Основные подходы и достижения в изучении расового состава стеблевой ржавчины пшеницы

Стеблевая ржавчина пшеницы, вызываемая биотрофным грибом Puccinia graminis f. sp. tritici, – опасное заболевание, наносящее серьезный экономический ущерб в большинстве стран мира. В обзоре приведены сведения об эпидемиях стеблевой ржавчины пшеницы и причинах их возникновения в мире. В последние годы отмечаются эпидемии стеблевой ржавчины пшеницы в северных регионах Казахстана и на территориях, сопредельных Омской области России. Установлено, что сильные эпидемии стеблевой ржавчины в основном происходят в связи с появлением новых вирулентных рас возбудителя болезни и возделыванием восприимчивых сортов пшеницы. Рассматриваются методы определения расового состава гриба, в том числе старые и современные наборы сортов-дифференциаторов для определения расовой принадлежности P. graminis f. sp. tritici. Представлены результаты разработки молекулярных маркеров и оценки эффективности их использования в изучении рас стеблевой ржавчины. Описаны доминирующие расы стеблевой ржавчины пшеницы и их характерные особенности в основных зерносеющих странах мира. Приведены данные по идентификации расы Ug99 и ее вариантов, включая их распространение и вирулентность к сортам с ранее эффективными генами устойчивости Sr, и информация о существовании и появлении других высоковирулентных рас P. graminis f. sp. tritici, отличающихся от расы Ug99 по признаку вирулентности и молекулярным маркерам. Обобщены исторические и современные данные по изучению расового состава патогена в Казахстане. Отмечается, что проведение экспериментов с использованием старого стандартного набора сортов-дифференциаторов и неполного набора североамериканской системы номенклатуры рас не позволяет оценить степень сходства казахстанских рас с известными расами гриба в мире. В Казахстане необходимо продолжить изучение внутривидовой структуры популяции возбудителя болезни с использованием современного набора сортов-дифференциаторов, а также определение расового состава и путей возникновения новых рас, потенциально опасных для коммерческих сортов пшеницы.

1. Абиев С.А., Есенгулова Б.Ж. Роль промежуточных хозяев ржавчинных грибов злаков. Вестн. с.-х. науки Казахстана. 1995;8:36-47.

2. Барменков А.С. Выявление физиологических рас Puccinia graminis f. sp. tritici. Докл. ВАСХНИЛ. 1939;10:20-22.

3. Джиембаев Ж.Т., Бубенцов С.Т., Турапин В.П. Барбарис и его роль как промежуточника стеблевой ржавчины злаков. Вестн. с.-х. науки Казахстана. 1974;7:110-112.

4. Жаппарова Г.А., Рсалиев Ш.С. Криоконсервация и сохранение биологических свойств фитопатогенных грибов. Исследование, результаты. 2012;4:12-17.

5. Койшыбаев М. Болезни пшеницы. Анкара: ФАО, 2018. [Koishybaev M. Wheat Diseases. Ankara: FAO, 2018. (in Russian)]

6. Коновалова Н.Е., Семенова Л.П., Сорокина Г.К., Щекоткова Т.В., Суздальская М.В., Буканова В.К., Жемчужина А.И., Горбунова Ю.В., Рогожина Э.М., Соломатин Д.А., Королева Л.А., Щелко Л.Г. Методические рекомендации по изучению расового состава возбудителей ржавчины хлебных злаков. М.: ВАСХНИЛ, 1977.

7. Коновалова Н.Е., Суздальская М.В., Жемчужина А.И. Динамика расового состава возбудителей ржавчинных заболеваний хлебных злаков в СССР. Микология и фитопатология. 1970;4(2): 107-121.

8. Куликова Г.Н., Курбатова В.Ш. Выживаемость рас стеблевой ржавчины в смеси на различных сортах пшеницы. Вестн. с.-х. науки Казахстана. 1977а;6:40-42.

9. Куликова Г.Н., Курбатова В.Ш. Определение биотипов стеблевой ржавчины пшеницы из разных географических зон. Вестн. с.-х. науки Казахстана. 1977б;7:38-40.

