Разработка молекулярного маркера к гену Run8 для отбора устойчивых к пыльной головне генотипов ячменя

Пыльная головня ячменя, вызываемая базидиомицетом Ustilago nuda (Jens.) Roster, встречается во всех регионах, где возделывается эта культура. Селекция на резистентность к пыльной головне, основанная на использовании доноров, обладающих генами устойчивости, представляет экологически и экономически безопасный способ, сдерживающий отрицательное действие патогена на ячмень. Внедрение в селекционный процесс молекулярно-генетических подходов позволяет контролировать передачу генов резистентности в гибридный материал. Ген Run8 контролирует устойчивость ко многим изолятам пыльной головни и служит источником высокой устойчивости к этому возбудителю. Цель представленной работы – разработка молекулярного маркера к гену Run8 для отбора из гибридных популяций генотипов ячменя, устойчивых к пыльной головне. С помощью сравнения доступных из базы данных пангенома ячменя нуклеотидных последовательностей гена Run8 определена инсерция/делеция шести пар нуклеотидов в кодирующей области гена. На основе выявленного полиморфизма разработан молекулярный маркер Hor7050, позволяющий дифференцировать аллели гена Run8. Маркер был протестирован на гибридных линиях F₅–F₆, полученных от скрещивания сорта Эльф – донора резистентности к пыльной головне – и несущего, по данным оригинаторов, ген Run8, с сортом Танай, обладающим практической устойчивостью к возбудителю. С помощью разработанного маркера из 84 гибридов были отобраны 18, несущих ген Run8 сорта Эльф. Однако проведенная фитопатологическая оценка показала, что из выделенных линий восемь восприимчивы к заболеванию. Для уточнения генотипа 18 отобранных линий был проведен дополнительный анализ с помощью микросателлитного маркера EBmac0541, сцепленного с геном Run6. Была установлена взаимосвязь между наличием аллеля данного маркера от сорта Эльф и устойчивостью к заболеванию. Возможно, сорт Эльф, кроме гена Run8, несет ген Run6, эффективный против расы 1 возбудителя пыльной головни. Для уточнения наличия гена Run6 у сорта Эльф требуются дополнительные исследования. Помимо устойчивости, отобранные линии были охарактеризованы по признакам продуктивности. По результатам двухлетнего анализа выделены три продуктивные резистентные линии с геном Run8 – 32, 65 и 79, достоверно превышающие по урожайности контрольный сорт Эльф.

1. Abo-Elyous K.A.M., Mourad A.M.I., Baenziger P.S., Shehata A.H.A., Eckstein P.E., Beattie A.D., Sallam A. Identification of putative SNP markers associated with resistance to egyptian loose smut race(s) in spring barley. Genes. 2022;13(6):1075. doi 10.3390/genes13061075

2. Corpet F. Multiple sequence alignment with hierarchical clustering. Nucleic Acids Res. 1988;16(22):10881-10890. doi 10.1093/nar/16.22.10881

3. Druzhin A.E., Krupnov V.A. Wheat and Dusty Firebrand. Saratov, 2008 (in Russian)

4. Eckstein P.E., Krasichynska N., Voth D., Duncan S., Rossnagel B.G., Scoles G.J. Development of PCR-based markers for a gene (Un8) conferring true loose smut resistance in barley. Can J Plant Pathol. 2002;24(1):46-53. doi 10.1080/07060660109506970

5. Jayakodi M., Lu Q., Pidon H., Rabanus-Wallace M.T., Bayer M., Lux T., Guo Y., … Zhang X.-Q., Wicker T., Dockter C., Mascher M., Stein N. Structural variation in the pangenome of wild and domesticated barley. Nature. 2024;636(8043):654-662. doi 10.1038/s41586-024-08187-1

