Методические подходы к идентификации эффективных генов, определяющих устойчивость пшеницы к комплексу грибных заболеваний

Возбудители листостебельных инфекций мягкой пшеницы Triticum aestivum имеют экономическое значение для большинства регионов Российской Федерации. Среди них наиболее распространены различные виды ржавчин и мучнистая роса. Нами усовершенствован методический подход для постулирования эффективности генов, определяющих групповую устойчивость пшеницы к грибным заболеваниям; он объединяет традиционные методы фитопатологической оценки в поле и современные технологии генотипирования с помощью молекулярных ДНК-маркеров. Схема разработанной методики включает следующие этапы: 1) изучение генотипов пшеницы с использованием молекулярных маркеров; 2) оценка генотипов в полевых условиях; 3) сопоставление данных фитопатологической оценки и молекулярного маркирования для выявления образцов пшеницы с эффективной групповой устойчивостью к фитопатогенам. Приведены рекомендации по генотипированию сортообразцов и линий пшеницы с использованием маркеров к генам Lr16/Sr23, Lr24/Sr24, Lr19/Sr25, Lr26/Sr31/Yr9/Pm8, Lr37/Sr38/Yr17 и гена с плейотропным эффектом Lr34(=Sr57/Yr18/Pm38). Апробированы маркеры для российских сортообразцов и линий, несущих хромосому от Thinopyrum intermedium с группой генов Lr6Ai#2/ Sr6Ai#2/Pm6Ai#2 и новую транслокацию от Aegilops speltoides с группой генов, обозначенных нами LrAsp7/SrAsp7/PmAsp7. При оценке вклада генов (включая гены, расположенные в районах транслокаций) в формирование устойчивости мягкой пшеницы к грибным инфекциям необходимо использовать расширенную выборку генотипов, в том числе несущих одну и ту же группу генов в различном генетическом окружении. Дополнительно предложены сроки и периодичность учета развития грибных заболеваний в условиях Западной Сибири в зависимости от возбудителя. Предложенный в настоящей статье методический подход может быть использован для идентификации и оценки эффективности групп генов, обеспечивающих защиту пшеницы от листостебельных болезней. Данный подход применим при изучении генетических коллекций, состоящих из изогенных линий, источников и доноров генов устойчивости, а также при отборе генотипов пшеницы с использованием маркер-ориентированной селекции.

полевая оценка устойчивости, молекулярные маркеры, групповая устойчивость к грибным заболеваниям, Lr, Sr, Pm, Triticum aestivum

1. Belan I.A., Rosseeva L.P., Rosseev V.M., Badaeva E.D., Zelenskiy Y.I., Blokhina N.P., Shepelev S.S., Pershina L.A. Examination of adaptive and agronomic characters in lines of common wheat Omskaya 37 bearing translocations 1RS.1BL, and 7DL­7Ai. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2012;16(1):178­186. (in Russian)

2. 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. Mol. Breed. 2013;32(3): 663­677.

3. Davoyan E.R., Bespalova L.A., Davoyan R.O., Zubanova Yu.S., Mikov D.S., Filobok V.A., Khudokormova J.N. Use of molecular markers in wheat breeding for resistance to leaf rust at the Lukyanenko Research Institute of Agriculture. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2014; 18(4/1):732­738. (in Russian)

4. Geshele E.E. Osnovy fitopatologicheskoy otsenki v selektsii rasteniy [Fundamentals of Phytopathological Evaluation in Plant Breeding]. Moscow, 1978. (in Russian)

5. Gultyaeva E.I., Sadovaya A.S., Shaidayuk E.L. Molecular screening of new Russian common wheat cultivars for resistance to leaf rust. Vestnik zashchity rasteniy = Plant Protection News. 2014;1:26-29 (in Russian)

6. Gultyaeva E.I., Shaidayuk E.L., Kazartsev I.A., Aristova M.K. Structure of the Russian populations of Puccinia triticina Eriks. Vestnik zashchity rasteniy = Plant Protection News. 2015;3(85):5-10. (in Russian)

7. 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. Theor. Appl. Genet. 2006;113:1027-1036.

