МОЛЕКУЛЯРНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ГЕНОВ УСТОЙЧИВОСТИ К СТЕБЛЕВОЙ РЖАВЧИНЕ У НОВЫХ ДОПУЩЕННЫХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

OECD+WoS: 4.01+AM (Agronomy) https://doi.org/10.31993/2308-6459-2020-103-2-4936

Полнотекстовая статья

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ГЕНОВ УСТОЙЧИВОСТИ К СТЕБЛЕВОЙ РЖАВЧИНЕ У НОВЫХ ДОПУЩЕННЫХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ

О.А. Баранова

Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений, Санкт-Петербург

e-mail: baranova_oa@mail.ru

В связи с увеличением вредоносности стеблевой ржавчины (возбудитель - Puccinia graminis f. sp. tritici) на территории Российской Федерации и угрозой распространения вирулентных рас гриба, в том числе расы Ug99, особое значение приобретает анализ разнообразия по генам устойчивости к патогену (Sr генам) российских, допущенных к использованию сортов пшеницы. В данной работе были оценены 32 новых сорта мягкой пшеницы, включенных в Государственный реестр селекционных достижений в 2017-2018 гг., по устойчивости к стеблевой ржавчине на стадии проростков и проведена идентификация Sr генов с использованием молекулярных маркеров. Для анализа устойчивости сортов была взята омская популяция возбудителя стеблевой ржавчины 2018 г., а также монопустульные изоляты PgtF1 и PgtZ1, выделенные из саратовской и ростовской популяций патогена. Фитопатологическую оценку проводили по стандартной лабораторной методике на интактных проростках. Анализ вирулентности P graminis f. sp. tritici был выполнен на наборе из 20 дифференциаторов (North American differential set) и 35 добавочных Sr линиях. Для идентификации генов устойчивости (Sr2, Sr24, Sr25, Sr26, Sr28, Sr31, Sr32, Sr35, Sr36, Sr38, Sr57 и Sr1A1R) использовали специфичные праймеры. Выделены высокоустойчивые к стеблевой ржавчине сорта мягкой пшеницы с идентифицированными генами устойчивости: Астарта (Sr31), Веха (Sr31), Обская озимая (Sr31), Леонида (Sr31), Караван (Sr31), Алексеич (Sr31), Степь (Sr31), Безостая 100 (Sr31+Sr57), Жива (Sr31+Sr57), Ваня (Sr31+Sr57) и Велена (Sr31+Sr28). Сорта Велена, Жива, Ваня и Безостая 100 имеют сочетания гена Sr31, эффективного против российских популяций P graminis f. sp. tritici, и генов Sr28 и Sr57, эффективных против расы Ug99 и ее биотипов, что обусловливает перспективность этих сортов для возделывания в условиях эпифитотийного развития болезни.

Ключевые слова: пшеница, устойчивость, стеблевая ржавчина (Puccinia graminis f. sp. tritici), Sr гены, молекулярные маркеры

Поступила в редакцию: 10.03.2020 Принята к печати: 29.05.2020

Введение

Устойчивость к биотическим и абиотическим факто- и на территории России: эпифитотийное развитие болезни

рам - одно из важнейших требований, предъявляемых к отмечалось в 2015-2018 гг. в Западной Сибири и Нижнем

современным сортам сельскохозяйственных растений, в Поволжье. (Sibikeev et al., 2017; Сколотнева и др., 2020). В

том числе к пшенице. Устойчивый сорт - основа интегри- 2016 г. распространение стеблевой ржавчины отмечалось

рованной системы защиты растений. Ржавчинные заболе- на посевах яровой мягкой пшеницы в период колошения

вания (бурая, желтая и стеблевая ржавчины) - особо опас- на всей территории Республики Татарстан. Все сорта пше-

ные заболевания пшеницы. Среди них стеблевая ржавчина ницы, рекомендованные для возделывания в Татарстане,

(возбудитель - биотрофный гриб Puccinia graminis f. sp. были восприимчивы, кроме сортов Тулайковская 5 и Бел-

tritici Erikss. & Henning) наиболее вредоносна. Появление ка, а также образцов Triticum dicoccum Schrank (Василова и

в Уганде в 1999 г. новой высоко агрессивной расы Ug99 др., 2017). По данным Росгидромета на территории нашей

(TTKSK), поразившей сорта пшеницы с геном Sr31, со- страны происходит изменение климата в сторону увеличе-

хранявшим эффективность на протяжении более 30 лет, ния температуры и влажности, что создает благоприятные

поставило под угрозу производство пшеницы во всем условия для развития возбудителя стеблевой ржавчины. В

мире. При эпифитотийном развитии болезни на воспри- результате селекции, направленной на продуктивность и

имчивых сортах потери урожая могут достигать от 50 качество зерна, произошло сильное обеднение генофонда

до 100 % (Hailu et al., 2015). Позднее появились биотипы пшеницы по многим признакам, в том числе и по устой-

