Идентификация генов Sr у новых источников устойчивости мягкой пшеницы к расе стеблевой ржавчины Ug99 с использованием молекулярных маркеров

В связи с угрозой проникновения на территорию Российской Федерации агрессивной расы возбудителя стеблевой ржавчины Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici Eriks. et Henn, Ug99 необходим поиск новых доноров устойчивости к этой опасной болезни. У 6 источников устойчивости к стеблевой ржавчине, в том числе к расе Ug99, имеющих в своей родословной генетический материал чужеродных видов (Aegilops speltoides, Aе. triuncialis, Secale cereale), проведена идентификация 17 генов Sr с использованием молекулярных маркеров как к эффективным против расы Ug99 генам (Sr2, Sr22, Sr24, Sr25, Sr26, Sr32, Sr35, Sr36, Sr39, Sr40, Sr44 и Sr47), так и к не эффективным, но обеспечивающим устойчивость к местным популяциям возбудителя стеблевой ржавчины (Sr9a, Sr15, Sr17, Sr19 и Sr31). На основании анализа молекулярных маркеров постулировано присутствие в изученных линиях от 2 до 7 известных генов Sr: в 113/00i-4 – Sr2, Sr36, Sr39, Sr40, Sr44, Sr47 и Sr15; в 119/4-06rw – Sr22, Sr32, Sr44, Sr9a, Sr17 и Sr19; в GT 96/90 – Sr24, Sr36, Sr40, Sr47, Sr15, Sr17 и Sr31; в 9/00w – Sr22, Sr44, Sr32 и Sr15; в 141/97w – Sr22 и Sr44. У сорта Донская полукарликовая идентифицированы эффективные к расе Ug99 гены Sr32 и Sr44, а также неэффективные Sr9a, Sr17 и Sr19. Изученные образцы могут быть использованы в качестве доноров генов устойчивости к стеблевой ржавчине в селекционных программах на иммунитет.

1. Анисимова А.В., Стеффенсон Б., Митрофанова О.П., Лапочкина И.Ф., Афанасенко О.С. Устойчивость сортимента пшеницы и образцов эгилопса из коллекции ВИР к расе стеблевой ржавчины Ug 99 (TTKSK). Технологии создания и использования сортов и гибридов с групповой и комплексной устойчивостью к вредным организмам в защите растений. СПб., 2010.

2. Волкова Г.В., Шумилов Ю.В., Синяк Е.В., Ваганова О.Ф., Данилова А.В. Эффективные гены устойчивости пшеницы и ячменя к возбудителям ржавчины и их идентификация в перспективных сортообразцах. Биологическая защита растений – основа стабилизации агроэкосистем: Матер. Междунар. науч.-практ. конф. Краснодар, 2014.

3. Гайнуллин Н.Р., Лапочкина И.Ф., Жемчужина А.И., Киселева М.И., Коломиец Т.М., Коваленко Е.Д. Использование фитопатологического и молекулярно-генетических методов для идентификации генов устойчивости к бурой ржавчине у образцов мягкой пшеницы с чужеродным генетическим материалом коллекции «Арсенал». Генетика. 2007;43(8):1-7.

4. Гультяева Е.И. Наследование устойчивости сортов и линий пшеницы к ржавчинам: Автореф. дис. … канд. биол. наук. СПб.; Пушкин, 1992.

5. Дженин С.В., Лапочкина И.Ф., Жемчужина А.И., Коваленко Е.Д. Доноры яровой мягкой пшеницы к бурой ржавчине и мучнистой росе с генетическим материалом видов Aegilops speltoides, Aegilops triuncialis, Triticum kiharae Dorof. et Migusch. Докл. РАСХН. 2009;5:3-7.

6. Дорофеев В.Ф., Удачин Р.А., Семенова Л.В., Новикова М.В., Градчанинова О.Д., Шитова И.П., Мережко А.Ф., Филатенко А.А. Пшеницы мира. Л.: Агропромиздат, 1987.

7. Коваленко Н.М. Устойчивость видов Triticum L. и Aegilops L. к возбудителю желтой пятнистости листьев пшеницы (Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechs.): Автореф. дис. … канд. биол. наук. СПб.; Пушкин, 2005.

8. Койшыбаев М., Болтыбаева Л.А., Копирова Г.И. Гермоплазма пшеницы с групповой устойчивостью к болезням с воздушно-капельной инфекцией. Агромеридиан. 2008;3(9):34-42.

9. Кохметова А.М., Атишова М.Н. Идентификация источников устойчивости к стеблевой ржавчине с использованием молекулярных маркеров. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012;16(1):132-141.

10. Лапочкина И.Ф. Цитогенетические и морфологические особенности гибридов мягкой пшеницы, полученных с использованием облученной пыльцы вида Aegilops triuncialis L. Генетика. 1998;34(9):1263-1268.

11. Лапочкина И.Ф. Реконструкция генома мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) при отдаленной гибридизации (с использованием Aegilops L. и других видов). Бюл. ВАК. 2000;1:46-47.

