vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2022-4-229-238vir-nw-1405Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESСорта озимой ржи, умеренно устойчивые к спорыньеWinter rye cultivars moderately resistant to ergothttps://orcid.org/0000-0002-3589-5524ЩеклеинаЛ. М.ShchekleinaL. M.

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, 

610007 Киров, ул. Ленина, 166а

Cand. Sci. (Agriculture), Senior Researcher, 

166a Lenina St., Kirov 610007

immunitet@fanc-sv.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2371-4949ШешеговаТ. К.SheshegovaT. K.

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией, 

610007 Киров, ул. Ленина, 166а

Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher, Head of a Laboratory, 

166a Lenina St., Kirov 610007

sheshegova.tatyana@yandex.ruФедеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н. В. РудницкогоРоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. RudnitskyRussian Federation2022211220221834229238Copyright © Щеклеина Л.М., Шешегова Т.К., 20222022Щеклеина Л.М., Шешегова Т.К.Shchekleina L.M., Sheshegova T.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1405Актуальность

Актуальность. Спорынья зерновых культур (возбудитель гриб Claviceps purpurea (Fr.) Tul.) – прогрессирующее заболевание озимой ржи. Устойчивые к болезни сорта ржи отсутствуют, а селекционные методы защиты в РФ не разработаны.

Материалы и методы

Материалы и методы. Материалом для исследований послужили 97 сортов озимой ржи. Проведен биохимический анализ склероциев гриба, изучен состав и содержание эргоалкалоидов (ЭА) в склероциях C. purpurea из Кировской популяции, исследована связь между биометрией склероциев и содержанием ЭА, токсичностью и патогенностью C. purpurea. Применяли общеизвестные методы оценки устойчивости и анализа ЭА.

Результаты и выводы

Результаты и выводы. Выделено 14 наименее поражаемых патогеном сортов: ‘Флора’, ‘Кипрез’, ‘Графиня’, ‘Лика’, ‘Батист’, ‘Симфония’, ‘Гармония’, ‘Садко’, ‘Паром’, ‘Вираж’, ‘Саратовская 7’, ‘Волхова’, ‘Новая Эра’, ‘Подарок’, которые могут быть использованы в селекции на устойчивость к спорынье. В склероциях C. purpurea идентифицированы три вида ЭА: эргокристин, эрготамин и его стереоизомер эргокристинин. Сорта ‘Лика’, ‘Симфония’ и ‘Гармония’ наименее поражаемы спорыньей, а формирующиеся на растениях этих сортов склероции не накапливают ЭА. Установлена достоверная (r = 0,50–0,60) зависимость между поражением и биометрическими показателями склероциев C. purpurea; между засоренностью зерна склероциями и их биометрией (r = 0,63–0,78). Выявлена слабая положительная связь (r = 0,22) между токсичностью и патогенностью C. purpurea. Обнаружена отрицательная связь между массой склероциев и накоплением в них ЭА (r = –0,46), что указывает на биологическую опасность мелких склероциев, попавших в семенные и продовольственные партии зерна. 

Background

Background. Cereal ergot caused by the fungus Claviceps purpurea (Fr.) Tul. is a progressive disease of winter rye. There are no rye cultivars resistant to the disease, and breeding methods of protection have not been developed in Russia.

Materials and methods

Materials and methods. The material for the research included 97 winter rye cultivars. A biochemical analysis of the sclerotia of the fungus was carried out, the composition and content of ergot alkaloids (EA) in the sclerotia of C. purpurea from the Kirov population were studied, and the relationship between the biometry of sclerotia and the EA content, toxicity and pathogenicity of C. purpurea was analyzed. Well-known methods of resistance assessment and EA analysis were applied.

