resources with the use of DNA markers: basic principles, DNA isolation, PCR setup, agarose gel electrophoresis: (guidelines). E. E. Radchenko (ed.). St. Petersburg: VIR; 2018. [in Russian]. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8Dawson I.K., Russell J., Powell W., Steffenson B., Thomas W.T.B., Waugh R. Barley: a translational model for adaptation to climate change. New Phytologist. 2015;206:913-931. DOI: 10.1111/nph.13266Dawson I.K., Russell J., Powell W., Steffenson B., Thomas W.T.B., Waugh R. Barley: a translational model for adaptation to climate change. New Phytologist. 2015;206:913-931. DOI: 10.1111/nph.13266Dreiseitl A. Genes for resistance to powdery mildew in European barley cultivars registered in the Czech Republic from 2011 to 2015. Plant Breeding. 2017;136(3):351-356. DOI: 10.1111/pbr.12471Dreiseitl A. Genes for resistance to powdery mildew in European barley cultivars registered in the Czech Republic from 2011 to 2015. Plant Breeding. 2017;136(3):351-356. DOI: 10.1111/pbr.12471Ge X., Deng W., Lee Z.Z., Lopez-Ruiz F.J., Schweizer P., Ellwood S.R. Tempered mlo broad-spectrum resistance to barley powdery mildew in an Ethiopian landrace. Scientific Reports. 2016;6(1):29558. DOI: 10.1038/srep29558Ge X., Deng W., Lee Z.Z., Lopez-Ruiz F.J., Schweizer P., Ellwood S.R. Tempered mlo broad-spectrum resistance to barley powdery mildew in an Ethiopian landrace. Scientific Reports. 2016;6(1):29558. DOI: 10.1038/srep29558Ge C., Moolhuijzen P., Hickey L., Wentzel E., Deng W., Dinglasan E.G., Ellwood S.R. Physiological changes in barley mlo-11 powdery mildew resistance conditioned by tandem repeat copy number. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(22):8769. DOI: 10.3390/ijms21228769Ge C., Moolhuijzen P., Hickey L., Wentzel E., Deng W., Dinglasan E.G., Ellwood S.R. Physiological changes in barley mlo-11 powdery mildew resistance conditioned by tandem repeat copy number. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(22):8769. DOI: 10.3390/ijms21228769Gong X., Li C., Zhang G., Yan G., Lance R., Sun D. Novel Genes from Wild Barley Hordeum spontaneum for Barley Improvement. In: G. Zhang, C. Li, X. Liu (eds). Advance in Barley Sciences. Springer: Dordrecht; 2013. p.69-89. DOI: 10.1007/978-94-007-4682-4_6Gong X., Li C., Zhang G., Yan G., Lance R., Sun D. Novel Genes from Wild Barley Hordeum spontaneum for Barley Improvement. In: G. Zhang, C. Li, X. Liu (eds). Advance in Barley Sciences. Springer: Dordrecht; 2013. p.69-89. DOI: 10.1007/978-94-007-4682-4_6Jørgensen J.H., Wolfe M. Genetics of powdery mildew resistance in barley. Critical Reviews in Plant Sciences. 1994;13(1):97-119. DOI: 10.1080/07352689409701910Jørgensen J.H., Wolfe M. Genetics of powdery mildew resistance in barley. Critical Reviews in Plant Sciences. 1994;13(1):97-119. DOI: 10.1080/07352689409701910Kusch S., Panstruga R. mlo-based resistance: An apparently universal "weapon" to defeat powdery mildew disease. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2017;30:179-189. DOI: 10.1094/MPMI-12-16-0255-CRKusch S., Panstruga R. mlo-based resistance: An apparently universal "weapon" to defeat powdery mildew disease. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2017;30:179-189. DOI: 10.1094/MPMI-12-16-0255-CRЛоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.Loskutov I.G., Kovaleva O.N., Blinova E.V. Methodological guidelines for studying and maintaining the global collection of barley and oat (Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i sokhraneniyu mirovoy kollektsii yachmenya i ovsa). St. Petersburg: VIR; 2012. [in Russian].Mains E.B., Dietz S.M. Physiologic forms of barley mildew Erysiphe graminis DC. Phytopathology. 1930;20(3):229-239.Mains E.B., Dietz S.M. Physiologic forms of barley mildew Erysiphe graminis DC. Phytopathology. 