Идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у новых российских сортов мягкой пшеницы

Актуальность. Бурая ржавчина (возбудитель Puccinia triticina Erikss.) является серьёзным заболеванием пшеницы во всех регионах Российской Федерации. Генетическое разнообразие выращиваемых сортов по типам устойчивости и генам, ее контролирующим, обеспечивает надежную защиту пшеницы от данного патогена. Цель работы – характеристика разнообразия новых российских сортов озимой и яровой мягкой пшеницы по генам устойчивости к бурой ржавчине (Lr-генам).

Материалы и методы. Изучены 43 сорта озимой и 25 сортов яровой пшеницы, включенные в Государственный реестр селекционных достижений РФ в 2018-2020-х годах. С использованием молекулярных маркеров нами была проведена идентификация 18 Lr-генов: Lr1, Lr3, Lr9, Lr10, Lr19, Lr20, Lr21, Lr24, Lr25, Lr26, Lr28, Lr29, Lr34, Lr35, Lr37, Lr41 (39), Lr47, Lr66. Фитопатологический тест был использован для уточнения результатов молекулярного анализа.

Результаты. У 93% изученных сортов пшеницы выявлены Lr-гены, которые встречались по отдельности или в разных сочетаниях. Это были высоко и частично эффективные гены Lr24, Lr9 и Lr19; гены устойчивости взрослых растений Lr34 и Lr37; малоэффективные гены Lr1, Lr3, Lr10, Lr20 и Lr26. Впервые у сортов российской селекции идентифицирован ген Lr24. Яровой сорт ‘Лидер 80’ с Lr24 рекомендован для возделывания в Западно-Сибирском и Восточно-Сибирском регионах. У высокоустойчивого к бурой ржавчине ярового сорта ‘Силач’ определено эффективное сочетание генов Lr9+Lr26, по отдельности не обеспечивающих устойчивости к патогену. Ген Lr9 выявлен у озимого сорта ‘Герда’, рекомендуемого для возделывания в Северо-Кавказском регионе. Ранее сорта с геном Lr9 на Северном Кавказе не выращивали. Среди сортов пшеницы, проходящих районирование, отмечается увеличение числа образцов, резистентных к бурой ржавчине, защищенных эффективным геном устойчивости взрослых растений Lr37. Гены Lr19, Lr24, Lr26, Lr34, Lr37 сцеплены с эффективными Sr-генами Sr25, Sr24, Sr31, Sr57 и Sr38, что дополнительно обеспечивает новым сортам пшеницы стабильную генетическую защиту от стеблевой ржавчины.

Заключение. Полученные сведения представленности Lr-генов в сортах пшеницы следует учитывать в региональных селекционных программах. Своевременная смена генетически защищенных сортов позволяет стабилизировать популяционный состав фитопатогенов и снизить вероятность эпифитотий.

1. Агапова В.Д., Ваганова О.Ф., Волкова Г.В. Эффективность ювенильных генов устойчивости к возбудителю бурой ржавчины озимой пшеницы в фазу проростков в условиях юга России. Международный научно-исследовательский журнал. 2020;8(98):163-167 DOI: 10.23670/IRJ.2020.98.8.023

2. Atia M.A.M., El-Khateeb E.A., Abd El-Maksoud R.M., Abou-Zeid M.A., Salah A., Abdel-Hamid A.M.E. Mining of leaf rust resistance genes content in Egyptian bread wheat collection. Plants. 2021;10(7);1378. DOI: 10.3390/plants10071378

3. Brown-Guedira G., Sing S. Leaf Rust Resistance Gene Lr39. MasWheat. Marker Assisted Selection in Wheat. 2019. Available from: https://maswheat.ucdavis.edu/protocols/Lr39 [accessed on 10 May 2021].

4. Chelkowski J., Golka L., Stepien L. Application of STS markers for leaf rust resistance genes in near-isogenic lines of spring wheat cv. Thatcher. Journal of Applied Genetics. 2003;44:323-338.

