Использование метаболомного подхода для поиска форм Aegilops tauschii coss. из коллекции Вир им. н.и. Вавилова, устойчивых к грибным патогенам

Расширение генетического разнообразия доноров устойчивости Triticum L. к биотическим факторам среды - актуальная задача, которую возможно решить благодаря использованию в селекционных программах дикорастущих родичей пшеницы, в частности Aegilops tauschii Coss. По существующим представлениям, последний - донор генома D мягкой пшеницы T. aestivum L. и носитель ряда ценных селекционных признаков. Это значительно облегчает скрещивание Ae. tauschii с мягкой пшеницей. Виды рода Aegilops L. являются донорами эффективных генов устойчивости пшеницы к грибным болезням. Так, от видов Aе. tauschii в геном T. aestivum L. успешно интрогрессированы гены, детерминирующие устойчивость мягкой пшеницы к возбудителям ржавчины. Целью нашего исследования было выявление различий по метаболомным профилям форм (генотипов) Ae. tauschii, устойчивых и неустойчивых к грибным патогенам (Puccinia triticina f. sp. tritici и Erysiphe graminis f. sp. tritici), что позволит использовать такие показатели в качестве биохимических маркеров устойчивости. Сравнительный анализ групп образцов Ae. tauschii показал, что метаболомные профили устойчивых и неустойчивых к грибным патогенам форм достоверно различаются между собой по содержанию небелковых аминокислот, многоатомных спиртов, фитостеро-лов, ацилглицеролов, моно- и олигосахаридов, гликозидов, фенольных соединений (гидрохинона, кемп-ферола) и др. Последнее подтверждается ранее полученными нами данными о связи устойчивости овса (Avena sativa L.) к возбудителям фузариоза с определенными компонентами их метаболомного профиля: ацилглицеролами, небелковыми аминокислотами, галактинолом и др. Таким образом, наши исследования еще раз подтвердили возможность и эффективность применения метаболомного анализа для скрининга генетического разнообразия образцов коллекции ВИР, в частности Ae. tauschii, с целью выделения форм, имеющих в метаболомном профиле набор соединений, характеризующих их как устойчивые. К таковым относятся образцы Ae. tauschii с высоким содержанием пипеколиновых кислот, ацилглицеролов, галактинола, стигмастерола, глицерола, азелаиновой и пирогалловой кислот, кампестерола, гидрохинона и др., которые могут быть использованы для создания сортов пшеницы и тритикале, высокоустойчивых к грибным патогенам - возбудителям мучнистой росы, бурой и желтой ржавчины.

1. Adonina I.G., Petrash N.V, Timonova E.M., Christov Yu.A., Sa-lina E.A. Construction and study of leaf rust resistant common wheat lines with translocations of Aegilops speltoides Tausch. genetic material. Russ. J. Genet. 2012;48:404-409. DOI 10.1134/S1022795412020020.

2. Afanasenko O.S. Problems of creating cultivars with long-term disease resistance. Zaschita i Karantin Rastenii = Plant Protection and Quarantine. 2010;3:4-10. (in Russian)

3. Arora S., Singh N., Kaur S., Bains N.S., Uauy C., Poland J., Chhu-neja P. Genome-wide association study of grain architecture in wild wheat Aegilops tauschii. Front. Plant Sci. 2017;8:886. DOI 10.3389/fpls.2017.00886.

4. Chakraborty S., Newton A.C. Climate change, plant diseases and food security: an overview. Plant Pathol. 2011;60:2-14. DOI 10.1111/j.1365-3059.2010.02411.x.

5. Dobrotvorskaia T.V, Martynov S.P., Chikida N.N., Mitrofanova O.P. Wheat cultivars and lines whose pedigrees include Ae. tauschii Coss. In: Catalogue of the VIR Global Collection. St. Petersburg, 2017;842:47. (in Russian)

6. Dorofeev V.F. Remote Hybridization and the Origin of Wheat. Leningrad, 1971. (in Russian)

7. Gilbert K. Plant Secondary Metabolism. Seigler David S. Plant Growth Regul. 2001;34(1):149-149. DOI 10.1023/A:1013354907356.

8. Gonzales-Vigil E., Bianchetti Ch.M., Phillips G.N., Jr., Howe G.A. Adaptive evolution of threonine deaminase in plant defense against insect herbivores. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011; 108(14):5897-5902. DOI 10.1073/pnas.1016157108.

9. Kolmer J.A., Anderson J.A. First detection in North America of virulence in wheat leaf rust (Puccinia triticina) to seedling plants of wheat with Lr21. Plant Dis. 2011;95:1032. DOI 10.1094/PDIS-0411-0275.21.

10. Kolomiets T.M., Pankratova L.F., Pakholkova E.V Wheat (Triti-cum L.) cultivars from GRIN collection (USA) selected for durable resistance to Septoria tritici and Stagonospora nodorum blotch. Selskokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2017;52(3):561-569. DOI 10.15389/agrobiology.2017.3.561eng.