расы Ug99, поражающие также сорта с генами Sr24 (раса чивости к грибным болезням. Большинство современных

TTKST) и Sr36 (TTTSK). К 2018 г. насчитывается уже 13 сортов пшеницы восприимчивы к возбудителю стеблевой

биотипов этой расы (CIMMYT). На настоящий момент ржавчины, а устойчивые российские сорта в основном за-

раса Ug99 распространилась в страны Африки и Ближнего щищены генами Sr31 и Sr25 (Волкова, Синяк, 2011). Востока и мигрирует в направлении Средней и Юго-Вос- Целью работы был анализ устойчивости к стеблевой

точной Азии. Возможен ее занос и на территорию Россий- ржавчине и идентификация Sr генов у новых сортов пше-

ской Федерации. С другой стороны, в последние годы на- ницы, включенных в Государственный реестр селекцион-

блюдается усиление вредоносности стеблевой ржавчины ных достижений в 2017-2018 гг.

Материалы и методы

В работе использовали 32 сорта мягкой пшеницы, изоляты, выделенные из популяций P graminis f. sp. tritici,

включенных в Государственный реестр селекционных до- собранных в Лысогорском районе Саратовской области и

стижений в 2017-2018 гг. Для анализа устойчивости расте- Зерноградском районе Ростовской области в 2017 г., а так-

ний к стеблевой ржавчине использовали монопустульные же омскую популяцию патогена 2018 г.

Фитопатологическую оценку проводили по стандартной лабораторной методике на проростках (Jin et al., 2007). Образцы, взятые в анализ, выращивали в пластиковых кюветах 11x15x6 см, наполненных почвоторфяным грунтом «Terra Vita» на светоустановках при 21-23 °C с 14-часовым фотопериодом. В каждую кювету высаживали по 10 образцов (по три растения на образец) плюс восприимчивый контроль - сорт Хакасская. Десятидневные проростки с полностью развернутым первым листом инокулировали суспензией спор P. graminis (концентрация 1 мг/мл). Инокули-рованные растения помещали во влажную камеру в темноту на 16 ч. при 24 °C и относительной влажности 100 %, а затем возвращали на светоустановку при 26 °C. Реакцию проростков образцов пшеницы на инокуляцию суспензией спор возбудителя стеблевой ржавчины учитывали на 10-12-е сутки после заражения по 4-балльной шкале E.C. Stakman и M.N. Levine (1962): «0» - отсутствие видимых симптомов (иммунная реакция); «0;» - мелкие некротические пятна, урединиопустулы отсутствуют; «1» - мельчайшие уре-диниопустулы, окруженные некротическими областями; «2» - небольшие урединиопустулы, окруженные некрозом или хлорозом; «3» - средние урединиопустулы, некроз отсутствует, могут быть окружены хлорозом; «4» - большие, часто сливающиеся урединиопустулы, как правило, без хлороза. Знаки «+» или «-», связанные с типом реакции, обозначают урединиопустулы, которые, соответственно, больше или меньше, чем классически описанные размеры. Типы реакции от «0» до «2» соответствуют устойчивости, «3» и «4» - восприимчивости образца. Оценку на устойчивость проводили в двух повторностях.

Анализ вирулентности P.graminis f. sp. tritici был выполнен на наборе из 20 почти изогенных линий-дифференциаторов (North American differential set: Sr5, Sr21, Sr9e, Sr7b, Sr11, Sr6, Sr8a, Sr9g, Sr36, Sr9b, Sr30, Sr17,

Sr9a, Sr9b, Sr10, SrTmp, Sr24, Sr31, Sr38, SrMcN), других линиях с Sr генами (Sr2compl, Sr8b, Sr11, Sr12, Sr13, Sr15, Sr17+13, Sr20, Sr22, Sr25, Sr26, Sr27, Sr28, Sr29, Sr32, Sr33+5, Sr33, Sr35, Sr36, Sr37, Sr39, Sr40, Sr44, SrDb, Sr WLD, SrWLD-1, Sr24+31, Sr36+31, Sr24+31, Sr31+36, Sr24+36, Sr2+23, Sr7a+12, Sr7b+18, Sr26+9g), сортах Аврора (Sr31) и Хакасская (восприимчивый контроль).