5. Cherukuri D.P., Gupta S.K., Charpe A., Koul S., Prabhu K.V., Singh R.B., Haq Q.M.R. Molecular mapping of Aegilops speltoides derived leaf rust resistance gene Lr28 in wheat. Euphytica. 2005;143:19-26. DOI: 10.1007/s10681-005-1680-6

6. 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;32:663-677. DOI: 10.1007/s11032-013-9899-8

7. Дорохов Д.Б., Клоке Э. Быстрая и экономичная технология RAPD анализа растительных геномов. Генетика. 33(4):443-450.

8. Дьяков Ю.Т. Популяционная биология фитопатогенных грибов. Москва: Издательский дом «Муравей»; 1998.

9. Fritz A. Leaf Rust Resistance Gene Lr21. Marker Assisted Selection in Wheat (MasWheat). 2019. Available from: http://maswheat.ucdavis.edu/protocols/Lr21 [accessed on 10 May 2021].

10. Gregáňová Ž., Kraic J., Gálová Z. Diagnostic of wheat leaf rust resistance genes by DNA markers and their application in MAS. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2003;39:127-129. DOI: 10.17221/3730-CJGPB

11. Гультяева Е.И. Методы идентификации генов устойчивости пшеницы к бурой ржавчине с использованием ДНК-маркеров и характеристика эффективности Lr-генов. Санкт-Петербург; 2012.

12. Гультяева Е.И., Баранова О.А., Дмитриев А.П. Вирулентность и структура популяций Puccinia triticina в Российской Федерации в 2007 году. Вестник защиты растений. 2009;4:33-38.

13. Гультяева Е.И., Садовая А.С. Селекция на устойчивость к бурой ржавчине в России. Защита и карантин растений. 2014;10:24-26.

14. Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L., Gannibal Ph.B. Leaf rust resistance genes in wheat cultivars registered in Russia and their influence on adaptation processes in pathogen populations. Agriculture. 2021;11(4):319. DOI: 10.3390/agriculture11040319

15. Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L., Kosman E.G. Regional and temporal differentiation of virulence phenotypes of Puccinia triticina from common wheat in Russia during the period 2001-2018. Plant Pathology. 2020;69(5):860-871. DOI: 10.1111/ppa.13174

16. Gupta S.K., Charpe A., Koul S., Prabhu K.V., Haq Q.M.R. Affiliations expand development and validation of molecular markers linked to an Aegilops umbellulata-derived leaf-rust-resistance gene, Lr9, for marker-assisted selection in bread wheat. Genome. 2005;48(5):823-830. DOI: 10.1139/g05-051

17. Gupta S.K., Charpe A., Prabhu K.W., Haque O.M.R. Identification and validation of molecular markers linked to the leaf rust resistance gene Lr19 in wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2006;113(6):1027-1036. DOI: 10.1007/s00122-006-0362-7

18. Halpin C. Gene stacking in transgenic plants – the challenge for 21st century plant biotechnology. Plant Biotechnology Journal. 2005;3:141-155. doi: 10.1111/j.1467-7652.2004.00113.x

19. Helguera M., Khan I.A., Dubcovsky J. Development of PCR markers for wheat leaf rust resistance gene Lr47. Theoretical and Applied Genetics. 2000;101: 625-631. DOI: 10.1007/s001220051524

20. Helguera M., Khan I.A., Kolmer J., Lijavetzky D., Zhong-qi L., Dubcovsky J. PCR assays for the Lr37–Yr17–Sr38 cluster of rust resistance genes and their use to develop isogenic hard red spring wheat lines. Crop Science. 2003;43(5):1839-1847. DOI: 10.2135/cropsci2003.1839

21. Herrera-Foessel S., Singh R.P., Huerta-Espino J., William M., Rosewarne G., Djurle A., Yuen J. Identification and mapping of Lr3 and a linked leaf rust resistance gene in durum wheat. Crop Science. 2007;47(4):1459-1466. DOI: 10.2135/cropsci2006.10.0663

22. Lagudah E.S., McFadden H., Singh R.P., Huerta-Espino J. Bariana H.S., Spielmeyer W. Molecular genetic characterization of the Lr34/Yr18 slow rusting resistance gene region in wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2006;114:21-30. DOI: 10.1007/s00122-006-0406-z

23. Mago R., Bariana H.S., Dundas I.S. Development or PCR markers for the selection of wheat stem rust resistance genes Sr24 and Sr26 in diverse wheat germplasm. Theoretical and Applied Genetics. 2005;111(3):496-504. DOI: 10.1007/s00122-005-2039-z

24. Mago R., Zhang P., Bariana H.S., Verlin U.K., Ellis J.G., Dundas I.S. Development of wheat lines carrying stem rust resistance gene Sr39 with reduced Aegilops speltoides chromatin and simple PCR markers for marker-assisted selection. Theoretical and Applied Genetics. 2009;119(8):1441-50. DOI: 10.1007/s00122-009-1146-7.