10. Куликова Г.Н., Юрчикова Т.И. О расах стеблевой ржавчины пшеницы в 1965–1966 гг. Вестн. с.-х. науки Казахстана. 1971;3:118-123.

11. Лапочкина И.Ф., Баранова О.А., Шаманин В.П., Волкова Г.В., Гайнуллин Н.Р., Анисимова А.В., Галингер Д.Н., Лазарева Е.Н., Гладкова Е.В., Ваганова О.Ф. Создание исходного материала яровой мягкой пшеницы для селекции на устойчивость к стеблевой ржавчине (Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici), в том числе и к расе UG99, в России. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(3):320-328. DOI 10.18699/VJ16.167.

12. Мироненко Н.В. Современные достижения в изучении генетической структуры популяций фитопатогенных грибов. Успехи соврем. биологии. 2004;124(3):234-245.

13. Плахотник В.В. Стеблевая ржавчина на севере Казахстана и устойчивость к ней образцов коллекции яровой пшеницы. Труды V Всесоюз. совещ. по иммунитету растений. Киев, 1969;3:72-75.

14. Рсалиев А.С. Патотипы стеблевой ржавчины пшеницы в Казахстане. Защита и карантин растений. 2011;10:41.

15. Рсалиев Ш.С. Новые патотипы стеблевой ржавчины пшеницы в Казахстане и их вирулентность к зерновым культурам. Защита и карантин растений в Казахстане. 2008;1:7-12.

16. Рсалиев Ш.С., Койшыбаев М.К., Моргунов А.И., Колмер Дж. Анализ состава популяции стеблевой и листовой ржавчины пшеницы на территории Казахстана. Современные проблемы защиты и карантина растений: Сб. статей междунар. науч.-практ. конф. Алматы, 2005;267-272.

17. Рсалиев Ш.С., Савинков А.Ф. Коллекции фитопатогенных грибов и пути их использования в биотехнологических программах. Биотехнология. Теория и практика.1998;1-2:142.

18. Санин С.С., Кайдаш А.С., Чуприна В.П., Бабина Ф.А. Репродуктивная способность гриба P. graminis f. sp. tritici на сортах пшеницы с разной устойчивостью к стеблевой ржавчине. Микология и фитопатология. 1978;12(2):68-71.

19. A Global Wheat Rust Monitoring System. Available at http://rusttracker.cimmyt.org

20. Admassu B., Friedt W., Ordon F. Genetic characterization of Puccinia graminis f. sp. tritici populations from Ethiopia by SSRs. J. Phytopathol. 2010;158:806-812. DOI 10.1111/j.1439-0434.2010.01702.x.

21. Bhattacharya S. Deadly new wheat disease threatens Europe’s crops. Nature. 2017;542:145-146. DOI 10.1038/nature.2017.21424.

22. Boshoff W.H.P., Pretorius Z.A., Van Niekerk B.D., Komen J.S. First report of virulence in Puccinia graminis f. sp. tritici to wheat stem rust resistance genes Sr8b and Sr38 in South Africa. Plant Dis. 2002; 86:922. DOI 10.1094/PDIS.2002.86.8.922B.

23. Dean R., Van Kan J.A.L., Pretorius Z.A., Hammond-Kosack K., Di Pietro A., Spanu P., Rudd J.J., Dickman M., Kahmann R., Ellis J., Foster G.D. The top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Mol. Plant Pathol. 2012;13:414-430. DOI 10.1111/j.1364-3703.2011.00783.x.

24. Duplessis S., Cuomo C.A., Lin Y.-C., Aerts A., Tisserant E., VeneaultFourrey C., Joly D.L., Hacquard S., Amselem J., Cantarel B.L., Chiu R., Coutinho P.M., Feau N., Field M., Frey P., Gelhaye E., Goldberg J., Grabherr M.G., Kodira C.D., Kohler A., Kües U., Lindquist E.A., Lucas S.M., Mago R., Mauceli E., Morin E., Murat C., Pangilinan J.L., Park R., Pearson M., Quesneville H., Rouhier N., Sakthikumar S., Salamov A.A., Schmutz J., Selles B., Shapiro H., Tanguay P., Tuskan G.A., Henrissat B., van de Peer Y., Rouzé P., Ellis J.G., Dodds P.N., Schein J.E., Zhong S., Hamelin R.C., Grigoriev I.V., Szabo L.J., Martin F. Obligate biotrophy features unraveled by the genomic analysis of rust fungi. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108:9166-9171. DOI 10.1073/pnas.1019315108.