ДНК выделяли из 5-дневных проростков растений пшеницы СТАВ методом (Murray, Thompson, 1980). Для идентификации генов устойчивости использовали тесно сцепленные с ними маркеры, которые выявляют в ПЦР со специфичными праймерами: маркер csSr2 для гена Sr2 (Mago et al., 2011); Gb для Sr25/Lr19 (Ayala-Navarrete et al, 2007); Sr26#43 для Sr26 (Mago et al, 2005); scm9 для Sr31/Lr26 (Weng et al., 2007); csSr32#1 и csSr32#2 для гена Sr32 (Mago et al., 2013); Xcfa2071 и XBF485004 для Sr35 (Zhang et al., 2010); Xcmwg682 для Sr38 (Helguera et al. 2003); Xwmc477 и Xstm773-2 для Sr36 (Tsilo et al., 2008) wPt-7004-PCR и Xwmc332 для Sr28 (Rouse et al., 2012) csLV34 для Sr57/Lr34 (Lagudah et al., 2006). В качестве положительного контроля реакции использовали изо-генные линии или сорта, несущие анализируемые гены, в качестве отрицательного контроля - восприимчивый сорт Хакасская. ПЦР проводили в амплификаторе C1000 Thermal Cycler (Bio-Rad). Продукты амплификации разделяли методом электрофореза в 2 % агарозных гелях, окрашенных бромистым этидием, при напряженности 100 В в 0,5x ТБЕ буфере. В качестве маркера молекулярной массы использовали GeneRulerTM 50kb DNA Ladder (Fermentas). Все ПЦР для анализируемых образцов пшеницы со всеми праймерами проводили не менее, чем в двух повторностях. Наличие или отсутствие искомого Sr гена определяли по наличию или отсутствию соответствующего диагностического фрагмента для маркера, сцепленного с этим геном.

Результаты

Фитопатологический анализ устойчивости к возбудителю стеблевой ржавчины

Для анализа устойчивости сортов были взяты омская популяция возбудителя стеблевой ржавчины 2018 г. и мо-нопустульные изоляты PgtF1 и PgtZ1, выделенные из саратовской и ростовской популяций патогена. Против омской популяции гриба эффективны гены Sr2, Sr9e, Sr30, Srl3, Sr25, Sr26, Sr32, Sr35, Sr20, Sr27, Бг37, Sr31 и сочетания генов Sr24+Sr31, Sr36+Sr31, Sr26+Sr9g. Расы мо-нопустульных изолятов представлены в таблице 1. Нужно отметить, что ген Sr31 пока сохраняет эффективность на территории Российской Федерации.

Результаты лабораторной оценки устойчивости сортов к стеблевой ржавчине на стадии проростков представлены в таблице 2. Из 32 сортов пшеницы, 11 сортов (34.4 %) были устойчивы как к монопустульным изолятам гриба, так и к омской популяции патогена. Это сорта озимой мягкой пшеницы Обская озимая, Астарта, Леонида, Веха, Велена, Караван, Безостая 100, Алексеич, Степь, Жива и Ваня.

Сорта Прииртышская, Везелка, Базис, Универсиада, Дуплет и Граф были восприимчивы. Сорта Даная, Поволжская нива, Дарина, Туранус, Клавдия 2, Стрелецкая 12, Вид и Сварог устойчивы к омской популяции патогена.

Сорт Италмас устойчив к омской популяции гриба и моно-пустульному изоляту PgtZ1.

Все шесть изученных яровых сортов мягкой пшеницы были восприимчивы к монопустульному изоляту PgtZ1. Сорт Арабелла был устойчив к монопустульному изоля-ту, выделенному из лысогорской популяции патогена, и к омской популяции Р. graminis. Сорта Каликсо и Сонетт устойчивы к омской популяции патогена, а сорт Рима средне устойчив (тип реакции 2+) к монопустульному изоляту PgtF1. Сорта Воронежская 18 и Ликамеро были восприимчивы.

Идентификация генов устойчивости

У изученных сортов идентифицирован ген Sr31, который обусловливает устойчивость к местным популяциям Р graminis, но неэффективен к расе ^99 (табл. 2). Для его идентификации был использован маркер scm9, выявляющий ржаную транслокацию 1BL.1RS, несущую кластер генов устойчивости к стеблевой (5г31), бурой (Ьг26), желтой ^г9) ржавчинам и мучнистой росе (Рт8). С использованием молекулярного маркера scm9 транслокация 1RS.1BL идентифицирована у 14 сортов (43.75 %). Все сорта, устойчивые ко всем, взятым в анализ изолятам гриба и омской популяции патогена, имели транслокацию 1RS.1BL (5г31). У сортов Дуплет, Сварог, Стрелецкая 12 также была выявлена транслокация 1RS.1BL (5г31),

однако эти сорта были восприимчивы к стеблевой ржавчине, что указывает на их гетерогенность по транслокации 1RS.1BL (5г31). Для подтверждения гетерогенности образцов каждого из трех сортов было взято по 10 зерен, из каждого выделена ДНК и поставлена ПЦР с праймера-ми на маркер scm9. Результаты ПЦР анализа подтвердили гетерогенность данных сортов по гену 5г31 (рис.).

Ген возрастной устойчивости 5г57(Ьг34/Уг18/Рт38) идентифицирован у пяти озимых сортов с использованием маркера csLV34. С использованием маркеров wPt-7004-PCR и wmc332 у сорта Велена идентифицирован ген !5г28, не эффективный против российских популяций стеблевой ржавчины, но эффективный против расы ^99. Гены 5г2, Бг24, Бг25, Бг26, Бг32, Бг35, Бг36, Бг38, 5г1АЖ в анализируемом материале обнаружены не были.