25. Marais G.F., Bekker T.A., Eksteen A., McCallum B., Fetch T., Marais A.S. Attempts to remove gametocidal genes co-transferred to common wheat with rust resistance from Aegilops speltoides. Euphytica 2010;171(1):71-85. DOI: 10.1007/s10681-009-9996-2

26. McCallum B.D., Hiebert C.W., Cloutier S., Bakkeren G., Rosa S.B., Humphreys D.G., Marais J.F., McCartney C.A., Panwar V., Rampitsch C., Saville B.J., Wang X. A review of wheat leaf rust research and the development of resistant cultivars in Canada. Canadian Journal of Plant Pathology. 2016;38(1):1-18. DOI: 10.1080/07060661.2016.1145598

27. 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;66:109-128. Available from: https://wheat.pw.usda.gov/ggpages/awn/66/AWNVOL66.pdf [accessed on 11 May 2021].

28. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat rusts: An atlas of resistance genes. Australia: CSIRO; 1995. DOI: 10.1071/9780643101463

29. Мешкова Л.В., Россеева Л.П., Коренюк Е.А., Белан И.А. Динамика распространения патотипа возбудителя бурой ржавчины, вирулентного к сортам пшеницы с геном Lr9 в Омской области. Микология и фитопатология. 2012;46:397-400.

30. Morgounov A., Ablova L., Babayants O., Babayants L., Bespalova L., Khudokormova Zh., Litvinenko N., Shamanin V., Syukov V. Genetic protection of wheat rusts and development of resistant varieties in Russia and Ukraine. Euphytica. 2011;179(2):297-311. DOI: 10.1007/s10681-010-0326-5

31. Neu C., Stein N., Keller B. Genetic mapping of the Lr20-Pm1 resistance locus reveals suppressed recombination on chromosome arm 7AL in hexaploid wheat. Genome. 2002;45(4):737-744. DOI: 10.1139/g02-040

32. Pestsova E., Ganal M.W., Röder M.S. Isolation and mapping of microsatellite markers specific for the D genome of bread wheat. Genome. 2000;43(4):689-697. DOI: 10.1139/g00-042

33. 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. 2012;16(1):123-131. DOI: 10.1134/S2079059713010115.

34. Procunier J.D., Townley-Smith T.F., Fox S., Prashar S., Gray M., Kim W.K., Czarnecki E., Dyck P.L. PCR-based RAPD/DGGE markers linked to leaf rust resistance genes Lr29 and Lr25 in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Genetics and Breeding. 1995;49:87-92.

35. Qiu J.W., Schürch A.C., Yahiaoui N., Dong L.L., Fan H.J., Zhang Z.J., Keller B., Ling H.Q. Physical mapping and identification of a candidate for the leaf rust resistance gene Lr1 of wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2007;115:159-168. DOI: 10.1007/s00122-007-0551-z

36. Санин С.С. Эпифитотии болезней зерновых культур: теория и практика: избранные труды. Москва, 2012.

37. Schachermayr G., Feuillet C., Keller B. Molecular markers for the detection of the wheat leaf rust resistance gene Lr10 in diverse genetic backgrounds. Molecular Breeding. 1997;3:65-74.

38. Serfling A., Krämer I., Lind V., Schliephake E., Ordon F. Diagnostic value of molecular markers for Lr genes and characterization of leaf rust resistance of German winter wheat cultivars with regard to the stability of vertical resistance. European Journal of Plant Pathology. 2011;130:559-575. DOI: 10.1007/s10658-011-9778-2

39. Servin B., Martin O.C.; Mézard M., Hospital F. Toward a theory of marker-assisted gene pyramiding. Genetics. 2004:68(1):513-523. doi: 10.1534/genetics.103.023358.

