vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2023-4-190-204vir-nw-1741Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESРазнообразие дагестанской популяции возбудителя желтой ржавчины пшеницы по вирулентностиVirulence diversity of the yellow rust pathogen population in Dagestanhttps://orcid.org/0000-0001-7948-0307ГультяеваЕ. И.GultyaevaE. I.

Елена Ивановна Гультяева, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

 

Elena I. Gultyaeva, Dr. Sci. (Biology), Associate Professor, Leading Researcher 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

eigultyaeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3266-6272ШайдаюкЕ. Л.ShaydayukE. L.

Екатерина Львовна Шайдаюк, кандидат биологических наук, научный сотрудник 

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Ekaterina L. Shaydayuk, Cand. Sci. (Biology), Researcher 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

eshaydayuk@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3119-3453СмирноваР. Е.SmirnovaR. E.

Регина Евгеньевна Смирнова, бакалавр, лаборант-исследователь

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Regina E. Smirnova, Bachelor 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

regina.smirnovaa@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5095-1291AбдуллаевK. M.AbdullaevK. M.

Кадыр Магомедгаджиевич Aбдуллаев, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник 

368612, Республика Дагестан, Дербентский район, село Вавилово 

Kadyr M. Abdullaev, Cand. Sci. (Agriculture), Leading Researcher 

Vavilovo Village, Derbent District, Republic of Dagestan 368612 

abdullaev.km1950@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8232-6183КуркиевК. У.KurkievK. U.

Киштили Уллубиевич Куркиев, доктор сельскохозяйственных наук, директор 

368612, Республика Дагестан, Дербентский район, село Вавилово 

Kishtili U. Kurkiev, Dr. Sci. (Agriculture), Director 

Vavilovo Village, Derbent District, Republic of Dagestan 368612

kkish@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт защиты растенийРоссияAll-Russian Research Institute of Plant ProtectionRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт защиты растений ; Ленинградский государственный университет им. А.С. ПушкинаРоссияAll-Russian Research Institute of Plant ProtectionRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова, Дагестанская опытная станция – филиал ВИРРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources, Dagestan Experimental Station of VIRRussian Federation2023110120241844190204Copyright © Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Смирнова Р.Е., Aбдуллаев K.M., Куркиев К.У., 20242024Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Смирнова Р.Е., Aбдуллаев K.M., Куркиев К.У.Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L., Smirnova R.E., Abdullaev K.M., Kurkiev K.U.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/1741Актуальность

Актуальность. В последние годы в Дагестане на образцах Triticum L. наблюдается высокое развитие желтой ржавчины, что позволяет отобрать высокоустойчивые генотипы. Информация об эффективности Yr-генов, вирулентности и расовом составе патогена необходима для корректной интерпретации результатов полевых оценок. Цель работы – охарактеризовать вирулентность дагестанской популяции Puccinia striiformis West. в фазе проростков; оценить устойчивость линий и сортов-дифференциаторов к желтой ржавчине в полевых условиях; провести идентификацию инвазивных рас PstS1 и PstS2.

Материалы и методы

Материалы и методы. Листья с урединиопустулами собраны с образцов мягкой пшеницы на Дагестанской опытной станции ВИР в 2020–2022 гг. Анализ вирулентности проводили в лабораторных условиях с использованием 14 AvYrлиний (Avocet NIL) и 15 сортов-дифференциаторов. Возрастную устойчивость тестеров вирулентности оценили в полевых условиях на высоком естественном инфекционном фоне. Набор SCAR-маркеров (SCP19M24a1, SCP19M24a2, SCP19M26a1, SCP19M26a2) применили для идентификации инвазивных рас.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Устойчивость ко всем изолятам показали линии Av: Yr5, Yr10, Yr15, Yr24, Yr26 и сорт ‘Moro’ (Yr10, YrMor). Вирулентностью к Yr17 обладали изоляты с сортов ‘Граф’ и ‘Сварог’, несущих этот ген, и c сорта ‘Siete Cerros’. Дагестанская коллекция изолятов P. striiformis характеризовалась высоким генетическим разнообразием. Общие фенотипы отмечены на сорте ‘Граф’ в 2021 и 2020 г. Линии с генами Yr5, Yr8, Yr10, Yr15, Yr24 и сорта ‘Moro’, ‘Compair’, ‘Carstens’, ‘Spaldings Prolific’ характеризовались резистентностью к желтой ржавчине в полевых условиях во все годы исследований . Сорта ‘Reichersberg 42’, ‘Heines Peko Vilmorin 23’ были устойчивы в 2020 и 2022 г. и умеренно поражены (до 10%) в 2021 г. При молекулярном анализе выделено три изолята, относящихся к инвазивной группе PstS2. В 2021 г. эти изоляты обнаружены на сорте ‘Siete Cerros’ и линии Л 650, в 2022 г. – на сорте ‘Васса’.

