Молекулярная идентификация генов устойчивости к стеблевой ржавчине в интрогрессивных линиях яровой мягкой пшеницы

Проанализированы 57 интрогрессивных линий и 11 сортов яровой мягкой пшеницы селекции НИИ сельского хозяйства Юго-Востока, возделываемых на территории Поволжья. Линии получены с участием синтетиков селекции CIMMYT, сортов твердой пшеницы, прямого скрещивания с Agropyron elongatum (CI-7-57) и имеют интрогрессии от родственных видов мягкой пшеницы, а именно транслокации от Ag. elongatum (7DS-7DL7Ae#1L), Aegilops speltoides (2D-2S), Ae. ventricosum (2AL-2AS-2MV#1), ржи культурной (1BL-1R#1S), замещения от Ag. intermedium 6Agi (6D) и тритикале Satu. Сорта и линии были оценены на устойчивость к саратовской, лысогорской, дербентской и омской популяциям возбудителя стеблевой ржавчины, а также проанализированы на наличие идентифицированных Sr генов устойчивости с использованием известных молекулярных маркеров. Анализ устойчивости сортов и линий к саратовской популяции патогена в полевых условиях, а также к омской, дербентской и лысогорской популяциям Puccinia graminis f. sp. tritici на стадии проростков показал потерю эффективности генов Sr25 и Sr6Agi . Ген Sr31 пока сохраняет свою эффективность. Ко всем взятым в анализ популяциям патогена была устойчива 31 линия пшеницы из 57 (54.4 % образцов). У  исследуемых интрогрессивных линий идентифицированы гены Sr31/Lr26, Sr25/Lr19, Sr28, Sr57/Lr34 и Sr38/Lr37. Ген Sr31/Lr26 определен у 19 линий (33.3 % образцов). Все линии, несущие транслокацию 1RS.1BL (Sr31/Lr26), были устойчивы ко всем взятым в анализ популяциям патогена. Ген Sr25/Lr19 идентифицирован у 49 линий (86 % образцов). Сочетание генов Sr31/Lr26+Sr25/Lr19 идентифицировано у 15 линий (26.3 %). У одной линии идентифицировано сочетание генов Sr38/Lr37+Sr25/Lr19, у другой линии – сочетание генов Sr57/Lr34+ +Sr25/Lr19, и еще у одной – Sr31/Lr26+Sr25/Lr19+Sr28. Все они были устойчивы ко всем взятым в анализ популяциям патогена. Гены Sr2, Sr24, Sr26, Sr32, Sr36, Sr39 у анализируемых линий обнаружены не были.

1. Ali N., Heslop-Harrison J.S., Ahmad H., Graybosch R.A., Hein G.L., Schwarzacher T. Introgression of chromosome segments from multiple alien species in wheat breeding lines with wheat streak mosaic virus resistance. Heredity (Edinb). 2016;117:114-123. DOI 10.1038/ hdy.2016.36.

2. Badaeva E.D., Ruban A.S., Shishkina A.A., Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Surzhikov S.A., Dragovich A.Yu. Genetic classification of Aegilops columnaris Zhuk. (2n = 4x = 28, Uc Uc Xc Xc ) chromosomes based on FISH analysis and substitution patterns in common wheat Ae. columnaris introgression lines. Genome. 2018;61(2):131-143.

3. Baranova O.A., Lapochkina I.F., Anisimova A.V., Gajnullin N.R., Iordanskaya I.V., Makarova I.Yu. Identification of Sr genes in new common wheat sources of resistance to stem rust race Ug99 using molecular markers. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2016;6(3):344-350. DOI 10.1134/S2079059716030011.

4. Bhattacharya S. Deadly new wheat disease threatens Europe’s crops. Nature. 2017;542:145-146. Hailu E., Woldaeb G., Denbel W., Wubishet Alemu, Tekelay Abebe, Agengehu Mekonnen. Distribution of stem rust (Puccinia graminis f. sp. tritici) races in Ethiopia. Plant. 2015;3(2):15-19. DOI 10.11648/j.plant.20150302.11.

5. Jin Y., Singh R.P., Ward R.W., Wanyera R., Kinyua M., Njau P., Fetch T., Pretorius Z.A., Yahyaoui 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.

6. Koyshybayev M. Features of the development of rust and Septoria leaf spot on spring wheat in Northern Kazakhstan. Zashchita i Karantin Rasteniy = Plant Protection and Quarantine. 2017;11:21-24 (in Russian)

7. Lapochkina I.F., Baranova O.A., Shamanin V.P., Volkova G.V., Gainullin N.R., Lazareva E.N., Gladkova E.V., Anisimova A.V., Galinger D.N., Vaganova O.F. The development of the initial material of spring common wheat for selective breeding for resistance to stem rust (Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici), including the Ug99 race in Russia. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2017;7(3):308-317. DOI 10.1134/S207905971703008X.

8. Leonova I.N. Molecular markers: implementation in crop plant breeding for identification, introgression, and gene pyramiding. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2013;3(6):464-473. DOI 10.1134/ S2079059713060051.

