МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ СКРИНИНГ НОВЫХ РОССИЙСКИХ СОРТОВ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ ПО УСТОЙЧИВОСТИ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

26

Вестник защиты растений, 1, 2014

УДК 635.938.1:633.11

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ СКРИНИНГ НОВЫХ РОССИЙСКИХ СОРТОВ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ ПО УСТОЙЧИВОСТИ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ

Е.И. Гультяева, А.С. Садовая, Е.Л. Шайдаюк

Всероссийский НИИ защиты растений, Санкт-Петербург

Изучена устойчивость к возбудителю бурой ржавчины 43 сортов мягкой пшеницы, рекомендуемых к возделыванию в РФ в 2012-2013 гг. С использованием фитопатологических и молекулярных методов проведена идентификация Ьт-генов. Выявлены высокоустойчивый сорт яровой пшеницы -Челяба 75, защищенный новым, ранее в селекции неиспользованным Ьт-геном, предположительно переданным от Лв§11оря и 4 сорта, имеющих ген Ьт9 (Немчиновская 17, Сибирский аль-

янс, Новосибирская 18, Апасовка). В результате полевой оценки 2012-2013 гг. подтверждается тенденция увеличения числа районированных озимых сортов северокавказской селекции, устойчивых в полевых условиях.

Ключевые слова: бурая ржавчина, ТтШсиш аевНшт, молекулярные маркеры, Ьт-гены.

Использование в селекции генетически однородных доноров и выращивание на больших площадях сортов с одинаковыми Ьт-генами обуславливает быструю потерю их эффективности. В РФ селекция на устойчивость к бурой ржавчине ведется более полувека и за этот период достигнуты определенные успехи. Проводимое в ВИЗР ежегодное тестирование рекомендуемых к районированию в РФ сортов мягкой пшеницы демонстрирует заметное увеличение доли устойчивых в 2000-х годах по сравнению с 1990-ми. При этом показано, что большинство устойчивых образцов защищено генами Ьт9 и Ьт19 (Новожилов и др., 1998; Гультяева и др., 2009; Гультяева, 2012а). Концентрация генетически однородных сортов в пределах одного региона привела к потере эффективности гена Ьт9 в Западной Си-

Методика

Материалом служили 27 сортов озимой пшеницы и 16 яровой. В качестве контроля использовали 52 Ьт-линии (Ьт1-Ьт52). Все сорта и Ьт-линии оценивали по устойчивости к бурой ржавчине в фазе проростков и взрослых растений. Для проведения фитопатологического теста использовали клоны гриба, маркированные вирулентностью к линиям с генами Ьт9, Ьт19, Ьт20 и Ьт26. Полевую оценку сортов проводили на опытном поле ВИР в 2012 и 2013 годах в условиях искусственного инфекционного фона.

бири и гена Lr19 в Поволжье (Сибикеев, Крупнов, 2007; Мешкова и др., 2008). Однако их доноры также использовались и в других селекцентрах, в связи с чем проведение скрининга российских сортов, впервые включенных в Государственный реестр селекционных достижений РФ, является актуальным. Полученная информация о генетической основе устойчивости новых сортов позволит прогнозировать изменения в расовом составе российских популяций гриба Puccinia triticina Erikss. и скоординировать стратегию селекции.

Целью нашего исследования являлась оценка устойчивости к возбудителю бурой ржавчины сортов мягкой пшеницы, включенных в Государственный реестр селекционных достижений РФ в 2012 и 2013 годах, и идентификация у них Lr-генов.

исследований

С помощью ПЦР-маркеров провели идентификацию 16 Lr-генов (Lr1, Lr9, Lr10, Lr19, Lr20, Lr21, Lr24, Lr25, Lr26, Lr28, Lr29, Lr34, Lr35, Lr37, Lr41 и Lr47) (http:// maswheat.ucdavis.edu/protocols; Гультяева, 20126). ДНК выделяли микрометодом по методике Д.Б.Дорохова и Э.Клоке (1997). Амплификацию проводили по протоколам, предложенным авторами прайме-ров. Амплифицированные фрагменты разделяли с помощью электрофореза в 1.5% агарозном геле в 1хТВЕ буфере, который был окрашен бромистым этидием.

Результаты исследований

При лабораторной оценке выявлено два сорта озимой пшеницы (Юка и Крыжина) и один яровой (Челяба 75), высоко устойчивые к бурой ржавчине. Эти сорта были устойчивы при инокуляции спорами каждой из популяций и клонами возбудителя. Яровые сорта

Апасовка, Новосибирская 18, Сибирский альянс, Сибирская 17 и озимый Немчиновская 17 показали устойчивость к изолятам, авиру-лентным к линии ТсЬт9, но имели тип реакции восприимчивости при инокуляции вирулентными клонами. Данный факт предполагает на-

Вестник защиты растений, 1, 2014 личие у них гена Lr9.