Results and conclusions

Results and conclusions. Fourteen cultivars least affected by the pathogen were identified: ‘Flora’, ‘Kiprez’, ‘Grafinya’, ‘Lika’, ‘Batist’, ‘Simfoniya’, ‘Garmoniya’, ‘Sadko’, ‘Parom’, ‘Virazh’, ‘Saratovskaya 7’, ‘Volkhova’, ‘Novaya Era’, and ‘Podarok’. They can be used in breeding for ergot resistance. Three types of EA were identified in C. purpurea sclerotia: ergocristine, ergotamine, and its stereoisomer ergocristinine. Cvs. ‘Lika’, ‘Simfoniya’ and ‘Garmoniya’ were the least affected by ergot, and the sclerotia formed on the plants of these cultivars did not accumulate EA. A significant (r = 0.50–0.60) correlation was found between lesions and biometric parameters of C. purpurea sclerotia, and between grain contamination with sclerotia and their biometrics (r = 0.63– 0.78). A weak positive correlation (r = 0.22) was detected between the toxicity and pathogenicity of C. purpurea. A negative correlation was established between the weight of sclerotia and the accumulation of EA in them (r = –0.46), which indicated the biological danger of small sclerotia that got into the seed and food batches of grain. 

Secale cereale L.Claviceps purpurea (Fr.) Tul.искусственная инокуляцияпоражениезасоренностьбиометрия склероциевкорреляционные связиSecale cereale L.Claviceps purpurea (Fr.) Tul.artificial inoculationlesioninfestationsclerotia biometricscorrelationsИсследование выполнено в рамках государственного задания согласно тематическому плану по проекту № 0767-2019-0095 «Разработка и внедрение фундаментальных научных инновационных подходов, ориентированных на изучение и использование разнообразия генетических ресурсов, создание адаптивных генисточников озимой ржи с комплексным сочетанием улучшенных параметров селекционно-ценных признаков; на создание сортов озимой ржи северного экотипа целевого использования с повышенной зимостойкостью, стабильной продуктивностью, устойчивостью к биотическим и абиотическим стрессорам; на разработку технологии производства современных сортов для повышения эффективности использования их продуктивного потенциала с учетом изменения климатических условий и нарастания фитопатогенной нагрузки для укрепления продовольственной безопасности страны и создания продуктов здорового питания».The research was performed within the framework of the State Task, research theme No. FSZS-2019-0095 “Development and implementation of fundamental scientific innovative approaches focused on the study and use of the diversity of genetic resources, generation of adaptable genetic sources of winter rye with a complex combination of improved parameters of traits valuable for breeding; on the development of winter rye cultivars of the northern ecotype for targeted use with increased winter hardiness, stable productivity, resistance to biotic and abiotic stressors; on the development of a technology for the production of modern cultivars to improve the efficiency of implementing their productive potential, taking into account changes in climatic conditions and an increase in phytopathogenic pressure to strengthen the country’s food security and release healthy food products”.ReferencesГагкаева Т.Ю., Дмитриев А.П., Павлюшин В.А. Микробиота зерна – показатель его качества и безопасности. Защита и карантин растений. 2012;(9):14-18.Gagkaeva T.Yu., Dmitriev A.P., Pavlyushin V.A. Grain microbiota – index of its quality and safety. Journal of Plant Protection and Quarantine. 2012;(9):14-18. [in Russian].Гончаренко А.