25. German S.E., Barcellos A., Chaves M., Kohli M., Campos P., de Viedma L. The situation of common wheat rusts in the Southern Cone of America and perspectives for control. Aust. J. Agric. Res. 2007;58: 620-630. DOI 10.1071/AR06149.

26. Glen H.F. Cultivated Plants of Southern Africa. Jacana, Johannesburg, 2002.

27. Green G.J. Identifcation of physiologic races of Puccinia graminis tritici in Canada. Can. J. Plant Pathol. 1981;3:33-39. DOI 10.1080/07060668109501400.

28. Jin Y. Races of Puccinia graminis identifed in the United States during 2005. Plant Dis. 2005;89(10):1125-1127. DOI 10.1094/PD-89-1125.

29. Jin Y. Role of Berberis spp. as alternate hosts in generating new races of Puccinia graminis and P. striiformis. Euphytica. 2011;179:105-108. DOI 10.1007/s10681-010-0328-3.

30. Jin Y., Singh R.P., Ward R.W., Wanyera R., Kinyua M., Njau P., Fetch T., Pretorius Z.A., Yahyaui A. Characterization of seedling infection types and adult plant infection responses of monogenic Sr gene lines to race TTKS of Puccinia graminis f. sp. tritici. Plant Dis. 2007;91:1096-1099. DOI 10.1094/PDIS-91-9-1096.

31. Jin Y., Szabo L.J., Pretorius Z.A., Singh R.P., Ward R., Fetch T., Jr. Detection of virulence to resistance gene Sr24 within race TTKS of Puccinia graminis f. sp. tritici. Plant Dis. 2008;92:923-926. DOI 10.1094/PDIS-92-6-0923.

32. Jin Y., Szabo L.J., Rouse M., Fetch T., Pretorius Z.A., Singh R.P., Wanyera R., Njau P. Detection of virulence to resistance gene Sr36 within race TTKS lineage of Puccinia graminis f. sp. tritici. Plant Dis. 2009;93:367-370. DOI 10.1094/PDIS-93-4-0367.

33. Keet J.-H., Cindi D.D., du Preez P.J. Assessing the invasiveness of Berberis aristata and B. julianae (Berberidaceae) in South Africa: Management options and legal recommendations. S. Afr. J. Bot. 2016; 105:288-298. DOI 10.1016/j.sajb.2016.04.012.

34. Knott D.R. Can losses from wheat stem rust be eliminated in North America. Crop Sci. 1971;11(1):97-99. DOI 10.2135/cropsci1971.0011183X001100010033x.

35. Knott D.R. Near-isogenic lines of wheat carrying genes for stem rust resistance. Crop Sci. 1990;30:901-905. DOI 10.2135/cropsci1990.0011183X003000040029x.

36. Kokhmetova A., Morgunov A., Rsaliev S., Rsaliev A., Yessenvekova G., Typina L. Wheat germplasm screening for stem rust resistance using conventional and molecular techniques. Czech J. Genet. Plant Breed. 2011;47:146-154. DOI 10.17221/3270-CJGPB.

37. Lewis C.M., Persoons A., Bebber D.P., Kigathi R.N., Maintz J., Findlay K., Bueno-Sancho V., Corredor-Moreno P., Harrington S.A., Kangara N., Berlin A., García R., Germán S.E., Hanzalová A., Hodson D.P., Hovmøller M.S., Huerta-Espino J., Imtiaz M., Mirza J.I., Justesen A.F., Niks R.E., Omrani A., Patpour M., Pretorius Z.A., Roohparvar R., Sela H., Singh R.P., Steffenson B., Visser B., Fenwick P.M., Thomas J., Wulff B.B., Saunders D.G.O. Potential for re-emergence of wheat stem rust in the United Kingdom. Communications Biology. 2018;1:13. DOI 10.1038/s42003-018-0013-y.