Таблица 1. Вирулентность монопустульных изолятов Puccinia graminis f.sp. tritici

Изолят Раса Вирулентность к линиям с Sr-генами (20 линий - дифференциаторов) Количество генов вирулентности

PgtFl SGDTF 5,21,9e,6, 30, 9а, 9d,10,Tmp,38,McN 11

PgtZl TKTTF 5,21,9е,7Ь,6,8а^,36,9Ь,30,17,9а,9^10,Ттр,38, McN 17

Таблица 2. Результаты фитопатологического анализа сортов пшеницы и идентификации Sr-генов

Устойчивость к P. graminis

(типы реакции растений на

Сорт Оригинатор заражение) Sr гены

PgtF1 омская PgtZ1

популяция

яровая пшеница

Арабелла Danko Hodowla Roslin sp. ZO.O. Poland 2 1-2 4 -*

Воронежская 18 НИИСХ Центрально-Черноземной полосы имени В.В. Докучаева 3- 3+ 4 -

Каликсо 3 1 3+

Secobra Recherches S.A.S France

Ликамеро 3- 3 3 -

Сонетт Lantmannen SW seed AB Sweden 4 1 4 -

Рима Федеральный Научный Агроинженерный Центр ВИМ 2++ 3 3 -

озимая пшеница

Прииртышская Омский Аграрный Научный Центр 4 3 3 -

Даная Федеральный Научный Агроинженерный Центр ВИМ 4 3 3+ -

Обская озимая Федеральный Исследовательский Центр Институт 1 1 1 Sr31

Цитологии и Генетики Сибирского Отделения РАН

Астарта Институт Физиологии Растений и Генетики НАН Украины 10; 0; 0 Sr31

Везелка Белгородский Федеральный Аграрный Научный Центр РАН 3 3 3 -

Поволжская нива Поволжский НИИ Селекции и Семеноводства им. П.Н. Константинова 4 1 4 -

Дарина Федеральный Исследовательский Центр Казанский Научный 3 2 4 -

Универсиада Центр Российской Академии Наук 3 3 3 -

Базис Самарский НИИСХ 3 3 3+ Sr57/Lr34

Леонида крестьянское хозяйство Ивашова Александра Дмитриевича 2- 1 2 Sr31

Туранус Saatzucht Donau GMBH & COKG Austria 4 1 1 -

Клавдия 2 Пензенский Научно-Исследовательский Институт Сельского Хозяйства 3 1; 3+ -

Стрелецкая 12 ООО Зернобобовые культуры-Центр 3 1 4 Sr31

Италмас Удмуртский Научно-Исследовательский Институт Сельского Хозяйства 3 2 3 -

Веха 0; 1= 0 Sr31

Вид 3- 1 4 -

Сварог Национальный Центр Зерна имени П.П. Лукьяненко 4 0; 4 Sr31

Безостая 100 ООО НПО 'Кубаньзерно 1- 1 0; Sr31+Sr57

Алексеич 1- 0; 1 Sr31

Жива 1= 1 0; Sr31+Sr57

Велена 0; 0; 0; Sr31+Sr28

Караван 0 1; 2 Sr31

Дуплет Степь Национальный Центр Зерна Имени П.П. Лукьяненко 4 1- 3 1- 4 1 Sr31+Sr57 Sr31

Граф 4 3 4 -

Ваня 1= 0; 0; Sr31+Sr57

Хакасская** 4 4 4 -

*"-" - гены не идентифицированы; ** - восприимчивый контроль

Рисунок. Подтверждение гетерогенности сорта Стрелецкая 12 по транслокации 1RS.1BL (5г31), маркер scm9. М - маркер молекулярного веса (50 п.н.), 1-10 образцы зерна Стрелецкая 12, «Хак» - сорт Хакасская (отрицательный контроль), «Авр» - сорт Аврора (5г31), «К» - контроль без ДНК. Стрелкой показан диагностический фрагмент 207 п.н.

Обсуждение

В связи с усилением вредоносности стеблевой ржавчины, во всем мире проводится молекулярный скрининг генов устойчивости к болезни (5г генов) у яровых и озимых сортов мягкой пшеницы. В США гены устойчивости 5г2, 5г6, 5г17, 5г24, 5г31, 5г36 и 5гТтр распространены в сортах озимой пшеницы, а в сортах яровой пшеницы - 5г6, 5г9Ь, 5г11 и 5г17 (Ко1тег et а1., 2007). При анализе китайских сортов пшеницы идентифицированы гены 5г2, 5г31, 5г25 и 5г38 (Хи et а1., 2918), а также 5г28 ^ et а1., 2016). В последние годы гены устойчивости к стеблевой ржавчине идентифицируют и у европейских сортов пшеницы. Так, например, в хорватских сортах были выявлены гены 5г8а, 5г31, 5г36 и 5г38 ^ратс et а1., 2015), а в немецких сортах широко распространен 5г38 и несколько реже встречаются 5г31 и 5г24 et а1., 2018).

