vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2020-3-120-127vir-nw-733Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESУстойчивость допущенных к использованию в России сортов ячменя к вредным организмам и токсичным ионам алюминияResistance of barley cultivars approved for use in Russia to harmful organisms and toxic aluminum ionshttps://orcid.org/0000-0003-1021-7951АбдуллаевР. А.AbdullaevR. A.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетики; научный сотрудник; к.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Genetics

abdullaev.1988@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2266-281XБаташеваБ. А.BatashevaB. A.

368612 Республика Дагестан, г. Дербент, с. Вавилово; Дагестанская опытная станция – филиал ВИР; д.б.н.

 

Vavilovo Village, Derbentsky District, Republic of Dagestan 368612

kostek-kum@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5531-2728АлпатьеваН. В.AlpatievaN. V.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетики;; старший научный сотрудник; к.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Genetics

alpatievanatalia@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6995-1742ЧумаковМ. А.ChumakovM. A.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетики; младший научный сотрудник Лаборатории иммунитета Отдела генетики; к.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Genetics

chumacov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3019-0306РадченкоЕ. Е.RadchenkoE. E.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетики; главный научный сотрудник Отдела генетики, руководитель Отдела генетики и Лаборатории иммунитета; д.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Genetics

Eugene_Radchenko@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3990-6526КовалеваО. Н.KovalevaO. N.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетических ресурсов овса, ржи и ячменя; ведуший научный сотрудник, куратор коллекции ячменя; к.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Rye, Barley, Oats Genetic Resources

o.kovaleva@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6537-0868ЯковлеваО. В.YakovlevaO. V.

190000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42, 44; Отдел генетики; руководитель группы абиотического стресса отдела генетики, старший научный сотрудник; к.б.н.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000; Department of Genetics

oly.yakovleva@mail.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian 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 Experiment Station of VIRRussian Federation2020131020201813120127Copyright © Абдуллаев Р.А., Баташева Б.А., Алпатьева Н.В., Чумаков М.А., Радченко Е.Е., Ковалева О.Н., Яковлева О.В., 20202020Абдуллаев Р.А., Баташева Б.А., Алпатьева Н.В., Чумаков М.А., Радченко Е.Е., Ковалева О.Н., Яковлева О.В.Abdullaev R.A., Batasheva B.A., Alpatieva N.V., Chumakov M.A., Radchenko E.E., Kovaleva O.N., Yakovleva O.V.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/733Актуальность

Актуальность. Наиболее рациональный способ снижения потерь урожая ячменя от болезней, вредителей и неблагоприятных эдафических факторов – селекция устойчивых сортов.

Цель работы – оценить диапазон изменчивости возделываемых в России сортов по устойчивости к мучнистой росе, карликовой ржавчине, обыкновенной злаковой тле и токсичным ионам алюминия.

Материалы и методы

Материалы и методы.Изучили 248 сортов ячменя (168 – отечественной и 80 – зарубежной селекции), включенных в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в РФ. Устойчивость растений к возбудителям мучнистой росы и карликовой ржавчины исследовали в лабораторных и полевых условиях. Выделившиеся по устойчивости к мучнистой росе сорта анализировали с помощью молекулярных маркеров. В лаборатории осуществили скрининг ячменя по устойчивости к обыкновенной злаковой тле. Для изучения чувствительности образцов к токсичным ионам алюминия использовали лабораторный метод ранней диагностики признака – метод корневого теста.

Результаты и выводы

Результаты и выводы. Полевой и лабораторный скрининг позволил выявить довольно широкое разнообразие возделываемых в России сортов ячменя по устойчивости к вредным организмам и эдафическому стрессору. Установлено, что 24 сорта устойчивы к мучнистой росе, из них 14 являются носителями эффективного аллеля mlo11. Два сорта устойчивы к возбудителям мучнистой росы и карликовой ржавчины. У 11 сортов выявлена отчетливо выраженная устойчивость к обыкновенной злаковой тле. Высокая устойчивость к токсичным ионам алюминия по индексу длины корня и ростка отмечена у 26 сортов. Выявлены образцы с комплексной устойчивостью к вредным организмам и эдафическому стрессору.

Background

Background. The most rational way to reduce barley crop losses from diseases, pests and adverse edaphic factors is cultivation of resistant varieties. The specificity of the host– pathogen interactions necessitates a constant search for new donors of resistance for breeding, and phytosanitary monitoring of cultivars.