38. Loegering W.O., Harmon D.L., Clark W.A. Storage of urediospores of Puccinia graminis tritici in liquid nitrogen. Plant Dis. Rep. 1966; 50:502-506.

39. McDonald B.A. The population genetics of fungi: tools and techniques. Phytopathology. 1997;87:148-453. DOI 10.1094/PHYTO.1997.87.4.448.

40. Mert Z., Karakaya A., Dusunceli F., Akan K., Cetin L. Determination of Puccinia graminis f. sp. tritici races of wheat in Turkey. Turk. J. Agric. For. 2012;36:107-120. DOI 10.3906/tar-1010-1278.

41. Olivera P., Newcomb M., Szabo L.J., Rouse M., Johnson J., Gale S., Luster D.G., Hodson D., Cox J.A., Burgin L., Gilligan C.A., Patpour M., Justesen A.F., Hovmøller M.S., Woldeab G., Hailu E., Hundie B., Tadesse K., Pumphrey M., Singh R.P., Jin Y. Phenotypic and genotypic characterization of race TKTTF of Puccinia graminis f. sp. tritici that caused a wheat stem rust epidemic in southern Ethiopia in 2013–14. Phytopathology. 2015;105:917-928. DOI 10.1094/PHYTO-11-14-0302-FI.

42. Olivera Firpo P., Newcomb M., Flath K., Sommerfeldt-Impe N., Szabo L., Carter M., Luster D., Jin Y. Characterization of Puccinia graminis f. sp. tritici isolates derived from an unusual wheat stem rust outbreak in Germany in 2013. Plant Pathol. 2017;66:1258-1266. DOI 10.1111/ppa.12674.

43. Park R.L. Stem rust of wheat in Australia. Aust. J. Agric. Res. 2007; 58:558-566. DOI 10.1071/AR07117.

44. Patpour M., Hovmøller M.S., Shahin A.A., Newcomb M., Olivera P., Jin Y., Luster D., Hodson D., Nazari K., Azab M. First report of the Ug99 race group of wheat stem rust, Puccinia graminis f. sp. tritici, in Egypt in 2014. Plant Dis. 2016;100(4):863. DOI 10.1094/PDIS-08-15-0938-PDN.

45. Peturson B. Wheat rust epidemics in western Canada in 1953, 1954 and 1955. Can. J. Plant Sci. 1958;38(1):16-28. DOI 10.4141/cjps58-004.

46. Pretorius Z.A., Bender C.M., Visser B., Terefe T. First report of a Puccinia graminis f. sp. tritici race virulent to the Sr24 and Sr31 wheat stem rust resistance genes in South Africa. Plant Dis. 2010;94:784. DOI 10.1094/PDIS-94-6-0784C.

47. Pretorius Z.A., Pakendorf K.W., Marais G.F., Prins R., Komen J.S. Challenges for sustainable control of cereal rust diseases in South Africa. Aust. J. Agric. Res. 2007;58:593-601. DOI 10.1071/AR06144.

48. Pretorius Z.A., Singh R.P., Wagoire W.W., Payne T.S. Detection of virulence to wheat stem rust resistance gene Sr31 in Puccinia graminis f. sp. tritici in Uganda. Plant Dis. 2000;84:203. DOI 10.1094/PDIS.2000.84.2.203B.

49. Roelfs A.P. Race specifcity and methods of study. In: Bushnell W.R., Roelfs A.P. (Eds.). The Cereal Rusts. Vol. I. Origins, Specifcity, Structure, and Physiology. Orlando, Florida: Acad. Press Inc., 1984; 131-164.

50. Roelfs A.P., Long D.L., Roberts J.J. Races of Puccinia graminis in the United States during 1990. Plant Dis. 1993;77:125-128. DOI 10.1094/PD-77-0125.

51. Roelfs A.P., Martens J.W. An international system of nomenclature for Puccinia graminis f. sp. tritici. Phytopathology. 1988;78:526-533. DOI 10.1094/Phyto-78-526.