А. Современное состояние производства, методы и перспективные направления селекции озимой ржи в РФ. В кн.: Озимая рожь: селекция, семеноводство, технологии и переработка. Уфа; 2009. С.40-76.Goncharenko A.A. The current state of production, methods and promising areas of winter rye breeding in the Russian Federation (Sovremennoye sostoyaniye proizvodstva, metody i perspektivnye napravleniya selektsii ozimoy rzhi v RF). In: Winter Rye: Breeding, Seed Production, Technology and Processing (Ozimaya rozh: selektsiya, semenovodstvo, tekhnologii i pererabotka). Ufa; 2009. p.40-76. [in Russian].Grusie T.J., Cowan V., Singh J., McKinnon J., Blakley B. Proportions of predominant Ergot alkaloids (Claviceps purpurea) detected in Western Canadian grains from 2014 to 2016. World Mycotoxin Journal. 2018;11(2):259-264. DOI: 10.3920/WMJ2017.2241Grusie T.J., Cowan V., Singh J., McKinnon J., Blakley B. Proportions of predominant Ergot alkaloids (Claviceps purpurea) detected in Western Canadian grains from 2014 to 2016. World Mycotoxin Journal. 2018;11(2):259-264. DOI: 10.3920/WMJ2017.2241Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Развитие спорыньи на низкопентозановой диплоидной озимой ржи. Зерновое хозяйство России. 2021;4(76):73-78. DOI: 10.31367/2079-8725-2021-76-4-73-78Kobylyansky V.D., Solodukhina O.V. Ergot development on low-pentosan diploid winter rye. Grain Economy of Russia. 2021;4(76):73-78. [in Russian]. DOI: 10.31367/2079-8725-2021-76-4-73-78Kodisch A., Oberforster M., Raditschnig A., Rodemann B., Tratwal A., Danielewicz J. et al. Covariation of ergot severity and alkaloid content measured by HPLC and one ELISA method in inoculated winter rye across three isolates and three European countries. Toxins. 2020a;12(11):676. DOI: 103390/toxins12110676Kodisch A., Oberforster M., Raditschnig A., Rodemann B., Tratwal A., Danielewicz J. et al. Covariation of ergot severity and alkaloid content measured by HPLC and one ELISA method in inoculated winter rye across three isolates and three European countries. Toxins. 2020a;12(11):676. DOI: 103390/toxins12110676Kodisch A., Wilde P., Schmiedchen B., Fromme F.-J., Rodemann B., Tratwal A. et al. Ergot infection in winter rye hybrids shows differential contribution of male and female genotypes and environment. Euphytica. 2020b;216(4):65. DOI: 10.1007/s10681-020-02600-2Kodisch A., Wilde P., Schmiedchen B., Fromme F.-J., Rodemann B., Tratwal A. et al. Ergot infection in winter rye hybrids shows differential contribution of male and female genotypes and environment. Euphytica. 2020b;216(4):65. DOI: 10.1007/s10681-020-02600-2Mainka S., Dänicke S., Böhme H., Ueberschär K.H., Liebert F. On the composition of ergot and the effects of feeding different ergot sources on piglets. Animal Feed Science and Technology. 2007;139(1-2):52-68. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2006.12.001Mainka S., Dänicke S., Böhme H., Ueberschär K.H., Liebert F. On the composition of ergot and the effects of feeding different ergot sources on piglets. Animal Feed Science and Technology. 2007;139(1-2):52-68. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2006.12.001Miedaner T, Geiger H.H. Biology, genetics and management of ergot (Claviceps spp.) in rye, sorghum, and pearl mille. Toxins. 2015;7(3):659-778. DOI: 10.3390/toxins7030659Miedaner T, Geiger H.H. Biology, genetics and management of ergot (Claviceps spp.) in rye, sorghum, and pearl mille. Toxins. 2015;7(3):659-778. DOI: 10.3390/toxins7030659Miedaner T., Kodisch A., Raditschnig A., Eifler J. Ergot alkaloid contents in hybrid rye are reduced by breeding. Agriculture. 2021;11(6):526. DOI: 10.3390/agriculture11060526Miedaner T., Kodisch A., Raditschnig A., Eifler J. Ergot alkaloid contents in hybrid rye are reduced by breeding. Agriculture. 