1930;20(3):229-239.Piffanelli P., Ramsay L., Waugh R., Benabdelmouna A., D’Hont A., Hollricher K., Jorgensen J.H., Schulze-Lefert P., Panstruga R. A barley cultivation-associated polymorphism conveys resistance to powdery mildew. Nature. 2004;430(7002):887-891. DOI: 10.1038/nature02781Piffanelli P., Ramsay L., Waugh R., Benabdelmouna A., D’Hont A., Hollricher K., Jorgensen J.H., Schulze-Lefert P., Panstruga R. A barley cultivation-associated polymorphism conveys resistance to powdery mildew. Nature. 2004;430(7002):887-891. DOI: 10.1038/nature02781Радченко Е.Е., Звейнек И.А., Тырышкин Л.Г., Коновалова Г.С., Семенова А.Г., Хохлова А.П. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 751. Устойчивость образцов из Юго-Восточной Азии к вредителям и болезням. Санкт-Петербург: ВИР; 2004.Radchenko E.E., Zvejnek I.A., Tyryshkin L.G., Konovalova G.S., Semenova A.G., Hohlova A.P. Catalogue of the VIR global collection. Issue 751. Pest and disease resistance of accessions from South-East Asia (Katalog mirovoy kollektsii VIR. Vypusk 751. Ustoychivost obraztsov iz Yugo-Vostochnoy Azii k vreditelyam i boleznyam). St. Petersburg: VIR; 2004. [in Russian].Reinstädler A., Müller J., Jerzy H., Czembor J.H., Piffanelli P., Panstruga R. Novel induced mlo mutant alleles in combination with site-directed mutagenesis reveal functionally important domains in the heptahelical barley Mlo protein. BMC Plant Biology. 2010;10(1):31. DOI: 10.1186/1471-2229-10-31Reinstädler A., Müller J., Jerzy H., Czembor J.H., Piffanelli P., Panstruga R. Novel induced mlo mutant alleles in combination with site-directed mutagenesis reveal functionally important domains in the heptahelical barley Mlo protein. BMC Plant Biology. 2010;10(1):31. DOI: 10.1186/1471-2229-10-31Seeholzer S. Isolation and characterization of new R-protein variants encoded at the barley Mla locus that specify resistance against the fungus powdery mildew. University of Zurich, Faculty of Science; 2009. DOI: 10.5167/uzh-31283Seeholzer S. Isolation and characterization of new R-protein variants encoded at the barley Mla locus that specify resistance against the fungus powdery mildew. University of Zurich, Faculty of Science; 2009. DOI: 10.5167/uzh-31283Сурин Н.А., Зобова Н.В., Ляхова Н.Е., Нешумаева Н.В, Плеханова Л.В., Чуслин А.А., Онуфриенок Т.В., Герасимов С.А., Липшин А.Г. Источники ценных признаков в селекции ячменя на адаптивность. Достижения науки и техники АПК. 2016;30(6):36-40.Surin N.A., Zobova N.V., Lyakhova N.E., Neshumaeva N.A., Plechanova L.W., Onuphrienok T.V., Chuslin A.A., Gerasimov S.A., Lipshin A.G. Sources of valuable features in breeding of barley for adaptability. Research and Technical Advances of Agribusiness Sector. 2016;30(6):36-40. [in Russian].Takahashi R. The origin and evolution of cultivated barley. Advances in Genetics. 1955;7(3):227-266. DOI: 10.1016/S0065-2660(08)60097-8Takahashi R. The origin and evolution of cultivated barley. Advances in Genetics. 1955;7(3):227-266. DOI: 10.1016/S0065-2660(08)60097-8Tratwal A., Bocianowski J. Blumeria graminis f. sp. hordei virulence frequency and the powdery mildew incidence on spring barley in the Wielkopolska province. Journal of Plant Protection Research. 2014;54(1):28-35. DOI: 10.2478/jppr-2014-0005Tratwal A., Bocianowski J. Blumeria graminis f. sp. hordei virulence frequency and the powdery mildew incidence on spring barley in the Wielkopolska province. Journal of Plant Protection Research. 2014;54(1):28-35. DOI: 10.2478/jppr-2014-0005Вавилов Н.И. Происхождение и география культурных растений / под ред. В.Ф. Дорофеева. Ленинград: Наука; 1987.Vavilov N.I. Origin and geography of cultivated plants (Proiskhozhdenie i geografiya kulturnyh rastenij). V.F. Dorofeev (ed.). Leningrad: Nauka; 1987. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.