vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2023-4-205-214vir-nw-1742Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESУстойчивость стародавней озимой мягкой пшеницы к желтой пятнистостиResistance of old winter bread wheat landraces to tan spothttps://orcid.org/0000-0003-3383-2973МироненкоН. В.MironenkoN. V.

Нина Васильевна Мироненко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник 

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

Nina V. Mironenko, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg  

nina2601mir@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9577-8816КоваленкоН. М.KovalenkoN. M.

Надежда Михайловна Коваленко, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник 

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

Nadezhda M. Kovalenko, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg

nadyakov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9439-2102БарановаО. А.BaranovaO. A.

Ольга Александровна Баранова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник 

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

Olga A. Baranova, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher 

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg

baranova_oa@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9171-2964МитрофановаО. П.MitrofanovaO. P.

Ольга Павловна Митрофанова, доктор биологических наук, главный научный сотрудник 

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

Olga P. Mitrofanova, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

o.mitrofanova@vir.nw.ruВсероссийский научно-исследовательский институт защиты растенийРоссияAll-Russian Research Institute of Plant ProtectionRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation2023110120241844205214Copyright © Мироненко Н.В., Коваленко Н.М., Баранова О.А., Митрофанова О.П., 20242024Мироненко Н.В., Коваленко Н.М., Баранова О.А., Митрофанова О.П.Mironenko N.V., Kovalenko N.M., Baranova O.A., Mitrofanova O.P.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/1742Актуальность

Актуальность. Наиболее эффективный и экологически безопасный способ борьбы с болезнями пшеницы – создание устойчивых сортов к их возбудителям. Для этого часто используют генофонд стародавних сортов (landraces) как источников генетического разнообразия важных для селекции признаков. В процессе селекции пшеницы на устойчивость к возбудителю желтой пятнистости Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechs. (сокращенно Ptr) проводят отбор против доминантного аллеля Tsn1 - гена чувствительности к некроз-индуцирующему токсину Ptr ToxA, основному фактору патогенности Ptr, контролируемому геном ToxA. Цели исследования – охарактеризовать выборку образцов стародавней озимой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) из коллекции ВИР по устойчивости к различным популяциям Ptr, генотипировать образцы с использованием ДНК-маркера Xfcp623 гена Tsn1, выявить источники устойчивости к желтой пятнистости.

Материалы и методы

Материалы и методы. Изучено 67 образцов стародавней озимой мягкой пшеницы. Ювенильную устойчивость образцов к двум популяциям Ptr оценивали с использованием принятой в ВИЗР пятибалльной шкалы. Аллельное состояние Tsn1 идентифицировали методом ПЦР.

Результаты

Результаты. Доминантные аллели Tsn1 обнаружены у 55% изученных образцов. Устойчивыми или умеренно устойчивыми к двум популяциям Ptr и ранее использованному для их характеристики изоляту из Краснодарского края были 17 образцов. Из них девять – с генотипом tsn1tsn1, восемь – Tsn1Tsn1, в основном относящиеся к агроэкологическим группам, предложенным Н. И. Вавиловым: «степная мягкая озимая пшеница (банатки)», «североевропейские лесные безостые мягкие пшеницы (сандомирки)» и «озимая горная мягкая кавказская пшеница».

Заключение

Заключение. Выделенные 17 образцов, устойчивых к Ptr, являются источниками устойчивости к этому патогену. На исследованной выборке образцов не выявлено достоверной связи между аллельным состоянием гена Tsn1 у образца и его реакцией в ответ на заражение популяциями патогена, включающими изоляты с геном ToxA.

Background

Background. The most effective and environmentally safe way to combat wheat diseases is to produce cultivars resistant to their pathogens. For this purpose, old landraces are often used as genetically diverse sources of traits important for breeding. In the process of wheat breeding for resistance to tan spot caused by the fungus Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechs. (abbr. Ptr), selection is carried out against the dominant allele of Tsn1, the gene of sensitivity to the toxin Ptr ToxA, which induces necrosis and represents the main pathogenicity factor of Ptr controlled by the ToxA gene. The aim of the study was to characterize a set of bread wheat (Triticum aestivum L.) accessions from the VIR collection for resistance to various Ptr populations, genotype these accessions using Xfcp623 – a DNA marker of the Tsn1 gene, and identify sources of tan spot resistance.

Materials and methods

Materials and methods. Sixty-seven accessions of winter bread wheat landraces were studied. Seedling resistance to two Ptr populations was assessed using a 5-point scale adopted at VIZR. The allelic state of Tsn1 was identified by PCR.