Materials and methods

Materials and methods. The research material comprised 248 barley cultivars included in the State Register of Selection Achievements Admitted for Usage in the Russian Federation – 168 were developed domestically, and 80 by foreign breeders. Their resistance to powdery mildew and leaf rust was studied in under laboratory and field conditions. Barley cultivars distinguished for powdery mildew resistance were analyzed using molecular markers. In the laboratory, barley was screened for greenbug resistance. To study the sensitivity to toxic aluminum ions in barley, we used the laboratory method for the early diagnosis of the trait – the root test method.

Results and conclusions

Results and conclusions. Field and laboratory screening revealed a fairly wide diversity of barley cultivated in Russia in terms of resistance to harmful organisms and the edaphic stressor. It was established that 24 barley cultivars were resistant to powdery mildew, and 14 accessions were carriers of the effective mlo11 allele. Two cultivars manifested combined resistance to powdery mildew and barley leaf rust. In 11 cultivars, a distinct greenbug resistance was revealed. High resistance to toxic aluminum ions according to the root and sprout length indices was observed in 26 cultivars. Accessions with the complex resistance to harmful organisms and the edaphic stressor were identified. 

Hordeum vulgare L.резистентностьмучнистая росакарликовая ржавчинаобыкновенная злаковая тляалюминийHordeum vulgare L.resistancepowdery mildewleaf rustgreenbugaluminumРабота выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану ВИР по проекту № 0662-2019-0006 «Поиск, поддержание жизнеспособности и раскрытие потенциала наследственной изменчивости мировой коллекции зерновых и крупяных культур ВИР для развития оптимизированного генбанка и рационального использования в селекции и растениеводстве» и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-016-00048).The research was performed within the framework of the State Task according to the theme plan of VIR, Project No. 0662-2019-0006 “Search For and Viability Maintenance, 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”, and supported by the Russian Foundation for Fundamental Research (Project No. 20-016-00048).ReferencesАнисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8Anisimova I.N., Alpatieva N.V., Abdullaev R.A., Karabitsina Yu.I., Kuznetsova E.B. Screening of plant genetic resources with the use of DNA markers: basic principles, DNA isolation, PCR setup, agarose gel electrophoresis: (guidelines). E.E. Radchenko (ed.). St. Petersburg: VIR; 2018. [in Russian]. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8Bian M., Jin X., Broughton S., Zhang X.Q., Zhou G., Zhou M., Zhang G., Sun D., Li C. A new allele of acid soil tolerance gene from a malting barley variety. BMC Genetics. 2015;16:92. DOI: 10.1186/s12863-015-0254-4Bian M., Jin X., Broughton S., Zhang X.Q., Zhou G., Zhou M., Zhang G., Sun D., Li C. A new allele of acid soil tolerance gene from a malting barley variety. BMC Genetics. 2015;16:92. DOI: 10.1186/s12863-015-0254-4Dorokhov D.B., Klocke E. A rapid and economic technique for RAPD analysis of plant genomes. Russian Journal of Genetics. 1997;33(4):358-365.Dorokhov D.B., Klocke E. A rapid and economic technique for RAPD analysis of plant genomes. Russian Journal of Genetics. 1997;33(4):358-365.Dreiseitl A. Genes for resistance to powdery mildew in European barley cultivars registered in the Czech Republic from 2011 to 2015. Plant Breeding. 2017;136(3): 351-356. DOI: 10.1111/pbr.12471Dreiseitl A. Genes for resistance to powdery mildew in European barley cultivars registered in the Czech Republic from 2011 to 2015. Plant Breeding. 2017;136(3): 351-356. DOI: 10.1111/pbr.12471Jørgensen J.H., Wolfe M. Genetics of powdery mildew resistance in barley. Critical Reviews in Plant Sciences. 1994;13(1):97-119. DOI: 10.1080/07352689409701910Jørgensen J.H., Wolfe M. Genetics of powdery mildew resistance in barley. Critical Reviews in Plant Sciences. 1994;13(1):97-119. DOI: 10.1080/07352689409701910Kavanagh P.J., Singh D., Bansal U.K., Park R.F. Inheritance and characterization of the new and rare gene Rph25 conferring seedling resistance in Hordeum vulgare against Puccinia hordei. Plant Breeding. 