40. Seyfarth R., Feuillt C., Shachermayr G., Messmer M., Winzeler M., Keller B. Molecular mapping of the adult plant leaf rust resistance gene Lr13 in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Genetics and Breeding. 2000;54(3):193-198.

41. Сибикеев С.Н., Бадаева Е.Д., Гультяева Е.И., Дружин А.Е., Шишкина А.А., Драгович А.Ю., Крупин П.Ю., Карлов Г.И., Кхуат Т.М., Дивашук М.Г. Cравнительный анализ 6Аgi и 6Аgi2 хромосом Аgropyron intermedium (Host) Beauv у сортов и линий мягкой пшеницы с пшенично-пырейными замещениями. Генетика. 2017;53(3):98-309. DOI: 10.7868/S0016675817030110

42. Сибикеев С.Н., Крупнов В.А. Эволюция листовой ржавчины и защита от нее пшеницы в Поволжье. Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Вавилова. 2007;(Спецвыпуск):92-94.

43. Сибикеев С.Н., Маркелова Т.С., Дружин А.Е., Веденеева М.Л., Сингх Д. Оценка набора интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы селекции НИИСХ Юго-Востока на устойчивость к расе стеблевой ржавчине Ug99+Sr24 (TTKST). Доклады РАСХН. 2011;(2):3-5.

44. Singh S.K., Sahoo J.P., Swain E. A review on gene stacking in crop plant. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry. 2018;7(4):1862-1865.

45. Singh R.P., Trethowan R. Breeding spring bread wheat for irrigated and rainfed production systems of developing world. In: Kang M., Priyadarshan P.M. (eds). Breeding major food staples. Ames (Iowa): Blackwell; 2007. p.109-140.

46. Сочалова Л.П., Лихенко И.Е. Оценка устойчивости к бурой ржавчине изогенных по генам Lr-линий и сортов пшеницы в условиях новосибирской области. Достижения науки и техники АПК. 2016;30(3):46-50.

47. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т.1. «Сорта растений» (официальное издание). Москва: ФГБНУ «Росинформагротех»; 2021. URL : https://gossortrf.ru/gosreestr/ [дата обращения: 10.05.2021]

48. Taverniers I., Papazova N., Bertheau Y., De Loose M., Holst-Jensen A. Gene stacking in transgenic plants: towards compliance between definitions, terminology, and detection within the EU regulatory framework. Environmental Biosafety Research. EDP Sciences. 2008;7(4):197-218. DOI: 10.1051/ebr:2008018

49. Tomkowiak A., Skowrońska R., Buda A., Kurasiak-Popowska D., Nawracała J., Kowalczewski L., Pluta M., Radzikowska D. Identification of leaf rust resistance genes in selected wheat cultivars and development of multiplex PCR. Open Life Sciences. 2019;14(1):327-334. DOI: 10.1515/biol-2019-0036

50. Тырышкин Л.Г., Курбанова П.М. Возможность использования молекулярных маркеров F1.2245, GWM630, XGWM130 и XBARC352 для идентификации генов устойчивости мягкой пшеницы к листовой ржавчине. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2009;15:34-38.

51. Vida G., Gál M., Uhrin A., Veisz O., Hasan Syed N., Flavell A.J., Wang Z., Bedò Z. Molecular markers for the identification of resistance genes and marker-assisted selection in breeding wheat for leaf rust resistance. Euphytica. 2009;170(1-2):67-76. DOI: 10.1007/s10681-009-9945-0

52. Weng Y., Azhaguvel P., Devkota R.N., Rudd J.C. PCR based markers for detection of different sources of 1AL.1RS and 1BL.1RS wheat-rye translocations in wheat background. Plant Breeding. 2007;126(5):482-486. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2007.01331.x

53. Zhemchuzhina A., Kurkova N. Structure of population of Puccinia triticina in various regions of Russia in 2006-2008. 8th International Wheat Conference: Abstracts of oral and poster presentations; 2010 June 01-04; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: VIR; 2010. p.279.