8. Helguera M., Khan I.A., Kolmer J., Lijavetzky D., Zhong-Qi L., Dub-covsky 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 Sci. 2003;43:1839-1847.

9. Kassa M.T., You F.M., Hiebert C.W., Pozniak C.J., Fobert P.R., Sharpe A.G., Menzies J.G., Humphreys D.G., Rezac H.R., Fellers J.P., McCallum B.D., McCartney C.A. Highly predictive SNP markers for efficient selection of the wheat leaf rust resistance gene Lr16. BMC Plant Biol. 2017;17(1):45.

10. Kovalenko E.D., Kolomiets T.M., Kiseleva M.I., Zhemchuzhina A.I., Smirnova L.A., Shcherbik A.A. Metody otsenki i otbora iskhod-nogo materiala pri sozdanii sortov pshenitsy ustoychivykh k buroy rzhavchine. Metodicheskie rekomendatsii VNIIF [Methods for evaluation and selection of the source material for development of wheat varieties with resistance to leaf rust. Methodical recommendations of the All-Russia Research Institute of Plant Pathology]. Moscow, 2012. (in Russian)

11. Koyshybaev M., Shamanin V.P., Morgunov A.I. Skrining pshenitsy na ustoychivost k osnovnym boleznyam: metodicheskie ukazaniya. [Screening of Wheat for Resistance to Major Diseases: Guidelines]. Ankara, 2014. (in Russian)

12. Krattinger S.G., Sucher J., Selter L.L., Chauhan H., Zhou B., Tang M., Upadhyaya N.M., Mieulet D., Guiderdoni E., Weidenbach D., Schaffrath U., Lagudah E.S., Keller B. The wheat durable, multipathogen resistance gene Lr34 confers partial blast resistance in rice. Plant Biotechnol. J. 2016;14:1261-1268.

13. Lagudah E.S., Krattinger S.G., Herrera-Foessel S., Singh R.P., Huerta-Espino J., Spielmeyer W., Brown-Guedira G., Selter L.L., Keller B. Gene-specific markers for the wheat gene Lr34/Yr18/Pm38 which confers resistance to multiple fungal pathogens. Theor. Appl. Genet. 2009;119(5):889-898.

14. Leonova I.N. Molecular markers: implementation in crop plant breeding for identification, introgression, and gene pyramiding. Vavilov-skii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013;17(2):314-325. (in Russian)

15. Long D.L., Kolmer J.A. A North American system nomenclature for Puccinia recondita f. sp. tritici. Phytopathology. 1989;79:525-529.

16. Mago R., Bariana H.S., Dundas I.S., Spielmeyer W., Lawrence G.J., Pryor A.J., Ellis J.G. Development or PCR markers for the selection of wheat stem rust resistance gene Sr24 and Sr26 in diverse wheat germplasm. Theor. Appl. Genet. 2005;111:496-504.

17. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat Rust: an Atlas of Resistance Genes. Australia. Melbourne: CSIRO Publishing, 1995.

18. Merezhko A.F. Popolnenie, sokhranenie v zhivom vide i izuchenie mirovoy kollektsii pshenitsy, egilopsa i tritikale (metodicheskie uka-zaniya). [Development, preservation in a living form, and study of the world collection of wheat, Aegilops, and triticale: methodical instructions]. Saint-Petersburg: VIR Publ., 1999 (in Russian)

19. Mesterhazy A., Bartos P., Goyeau H., Niks R., Csosz M. European virulence survey for leaf rust in wheat. Agronomie. 2000;20(7): 793-804.

20. Petrash N.V., Leonova I.N., Adonina I.G., Salina E.A. Effect of translocations from Aegilops speltoides Tausch. on resistance to fungal diseases and productivity in common wheat. Rus. J. Genet. 2016; 52(12):1253-1262.

21. Plaschke J., Ganal M.W., Roder M.S. Detection of genetic diversity in closely related bread wheat using microsatellite markers. Theor. Appl. Genet. 1995;91:1001-1007.