2021;11(6):526. DOI: 10.3390/agriculture11060526Miedaner T., Mirdita V., Geiger H.H. Strategies in breeding for ergot (Claviceps purpurea) resistance. In: Book of Abstracts: EUCARPIA International Symposium on Rye Breeding and Genetics; Belarus. Zhodino; 2010. p.83.Miedaner T., Mirdita V., Geiger H.H. Strategies in breeding for ergot (Claviceps purpurea) resistance. In: Book of Abstracts: EUCARPIA International Symposium on Rye Breeding and Genetics; Belarus. Zhodino; 2010. p.83.Pazoutova S., Olsovská J., Linka M., Kolínská R., Flieger M. Chemoraces, and habitatи specialization of Claviceps purpurea populations. Applied and Environmental Microbiology. 2000;66(12):5419-5425. DOI: 10.1128/AEM.66.12.5419-5425.2000Pazoutova S., Olsovská J., Linka M., Kolínská R., Flieger M. Chemoraces, and habitatи specialization of Claviceps purpurea populations. Applied and Environmental Microbiology. 2000;66(12):5419-5425. DOI: 10.1128/AEM.66.12.5419-5425.2000Пономарева М.Л., Понамарев С.Н. Спорынья озимой ржи и меры борьбы с ней. Нива Татарстана. 2001;(5):8-9.Ponomareva M.L., Ponamarev S.N. Ergot of winter rye and measures to combat it (Sporynya ozimoy rzhi i mery borby s ney). Niva Tatarstana = Grain Fields of Tatarstan. 2001;(5):8-9. [in Russian].Сафонова И.В., Аниськов Н.И., Кобылянский В.Д. База данных генетических ресурсов коллекции озимой ржи ВИР как средство классификации генетического разнообразия, анализа истории коллекции и эффективного изучения и сохранения. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(6):780-786. DOI: 10.18699/VJ19.552Safonova I.V., Anis’kov N.I., Kobylyansky V.D. The database of genetic resources in the VIR winter rye collection as a means of classification of genetic diversity, analysis of the collection history and effective study and preservation. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(6):780-786. [in Russian]. DOI: 10.18699/VJ19.552Scott P.M., Lombaert G.A., Pellaers P., Bacler S., Lappi J. Ergot alkaloids in grain foods sold in Canada. Journal of AOAC International. 1992;75(5):773-779.Scott P.M., Lombaert G.A., Pellaers P., Bacler S., Lappi J. Ergot alkaloids in grain foods sold in Canada. Journal of AOAC International. 1992;75(5):773-779.Щеклеина Л.М. Влияние погодных факторов на отдельные периоды развития гриба Claviceps purpurea (Fr.) Tul. и уровень вредоносности спорыньи в Кировской области. Аграрная наука ЕвроСеверо-Востока. 2019;20(2):134-143. DOI: 10.30766/2072-9081.2019.20.2.134-143Shchekleina L.M. Influence of weather factors on separate periods of fungus Claviceps purpurea (Fr.) Tul. development and level of ergot harmfulness in Kirov region. Agricultural Science Euro-North-East. 2019;20(2):134-143. [in Russian]. DOI: 10.30766/2072-9081.2019.20.2.134-143Щеклеина Л.М. Мониторинг болезней озимой ржи в Кировской области и возможные направления селекции на иммунитет. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020;21(2):124-132. DOI: 10.30766/2072-9081.2020.21.2.124-132Shchekleina L.M. Monitoring of winter rye diseases in Kirov region and possible trends of breeding for immunity. Agricultural Science Euro-North-East. 2020;21(2):124-132. [in Russian]. DOI: 10.30766/2072-9081.2020.21.2.124-132Щеклеина Л.М., Шешегова Т.К. Болезни Secale cereale L. в Кировской области и генетические источники устойчивости для селекции. Вестник КрасГАУ. 2020;6(159):86-92. DOI: 10.36718/1819-4036-2020-6-86-92Shchekleina L.M., Sheshegova T.K. The diseases Secale cereal L. in Kirov region and genetic sources of sustain ability for winter rye selection. The Bulletin of KrasGAU. 2020;6(159):86-92. [in Russian]. DOI: 10.36718/1819-4036-2020-6-86-92Шешегова Т.К., Щеклеина Л.М., Антипова Т.В., Желифонова В.П., Козловский А.