Results

Results. Dominant alleles of Tsn1 were found for 55% of the studied accessions. Seventeen accessions were resistant or moderately resistant to two Ptr populations and an isolate from Krasnodar Territory previously used for their characterization. Nine of them had the tsn1tsn1 genotype, and 8 had Tsn1Tsn1. The accessions mainly belonged to three agroecological groups proposed by N. I. Vavilov: “steppe winter bread wheat (Banatka wheats)”, “North European forest awnless bread wheats (Sandomirka wheats)”, and “Caucasian mountain winter bread wheat”.

Conclusion

Conclusion. The identified 17 accessions resistant to Ptr are potential breeding sources of resistance. In the studied set of accessions, no significant relationship was found between the allelic state of the Tsn1 gene in the accession and its response to the infection with pathogen populations, including isolates with the ToxA gene.

коллекция генетических ресурсов растений ВИРагроэкологическая группаобразецPyrenophora tritici-repentisпопуляции патогенаTsn1ToxAVIR plant genetic resources collectionagroecological groupaccessionPyrenophora tritici-repentispathogen populationsTsn1ToxAРабота выполнена в рамках государственных заданий по тематическим планам: ВИЗР, проект FGEU- 2022-0009 «Формирование научного задела для долгосрочного обеспечения эффективной генетической защиты растений от вредных организмов, способствующей предотвращению развития эпифитотий и пандемий и отвечающей требованиям экологической безопасности»; ВИР, проект № 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.The study was carried out within the framework of the state tasks according to the thematic plans: VIZR, Project FGEU-2022-0009 “Formation of scientific groundwork for the long-term provision of effective genetic protection of plants from harmful organisms, contributing to the prevention of the development of epiphytotics and pandemics and meeting the requirements of environmental safety”; 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.ReferencesAhmadi H., Solouki M., Fazeli-Nasab B., Heidari F., Sayyed R.Z. Internal Transcribed Spacer (ITS) regions: a powerful tool for analysis of the diversity of wheat genotypes. Indian Journal of Experimental Biology. 2022;60(2022):137-143.Ahmadi H., Solouki M., Fazeli-Nasab B., Heidari F., Sayyed R.Z. Internal Transcribed Spacer (ITS) regions: a powerful tool for analysis of the diversity of wheat genotypes. Indian Journal of Experimental Biology. 2022;60(2022):137-143.Andrie R.M., Pandelova I., Ciuffetti L.M. A combination of phenotypic and genotypic characterization strengthens Pyrenophora tritici-repentis race identification. Phytopathology. 2007;97(6):694-701. DOI: 10.1094/PHYTO-97-6-0694Andrie R.M., Pandelova I., Ciuffetti L.M. A combination of phenotypic and genotypic characterization strengthens Pyrenophora tritici-repentis race identification. Phytopathology. 2007;97(6):694-701. DOI: 10.1094/PHYTO-97-6-0694Ballance G.M., Lamari L., Bernier C.C. Purification and characterization of a host-selective necrosis toxin from Pyrenophora tritici-repentis. Physiological and Molecular Plant Pathology. 1989;35(3):203-213. DOI: 10.1016/0885-5765(89)90051-9Ballance G.M., Lamari L., Bernier C.C. Purification and characterization of a host-selective necrosis toxin from Pyrenophora tritici-repentis. Physiological and Molecular Plant Pathology. 1989;35(3):203-213. DOI: 10.1016/0885-5765(89)90051-9Breen S., McLellan H., Birch P.R.J., Gilroy E.M. Tuning the wavelength: manipulation of light signaling to control plant defense. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(4):3803. DOI: 10.3390/ijms24043803Breen S., McLellan H., Birch P.R.J., Gilroy E.M. Tuning the wavelength: manipulation of light signaling to control plant defense. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(4):3803. DOI: 10.3390/ijms24043803Ciuffetti L.M., Manning V.A., Pandelova I., Betts M.F. Host-selective toxins, Ptr ToxA and Ptr ToxB, as necrotrophic effectors in the Pyrenophora tritici-repentis–wheat interaction. New Phytologist. 2010;187(4):911-919. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2010.03362.xCiuffetti L.M., Manning V.A., Pandelova I., Betts M.F. Host-selective toxins, Ptr ToxA and Ptr ToxB, as necrotrophic effectors in the Pyrenophora tritici-repentis–wheat interaction. New Phytologist. 2010;187(4):911-919. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2010.03362.xCiuffetti L.M., Tuori R.P., Gaventa J.M. A single gene encodes a selective toxin causal to the development of tan spot of wheat. The Plant Cell. 1997;9(2):135-144. DOI: 10.1105/tpc.9.2.135Ciuffetti L.M., Tuori R.P., Gaventa J.M. A single gene encodes a selective toxin causal to the development of tan spot of wheat. The Plant Cell. 1997;9(2):135-144. DOI: 10.1105/tpc.9.2.135Cseh A., Poczai P., Kiss T., Balla K., Berki Z., Horváth Á. et al. Exploring the legacy of Central European historical winter wheat landraces. Scientific Reports. 2021;11(1):23915. DOI: 10.1038/s41598-021-03261-4Cseh A., Poczai P., Kiss T., Balla K., Berki Z., Horváth Á. et al. Exploring the legacy of Central European historical winter wheat landraces. Scientific Reports. 2021;11(1):23915. DOI: 10.1038/s41598-021-03261-4Faris J.D., Zhang Z., Lu H., Lu S., Reddy L., Cloutier S. et al. A unique wheat disease resistance-like gene governs effector-triggered susceptibility to necrotrophic pathogens. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(30):13544-13549. DOI: 10.1073/pnas.1004090107Faris J.D., Zhang Z., Lu H., Lu S., Reddy L., Cloutier S. et al. A unique wheat disease resistance-like gene governs effector-triggered susceptibility to necrotrophic pathogens. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(30):13544-13549. DOI: 10.1073/pnas.1004090107Корнюхин Д.Л., Митрофанова О.П., Михайлова Л.А., Коваленко Н.М. Генофонд староместных и стародавних селекционных сортов мягкой пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине, желтой и темно-бурой пятнистости (каталог). Санкт-Петербург: ВИЗР; 2013.Kornyukhin D.L., Mitrofanova O.P., Mikhailova L.A., Kovalenko N.M. Genetic diversity of landraces and old local cultigens of bread wheat for resistance to leaf blotch, tan spot, and spot blotch (catalogue) (Genofond staromestnykh i starodavnikh selektsionnykh sortov myagkoy pshenitsy po ustoychivosti k buroy rzhavchine, zheltoy i temno-buroy pyatnistosti [katalog]). St. Petersburg: VIZR; 2013. [in Russian]Lamari L., Bernier C.C. Toxin of Pyrenophora tritici repentis: host-specificity, significance in disease, and inheritance of host reaction. Phytopathology. 1989;79:740-744.Lamari L., Bernier C.C. Toxin of Pyrenophora tritici repentis: host-specificity, significance in disease, and inheritance of host reaction. Phytopathology. 1989;79:740-744.McDonald M.C., Solomon P.S. Just the surface: advances in the discovery and characterization of necrotrophic wheat effectors. Current Opinion in Microbiology. 2018;46:14-18. DOI: 10.1016/j.mib.2018.01.019McDonald M.C., Solomon P.S. Just the surface: advances in the discovery and characterization of necrotrophic wheat effectors. Current Opinion in Microbiology. 2018;46:14-18. DOI: 10.1016/j.mib.2018.01.019Михайлова Л.А., Гультяева Е.И., Кокорина Н.М. Лабораторные методы культивирования возбудителя желтой пятнистости пшеницы Pyrenophora tritici-repentis. Микология и фитопатология. 2002;36(1):63-67.Mikhailova L.A., Gultyaeva E.I., Kokorina N.M. Laboratory methods of cultivation of wheat tan spot causal agent Pyrenophora tritici-repentis (Laboratornye metody kultivirovaniya vozbuditelya zheltoy pyatnistosti pshenitsy Pyrenophora tritici-repenti). Mycology and Phytopathology. 2002;36(1):63-67. [in Russian]Михайлова Л.А., Коваленко Н.М. Характеристика устойчивости мягкой и твердой пшеницы к возбудителю желтой пятнистости Pyrenophora triticirepentis. Вестник защиты растений. 2009;(1):10-15.Mikhailova L.A., Kovalenko N.M. Characterization of bread and durum wheat resistance to the Pyrenophora tritici-repentis pathogen (Kharakteristika ustoychivosti myagkoy i tverdoy pshenitsy k vozbuditelyu zheltoy pyatnistosti Pyrenophora tritici-repentis). Plant Protection News. 2009;(1):10-15. [in Russian]Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Research. 1980;8(19):4321-4325. DOI: 10.1093/nar/8.19.4321Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Research. 