12. Лапочкина И.Ф. Разнообразие коллекции мягкой пшеницы «Арсенал» и его использование в селекционно-генетических исследованиях. Иммуногенетическая защита сельскохозяйственных культур от болезней: теория и практика. Матер. междунар. науч.-практ. конф., посвященной 125-летию со дня рождения Н.И. Вавилова. Большие Вяземы Моск. обл., 2012.

13. Лапочкина И.Ф., Волкова Г.А. Cоздание коллекций замещенных и дополненных хромосомами Aegilops speltoides Tausch. линий яровой мягкой пшеницы. Генетика. 1994;30:86-87.

14. Лапочкина И.Ф., Гайнуллин Н.Р., Дженин С.В., Руденко М.И., Макарова И.Ю., Иорданская И.В., Кызласов В.Г., Коваленко Е.Д., Жемчужина А.И., Куркова Н.Н. Идентификация генотипа устойчивости к бурой ржавчине у доноров мягкой пшеницы с чужеродным генетическим материалом сородичей для целенаправленного использования в селекции на иммунитет. Матер. конф. «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России», СПб., 2008.

15. Плахотник В.В. Стеблевая ржавчина на Севере Казахстана и устойчивость к ней образцов коллекции яровой пшеницы ВНИИЗХ. Тр. Всесоюз. совещ. по иммунитету растений. Киев, 1969;3: 72-75.

16. Синяк Е.В., Волкова Г.В., Надыкта В.Д. Характеристика популяции Puccinia graminis f. sp. tritici по вирулентности в Северо-Кавказском регионе России. Докл. РАСХН. 2013;6:27-30.

17. Шаманин В.П., Моргунов А.И., Манес Я., Зеленский Ю.И., Чурсин А.С., Левшунов М.А., Потоцкая И.В., Лихенко И.Е., Манько Т.А., Каракоз И.И., Табаченко А.В., Петуховский С.Л. Селекционно-генетическая оценка популяций яровой мягкой пшеницы Сибирского питомника челночной селекции СИММИТ. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012;16(1): 21-32.

18. Bernardo A.N., Bowden R.L., Rouse M.N., Newcomb M.S., Marshall D.S., Bai G. Validation of molecular markers for new stem rust resistance genes in U.S. Hard winter wheat. Crop Sci. 2013;53: 755-764. DOI:10.2135/cropsci2012.07.0446

19. Crossa J., Burgueсo J., Dreisigacker S., Vargas M., Herrera-Foessel S.A., Lillemo M., Singh R.P., Trethowan R., Warburton M., Franco J., Reynolds M., Crouch J.H., Ortiz R. Association analysis of historical bread wheat germplasm using additive genetic covariance of relatives and population structure. Genetics. 2007;177:1889-1913. DOI: 10.1534/genetics.107.078659

20. Dundas I.S., Anugrahwati D.R., Verlin D.C., Park R.F., Bariana H.S., Mago R., Islam A.K.M.R. New sources of rust resistance from alien species: Meliorating linked defects and discovery. Aust. J. Agric. Res. 2007;58:545-549.

21. Faris J.D., Xu S.S., Cai X., Friesen T.L., Jin Y. Molecular and cytogenetic characterization of a durum wheat-Aegilops speltoides chromosome translocation conferring resistance to stem rust. Chromosome Research. 2008;16:1097-1105. DOI: 10.1007/s10577-008-1261-3

22. Haile J.K., Hammer K., Badebo A., Singh R.P., Röder M.S. Haplotype analysis of molecular markers linked to stem rust resistance genes in Ethiopian improved durum wheat varieties and tetraploid wheat landraces. Genet. Resour. Crop. Evol. 2013a;60:853-864. DOI: 10.1007/s10722-012-9880-0

23. Haile J.K., Roder M. Status of genetic research for resistance to Ug99 race of Puccinia graminis f.sp.tritici: A review of current research and implications. African J. Agr. Res. 2013b;8(50):6670-6680. DOI: 10.5897/AJAR2013.7257

24. Hayden M.J., Kuchel H., Chalmers K.J. Sequence tagged microsatellites for the Xgwm533 locus provide new diagnostic markers to select for the presence of stem rust resistance gene Sr2 in bread wheat (Triticum aestivum L.). Theor. Appl. Genet. 2004;109:1641-1647. DOI: 10.1007/s00122-004-1787-5

25. Hsam S.L.K., Lapochkina I.F., Zeller F.J. Chromosomal location of genes for resistance to powdery mildew in common wheat (Triticum aestivum L. em. Thell). 8. Gene Pm32 in a wheat-Aegilops speltoides translocation line. Euphytica. 2003;133:367-370.