В результате полевой оценки 2012-2013 гг. высокий уровень устойчивости (тип реакции 0) показали озимые сорта Бригада, Калач 60, Эпоха Одэська, Немчиновская 17 и яровые Челяба 75, Апасовка, Новосибирская 18, Сибирская 17, Сибирский альянс. Аналогичный уровень устойчивости имели контрольные Lr-линии с генами Lr9, Lr19, Lr24, Lr25, Lr28, Lr29, Lr40, Lr41, Lr42, Lr45, Lr47, Lr49, Lr50. На сортах Майкопчанка, Юка, Трио, Изюминка отмечены единичные пустулы; развитие болезни на них не превышало 1%, а на сортах Донна, Золушка, Крыжина, Снигурка, Чорнява

- 5%. Аналогичное развитие болезни наблюдалось на линиях Т^г18, Тс£г23, Lr48. Сорта Камышанка 5, Багира, Альмера, Льговская 8, Табор характеризовались относительной устойчивостью (развитие болезни до 15%), а сорта Виола, Миссия, Тарасовская 70, Курьер

- умеренной восприимчивостью (20-30%). Сходное развитие отмечено на линиях с генами Lr22a (15%), Т^г32, Lr38 (10%), Lr37, ТсLr52(W) (20%). К группе восприимчивых относились сорта Уралосибирская, Магия, Этнос (50%), Саратовская 74, Ульяновская 100, Надежда (80%), Колос Оренбуржья, Бурятская 551, Серебристая, Сударыня, Тюменская 25 (90-100%).

Тестирование с помощью молекулярных маркеров показало, что у изучаемых сортов не имеется генов ювенильной устойчивости -

Lr19, Lr20, Lr24, Lr25, Lr28, Lr29, Lr41, Lr47 и генов возрастной устойчивости - Lr21, Lr35 и Lr37.

При использовании маркера 8С85 ген Lr9 выявлен у сортов Немчиновская 17, Апа-совка, Новосибирская 18, Сибирская 17 и Сибирский альянс, что подтверждает результаты фитопатологического теста. При использовании маркера Б12245/ Ьг10-6/г2 ген Lr10 выявлен у сортов Эпоха Одэська, Этнос, Апасовка, Курьер, Новосибирская 18, Саратовская 74, Серебристая и Челяба 75. С помощью маркера 8СЫ9 ген Lr26 идентифицирован у 5 сортов: Крыжина, Курень, Юка, Уралосибирская, Курьер. Маркер csLV34 гена возрастной устойчивости Lr34 наблюдали у 6 сортов (Аль-мера, Калач 60, Крыжина, Майкопчанка, Бу-

рятская 551, Ульяновская 100), а маркер WR003 гена Lr1 - у 10 сортов (Крыжина, Эпоха Одэська, Юка, Багира, Магия, Табор, Трио, Челяба 75, Курьер, Сибирский альянс).

В результате изучения 43 новых районированных сортов мягкой пшеницы выявлен один высокоустойчивый сорт яровой пшеницы -Челяба 75. Этот сорт создан в ГНУ Челябинский НИИСХ с использованием комплексно устойчивых линий, полученных в ВИР с участием Aegilops speltoides, несущих гаметоцид-ный ген, сцепленный с Lr-геном (Одинцова др., 1991). В каталоге McIntosh c соавторами (2012) представлено шесть Lr-генов (Lr28, Lr35, Lr36, Lr47, Lr51 и Lr66), перенесенных в мягкую пшеницу от Ae. speltoides. С использованием молекулярных маркеров у сорта Челя-ба не выявлено генов Lr35, Lr47 и Lr28. Устойчивость сорта Челяба 75 (тип реакции 0) проявляется в ювенильной фазе и в фазе взрослых растений, вирулентные изоляты гриба не обнаружены. Ген Lr35 экспрессиру-ется только у взрослых растений пшеницы и характеризуется, преимущественно, как умеренно эффективный, что подтверждает неидентичность его гену сорта Челяба 75. Устойчивость образцов с генами Lr36, Lr51 и Lr66 проявляется по типу реакции от 0 до 1 балла с обязательным присутствием характерных некрозов (Helguera et al., 2005; Marais et al., 2010). При этом сорт Челяба 75 характеризуется типом реакции 0 при отсутствии некрозов и хлорозов. На основании этого у сорта Челяба 75 можно предположить наличие нового высокоэффективного ювенильного чужеродного Lr-гена. Наряду с этим геном у данного сорта идентифицированы гены Lr1, Lr10. Создание нового промышленного сорта, защищенного чужеродным Lr-геном, отличным от известных эффективных, демонстрирует значимые успехи российской селекции по переносу блока генов устойчивости к болезням и преодолению барьеров использования отдаленной гибридизации.