22. Prabhu K.V., Gupta S.K., Charpe A., Koul S. SCAR marker tagged to the alien leaf rust resistance gene Lr19 uniquely marking the Ag-ropyron elongatum-derived gene Lr24 in wheat: a revision. Plant Breeding. 2004;123:417-420.

23. Prins R., Groenewald J.Z., Marais G.F., Snape J.W., Kobner R.M.D. AFLP and STS tagging of Lr19, a gene conferring resistance to leaf rust in wheat. Theor. Appl. Genet. 2001;103:618-624.

24. Roelfs A.P., Martens J.W. An international system of nomenclature for Puccinia graminis f. sp. tritici. Phytopathology. 1988;78:526-531.

25. Roder M.S., Korzun V., Wendehake K., Plaschke J., Tixier M.H., Leroy P., Ganal M.W. A microsatellite map of wheat. Genetics. 1998; 149:2007-2023.

26. Sadovaya A.S., Gultyaeva E.I., Mitrofanova O.P., Shaidayuk E.L., Hakimova A.G., Zuev E.V. Leaf rust resistance in common wheat varieties and lines from the collection of the Vavilov Plant Industry Institute carrying alien genetic material. Vavilovskii Zhurnal Gene-tiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2014; 18(4/1):739-750. (in Russian)

27. Salina E.A. Genome modeling and editing technologies for meeting breeding challenges. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2016;30(9):9-14 (in Russian)

28. Salina E.A., Adonina I.G., Badaeva E.D., Kroupin P.Yu., Stasyuk A.I., Leonova I.N., Shishkina A.A., Divashuk M.G., Starikova E.V., Khuat Thi Mai L., Syukov V.V., Karlov G.I. A Thinopyrum intermedium chromosome in bread wheat cultivars as a source of genes conferring resistance to fungal diseases. Euphytica. 2015;204:91-101.

29. Salina E.A., Leonova I.N., Shcherban A.B., Stasyuk A.I. Spo-sob sozdaniya liniy ozimoy myagkoy pshenitsy s kompleksnoy ustoychivost'yu k buroy i steblevoy rzhavchine i muchnistoy rose [A method of the development of common wheat winter lines with complex resistance to leaf and stem rusts and to powdery mildew]. Patent RF no. 2598275, 2016. (in Russian)

30. Sanin S.S., Cherkashin V.I., Nazarova L.N. Fitosanitarnaya eksper-tiza zernovykh kultur (bolezni rasteniy): rekomendatsii. [Phytosanitary examination of cereals (plant diseases): recommendations]. Moscow, 2002. (in Russian)

31. Sanin S.S., Sokolova E.A., Cherkashin V.I., Nazarova V.I., Strizheko-zin Yu.A., Ibragimov T.Z. Bolezni zernovykh kolosovykh kultur (rekomendatsii po provedeniyu fitosanitarnogo monitoringa) [Diseases of cereal crops: recommendations for phytosanitary monitoring]. Moscow, 2010. (in Russian)

32. Shamanin V., Salina E., Wanyera R., Zelenskiy Y., Olivera P., Mor-gounov A. Genetic diversity of spring wheat from Kazakhstan and Russia for resistance to stem rust Ug99. Euphytica. 2016;212(2):287-296.

33. Sochalova L.P., Likhenko I.E. Study of the resistance of wheat to foliar pathogens in Western Siberia. Sibirskiy Vestnik Selskokho-zyaystvennoy Nauki = Siberian Herald of Agricultural Sciences. 2011;1:18-25 (in Russian)

34. Stakman E.C., Stewart D.M., Loegerin W.Q. Identification of physiologic races of Puccinia graminis var. tritici. U.S.D.A. Agric. Res. Serv. No. E 617 (Rev.), 1962.

35. Stepien L., Golka L., Chelkowski J. Leaf rust resistance genes of wheat: identification in cultivars and resistance sources. J. Appl. Genet. 2003;44(2):139-149.

36. 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;26: 482-486.