1980;8(19):4321-4325. DOI: 10.1093/nar/8.19.4321Oliver R.P., Friesen T.L., Faris J.D., Solomon P.S. Stagonospora nodorum: from pathology to genomics and host resistance. Annual Review of Phytopathology. 2012;50:23-43. DOI: 10.1146/annurev-phyto-081211-173019Oliver R.P., Friesen T.L., Faris J.D., Solomon P.S. Stagonospora nodorum: from pathology to genomics and host resistance. Annual Review of Phytopathology. 2012;50:23-43. DOI: 10.1146/annurev-phyto-081211-173019Rees R.G., Platz G.J., Mayer R.J. Susceptibility of Australian wheats to Pyrenophora tritici-repentis. Australian Journal of Agricultural Research. 1987;39:141-151.Rees R.G., Platz G.J., Mayer R.J. Susceptibility of Australian wheats to Pyrenophora tritici-repentis. Australian Journal of Agricultural Research. 1987;39:141-151.Strelkov S., Lamari L. Host–parasite interactions in tan spot (Pyrenophora tritici-repentis) of wheat. Canadian Journal of Plant Pathology. 2003;25(4):339-349. DOI: 10.1080/07060660309507089Strelkov S., Lamari L. Host–parasite interactions in tan spot (Pyrenophora tritici-repentis) of wheat. Canadian Journal of Plant Pathology. 2003;25(4):339-349. DOI: 10.1080/07060660309507089Tehseen M.M., Tonk F.A., Tosun M., Istipliler D., Amri A., Sansaloni C.P. et al. Exploring the genetic diversity and population structure of wheat landrace population conserved at ICARDA Genebank. Frontiers in Genetics. 2022;13:900572. DOI: 10.3389/fgene.2022.900572Tehseen M.M., Tonk F.A., Tosun M., Istipliler D., Amri A., Sansaloni C.P. et al. Exploring the genetic diversity and population structure of wheat landrace population conserved at ICARDA Genebank. Frontiers in Genetics. 2022;13:900572. DOI: 10.3389/fgene.2022.900572Tomas A., Feng G.H., Reeck G.R., Bockus W.W., Leach J.E. Purification of a cultivar-specific toxin from Pyrenophora tritici-repentis, causal agent of tan spot of wheat. Molecular Plant-Microbe Interactions. 1990;3(4):221-224.Tomas A., Feng G.H., Reeck G.R., Bockus W.W., Leach J.E. Purification of a cultivar-specific toxin from Pyrenophora tritici-repentis, causal agent of tan spot of wheat. Molecular Plant-Microbe Interactions. 1990;3(4):221-224.Tuori R.P., Wolpert T.J., Ciuffetti L.M. Purification and immunological characterization of toxic components from cultures of Pyrenophora tritici-repentis. Molecular Plant-Microbe Interactions. 1995;8(1):41-48. DOI: 10.1094/mpmi8-0041Tuori R.P., Wolpert T.J., Ciuffetti L.M. Purification and immunological characterization of toxic components from cultures of Pyrenophora tritici-repentis. Molecular Plant-Microbe Interactions. 1995;8(1):41-48. DOI: 10.1094/mpmi8-0041Вавилов Н.И. Мировые ресурсы сортов хлебных злаков, зерновых бобовых, льна и их использование в селекции. Опыт агроэкологического обозрения важнейших полевых культур. Москва; Ленинград: АН СССР; 1957.Vavilov N.I. World resources of cereals, grain leguminous crops and flax and their utilization in plant breeding. Agroecological survey of the principal field crops. Moscow; Leningrad: USSR Academy of Sciences; 1957. [in Russian]Вавилов Н.И. Мировые ресурсы сортов хлебных злаков, зерновых бобовых, льна и их использование в селекции. Пшеница. Москва; Ленинград: Наука; 1964.Vavilov N.I. World resources of cereals, grain leguminous crops and flax and their utilization in plant breeding. Wheat (Mirovye resursy sortov khlebnykh zlakov, zernovykh bobovykh, lna i ikh ispolzovaniye v selektsii. Pshenitsa). Moscow; Leningrad: Nauka; 1964. [in Russian]White T.J., Bruns T., Lee S., Taylor J. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: M.A. Innis, D.H. Gelfand, J.J. Sninsky, T.J. White (eds). PCR Protocols: A Guide to Methods and Applications. London: Academic Press; 1990. p.315-322.White T.J., Bruns T., Lee S., Taylor J. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: M.A. Innis, D.H. Gelfand, J.J. Sninsky, T.J. White (eds). PCR Protocols: A Guide to Methods and Applications. London: Academic Press; 1990. p.315-322.Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. Москва: Наука; 1984.Zaitsev G.N. Mathematical statistics in experimental botany (Matematicheskaya statistika v eksperimentalnoy botanike). Moscow: Nauka; 1984. [in Russian]

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