Устойчивость синтетической гексаплоидной пшеницы к возбудителю бурой ржавчины

Актуальность. Один из перспективных источников обогащения генофонда мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) новыми аллелями генов – синтетическая гексаплоидная пшеница (СГП), или аллополиплоиды от скрещивания тетраплоидных пшениц (2n = 4x = 28, BBAA) с образцами Aegilops tauschii Coss. (2n = 2x = 14, DD) и последующего удвоения числа хромосом у гибридов. Целями исследования были: оценка образцов синтетической гексаплоидной пшеницы (СГП) по устойчивости к популяциям возбудителя бурой ржавчины, собранным на территории России; генотипирование образцов; на основе анализа литературы обобщение сведений об устойчивости изученных образцов к другим вредоносным болезням и вредителям.

Материалы и методы. Устойчивость 36 образцов СГП из коллекции ВИР к популяциям Puccinia triticina Erikss. оценивали по методикам ВИЗР в лабораторных условиях и в поле на искусственном инфекционном фоне. Для идентификации Lr-генов применяли фитопатологический тест и ПЦР-маркеры.

Результаты и заключение. Образцы СГП охарактеризованы по устойчивости к российским популяциям возбудителя бурой ржавчины. Выявлены источники устойчивости в фазе проростков и взрослого растения. Фитопатологическим тестом у трех образцов обнаружен ген устойчивости Lr23, ПЦР-маркер гена Lr21=Lr40 присутствовал у 11 образцов, Lr39=Lr41 – у 19, Lr22a – у трех. При этом образцы к-65496, к-65515, к-65517 имели одновременно Lr21=Lr40 и Lr39=Lr41, а к-65497, к-65503 и к-65508 – Lr22a и Lr39=Lr41. Анализ литературы показал, что многие из изученных образцов СГП устойчивы к другим вредоносным болезням и насекомым-вредителям и представляют интерес для дальнейшего изучения и возможного использования в отечественной селекции.

1. Aktar-Uz-Zaman M., Tuhina-Khatun M., Hanafi M.M., Sahebi M. Genetic analysis of rust resistance genes in global wheat cultivars: an overview. Biotechnology and Biotechnological Equipment. 2017;31(3):431-445. DOI: 10.1080/13102818.2017.1304180

2. Cazal-Martínez C.C., Chávez A.R., Reyes-Caballero Y.M., Kohli M.M., Pérez-Estigarribia P.E. Evaluation of synthetic hexaploid wheats for resistance to Wheat Blast disease. Revista Mexicana de Fitopatología. 2018;37(1):35-49. DOI: 10.18781/R.MEX.FIT.1807-5

3. Chhetri M., Bariana H., Wong D., Sohail Y., Hayden M., Bansal U. Development of robust molecular markers for marker-assisted selection of leaf rust resistance gene Lr23 in common and durum wheat breeding programs. Molecular Breeding. 2017;37(3):21. DOI: 10.1007/s11032-017-0628-6

4. Chhuneja P., Garg T., Kumar R., Kaur S., Sharma A., Bains N.S. et al. Evaluation of Aegilops tauschii Coss. germplasm for agromorphological traits and genetic diversity using SSR loci. Indian Journal of Genetics and Plant Breeding. 2010;70(4):328-338.

5. Cox T.S., Raupp W.J., Gill B.S. Leaf rust-resistance genes Lr41, Lr42, and Lr43 transferred from Triticum tauschii to common wheat. Crop Science. 1994;34(2):339-343. DOI: 10.2135/cropsci1994.0011183X003400020005x

6. Crespo-Herrera L., Singh R.P., Reynolds M., Huerta-Espino J. Genetics of greenbug resistance in synthetic hexaploid wheat derived germplasm. Frontiers in Plant Science. 2019;10:782. DOI: 10.3389/fpls.2019.00782

7. Das M.K., Bai G., Mujeeb-Kazi A., Rajaram S. Genetic diversity among synthetic hexaploid wheat accessions (Triticum aestivum) with resistance to several fungal diseases. Genetic Resources Crop Evolution. 2016;63(8):1285-1296. DOI: 10.1007/s10722-015-0312-9

8. Добротворская Т.В., Мартынов С.П., Чи ки да Н.Н., Митрофанова О.П. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 842. Сорта и линии пшеницы, в родословные которых входит эгилопс Тауши (Aegilops tauschii Coss.). Санкт-Петербург: ВИР; 2017.

9. Dorokhov D.B., Klocke E. A rapid and economic technique for RAPD analysis of plant genomes. Russian Journal of Genetics. 1997;33(4):443-450.