У новых российских сортов пшеницы в основном были идентифицированы гены 5г31 и 5г57. Ген 5г31 на настоящий момент - единственный эффективный ген против всех российских популяций возбудителя стеблевой ржавчины (Baranova et а1., 2019). Как упоминалось выше, он интрогрессирован в пшеницу от ржи (Беса1е сегеа1е L.), локализован в транслокации 1BL.1RS и тесно сцеплен с генами устойчивости к бурой ^г26) и желтой (Yr9) ржавчинам, а также к мучнистой росе (Рт8). К настоящему времени транслокация 1BL/1RS присутствует более чем в 650 сортах мягкой пшеницы в Европе, Азии, Австралии и Америке (Булойчик, Долматович, 2015). Сорта Аврора и Кавказ - носители 1BL/1RS, долгое время использовались в качестве родительских форм при создании устойчивых к стеблевой ржавчине сортов. Среди российских сортов пшеницы транслокация 1BL/1RS представлена, например, в озимых сортах пшеницы, селекции Национального центра зерна имени П.П. Лукьяненко (Беспалова и др., 2012,

2019, Давоян и др., 2014). Так, в настоящей работе из 14 сортов с геном Sr31 девять оказались сортами озимой пшеницы селекции ФГБНУ «НЦЗ им. П.П.Лукьяненко». Из проанализированных 32 новых сортов пшеницы в пяти (Базис, Безостая 100, Жива, Дуплет и Ваня) идентифицирован ген Sr57(Lr34/Yr18/Pm38). Локус Lr34/Sr57/Yr18// Pm38 широко распространен в сортах российской селекции, в основном Северо-Кавказском и Нижневолжском регионах (Гультяева, 2012; Вожжова, 2018; Шишкин и др., 2018). Сорта пшеницы, содержащие локус Lr34/Yr18/Sr57/ Pm38, детерминирующий возрастную устойчивость по типу "slow rusting" часто восприимчивы к стеблевой ржавчине (Волуевич, 2016). Однако показано, что STS маркер гена Lr34 - csLV34 тесно ассоциирован с устойчивостью к Ug99 в озимых и яровых сортах CIMMYT (Yu et al., 2014). И, кроме того, показано взаимодействие Lr34/Yr18/Sr57/ Pm38 с другими генами устойчивости. Так, при сочетании Lr34 с геном устойчивости к стеблевой ржавчине SrCad наблюдался аддитивный эффект - значительное повышение устойчивости к расе возбудителя стеблевой ржавчины Ug99 (Hiebert et al., 2010).

Надо отметить, что сорта озимой мягкой пшеницы Обская озимая, Астарта, Леонида, Велена, выделенные как устойчивые к стеблевой ржавчине на стадии проростков в настоящей работе, по данным оригинаторов также устойчивы в полевых условиях к бурой ржавчине (Гос-сорткомиссия). Сорт Караван устойчив к желтой ржавчине, а сорта Степь и Ваня - к бурой и желтой ржавчинам. Сорта Веха и Алексеич по данным оригинатора (ФГБНУ «НЦЗ им. П.П.Лукьяненко») и сорта Безостая 100 и Жива по данным И.П.Матвеевой с соавторами (2019) высокоустойчивы ко всем трем видам ржавчины (бурой, желтой и стеблевой) в полевых условиях.

Заключение

Таким образом, среди российских сортов, внесенных в Государственный реестр селекционных достижений в 2017-2018 гг., выделены высокоустойчивые к стеблевой ржавчине сорта с идентифицированными генами устойчивости: Астарта, Веха, Обская озимая, Леонида, Караван, Алексеич и Степь с геном 5г31, Велена (5г31+5г28) и сорта Безостая 100, Жива и Ваня с сочетанием генов

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за предоставленный семенной материал доктору с.-х. наук, заведующему лабораторией селекции пшеницы на устойчивость к болезням ФГБНУ «НЦЗ им П.П. Лукьяненко» Абло-вой Ирине Борисовне и начальнику отдела развития продуктов, АО Фирма «Август» Белову Дмитрию Александровичу.

5г31+5г57. Следует отметить, что сорта Велена, Жива, Ваня и Безостая 100 имеют сочетания гена 5г31, эффективного против российских популяций Р graminis £ sp. 1гШс1, и генов 5г28 и 5г57, эффективных против биотипов расы ^99, что делает их перспективными для возделывания в условиях эпифитотийного развития болезни.