Background

Background. Yellow rust incidence on Triticum L. has been observed to surge up in Dagestan in recent years, facilitating selection of highly resistant genotypes. Information on the effectiveness of Yr genes and the pathogen’s virulence and racial composition is needed to interpret field assessment data correctly. The objective of this study was to describe the virulence of the Dagestan population of Puccinia striiformis West. at the seedling stage, evaluate the resistance of differentiators to yellow rust in the field, and identify invasive PstS1 and PstS2 races.

Materials and methods

Materials and methods. Leaves with urediniopustules were collected from bread wheat accessions at Dagestan Experiment Station of VIR (DЕS VIR) in 2020–2022. Virulence was analyzed in the laboratory using 14 AvYr lines (Avocet NIL) and 15 differential wheat cultivars. Age-specific resistance of virulence testers under high natural infection pressure was studied in the field of DES VIR. A set of SCAR markers (SCP19M24a1, SCP19M24a2, SCP19M26a1, and SCP19M26a2) were used to identify invasive races.

Results and discussion

Results and discussion. Avocet lines with Yr5, Yr10, Yr15, Yr24, and Yr26, and cv. ‘Moro’ (Yr10, YrMor) manifested resistance to all isolates. Virulence to Yr17 was detected only in the isolates from cvs. ‘Graf’ and ‘Svarog’ carrying this gene, and ‘Siete Ceros’. The Dagestan collection demonstrated high genetic diversity. Common phenotypes were identified on cv. ‘Graf’ in 2021 and 2020. There was no temporal differentiation between pathogen collections in the years of testing. High field resistance to yellow rust was recorded in lines with Yr5, Yr8, Yr10, Yr15 and Yr24, and in cvs. ‘Moro’, ‘Compair’, ‘Carstens’ and ‘Spaldings Prolific’. Cvs. ‘Reichersberg 42’ and ‘Heines Peko Vilmorin 23’ were resistant in 2020 and 2022, and moderately affected (up to 10%) in 2021. Molecular analysis identified all three isolates belonging to the invasive PstS2 group on cv. ‘Siete Cerros’ and L 650 in 2021, and cv. ‘Vassa’ in 2022.