10. El Bouhssini M., Ogbonnaya F.C., Chen M., Lhaloui S., Rihawi F., Dabbous A. Sources of resistance in primary synthetic hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) to insect pests: Hessian fly, Russian wheat aphid and Sunnpest in the fertile crescent. Genetic Resources and Crop Evolution. 2013;60(2):621-627. DOI: 10.1007/s10722-012-9861-3

11. Fukuda K., Sakamoto S. Studies on unreduced gamete formation in hybrids between tetraploid wheats and Aegilops squarrosa L. Hereditas. 1992;116(3):253-255. DOI: 10.1111/j.1601

12. Gill B.S., Huang L., Kuraparthy V., Raupp W.J., Wilson D.L., Friebe B. Alien genetic resources for wheat leaf rust resistance, cytogenetic transfer, and molecular analy sis. Australian Journal of Agricultural Research. 2008;59(3):197-205. DOI: 10.1071/AR07315

13. Gill H.S., Li C., Sidhu J.S., Liu W., Wilson D., Bai G. et al. Fine mapping of the wheat leaf rust resistance gene Lr42. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(10):2445. DOI: 10.3390/ijms20102445

14. Gul A., Rasheed A., Afzal F., Napar A.A., Ali A., Jamil M. et al. Characterization of synthetic hexaploid derived from same Aegilops tauschii accessions and different durum cultivars. Cytologia. 2015;80(4):427-440. DOI: 10.1508/cytologia.80.427

15. Gul Kazi A., Rasheed A., Bashir F., Bux H., Napar A.A., MujeebKazi A. Evaluation of Elite-1 synthetic hexaploid germ plasm for various phenological, molecular, and disease attributes. Annual Wheat Newsletter. 2011;57:83-92.

16. Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L., Goncharov N.P., Аkh metova A., Abdullaev K.M., Belousova M.H. et al. Virulence of Puccinia triticina on Triticum and Aegilops species. Australasian Plant Pathology. 2016;45(2):155-163. DOI: 10.1007/s13313-016-0395-6

17. Herrera-Foessel S.A., Singh R.P., Lillemo M., Huerta-Espino J., Bhavani S., Singh S. et al. Lr67/Yr46 confers adult plant resistance to stem rust and powdery mildew in wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2014;127(4):781-789. DOI: 10.1007/s00122-013-2256-9

18. Jighly A., Alagu M., Makdis F., Singh M., Singh S., Emebiri L.C. et al. Genomic regions conferring resistance to multiple fungal pathogens in synthetic hexaploid wheat. Molecular Breeding. 2016;36(9):127. DOI: 10.1007/s11032-016-0541-4

19. Innes R.L., Kerber E.R. Resistance to wheat leaf rust and stem rust in Triticum tauschii and inheritance in hexaploid wheat of resistance transferred from T. tauschii. Genome. 1994;37(5):813-822. DOI: 10.1139/g94-116

20. Kalia B., Wilson D.L., Bowden R.L., Singh R.P., Gill B.S. Adult plant resistance to Puccinia triticina in a geographically diverse collection of Aegilops tauschii. Genetic Resources and Crop Evolution. 2017;64(5):913-926. DOI: 10.1007/s10722-016-0411-2

21. Хакимова А.Г., Губарева Н.К., Кошкин В.А., Митрофанова О.П. Генетическое разнообразие и селекционная ценность синтетической гексаплоидной пшеницы, привлеченной в коллекцию ВИР. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(6):738-745. DOI: 10.18699/VJ19.548

22. Хакимова А.Г., Пюккенен В.П., Дульнева Н.Д., Шестобитов В.В., Губарева Н.К., Мартыненко Н.М., Ми тро фанова О.П. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 870. Пшеница. Синтетическая гексаплоидная пшеница: характеристика 36 образцов из СИММИТ, привлеченных в коллекцию ВИР (паспортные данные, морфологическое описание, хозяйственно ценные признаки, регистрация по спектрам глиадина). Санкт-Петербург: ВИР; 2018.

23. Kishii M. An update of recent use of Aegilops species in wheat breeding. Frontiers in Plant Science. 2019;10:585. DOI: 10.3389/fpls.2019.00585

24. Колесова М.А., Тырышкин Л.Г. Генетический контроль эффективной ювенильной устойчивости образцов Aegilops tauschii Coss. к листовым болезням. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012;6:27-30.

25. Kolmer J.A. Genetics of resistance to wheat leaf rust. Annual Review of Phytopathology. 1996;34(1):435-455. DOI: 10.1146/annurev.phyto.34.1.435

26. Lagudah E.S. Molecular genetics of race non-specific rust resistance in wheat. Euphytica. 2011;179(1):81-91. DOI: 10.1007/s10681-010-0336-3

27. Ledesma-Ramirez L., Solis-Moya E., Ramirez-Pimentel J.G., Dreisigacker S., Huerta-Espino J., Aguirre-Mancilla C.L. et al. Relationship between the number of partial resistance genes and the response to leaf rust in wheat genotypes. Chilean Journal of Agricultural Research. 2018;78(3):400-408. DOI: 10.4067/S0718-58392018000300400

28. Mains E.B., Jackson H.S. Physiologic specialization in the leaf rust of wheat Puccinia triticina Erikss. Phytopathology. 1926;16(2):89-120.

29. Majka M.M., Kwiatek M.T., Majka J., Wisniewska H. Aegilops tauschii accessions with geographically diverse origin show differences in chromosome organization and polymorphism of molecular markers linked to leaf rust and powdery mildew resistance genes. Frontiers in Plant Science. 2017;8:1149. DOI: 10.3389/fpls.2017.01149

30. Marcussen T., Sandve S.R., Heier L., