Ген Sr38: значение для селекции мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири

Современная селекция пшеницы на иммунитет широко применяет генетический резерв близкородственных видов из семейства Triticeae. Транслокация 2NS/2AS привнесена в геном культурного злака Triticum aestivum от дикорастущего сородича T. ventricosum и содержит гены Lr37, Yr17 и Sr38, которые отвечают за устойчивость пшеницы на уровне проростков к бурой, желтой и стеблевой ржавчине с соответствующими возбудителями: Puccinia triticina Eriks., P. striiformis West. f. sp. tritici и P. graminis Pers. f. sp. tritici Eriks. & E. Henn. Данная транслокация известна в таких мировых сортах, как Trident, Madsen, Rendezvous, а также в отечественных сортах южной селекции Морозко, Сварог, Граф, Маркиз и Гомер. При этом ген Sr38 до сих пор не введен в производственные сорта, высеваемые на территории Западной Сибири, поэтому сохраняет практическое значение для селекции на иммунитет в областях, где патогенная популяция P. graminis f. sp. tritici представлена авирулентными клонами. Основная цель работы состояла в анализе частоты а/вирулентных клонов к гену Sr38 в расширенной западносибирской выборке возбудителя стеблевой ржавчины. В лаборатории с контролируемым климатом (Институт цитологии и генетики СО РАН) на проростках универсального восприимчивого сорта Хакасская выделено 139 монопустульных изолятов P. graminis f. sp. tritici из образцов урединиоспор Новосибирской, Омской областей, Алтайского и Красноярского края, собранных в 2019–2020 гг. на производственных и селекционных посевах мягкой пшеницы. Путем заражения тестерных генотипов пшеницы, несущих ген Sr38 (VPM1 и Trident), выявлены вариации по частоте а/вирулентных клонов в географических образцах P. graminis f. sp. tritici. В целом текущая западносибирская популяция представлена на 60 % авирулентными клонами гриба к гену Sr38, при этом в образцах популяции из Красноярского края не выявлено ни одного вирулентного изолята. Поиск источников гена устойчивости к стеблевой ржавчине среди отечественного селекционного материала был выполнен с помощью специфических молекулярных маркеров на транслокацию 2NS/2AS. Исходя из перспективы использования в регионе, выбор проводили среди коллекции линий и сортов мягкой яровой пшеницы Омского ГАУ, адаптированных к условиям Западной Сибири. Присутствие гена постулировалось путем проведения процедуры генотипирования с помощью специфических праймеров (VENTRIUP-LN2) и фитопатологического тестирования авирулентными клонами гриба. Носителями доминантных аллелей гена Sr38 оказались линии Лютесценс 12-18, Лютесценс 81-17, Лютесценс 66-16, Эритроспермум 79/07, 9-31 и 8-26. Полученные данные по составу образцов западносибирской популяции P. graminis f. sp. tritici позволяют рассматривать ген Sr38 в качестве кандидата для включения в селекцию пшеницы в Красноярском крае, а также в составе генных пирамид в Новосибирской области и Алтайском крае.

1. 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.

2. Bariana H.S., McIntosh R.A. Cytogenetic studies in wheat. XV. Location of rust resistance genes in VPM1 and their genetic linkage with other disease resistance genes in chromosome 2A. Genome. 1993; 36(3):476-482. DOI 10.1139/g93-065.

3. Bespalova L.A., Ablova I.B., Khudokormova Zh.N., Puzyrnaya O.Yu., Nabokov G.D., Agaeva E.V., Tarhov A.S. Genetic determinants of resistance of winter wheat varieties to Puccinia spp. In: Proceedings of the Int. Conf. “State and Prospects for the Development of Agricultural Science in a Changing Climate”. Krasnodar: EDVI Publ., 2019a:11-18. (in Russian)

4. Bespalova L.A., Ablova I.B., Khudokormova Zh.N., Puzyrnaya O.Yu., Nabokov G.D., Agaeva E.V., Tarhov A.S. Genetic protection of winter wheat varieties against rust diseases. Risovodstvo = Rice Growing. 2019b;4(45):30-37. (in Russian)

5. Druzhin A.Ye., Sibikeyev S.N., Vlasovets L.T., Golubeva T.D., Kalintseva T.V. The study of agronomic valuable and adaptive traits in a new cultivar of spring bread wheat Alexandrite produced by introgression breeding. Uspekhi Sovremennogo Yestestvoznaniya = Advances in Current Natural Sciences. 2018;9:12-17. DOI 10.17513/use.36859. (in Russian)

6. Dubcovsky J., Luo M.C., Zhong G.Y., Bransteitter R., Desai A., Kilian A., Kleinhofs A., Dvořák J. Genetic map of diploid wheat, Triticum monococcum L., and its comparison with maps of Hordeum vulgare L. Genetics. 1996;143(2):983-999. DOI 10.1093/genetics/143.2.983.