Triticum aestivumPuccinia striiformisYr-геныпопуляцияустойчивостьTriticum aestivumPuccinia striiformisYr genespopulationresistanceВсе фитопатологические и молекулярно-генетические исследования патогена выполнены при поддержке Российского научного фонда, проект № 23-26-00042. Урединиообразцы <i>P. striiformis</i> были собраны с образцов пшеницы, изучаемых в Дербенте в рамках государственного задания согласно тематическому плану ВИР по проекту FGEM-2022-0009 «Структурирование и раскрытие потенциала наследственной изменчивости мировой коллекции зерновых и крупяных культур ВИР для развития оптимизированного генбанка и рационального использования в селекции и растениеводстве». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.All phytopathological and molecular genetics studies of the pathogen were supported by the Russian Science Foundation, Project No. 23-26-00042. Samples of <i>P. striiformis</i> urediniospores were collected from wheat accessions studied in Derbent within the framework of the state task assigned to VIR, Project No. FGEM-2022-0009 “Structuring and disclosing the potential of hereditary variation in the global collection of cereal and groat crops at VIR for the development of an optimized genebank and its sustainable utilization in plant breeding and crop production”. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesBouvet L., Holdgate S., James L., Thomas J., Mackay I.J., Cockram J. The evolving battle between yellow rust and wheat: implications for global food security. Theoretical and Applied Genetics. 2022;135(3):741-753. DOI: 10.1007/s00122-021-03983-zBouvet L., Holdgate S., James L., Thomas J., Mackay I.J., Cockram J. The evolving battle between yellow rust and wheat: implications for global food security. Theoretical and Applied Genetics. 2022;135(3):741-753. DOI: 10.1007/s00122-021-03983-zChen X., Wang M., Wan A., Bai Q., Li M., López P.F. et al. Virulence characterization of Puccinia striiformis f. sp. tritici collections from six countries in 2013 to 2020. Canadian Journal of Plant Pathology. 2021;43 Suppl 2:308-322. DOI: 10.1080/07060661.2021.1958259Chen X., Wang M., Wan A., Bai Q., Li M., López P.F. et al. Virulence characterization of Puccinia striiformis f. sp. tritici collections from six countries in 2013 to 2020. Canadian Journal of Plant Pathology. 2021;43 Suppl 2:308-322. DOI: 10.1080/07060661.2021.1958259Chen X.M. Epidemiology and control of stripe rust [Puccinia striiformis f. sp. tritici] on wheat. Canadian Journal of Plant Pathology. 2005;27(3):314-337. DOI: 10.1080/07060660509507230Chen X.M. Epidemiology and control of stripe rust [Puccinia striiformis f. sp. tritici] on wheat. Canadian Journal of Plant Pathology. 2005;27(3):314-337. DOI: 10.1080/07060660509507230El Amil R., Ali S., Bahri B., Leconte M., de Vallavieille-Pope C., Nazari K. Pathotype diversification in the invasive PstS2 clonal lineage of Puccinia striiformis f. sp. tritici causing yellow rust on durum and bread wheat in Lebanon and Syria in 2010–2011. Plant Pathology. 2020;69(4):618-630. DOI: 10.1111/ppa.13164El Amil R., Ali S., Bahri B., Leconte M., de Vallavieille-Pope C., Nazari K. Pathotype diversification in the invasive PstS2 clonal lineage of Puccinia striiformis f. sp. tritici causing yellow rust on durum and bread wheat in Lebanon and Syria in 2010–2011. Plant Pathology. 2020;69(4):618-630. DOI: 10.1111/ppa.13164Fontyn C., Zippert A.C., Delestre G., Marcel T.C., Suffert F., Goyeau H. Is virulence phenotype evolution driven exclusively by Lr gene deployment in French Puccinia triticina populations? Plant Pathology. 2022;71(7):1511-1524. DOI: 10.1111/ppa.13599Fontyn C., Zippert A.C., Delestre G., Marcel T.C., Suffert F., Goyeau H. Is virulence phenotype evolution driven exclusively by Lr gene deployment in French Puccinia triticina populations? Plant Pathology. 2022;71(7):1511-1524. DOI: 10.1111/ppa.13599Gassner G., Straib W. Untersuchungen über die Infektionsbedingungen von Puccinia glumarum und Puccinia graminis. Arbeitsergebnissen der Biologischen Reichsanstalt für Landund Forstwirtschaft. 1929;16(4):609-629. [in German]Gassner G., Straib W. Untersuchungen über die Infektionsbedingungen von Puccinia glumarum und Puccinia graminis. Arbeitsergebnissen der Biologischen Reichsanstalt für Landund Forstwirtschaft. 