26. Jin Y., Szabo L.J., Pretorius Z.A., Singh R.P., Ward R., Fetch T. 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

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

28. Lapochkina I.F., Iordanskaya I.V., Yatchevskaya G.L., Zemchuzina А.I., Kovalenko Е.D., Solomatin D.А., Kolomiets T.М. Identification of alien genetic material and genes of resistance to leaf rust in wheat (Triticum aestivum L.) stocks. Proc. of Tenth Int. Wheat Genetics Symp. 2003;3:1190-1192.

29. Mago R., Bariana H.S., Dundas I.S., Spielmeyer W., Lawrence G.J., Pryor A.J., Ellis J.G. Development of PCR markers for the selection on wheat stem rust resistance genes Sr24 and Sr26 in diverse wheat germplasm. Theor. Appl. Genet. 2005;111:496-504. DOI: 10.1007/

30. s00122-005-2039-z

31. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat rusts: An atlas of resistance genes. Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Clayton, South Victoria, Australia, 1995.

32. McNeil M.D., Kota R., Paux E., Dunn D., McLean R., Feuillet C., Li D., Kong X., Lagudah E., Zhang J.C., Jia J.Z., Spielmeyer W., Bellgard M., Appels R. BAC-derived markers for assaying the stem rust resistance gene, Sr2, in wheat breeding programs. Mol. Breeding. 2008;22:15-24. DOI: 10.1007/s11032-007-9152-4

33. Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucl. Acids. Res. 1980;8(19)19:4321-4326.

34. Olson E.L., Brown-Guedira G., Marshall D., Stack E., Bowden R.L., Jin Y., Rouse M., Pumphrey M.O. Development of wheat lines having a small introgressed segment carrying stem rust resistance gene Sr22. Crop Sci. 2010;50:1823-1830. DOI: 10.2135/cropsci2009. 11.0652

35. Peterson R.F., Campbell A.B., Hannah A.E. A diagrammatic scale for estimating rust intensity on leaves and stems of cereals. Can. J. Res. Sec. C Bot. Sci. 1948;26:297-311.

36. Rahmatov M., Andrsson S., Gustavsson L., Wanyera R., Steffenson B., Johansson E. Analysis of adult plant and seedling stem rust resistance in wheat-alien introgression lines. Disease Risk and Food Security: Proc. of the 13th Int. Cereal Rusts and Powdery Mildew Conf. 28 Aug.–1 Sept. 2012, Beijing. 2012.

37. Singh R.P., Hodson D.P., Jin Y., Huerta-Espino J., Kinyua M.G., Wanyera R., Njau P., Ward R.W. Current status, likely migration and strategies to mitigate the threat to wheat production from race Ug99 (TTKS) of stem rust pathogen. CAB Reviews: Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources. 2006;1(054). DOI: 10.1079/PAVSNNR20061054

38. 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? Advanced Agronomy. 2008;98:271-309. DOI: 10.1016/S0065-2113(08)00

39. Stakman E.C., Stewart D.M., Loegering W.Q. Identification of physiologic races of Puccinia graminis var. tritici. U.S. Dep. Agric. Agric. Res. Serv. E-617. U.S. Gov. Print. Office, Washington, DC, 1962.

40. Tsilo T.J., Jin Y., Anderson J.A. Diagnostic microsatellite markers for detection of stem rustresistance gene Sr36 in diverse genetic backgrounds of wheat. Crop Sci. 2008;48:253-261. DOI: 10.2135/cropsci2007.04.0204

41. William H.M., Trethowan R., Crosby-Galvan E.M. Wheat breeding assisted by markers: CIMMYT’s experience. Euphytica. 2007;157: 307-319. DOI: 10.1007/s10681-007-9405-7

42. Wu S., Pumphrey M., Bai G. Molecular mapping of stem-rust-resistance gene Sr40 in wheat. Crop Sci. 2009;49:1681-1686. DOI: 10.2135/cropsci2008.11.0666

43. Xu S.S., Klindworth D., Niu Z.-X., Zhang Q.-J., Chao S.-M., Friesen T., Jin Y., Zhong S.-B., Faris J., Cai X.-W., Larkin P. Introgression of alien genes for resistance to Ug99 stem rust in wheat. Disease Risk and Food Security: Proc. 13th Int. Cereal Rusts and Powdery Mildew Conf. 28 Aug.–1 Sept. 2012, Beijing. 2012.

44. Yu L.X., Liu S., Anderson J.A., Singh R.P., Jin Y., Dubcovsky J., Brown-Guidera G., Bhavani S., Morgounov A., He Z., Huerta-Espino J., Sorrells M.E. Haplotype diversity of stem rust resistance loci in uncharacterized wheat lines. Mol. Breeding. 2010;26:667-680. DOI: 10.1007/s11032-010-9403-7

45. Zheng Q., Klindworth D., Niu Z.-X., Rouse M., Yu J., Friesen T., Li Z.-Z., Xu S. Stem rust resistance in Thinopyrum species. Disease Risk and Food Security. Proc. 13th Int. Cereal Rusts and Powdery Mildew Conf. 28 Aug.–1 Sept. 2012, Beijing. 2012.