11. Konarev A.V., Shelenga T.V., Perchuk I.N., Blinova E.V., Loskutov I.G. Characteristic of oat diversity (genus Avena L.) from the Collection of N.I. Vavilov All-Russia Research Institute of Plants: initial material for oat breeding for Fusarium resistance. Agrarnaya Rossiya = Agrarian Russia. 2015;5:2-10. DOI 10.30906/1999-5636-2015-5-2-10. (in Russian)

12. Konarev V.G. Wheat Proteins. Moscow, 1980. (in Russian)

13. Liu Y., Wang L., Mao S., Liu K., Lu Y., Wang J., Wei Y, Zheng Y Genome-wide association study of 29 morphological traits in Aegilops tauschii. Sci. Rep. 2015;5:15562. DOI 10.1038/srep15562.

14. Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Khoreva VI., Sha-varda A.L., Blinova E.V., Gnutikov A.A. Biochemical aspects of interactions between fungi and plants: a case study of Fu-sarium in oats. Selskokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2019;54(3):575-588. DOI 10.15389/agrobiology.2019.3.575eng.

15. Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Shavarda A.L., Blinova E.V., Dzubenko N.I. The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.). Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2017;7(5):501-508. DOI 10.1134/S2079059717050136.

16. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat Rust: An Atlas of Resistance Genes. Australia: CSIRO Publ., 1995.

17. Merezhko A.F., Udachin R.A., Zuev E.V., Filatenko A.A., Ser-bin A.A., Liapunova O.A., Kosov VI., Kurkiev U.K., Okhotnikova T.V., Navruzbekov N.A., Boguslavskii R.L., Abdulaev A.K., Chikida N.N., Mitrofanova O.P., Potokina S.A. Enriching, Conserving Viable, and Studying the Global Collections of Wheat, Aegilops, and Triticale. St. Petersburg, 1999. (in Russian)

18. Migushova E.F. On the origin of wheat genomes. Trudy po Priklad-noy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. 1975;55(3):3-26. (in Russian)

19. Mujeeb-Kazi A., Cano S., Rosas V, Cortes A., Delgado R. Registration of five synthetic hexaploid wheat and seven bread wheat lines resistant to wheat spot blotch. Crop Sci. 2001;41(5):1653-1654. DOI 10.2135/cropsci2001.4151653x.

20. Navarova H., Bernsdorff F., Doring A.C., Zeier J. Pipecolic acid, an endogenous mediator of defense amplification and priming, is a critical regulator of inducible plant immunity. Plant Cell. 2012;24(12):5123-5141. DOI 10.1105/tpc.112.103564.

21. Pretorius Z.A. Detection of virulence to Lr41 in a South African pathotype of Puccinia recondita f. sp. tritici. Plant Dis. 1997; 81(4):423. DOI 10.1094/PDIS.1997.81.4.423A.

22. Puzanskiy R.K., Shavarda A.L., Tarakhovskaya E.R., Shishova M.F. Analysis of metabolic profile of Chlamydomonas reinhardtii cultivated under autotrophic conditions. Appl. Biochem. Microbiol. 2015;51(1):83-94. DOI 10.1134/S0003683815010135.

23. Schenck C.A., Maeda H.A. Tyrosine biosynthesis, metabolism, and catabolism in plants. Phytochemistry. 2018;149:82-102. DOI 10.1016/j.phytochem.2018.02.003.

24. Semenova L.V., Migushova E.F., Devjatkina E.P. Grain quality of Aegilops grain, ancestor of wheat. Trudy po Prikladnoy Bota-nike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. 1973;50(1):216-226. (in Russian)

25. Taji T., Takahashi S., Shinozaki K. Inositol and their metabolism in abiotic and biotic stress responses. Subcell. Biochem. 2006;39: 239-264. DOI 10.1007/0-387-27600-9_10.

26. Tyryshkin L.G., Kolesova M.A., Chikida N.N. Aegilops tauschii Coss. Characteristics of accessions for juvenile leaf disease resistance. In: Catalogue of the VIR Global Collection. St. Petersburg, 2004;763:3-15. (in Russian)

27. Valitova J.N., Sulkarnayeva A.G., Minibayeva F.V Plant sterols: diversity, biosynthesis, and physiological functions. Biochemistry (Moscow). 2016;81(8):819-834. DOI 10.1134/S0006297916080046.

28. Vavilov N.I. Plant Immunity to Infectious Diseases. Moscow, 1919. (in Russian)

29. Yang W.-Y., Yu Y., Zhang Y, Hu X.-R., Wang Y, Zhou Y-C., Lu B.-R. Inheritance and expression of stripe rust resistance in common wheat (Triticum aestivum) transferred from Aegilops tauschii and its utilization. Hereditas. 2003;139:49-55. DOI 10.1Ш/).1601-5223.2003.01671.x.

30. Zoeller M., Stingl N., Krischke M., Fekete A., Wallter F., Berger S. Lipid profiling of the Arabidopsis hypersensitive response reveals specific lipid peroxidation and fragmentation processes: biogenesis of pimelic and azelaic acid. Plant Physiol. 2012; 160(1):365-378. DOI 10.1104/pp.112.202846.