1929;16(4):609-629. [in German]GRRC. Global Rust Reference Center. Stem and yellow rust genotyping and race analyses: [website]. Available from: https://agro.au.dk/forskning/internationale-platforme/wheatrust [accessed Mar. 01, 2023].GRRC. Global Rust Reference Center. Stem and yellow rust genotyping and race analyses: [website]. Available from: https://agro.au.dk/forskning/internationale-platforme/wheatrust [accessed Mar. 01, 2023].Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л. Вирулентность российских популяций возбудителя желтой ржавчины пшеницы. Микология и фитопатология. 2020;54(4):299-304. DOI: 10.31857/S0026364820040042Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L. Virulence of Russian populations of the stripe rust causal agent. Mycology and Phytopathology. 2020;54(4):299-304. [in Russian]. DOI: 10.31857/S0026364820040042Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Абдуллаев К.М. Популяционно-генетическое исследование возбудителя бурой ржавчины пшеницы Puccinia triticina в Дагестане. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(2):140-150. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-2-140-150Gultyaeva E.L., Shaydayuk E.L., Abdullaev K.M. Population genetics study of the wheat leaf rust agent Puccinia triticina in Dagestan. Proceedings of Applied Botany, Genetics and Breeding. 2018;179(2):140-150. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-2-140-150Гасанова Г.М., Рустамов Х.Н. влияние желтой ржавчины на показатели качества зерна пшеницы мягкой (T. aestivum L.). Аграрная наука. 2019;(1):158-161. DOI: 10.32634/0869-8155-2019-326-1-158-161Hasanova G.M., Rustamov Kh.N. Influence of yellow rust on quality indicators of bread wheat grain (T. aestivum L.). Agrarian Science. 2019;(1):158-161. [in Russian]. DOI: 10.32634/0869-8155-2019-326-1-158-161Hovmøller M.S., Walter S., Bayles R.A., Hubbard A., Flath K., Sommerfeldt N. et al. Replacement of the European wheat yellow rust population by new races from the centre of diversity in the near-Himalayan region. Plant Pathology. 2016;65(3):402-411. DOI: 10.1111/ppa.12433Hovmøller M.S., Walter S., Bayles R.A., Hubbard A., Flath K., Sommerfeldt N. et al. Replacement of the European wheat yellow rust population by new races from the centre of diversity in the near-Himalayan region. Plant Pathology. 2016;65(3):402-411. DOI: 10.1111/ppa.12433Justesen A.F., Ridout C.J., Hovmøller M.S. The recent history of Puccinia striiformis f. sp. tritici in Denmark as revealed by disease incidence and AFLP markers. Plant Pathology. 2002;51(1):13-23. DOI: 10.1046/j.0032-0862.2001.00651.xJustesen A.F., Ridout C.J., Hovmøller M.S. The recent history of Puccinia striiformis f. sp. tritici in Denmark as revealed by disease incidence and AFLP markers. Plant Pathology. 2002;51(1):13-23. DOI: 10.1046/j.0032-0862.2001.00651.xMcIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. (eds). Wheat rusts. An atlas of resistance genes. Dordrecht: Springer Netherlands; 1995.McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. (eds). Wheat rusts. An atlas of resistance genes. Dordrecht: Springer Netherlands; 1995.Михайлова Л.А., Абдуллаев К.М., Шеломова Л.Ф. Изменение структуры популяции Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici в окрестностях Дербента (Дагестан) в 1970–1995 годах. Микология и фитопатология. 1997;31(2):71-77.Mikhailova L.A., Abdullaev K.M., Shelomova L.F. Shifts of Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici population structure in Derbent environs (Daghestan) during 1970–1995. Mycology and Phytopathology. 1997;31(2):71-77. [in Russian]Михайлова Л.А, Гультяева Е.И., Мироненко Н.В. Методы исследований структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы. В кн.: Сборник методических рекомендаций по защите растений. Санкт-Петербург: ВИЗР; 1998. C.105-126.Mikhailova L.A., Gultyaeva E.I., Mironenko N.V. Methods for studying the structure of populations of the leaf rust causative agent (Metody issledovaniy struktury populyatsii vozbuditelya buroy rzhavchiny pshenitsy). In: Collection of Plant Protection Guidelines (Sbornik metodicheskikh rekomendatsiy po zashchite rasteniy). St. Petersburg: VIZR; 1998. p.105-126. [in Russian]Milus E.A., Kristensen K., Hovmøller M.S. Evidence for increased aggressiveness in a recent widespread strain of Puccinia striiformis f. sp. tritici causing stripe rust of wheat. Phytopathology. 2009;99(1):89-94. DOI: 10.1094/PHYTO-99-1-0089 RustTracker.org. A Global Wheat Rust Monitoring System: [website]. Available from: https://rusttracker.cimmyt.org [accessed Mar. 01, 2023].Milus E.A., Kristensen K., Hovmøller M.S. Evidence for increased aggressiveness in a recent widespread strain of Puccinia striiformis f. sp. tritici causing stripe rust of wheat. Phytopathology. 