Г. Поиск генотипов ржи и пшеницы, устойчивых к Claviceps purpurea (Fr.) Tul. и не накапливающих эргоалкалоиды в склероциях гриба. Сельскохозяйственная биология. 2021;56(3):549-558. DOI: 10.15389/agrobiology.2021.3.549rusSheshegova T.K., Shchekleina L.M., Antipova T.V., Zhelifonova V.P., Kozlovsky A.G. Search for rye and wheat genotypes which are resistant to Claviceps purpurea (Fr.) Tul. and hamper accumulation of ergoalkaloids in sclerotia. Agricultural Biology. 2021;56(3):549-558. [in Russian]. DOI: 10.15389/agrobiology.2021.3.549rusШешегова Т.К., Щеклеина Л.М., Кедрова Л.И., Уткина Е.И. Селекция озимой ржи на устойчивость к спорынье: Методическое пособие. Киров: Вятская ГСХА; 2018.Sheshegova T.K., Shchekleina L.M., Kedrova L.I., Utkina E.I. Winter rye breeding for resistance to ergot: Guidelines (Selektsiya ozimoy rzhi na ustoychivost k sporynye: Metodicheskoye posobiye). Kirov: Vyatka State Agricultural Academy; 2018. [in Russian].Шешегова Т.К., Щеклеина Л.М., Желифонова В.П., Антипова Т.В., Баскунов Б.П., Козловский А.Г. Устойчивость сортов ржи к спорынье и содержание эргоалкалоидов в склероциях Claviceps purpurea в условиях Кировской области. Микология и фитопатология. 2019;53(3):177-182. DOI: 10.1134/S0026364819030127Sheshegova T.K., Shchekleina L.M., Zhelifonova V.P., Antipova T.V., Baskunov B.P., Kozlovsky A.G. A resistance of rye varieties to ergot and ergot alkaloid content Claviceps purpurea sclerotia on the Kirov region environments. Mycology and Phytopathology. 2019;53(3):177-182. [In Russian]. DOI: 10.1134/S0026364819030127Сысуев В.А., Саитов В.Е., Фарафонов В.Г., Саитов А.В. Исследование параметров движения зерна в жидкости устройства для удаления спорыньи. Инженерные технологии и системы. 2019;29(2):248-264. DOI: 10.15507/2658-4123.029.201902.248-264Sysuev V.A., Saitov V.E., Farafonov V.G., Saitov A.V. Investigation of grain movement parameters in the liquid of the device for removing ergot. Engineering Technologies and Systems. 2019;29(2):248-264. [in Russian]. DOI: 10.15507/2658-4123.029.201902.248-264Sysuev V.A., Saitov V.E., Farafonov V.G., Suvorov A.N., Saitov A.V. Theoretical background of calculation of the parameters of the device for grain cleaning from ergot sclerotia. Russian Agricultural Sciences. 2017;43(3):273-276. DOI: 10.3103/S1068367417030156Sysuev V.A., Saitov V.E., Farafonov V.G., Suvorov A.N., Saitov A.V. Theoretical background of calculation of the parameters of the device for grain cleaning from ergot sclerotia. Russian Agricultural Sciences. 2017;43(3):273-276. DOI: 10.3103/S1068367417030156Сысуев В.А., Саитов В.Е., Савиных П.А., Саитов А.В. Очистка семян ржи от спорыньи. Современные наукоемкие технологии. 2015;(6):46-49.Sysuev V.A., Saitov V.E., Savinyh P.A., Saitov A.V. Cleaning the seeds of rye ergot. Modern High Technologies. 2015;(6):46-49. [in Russian].Wolff J., Ocker H.D., Zwingelberg H. Bestimmung von Mutterkornalkaloiden im Getreide und Mehlprodukten durch HPLC. Getreide, Mehl und Brot. 1983;37:331-335. [in German]Wolff J., Ocker H.D., Zwingelberg H. Bestimmung von Mutterkornalkaloiden im Getreide und Mehlprodukten durch HPLC. Getreide, Mehl und Brot. 1983;37:331-335. [in German]Звонкова Е.Н., Шаин С.С., Сайбель Е.С. Пути получения нейрогормональных препаратов эргопептидного ряда. Российский химический журнал. 2005;49(1):125-134.Zvonkova E.N., Shain S.S., Saibel E.S. Ways to obtain neurohormonal preparations of the ergopeptide series (Puti polucheniya neyrogormonalnykh preparatov ergopeptidnogo ryada). Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal = Russian Chemical Journal. 2005;49(1):125-134. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.