Беспалова ЛА, Аблова ИБ, Худокормова ЖН, Пузырная ОЮ и др. (2019) Генетическая защищенность сортов озимой пшеницы от ржавчинных болезней. Рисоводство. 4(45):30-37 Беспалова ЛА, Васильев АВ, Аблова ИБ, Филобок ВА и др. (2012) Применение молекулярных маркеровв селекции пшеницы в краснодарском НИИСХ им. П.П. Лукьяненко. Вавилов-ский журнал генетики и селекции 16(1):37-43 Булойчик АА, Долматович ТВ (2015) Молекулярная идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине в озимых сортах пшеницы, выращиваемых в Беларуси. Весц Нацыянальнай акадэмп навук БеларуЫ Серыя бiялагiчных навук 3:46-50 Василова НЗ, Асхадуллин ДФ, Асхадуллин ДФ (2017) Эпифи-тотия стеблевой ржавчины на яровой пшенице в Татарстане. Защита и карантин растений 2:27-28 Вожжова НН (2018) Идентификация гена устойчивости к бурой ржавчине Lr34 в сортах и коллекционных образцах озимой мягкой пшеницы Аграрного научного центра «Донской». Ва-виловский журнал генетики и селекции 22(3):329-332. https:// doi.org/10.18699/VJ18.368 Волкова ГВ, Синяк ЕВ (2011) Эффективные гены устойчивости пшеницы к возбудителю стеблевой ржавчины пшеницы на юге России. Наука Кубани 2:34-36 Волуевич ЕА (2016) Плейотропные эффекты генов устойчивости мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) к биотрофным грибным патогенам. Весц нацыянальнай акадэмп навук беларуЫ Серыя бiялагiчных навук 2:115-125 Госсоркомиссия. Электронный ресурс: http://gossortrf.ru/ (просмотрено 29 мая 2020). Гультяева ЕИ (2012) Генетическое разнообразие российских сортов мягкой пшеницы по устойчивости к возбудителю бурой ржавчины. Доклады Российской Академии сельскохозяйственных наук 2:29-32 Давоян ЭР, Беспалова ЛА, Давоян РО, Зубанова ЮС и др. (2014) Использование молекулярных маркеров в селекции пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине в Краснодарском НИИСХ им. П.П. Лукьяненко. Вавиловский журнал генетики и селекции 18(4/1):732-738 Матвеева ИП, Ким ЮС, Ваганова ОФ, Мирошниченко ОО и др.(2019) Устойчивость широко районированных сортов озимой пшеницы различной селекции к эпифитотийно опасным заболеваниям: бурой, желтой, стеблевой ржавчине и желтой пятнистости листьев пшеницы в Краснодарском крае. Международный научно-исследовательский журнал 12(78):40-44. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.044 Сколотнева ЕС, Кельбин ВН, Моргунов АИ, Бойко НИ, и др. (2020) Расовый состав новосибирской популяции Puccinia graminis f. sp. tritici. Микология и фитопатология 54(1):49-58. https://doi.org/10.31857/S0026364820010092 Шишкин НВ, Дерова ТГ, Гультяева ЕИ, Шайдаюк ЕЛ (2018) Определение генов устойчивости к бурой ржавчине у сортов озимой мягкой пшеницы с использованием традиционных и современных методов исследований. Зерновое хозяйство России 5(59):63-67. https://doi. org/10.31367/2079-8725-2018-59-5-63-67 Ayala-Navarrete L, Bariana HS, Singh RP, Gibson JM et al. (2007) Trigenomic chromosomes by recombination of Thinopyrum intermedium and Th. ponticum translocations in wheat. Theor Appl Genet 116:63-75. https://doi.org/10.1007/s00122-007-0647-5 Baranova OA, Sibikeev SN, Druzhin A E (2019) Molecular identification of the stem rust resistance genes in the introgression lines of spring bread wheat. Vavilov J of Genet and Breeding 23(3):296-303. https://doi.org/10.18699/VJ19.494 CIMMYT. Available online: https://rusttracker.cimmyt.org/7page_

id=22 (просмотрено 29 мая 2020). Flath K, Miedaner T, Olivera P, Matthew N et al. (2018) Genes for wheat stem rust resistance postulated in German cultivars and their

список (References)

efficacy in seedling and adult-plant field tests. Plant Breeding 1-12. https://doi.org/10.1111/pbr. 12591 Hailu A, Woldeab G, Dawit W, Hailu E (2015) Distribution of Wheat Stem Rust (Puccinia Graminis F. Sp. Tritici) in West and Southwest Shewa Zones and Identification of its Physiological Races. Adv Crop Sci Tech 3:189. https://doi.org/10.4172/2329-8863.1000189 Helguera M, Khan IA, Kolmer J, Lijavetzky D et al. (2003) 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 43:1839-1847