9. Leonova I.N., Budashkina E.B. The study of agronomical traits determining the productivity of the Triticum aestivum/Triticum timopheevii introgression lines with resistance to fungal diseases. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2017;7(3):299-307. DOI 10.1134/ S2079059717030091.

10. Lewis C.M., Persoons A., Bebber D.P., Kigathi R.N., Maintz J., Findlay K., Corredor-Moreno P., Harrington S.A., Kangara N., Berlin A., Garcia R., German S.E., Hanzalova A., Hodson D., Hovmoller M.S., Huerta-Espino J., Imtiaz M., Iqbal Mirza J., Justesen A.F., Niks R.E., Omarani 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.

11. Markelova T.S. Phytosanitary situation in the agrocenosis of grain crops in the Volga Region. Zashchita i Karantin Rasteniy = Plant Protection and Quarantine. 2015;5:22-23 (in Russian)

12. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. (Eds.). Wheat Rusts. An Atlas of Resistance Genes. CSIRO Australia, 1995. McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers J., Morris C., Somers D.J., Appels R., Devos K.M. Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 2013. http://www.shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/ symbolClassList.jsp

13. Miedaner T., Korzun V. Marker-assisted selection for disease resistance in wheat and barley breeding. Phytopathology. 2012;102:560-566. DOI 10.1094/PHYTO-05-11-0157.

14. Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Res. 1980;8(19):4321-4326. DOI 10.1093/nar/8.19.4321.

15. Olivera 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.

16. Pretorius Z.A., Singh R.P., Wagoire W.W., Payne T.S. Detection of virulence to wheat stem rust resistance genes Sr31 in Puccinia graminis f. sp. tritici in Uganda. Plant Dis. 2000;84(2):203. DOI 10.1094/PDIS.2000.84.2.203B.

17. Rakszegi M., Molnár I., Lovegrove A., Darko E., Farkas A., Lang L., Bedo Z., Dolezel J., Molnar-Lang M., Shewry P. Addition of Aegilops U and M chromosomes affects protein and dietary fiber content of wholemeal wheat flour. Front. Plant Sci. 2017;8:1529. DOI 10.3389/fpls.2017.01529.

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

19. Salina E.A., Adonina I.G., Badaeva E.D., Kroupin P.Y., Stasyuk A.I., Leonova I.N., Shishkina A.A., Divashuk M.G., Starikova E.V., Khuat T.M.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. DOI 10.1007/s10681-O14-1344-5.

20. Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Golubeva T.D., Kalintseva T.V. The evaluation of spring bread wheat cultivars, NILs and promise lines to stem rust. Annual Wheat Newsletter. KSU, USA. 2008;54:113.

21. Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Golubeva T.D., Kalintseva T.V. The evaluation of spring bread wheat cultivars, NILs and promise lines to leaf, stem and stripe rusts in 2008 year. Annual Wheat Newsletter. KSU, USA. 2009;55:174.

22. Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Badaeva E.D., Shishkina A.A., Dragovich A.Y., Gultyaeva E.I., Kroupin P.Y., Karlov G.I., Khuat T.M., Divashuk M.G. Comparative analysis of Agropyron intermedium (Host) Beauv 6Agi and 6Agi2 chromosomes in bread wheat cultivars and lines with wheat–wheatgrass substitutions. Russ. J. Genet. 2017a;53(3):314-324. DOI 10.1134/S1022795417030115.

23. Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Vlasovec L.T., Golubeva T.D., Kalintseva T.V. The reaction of introgression lines of soft spring wheat to leaf rust, stem rust and tan spot in 2016. Annual Wheat Newsletter. KSU, USA. 2017b;63:57-58.

24. Singh D., Park R.F., McIntosh R.A., Bariana H.S. Characteristic of stem rust and stripe rust seedling resistance genes in selected wheat cultivars from the United Kingdom. J. Plant Pathol. 2008;90(3): 553-562.

25. Sochalova L.P. Sources of wheat resistance genes to leaf and stem pathogens on the territory of the Novosibirsk Region. Zernovoe Khozjaistvo Rossii = Grain Economy of Russia. 2016;2:45-49 (in Russian)

26. Stackman E.C., Stewart D.M., Loegering W.Q. Identification of Physiologic Races of Puccinia graminis var. tritici. US Department of Agriculture; Agric. Res. Service,1962.

27. Vasilova N.Z., Askhadullin Dam.F., Askhadullin Dan.F. Stem rust epiphytotic on soft spring wheat in Tatarstan. Zashchita i Karantin Rasteniy = Plant Protection and Quarantine. 2017;2:27-28. (in Russian)

28. Wulf B.B.H., Moscou J.M. Strategies for transferring resistance into wheat: from wide crosses to GM cassettes. Front. Plant Sci. 2014; 5:692.

29. Yaniv E., Raats D., Ronin Y., Korol A.B., Grama A., Bariana H., Dubcovsky J., Schulman A.H., Fahima T. Evaluation of marker-assisted selection for the stripe rust resistance gene Yr15, introgressed from wild emmer wheat. Mol. Breed. 2015;35:43. DOI 10.1007/s11032- 015-0238-0.