При этом прослеживается тенденция увеличения числа районированных сортов, защищенных геном Lr9 в Западно-Сибирском регионе. Среди 10 сортов, рекомендуемых для выращивания в этом регионе в 2012-2013 годах, четыре (Апасовка, Сибирский альянс, Но-

восибирская 18, Сибирская 17) являются носителями этого гена. Среди озимых также выявлен сорт Немчиновская 17, защищенный геном Lr9 и рекомендуемый для возделывания в Центральном регионе РФ. Ранее было показано наличие этого гена у сорта Немчиновская 24, широко выращиваемого в центральных регионах РФ (Тырышкин и др., 2006; Гультяева, 2012). Полученные сведения объясняют причину возрастания числа изолятов, вирулентных к линии в Западно-Сибирском регионе. Появление сортов с геном Lr9 в европейской части России в случае несоблюдения оптимальных площадей их выращивания в ближайшем будущем может способствовать преодолению эффективности этого гена и на европейской территории.

В результате полевой оценки 2012-2013 гг. подтверждается тенденция увеличения числа районированных озимых сортов северокавказской селекции, устойчивых в полевых условиях. У высоко- и умеренноустойчивых в полевых условиях сортов не выявлено высокоэффективных генов. У сортов Альмера, Калач 60, Камышанка 5, Майкопчанка идентифицирован ген Lr34, у сорта Эпоха Одэська - Lr1, Lr10, у сорта Юка - Lr1, Lr26, у сорта Крыжи-на - Lr1, Lr26, Lr34. У умеренно-восприимчивого сорта Курьер идентифицированы гены Lr1, Lr10, Lr26. Отсутствие у озимых сортов эффективных генов возрастной устойчивости предполагает, что высокий уровень их полевой устойчивости может быть обусловлен сочетанием Lr-генов, утративших эффективность. Аналогичные сведения получены А.И.Жемчужиной с соавторами (1992) при изучении озимых сортов северо-

Вестник защиты растений, 1, 2014 кавказской селекции в период 1985-1990 годов. При анализе 60 сортов у 47 из них выявлено 11 Lr-генов (Lr1, Lr2b, Lr2c, Lr3a, Lr10, Lr14a, Lr16, Lr17, Lr20, Lr23, Lr26), которые встречались по отдельности или в разных комбинациях. Большинство этих сортов были восприимчивы в фазе проростков, однако около 60% из них имели разный уровень полевой устойчивости. В современной литературе имеется ряд примеров эффективного пирамидиро-вания Lr-генов. По данным С.Н.Сибикеева и соавторов (2011), эффективно сочетание гена Lr19 с Lr26 и Lr37. Для создания сортов с длительной устойчивостью рекомендуется комбинация гена Lr13 с Lr34 и Lr16 (Samborski, Dyck, 1982).

Определено, что не только идентифицированные Lr-гены определяют уровень полевой устойчивости озимых сортов, поскольку ряд генотипов, также несущих эти гены, например, Ульяновская 100 (Lr34), относились к группе сильно восприимчивых. К сожалению, из-за отсутствия молекулярных маркеров для других малоэффективных Lr-генов невозможно определить сочетания, обеспечивающие повышение уровня устойчивости сорта.

Проведенный нами анализ разнообразия российских сортов по Lr-генам наглядно демонстрирует значимость генетического скрининга рекомендуемых к районированию сортов пшеницы и доноров устойчивости, используемых при их создании. Однако эффективная генетическая защита пшеницы от бурой ржавчины возможна только при налаживании единой координации и кооперации в распределении и использовании доноров устойчивости между российскими селекцентрами.

Гультяева Е.И. Генетическое разнообразие российских сортов мягкой пшеницы по устойчивости к возбудителю бурой ржавчины // Доклады Россельхозакадемии, 2012а, 2, с. 29-32.

Гультяева Е.И. Методы идентификации генов устойчивости пшеницы к бурой ржавчине с использованием ДНК-маркеров и характеристика эффективности Ьг-генов. СПб, Россельхозакадемия: ВИЗР, 2012 б, 72 с.