52. Roelfs A.P., Singh R.P., Saari E.E. Rust Diseases of Wheat: Concepts and Methods of Disease Management. CIMMYT, D.F., Mexico, 1992.

53. Rsaliyev Sh., Tileubaeva Zh., Agabaeva A., Rsaliyev A. Virulence of wheat leaf, stem and yellow rust pathotypes in Kazakhstan. Asian Australas. J. Plant Sci. Biotechnol. 2010;4(1):71-76.

54. Shamanin V., Salina E., Wanyera R., Zelenskiy Y., Olivera P., Morgounov A.I. Genetic diversity of spring wheat from Kazakhstan and Russia for resistance to stem rust Ug99. Euphytica. 2016;212(2): 287-296. DOI 10.1007/s10681-016-1769-0.

55. Singh R.P., Hodson D.P., Huerta-Espino J., Jin Y., Bhavani S., Njau P., Herrera-Foessel S.A., Singh P.K., Singh S., Govindan V. The emergence of Ug99 races of the stem rust fungus is a threat to world wheat production. Annu. Rev. Phytopathol. 2011;49:465-481. DOI 10.1146/annurev-phyto-072910-095423.

56. Singh R.P., Hodson D.P., Huerta-Espino J., Jin Y., Njau P., Wanyera R., Herrera-Foessel S.A., Ward R.W. Will stem rust destroy the world’s wheat crop? Adv. Agron. 2008;98:271-309. DOI 10.1016/S0065-2113(08)00205-8.

57. Singh R.P., Hodson D.P., Jin Y., Lagudah E.S., Ayliffe M.A., Bhavani S., Rouse M.N., Pretorius Z.A., Szabo L.J., Huerta-Espino J., Basnet B.R., Lan C., Hovmøller M.S. Emergence and spread of new races of wheat stem rust fungus: Continued threat to food security and prospects of genetic control. Phytopathology. 2015;10:872-884. DOI 10.1094/PHYTO-01-15-0030-FI.

58. Skolotneva E.S., Lekomtseva S.N., Kosman E. The wheat stem rust pathogen in the central region of the Russian Federation. Plant Pathol. 2013;62:1003-1010. DOI 10.1111/ppa.12019.

59. Stakman E.C., Piemeical F.J. Biological forms of Puccinia graminis on cereals and grasses. J. Agric. Res. 1917;10:429-495.

60. Stakman E.C., Stewart D.M., Loegering W.Q. Identifcation of Physiologic Races of Puccinia graminis var. tritici. USDA ARS Bull. 1962.

61. Szabo L.J. Development of a rapid molecular assay for the Ug99 race group of Puccinia graminis. (Abstr.) Phytopathology. 2012;102(4): 117.

62. Visser B., Herselman L., Pretorius Z.A. Genetic comparison of Ug99 with selected South African races of Puccinia graminis f. sp. tritici. Mol. Plant Pathol. 2009;10:213-222. DOI 10.1111/j.1364-3703.2008.00525.x.

63. Wanyera R., Kinyua M.G., Jin Y., Singh R.P. The spread of Puccinia graminis f. sp. tritici with virulence on Sr31 in Eastern Africa. Plant Dis. 2006;90:113. DOI 10.1094/PD-90-0113A.

64. Watson I.A., Luig N.H. The classifcation of Puccinia graminis var. tritici in relation to breeding resistant varieties. Proc. Lin. Soc. N.S.W. 1963;88:235-258.

65. Zeller F.J., Hsam S.L.K. Broadening the genetic variability of cultivated wheat by utilizing rye chromatin. In: Sakamoto S. (Ed.). Proc. 6th Int. Wheat Genet. Symp. Kyoto, Japan, 1983;161-173.

66. Zhong S., Leng Y., Friesen T.I., Faris J.D., Szabo L.J. Development and characterization of expressed sequence tag-derived microsatellite markers for the wheat stem rust fungus Puccinia graminis f. sp. tritici. Phytopathology. 2009;99:282-289. DOI 10.1094/PHYTO-99-3-0282.