2017;136(6):908-912. DOI: 10.1111/pbr.12535Kavanagh P.J., Singh D., Bansal U.K., Park R.F. Inheritance and characterization of the new and rare gene Rph25 conferring seedling resistance in Hordeum vulgare against Puccinia hordei. Plant Breeding. 2017;136(6):908-912. DOI: 10.1111/pbr.12535Kusch S., Panstruga R. mlo-based resistance: An apparently universal “weapon” to defeat powdery mildew disease. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2017;30(3):179-189. DOI: 0.1094/MPMI-12-16-0255-CRKusch S., Panstruga R. mlo-based resistance: An apparently universal “weapon” to defeat powdery mildew disease. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2017;30(3):179-189. DOI: 0.1094/MPMI-12-16-0255-CRЛоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.Loskutov I.G., Kovaleva O.N., Blinova E.V. Methodological guidelines for studying and maintaining the global collection of barley and oat (Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i sokhraneniyu mirovoy kollektsii yachmenya i ovsa). St. Petersburg: VIR; 2012. [in Russian]Mains E.B., Dietz S.M. Physiologic forms of Barley mildew, Erysiphe graminis hordei. Phytopathology. 1930;20(3):229- 239.Mains E.B., Dietz S.M. Physiologic forms of Barley mildew, Erysiphe graminis hordei. Phytopathology. 1930;20(3):229- 239.Minella E., Sorrells M.E. Inheritance and chromosome location of Alp, a gene controlling aluminum tolerance in ‘Dayton’ barley. Plant Breeding. 1997;116(5):465-469. DOI: 10.1111/j.1439-0523.1997.tb01032.xMinella E., Sorrells M.E. Inheritance and chromosome location of Alp, a gene controlling aluminum tolerance in ‘Dayton’ barley. Plant Breeding. 1997;116(5):465-469. DOI: 10.1111/j.1439-0523.1997.tb01032.xNavakode S., Weidner A., Varshney R.K., Lohwasser U., Scholz U., Börner A. A QTL analysis of aluminium tolerance in barley, using gene-based markers. Cereal Research Communications. 2009;37:531-540. DOI: 10.1556/CRC.37.2009.4.6Navakode S., Weidner A., Varshney R.K., Lohwasser U., Scholz U., Börner A. A QTL analysis of aluminium tolerance in barley, using gene-based markers. Cereal Research Communications. 2009;37:531-540. DOI: 10.1556/CRC.37.2009.4.6Panda S.K., Baluška F., Matsumoto H. Aluminum stress signaling in plants. Plant Signaling and Behavior. 2009;4(7):592-597. DOI: 10.4161/psb.4.7.8903Panda S.K., Baluška F., Matsumoto H. Aluminum stress signaling in plants. Plant Signaling and Behavior. 2009;4(7):592-597. DOI: 10.4161/psb.4.7.8903Park R.F., Golegaonkar P.G., Derevnina L., Sandhu K.S., Karaoglu H., Elmansour H.M. et al. Leaf rust of cultivated barley: pathology and control. Annual Review of Phytopathology. 2015;53:565-589. DOI: 10.1146/annurevphyto-080614-120324Park R.F., Golegaonkar P.G., Derevnina L., Sandhu K.S., Karaoglu H., Elmansour H.M. et al. Leaf rust of cultivated barley: pathology and control. Annual Review of Phytopathology. 2015;53:565-589. DOI: 10.1146/annurevphyto-080614-120324Porter D.R., Burd J.D., Mornhinweg D.W. Differentiating greenbug resistance genes in barley. Euphytica. 2007;153(1-2):11-14. DOI: 10.1007/s10681-006-9193-5Porter D.R., Burd J.D., Mornhinweg D.W. Differentiating greenbug resistance genes in barley. Euphytica. 2007;153(1-2):11-14. DOI: 10.1007/s10681-006-9193-5Piffanelli P., Ramsay L., Waugh R., Benabdelmouna A., D’Hont A., Hollricher K. et al. A barley cultivation-associated polymorphism conveys resistance to powdery mildew. Nature. 2004;430(7002):887-891. DOI: 10.1038/nature02781Piffanelli P., Ramsay L., Waugh R., Benabdelmouna A., D’Hont A., Hollricher K. et al. A barley cultivation-associated polymorphism conveys resistance to powdery mildew. Nature. 2004;430(7002):887-891. DOI: 10.1038/nature02781Радченко Е.Е. Злаковые тли. В кн.: Изучение генетических ресурсов зерновых культур по устойчивости к вредным организмам. Методическое пособие. Москва: Россельхозакадемия; 2008. С.214-257.Radchenko E.E. Cereal aphids (Zlakovye tli). In: The study of the genetic resources of cereal crops for resistance to harmful organisms. Guidelines (Izucheniye geneticheskikh resursov zernovykh kultur po ustoychivosti k vrednym organizmam. Metodicheskoye posobiye). Мoscow: Rosselkhozakademia; 2008. p.214-257 [in Russian]Reinstädler A., Müller J., Jerzy H., Czembor J.H., Piffanelli P., Panstruga R. Novel induced mlo mutant alleles in combination with site-directed mutagenesis reveal functionally important domains in the heptahelical barley Mlo protein. BMC Plant Biology. 