Гультяева Е.И., Канюка И.А., Алпатьева Н.В., Баранова О.А., Дмитриев А.П., Павлюшин В.А. Молекулярные подходы в идентификации генов устойчивости к бурой ржавчине у российских сортов пшеницы // Доклады РАСХН, 2009, 5, с. 23-26.

Дорохов Д.Б., Клоке Э. Быстрая и экономичная тех-

Литература

нология RAPD анализа растительных геномов // Молекулярная генетика, 1997, 3, 4, с. 443-450.

Жемчужина А.И., Назарова Л.Н., Дымченко А.М. Устойчивость сортов озимой пшеницы к бурой ржавчине // Селекция и семеноводство, 1992, 1, с. 6-11.

Мешкова Л.В., Росеева Л.П., Шрейдер Е.Р., Сидоров А.В. Вирулентность патотипов возбудителя бурой ржавчины пшеницы к ТЪЬг9 в регионах Сибири и Урала // Вторая Всероссийская конференция «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам». СПб, 2008, с. 70-73.

Новожилов К.В., Левитин М.М., Михайлова Л.А., Гультяева Е.И. Принципы использования исходного материала в селекции пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине

Вестник защиты растений, 1, 2014

// Вестник Российской академии с.-х.наук,1998, 1, с. 61-64.

Одинцова И.Г., Агафонова Н.А., Богуславский Р.Л. Интрогрессивные линии мягкой пшеницы с устойчивостью к бурой ржавчине, переданной от Aegilops speltoides // Исходный материал и проблемы селекции пшеницы и тритикале: Сборник научн. трудов по прикл. ботанике, генетике и селекции. ВИР, Л., 1991, 142, с. 106-110.

Сибикеев С.Н., Крупнов В.А. Эволюция листовой ржавчины и защита от нее в Поволжье // Вестник Саратовского госуниверситета им. Вавилова. Спецвыпуск, 2007, с. 92-94.

Сибикеев С.Н., Маркелова Т.С., Дружин А.Е. и др. Оценка набора интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы селекции НИИСХ Юго-Востока на устойчивость к расе стеблевой ржавчине ^99+8г24 (ТТК5Т) // Доклады РАСХН, 2011, 2, с. 3-5.

Тырышкин Л.Г., Гультяева Е.И., Алпатьева Н.В., Крамер И. Идентификация эффективных генов устойчи-

29

вости пшеницы Triticum aestivum к бурой ржавчине с помощью STS маркеров // Генетика, 2006, 42, 6, с. 812-817.

Helguera M., Vanzetti L., Soria M., Khan I. A., Kolmer J., Dubcovsky J. PCR Markers for Triticum speltoides leaf rust resistance gene Lr51 and their use to develop isogenic hard red spring wheat lines // Crop Sci., 2005, 45, p. 728-734.

Marais G.F., Bekker T.A., Eksteen A., McCallum B., Fetch T., Marais A.S. Attempts to remove gametocidal genes co-transferred to common wheat with rust resistance from Aegilops speltoides // Euphytica, 2010, 171, p. 71-85.

Mcintosh R.A., Dubcovsky J., Rogers J., Morris C., Appels R., Xia X.C. Catalogue of gene symbols for wheat: 2012 supplement // Wheat genetic resources database KOMUGI. 2012

http://www.shigen.nig.ac.jp/Wheat/komugi/genes/download.jsp

Samborski D.J., Dyck P.L. Enhancement of resistance to Puccinia recondita by interactions of resistance genes in wheat // Can. J. Plant Pathol., 1982, 4, p. 152-156.

MOLECULAR-GENETIC SCREENING OF MODERN RUSSIAN COMMON WHEAT VARIETIES FOR LEAF RUST RESISTANCE E.I.Gultyaeva, A.S.Sadovaya, E.L.Shaydayuk Resistance to Leaf rust fungus of 43 common wheat varieties recommended for cultivation in Russia in 2012-2013 was studied. Identification of Lr-genes was carried out by phytopathological and molecular methods. One highly resistant spring wheat variety Chelyaba 75 protected by new Lr-gene admittedly introduced from Aegilops speltoides, and 4 varieties with gene Lr9 (Nemchinovskaya 17, Sibirskii Al'yans, Novosibirskaya 18, Apasovka) were revealed. During field evaluations in 20122013, the tendency of increasing adult plant resistance in commercial winter wheat varieties recommended for the North Caucasian region was confirmed.

Keywords: leaf rust, Triticum aestivum, molecular markers, Lr-genes.

Е.И.Гультяева, к.б.н. gullena@rambler.ru А.С.Садовая, аспирант, sado4ek_29@mail.ru Е.Л.Шайдаюк, вед. агр.