7. Dyck P.L., Lukow O.M. The genetic analysis of two interspecific sources of leaf rust resistance and their effect on the quality of common wheat. Can. J. Plant Sci. 1988;68(3):633-639. DOI 10.4141/cjps88-076.

8. Friebe B., Jiang J., Raupp W.J., McIntosh R.A., Gill B.S. Characterization of wheat-alien translocations conferring resistance to diseases and pests: current status. Euphytica. 1996;91(1):59-87. DOI 10.1007/BF00035277.

9. Gultyaeva E.I., Shaydayuk Ye.L. Virulence of Russian populations of stripe rust causal agent. Mikologiya i Fitopatologiya = Mycology and Phytopathology. 2020;54(4):299-304. DOI 10.31857/S0026364820040042. (in Russian)

10. 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 Sci. 2003;43(5):1839-1847. DOI 10.2135/cropsci2003.1839.

11. Koyshybayev M. Wheat Diseases. Ankara: Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), 2018. (in Russian)

12. Li T.Y., Ma Y.C., Wu X.X., Chen S., Xu X.F., Wang H., Cao Y.Y., Xuan Y.X. Race and virulence characterization of Puccinia graminis f. sp. tritici in China. PLoS One. 2018;13(5):e0197579. DOI 10.1371/journal.pone.0197579.

13. Maia N. Obtention des bles tendres resistants au pietin-verse par croisements interspecifiques bles×Aegilops. C.R. Séances Acad. Agric. Fr. 1967;53:149-154.

14. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat Rusts an Atlas of Resistance Genes. Australia: CSIRO Publ., 1995. DOI 10.1007/BF03214019.

15. 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(2):203. DOI 10.1094/pdis.2000.84.2.203b.

16. Robert O., Abelard C., Dedryver F. Identification of molecular markers for the detection of the yellow rust resistance gene Yr17 in wheat. Mol. Breed. 1999;5(2):167-175. DOI 10.1023/A:1009672021411.

17. Rogers S.O., Bendich A.J. Extraction of DNA from milligram amounts of fresh, herbarium and mummified plant tissues. Plant Mol. Biol. 1985;5(2):69-76. DOI 10.1007/BF00020088.

18. Seah S., Spielmeyer W., Jahier J., Sivasithamparam K., Lagudah E.S. Resistance gene analogs within an introgressed chromosomal segment derived from Triticum ventricosum that confers resistance to nematode and rust pathogens in wheat. Mol. Plant Microbe Interact. 2000;13(3):334-341. DOI 10.1094/MPMI.2000.13.3.334.

19. Shamanin V.P., Pototskaya I.V., Shepelev S.S., Pozherukova V.E., Salina E.A., Skolotneva E.S., Hodson D., Hovmeller M., Morgunov A.I. Stem rust in Western Siberia – race composition and effective resistance genes. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(2):131-138. DOI 10.18699/VJ20.60823.

20. Skolotneva E.S., Kelbin V.N., Morgunov A.I., Boyko N.I., Shamanin V.P., Salina E.A. Races composition of the Novosibirsk population of Puccinia graminis f. sp. tritici. Mikologiya i Fitopatologiya = Mycology and Phytopathology. 2020a;54(1):49-58. DOI 10.31857/S0026364820010092. (in Russian)

21. Skolotneva E.S., Kosman E., Patpour M., Kelbin V.N., Morgounov A., Shamanin V.P., Salina E.A. Virulence phenotypes of Siberian wheat stem rust population in 2017–2018. Front. Agron. 2020b;2:6. DOI 10.3389/fagro.2020.00006.

22. Skolotneva E.S., Leonova I.N., Bukatich E.Y., Boiko N.I., Piskarev V.V., Salina E.A. Effectiveness of leaf rust resistance genes against Puccinia triticina populations in Western Siberia during 2008–2017. J. Plant Dis. Prot. 2018;125(6):549-555. DOI 10.1007/s41348-018-0191-3.

23. Sochalova L.P., Lichenko I.E. The Genetic Diversity of Spring Wheat in Resistance to Migratory Diseases. Novosibirsk, 2015. (in Russian)

24. Stakman E.C., Stewart D.M., Loegering W.Q. Identification of Physiologic Races of Puccinia graminis var. tritici. Washington: USDA, 1962.