2010;10(1):31. DOI: 10.1186/1471-2229-10-31Reinstädler A., Müller J., Jerzy H., Czembor J.H., Piffanelli P., Panstruga R. Novel induced mlo mutant alleles in combination with site-directed mutagenesis reveal functionally important domains in the heptahelical barley Mlo protein. BMC Plant Biology. 2010;10(1):31. DOI: 10.1186/1471-2229-10-31Rigin B.V., Yakovleva O.V. Genetic analysis of toxic ion tolerance in barley. Russian Journal of Genetics. 2006;42(3):301- 305.Rigin B.V., Yakovleva O.V. Genetic analysis of toxic ion tolerance in barley. Russian Journal of Genetics. 2006;42(3):301- 305.Schweissing F.C., Wilde G. Temperature and plant nutrient effects on resistance of seedling sorghum to the greenbug. Journal Economic Entomology. 1979;72(1):20-23. DOI: 10.1093/jee/72.1.20Schweissing F.C., Wilde G. Temperature and plant nutrient effects on resistance of seedling sorghum to the greenbug. Journal Economic Entomology. 1979;72(1):20-23. DOI: 10.1093/jee/72.1.20Seeholzer S. Isolation and characterization of new R-protein variants encoded at the barley Mla locus that speci fy resistance against the fungus powdery mildew. University of Zurich, Faculty of Science; 2009. DOI: 10.5167/uzh-31283Seeholzer S. Isolation and characterization of new R-protein variants encoded at the barley Mla locus that speci fy resistance against the fungus powdery mildew. University of Zurich, Faculty of Science; 2009. DOI: 10.5167/uzh-31283Wang J.P., Raman H., Zhang G.P., Mendham N., Zhou M.X. Aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.): physiological mechanisms, genetics and screening methods. Journal of Zhejiang University SCIENCE B. 2006;7(10):769-787. DOI: 10.1631/jzus.2006.B0769Wang J.P., Raman H., Zhang G.P., Mendham N., Zhou M.X. Aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.): physiological mechanisms, genetics and screening methods. Journal of Zhejiang University SCIENCE B. 2006;7(10):769-787. DOI: 10.1631/jzus.2006.B0769Wu L., Yu J., Shen Q., Huang L., Dezhi W., Zhang G. Iden ti fi cation of microRNAs in response to aluminum stress in the roots of Tibetan wild barley and cultivated barley. BMC Genomics. 2018;19:560. DOI: 10.1186/s12864-018-4953-xWu L., Yu J., Shen Q., Huang L., Dezhi W., Zhang G. Identification of microRNAs in response to aluminum stress in the roots of Tibetan wild barley and cultivated barley. BMC Genomics. 2018;19:560. DOI: 10.1186/s12864-018-4953-xЯковлева О.В. Фитотоксичность ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(3):315-331. DOI: 10.30901/2227-8834-2018- 3-315-331Yakovleva O.V. Phytotoxicity of aluminum ions. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2018;179(3):315-331. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2018- 3-315-331Яковлева О.В., Капешинский А.М., Ковалева О.Н. Устойчивость культурного и дикого ячменя к действию токсичных ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009;165:51-54.Yakovleva O.V., Kapeshinsky A.M., Kovaleva O.N. Aluminium toxic ions tolerance in cultivated and wild barley. Bulletin Applied Botany, Genetics and Breeding. 2009;165:51- 54. [in Russian]Яковлева О.В., Ковалева О.Н. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 824. Ячмень. Характеристика образцов ячменя по устойчивости к токсичным ионам алюминия (H+ + Al3+ ). Санкт-Петербург: ВИР; 2015.Yakovleva O.V., Kovaleva O.N. Catalogue of the VIR Global Collection. Issue 824. Barley. Characteristics of barley accessions for resistance to toxic aluminum ions (H+ + Al3+ ) (Yachmen. Kharakteristika obraztsov yachmenya po ustoychivosti k toksichnym ionam alyuminiya [H+ + Al3+ ]). St. Petersburg: VIR; 2015. [in Russian]Yu X., Kong H.Y., Meiyalaghan V., Casonato S., Chng S., Jones E.E. et al. Genetic mapping of a barley leaf rust resistance gene Rph26 introgressed from Hordeum bulbosum. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131:2567- 2580. DOI: 10.1007/s00122-018-3173-8Yu X., Kong H.Y., Meiyalaghan V., Casonato S., Chng S., Jones E.E. et al. Genetic mapping of a barley leaf rust resistance gene Rph26 introgressed from Hordeum bulbosum. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131:2567- 2580. DOI: 10.1007/s00122-018-3173-8

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