6. Krivchenko V.I. Resistance of Grain Ears to Pathogens of Head Diseases. Moscow, 1984 (in Russian)

7. Legkun I.B. Breeding and evaluation of winter barley varieties forgroup resistance to smut diseases. Russ J Genet Appl Res. 2016;6:264-269. doi 10.1134/S2079059716030060

8. Li C.D., Eckstein P.E., Lu M., Rossnagel B.G., Scoles G.J. Targeted development of a microsatellite marker associated with a true loose smut resistance gene in barley (Hordeum vulgare L.). Mol Breed. 2001;8:235-242. doi 10.1023/A:1013738108871

9. Livingston J.E. The inheritance of resistance to Ustilago nuda. Phytopathology. 1942;32:451-466

10. Menzies J.G., Steffenson B.J., Kleinhofs A. A resistance gene to Ustilago nuda in barley is located on chromosome 3H. Can J Plant Pathol. 2010;32(2):247-251. doi 10.1080/07060661003739977

11. Meshkova L.V., Sabaeva O.B., Nikolaev P.N. The dusty smut of barley in the Omsk region and sources of resistance to it. Bulletin of NSAU. 2024;4(73):70-78. doi 10.31677/2072-6724-2024-73-4-70-78 (in Russian)

12. Metcalfe D.R. Inheritance of loose smut resistance: III. Relationships between the “Russian” and “Jet” genes for resistance and genes in 10 barley varieties of diverse origin. Can J Plant Sci. 1966;46(5): 487-495. doi 10.4141/cjps66-082

13. Methodology of the State Variety Testing of Agricultural Crops. Moscow, 1985 (in Russian)

14. Naumova N.A. Peculiarities of grain productivity formation and its elements in varieties of spring barley collection of VIR in conditions of arid climate of Astrakhan region. Agragnyy Nauchnyy Zhurnal = The Agrarian Scientific Journal. 2021;(5):29-34. doi 10.28983/asj.y2021i5pp29-34 (in Russian)

15. Nielsen J., Thomas P. Loose smut. Bunt and smut diseases of wheat: Concepts and methods of disease management. Mexico: D.F. CIMMYT, 1996

16. Orlova E.A., Bekhtold N.P., Likhenko I.E. Impact of the pathogen barley smut under economically valuable characteristics of plants. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2015;29(3):4-6 (in Russian)

17. Plaschke J., Ganal M.W., Röder M.S. Detection of genetic diversity in closely related bread wheat using microsatellite markers. Theor Appl Genet. 1995;91(6-7):1001-1007. doi 10.1007/bf00223912

18. Ramsay L., Macaulay M., degli Ivanissevich S., MacLean K., Cardle L., Fuller J., Edwards K.J., … Marmiroli N., Sjakste T., Ganal M., Powell W., Waugh R. A simple sequence repeat-based linkage map of barley. Genetics. 2000;156(4):1997-2005. doi 10.1093/genetics/156.4.1997

19. Sanin S.S., Nekles N.P., Sanina A.A., Pakholkova E.V. Methodological recommendations on the creation of infectious backgrounds for immunological studies of wheat. Moscow, 2008 (in Russian)

20. Schaller C.W. Inheritance of resistance to loose smut, Ustilago nuda, in barley. Phytopathology. 1949;39(12):959-979

21. Skoropad W.P., Johnson L.P. Inheritance of resistance to Ustilago nuda in barley. Can J Bot. 1952;30(5):525-536. doi 10.1139/b52-038

22. Usoltsev Yu.A. Reduction of losses of the harvest of spring barley from head diseases. Bull Kurgan State Agric Acad. 2018;3:65-69 (in Russian)

23. Zang W., Peter E., Eckstein P.E., Colin M., Voth D., Himmelbach A., Beier S., Stein N., Scoles G.J., Beattie A.D. Fine mapping and identification of a candidate gene for the barley Un8 true loose smut resistance gene. Theor Appl Genet. 2015;128(7):1343-1357. doi 10.1007/s00122-015-2510-4