2009;99(1):89-94. DOI: 10.1094/PHYTO-99-1-0089 RustTracker.org. A Global Wheat Rust Monitoring System: [website]. Available from: https://rusttracker.cimmyt.org [accessed Mar. 01, 2023].Sharma-Poudyal D., Chen X.M., Wan A.M., Zhan G.M., Kang Z.S., Cao S.Q. et al. Virulence characterization of international collections of the wheat stripe rust pathogen, Puccinia striiformis f. sp. tritici. Plant Disease. 2013;97(3):379-386. DOI: 10.1094/pdis-01-12-0078-reSharma-Poudyal D., Chen X.M., Wan A.M., Zhan G.M., Kang Z.S., Cao S.Q. et al. Virulence characterization of international collections of the wheat stripe rust pathogen, Puccinia striiformis f. sp. tritici. Plant Disease. 2013;97(3):379-386. DOI: 10.1094/pdis-01-12-0078-reШайдаюк E.Л., Яковлева Д.Р., Aбдуллаев K.M., Пюккенен В.П., Гультяева E.И. Популяционно-генетические исследования Puccinia striiformis f. sp. tritici в Дагестане и на Северо-Западе России. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(3):173-181. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-3-174-181Shaydayuk E.L., Yakovleva D.R., Abdullaev K.M., Pyukkenen V.P., Gultyaeva E.I. Population genetics studies of Puccinia striiformis f. sp. tritici in Dagestan and Northwestern Russia. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2021;182(3):174-181. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-3-174-181Sinha P., Chen X. Potential infection risks of the wheat stripe rust and stem rust pathogens on barberry in Asia and Southeastern Europe. Plants. 2021;10(5):957. DOI: 10.3390/plants10050957Sinha P., Chen X. Potential infection risks of the wheat stripe rust and stem rust pathogens on barberry in Asia and Southeastern Europe. Plants. 2021;10(5):957. DOI: 10.3390/plants10050957Walter S., Ali S., Kemen E., Nazari K., Bahri B.A., Enjalbert J. et al. Molecular markers for tracking the origin and worldwide distribution of invasive strains of Puccinia striiformis. Ecology and Evolution. 2016;6(9):2790-2804. DOI: 10.1002/ece3.2069Walter S., Ali S., Kemen E., Nazari K., Bahri B.A., Enjalbert J. et al. Molecular markers for tracking the origin and worldwide distribution of invasive strains of Puccinia striiformis. Ecology and Evolution. 2016;6(9):2790-2804. DOI: 10.1002/ece3.2069Wan A.M., Chen X.M., Yuen J. Races of Puccinia striiformis f. sp. tritici in the United States in 2011 and 2012 and comparison with races in 2010. Plant Disease. 2016;100(5):966-975. DOI: 10.1094/PDIS-10-15-1122-REWan A.M., Chen X.M., Yuen J. Races of Puccinia striiformis f. sp. tritici in the United States in 2011 and 2012 and comparison with races in 2010. Plant Disease. 2016;100(5):966-975. DOI: 10.1094/PDIS-10-15-1122-REWang M.N., Chen X.M. First report of Oregon grape (Mahonia aquifolium) as an alternate host for the wheat stripe rust pathogen (Puccinia striiformis f. sp. tritici) under artificial inoculation. Plant Disease. 2013;97(6):839. DOI: 10.1094/PDIS-09-12-0864-PDNWang M.N., Chen X.M. First report of Oregon grape (Mahonia aquifolium) as an alternate host for the wheat stripe rust pathogen (Puccinia striiformis f. sp. tritici) under artificial inoculation. Plant Disease. 2013;97(6):839. DOI: 10.1094/PDIS-09-12-0864-PDNWellings C.R. Puccinia striiformis in Australia: a review of the incursion, evolution and adaptation of stripe rust in the period 1979–2006. Australian Journal of Agricultural Research. 2007;58(6):567-575. DOI: 10.1071/AR07130Wellings C.R. Puccinia striiformis in Australia: a review of the incursion, evolution and adaptation of stripe rust in the period 1979–2006. Australian Journal of Agricultural Research. 2007;58(6):567-575. DOI: 10.1071/AR07130Zhao J., Wang L., Wang Z., Chen X., Zhang H., Yao J. et al. Identification of eighteen Berberis species as alternate hosts of Puccinia striiformis f. sp. tritici and virulence variation in the pathogen isolates from natural infection of barberry plants in China. Phytopathology. 2013;103(9):927-934. DOI: 10.1094/PHYTO-09-12-0249-RZhao J., Wang L., Wang Z., Chen X., Zhang H., Yao J. et al. Identification of eighteen Berberis species as alternate hosts of Puccinia striiformis f. sp. tritici and virulence variation in the pathogen isolates from natural infection of barberry plants in China. Phytopathology. 2013;103(9):927-934. DOI: 10.1094/PHYTO-09-12-0249-R

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