Hiebert CW, Fetch TG, Zegeye T, Thomas JB et al (2011) Genetics and mapping of seedling resistance to Ug99 stem rustin Canadian wheat cultivars 'Peace' and 'AC Cadillac'. Theor Appl Genet 122:143-149. https://doi.org/10.1007/s00122-010-1430-6 Jin Y, Singh RP, Ward RW, Wanyera R et al. (2007) 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 Disease 91:1096-1099 Kolmer JA, Jin Y, and Long D L (2007) Wheat leaf and stem rust in the

United States. Australian J of Agricultural Research 58:631-638 Lagudah ES, McFadden H, Singh RP, Huerta-Espino J et al. (2006) Molecular genetic characterization of the Lr34/Yr18 slow rusting resistance gene region in wheat. Theor Appl Genet 114:21-30 Li TY, Cao YY, Wu XX, Xu XF et al. (2016) Seedling Resistance to Stem Rust and Molecular Marker Analysis of Resistance Genes in Wheat Cultivars of Yunnan, China. PLOS ONE 11(10) e0165640. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0165640. Mago R, Bariana HS, Dundas IS, Spielmeyer W et al. (2005) Development of PCR markers for the selection on wheat stem rust resistance genes Sr24 and Sr26 in diverse wheat germplasm. Theor Appl Genet 111:496-504. https://doi.org/10.1007/ s00122-005-2039-z. Mago R, Simkova H, Brown-Guedira G, Dreisigacker S, et al. (2011) An accurate DNA marker assay for stem rust resistance gene Sr2 in wheat. Theor Appl Genet 122:735-744. https://doi.org/10.1007/ s00122-010-1482-7. Mago R, Verlin D, Zhang P, Bansal U et al. (2013) Development of wheat-Aegilops speltoides recombinants and simple PCR-based markers for Sr32 and a new stem rust resistance gene on the 2S#1 chromosome. Theor Appl Genet 126:2943-2955. https://doi. org/10.1007/s00122-013-2184-8 Murray MG, Thompson WF (1980) Rapid isolation of high molecular

weight plant DNA. Nucleic Acids Research. 4321-4325. Rouse MN, Nava IC, Chao S, Anderson JA et al. (2012) Identification of markers linked to the race Ug99 effective stem rust resistance gene Sr28 in wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet 125:877-885. https://doi.org/10.1007/s00122-012-1879-6 Sibikeev SN, Druzhin AE, Vlasovec LT, Golubeva TD et al. (2017) The reaction of introgression lines of spring bread wheat to leaf rust, stem rust and tan spot in 2016. Annual Wheat Newsletter KSU USA 63:57-58.

Spanic V, Rouse MN, Kolmer JA, Anderson JA (2015) Leaf and stem seedling rust resistance in wheat cultivars grown in Croatia. Euphytica 203:437-448. https://doi.org/10.1007/ s10681-014-1312-0 Stakman EC, Stewart DM, Loegering WQ (1962) Identification of physiologic races of Puccinia graminis var. tritici. United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service E-617 (rev).

Tsilo TJ, Jin Y, Anderson JA (2008) Diagnostic microsatellite markers for detection of stem rustresistance gene Sr36 in diverse genetic backgrounds of wheat. Crop Sci 48:253-261. https://doi. org/10.2135/cropsci2007.04.0204 Weng Y, Azhaguvel P, Devkota RN, Rudd JC (2007) PCR-based markers for detection of different sources of 1AL.1RS and 1BL.1RS wheat-rye translocations in wheat background. Plant Breeding 126:482-486. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.2007.01331.x

Xu X, Yuan D, Li D, Gao Y et al. (2018) Identification of stem rust Zhang W, Olson E, Saintenac C, Rouse M etal. (2010) Genetic maps of

resistance genes in wheat cultivars in China using molecular markers. PeerJ. 6:e4882. https://doi.org/10.7717/peerj.4882 Yu L-X, Barbier H, Rouse MN, Singh S et al. (2014) A consensus map for Ug99 stem rust resistance loci in wheat. Theor Appl Genet 127:1561-1581. https://doi.org/10.1007/s00122-014-2326-7

stem rust resistance gene Sr35 in diploid and hexaploid wheat. Crop Sci 50:2464-2474. https://doi.org/10.2135/cropsci2010.04.0202

Translation of Russian References

Bespalova LA, Ablova IB, Khudokormova ZhN, Puzyrnaya OYu et al. (2019) [Genetic protection of winter wheat varieties from rust diseases]. Risovodstvo. 4(45):30-37 (In Russian) Bespalova LA, Vasilyev AV, Ablova IB, Filobok VA et al. (2012) [The use of molecular markers in wheat breeding at the Lukyanenko Agricultural Research Institute]. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii 16(1):37-43 (In Russian) Buloychik AA, Dolmatovich TV (2015) [Molecular identification of resistance genes to leaf rust of winter wheat varieties released in the areas of the republic of Belarus]. Vestsi Natsyyanalnay akademii navukBelarusi Seryya biyalagichnykh navuk 3:46-50 (In Russian) Vasilova NZ, Askhadullin DF, Askhadullin DF (2017) [Stem rust epiphytotic on soft spring wheat in Tatarstan]. Zashchita i karantin rasteniy 2:27-28 (In Russian) Vozhzhova NN (2018) [Identification of the Lr34 gene for resistance to leaf rust in varieties and collection samples of winter soft wheat from the Agricultural Research Center "Donskoy"]. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii 22(3):329-332. https://doi.org/10.18699/ VJ18.368 (In Russian) Volkova GV, Sinyak YEV (2011) [Effective resistance genes to the causative agent of stem rust of wheat in southern Russia]. Nauka Kubani 2:34-36 (In Russian) Voluyevich YEA (2016) [Pleiotropic effects of resistance genes of common wheat (Triticum aestivum L.) to biotrophic fungal pathogens]. Vestsi natsyyanalnay akademii navuk belarusi Seryya biyalagichnykh navuk 2:115-125 (In Russian)

Plant Protection News, 2020, 103(2), p. 113-118 OECD+WoS: 4.01+AM (Agronomy)

Gultyayeva YEI (2012) [Genetic diversity of Russian varieties in common wheat by resistance to stem rust exciter]. Doklady Rossiyskoy Akademii selskokhozyaystvennykh nauk 2:29-32 (In Russian)

Davoyan ER, Bespalova LA, Davoyan RO, Zubanova YUS et al. (2014) [Use of molecular markers in wheat breeding for resistance to leaf rust at the Lukyanenko Research Institute of Agriculture]. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii 18(4/1):732-738 (In Russian)

Matveyeva IP, Kim YuS, Vaganova OF, Miroshnichenko OO et al. (2019) [Stability of widely distributed varieties of winter wheat of different selection to epphytotically dangerous diseases: brown, yellow, stem rust, and yellow spots of wheat leaves in Krasnodar Region]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal 12(78):40-44. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.044 (In Russian)

Skolotneva YES, Kelbin VN, Morgunov AI, Boyko NI et al. (2020) [Races Composition of the Novosibirsk Population of Puccinia graminis f. sp. tritici]. Mikologiya i fitopatologiya 54(1):49-58. https://doi.org/10.31857/S0026364820010092 (In Russian)

SHishkin NV, Derova TG, Gultyayeva YEI, SHaydayuk YEL (2018) [Identification of the genes resistant to brown rust in winter soft wheat varieties with the use of conventional and modern research methods]. Zernovoye khozyaystvo Rossii 5(59):63-67. https://doi. org/10.31367/2079-8725-2018-59-5-63-67 (In Russian)

https://doi.org/10.31993/2308-6459-2020-103-2-4936

Full-text article

MOLECULAR IDENTIFICATION OF STEM RUST RESISTANCE GENES IN NEW REGIONAL WHEAT VARIETIES O.A. Baranova

All-Russian Institute of Plant Protection, St. Petersburg, Russia

e-mail: baranova_oa@mail.ru

Harmfulness of stem rust (Puccinia graminis f. sp. tritici) constantly increases and virulent races, including Ug99 group, are spreading on the territory of Russian Federation. Analysis of diversity in resistance genes (Sr genes) of Russian wheat varieties is therefore of great importance. In this study, 32 new soft wheat varieties, included in the State Register of Breeding Achievements in 2017-2018, were evaluated for resistance to stem rust at the seedling stage, and Sr genes were identified using molecular markers. To analyze the resistance of the varieties, the Omsk stem rust pathogen population 2018 years was used, as well as monopustule isolates PgtF1 and PgtZ1 from Saratov and Rostov pathogen populations. Phytopathological analysis was carried out using standard laboratory methods. The virulence analysis of the P. graminis f. sp. tritici was performed against a set of 20 differentiators (North American differential set) and 35 additional Sr lines. To identify the resistance genes (Sr2, Sr24, Sr25, Sr26, Sr28, Sr31, Sr32, Sr35, Sr36, Sr38, Sr57, and Sr1A1R), specific primers were used. Among the bread wheat varieties analyzed, those with high resistance to stem rust and known resistance genes were identified: Astarta (Sr31), Vekha (Sr31), Obskaya Ozimaya (Sr31), Leonida (Sr31), Karavan (Sr31), Alekseich (Sr31), Step' (Sr31), Bezostaya 100 (Sr31+Sr57), Zhiva (Sr31+Sr57) Vanya (Sr31+Sr57) and Velena (Sr31+Sr28). The latter four varieties possessed combinations of the Sr31 gene, effective against Russian populations of P. graminis f. sp. tritici, and Sr28 and Sr57 genes, effective against the Ug99 race group. These features make these varieties promising for cultivation under conditions of epiphytotic development of the pathogen.

Keywords: wheat, resistance, stem rust, Puccinia graminis f. sp. tritici, Sr genes, molecular markers

Received: 10.03.2020

Accepted: 29.05.2020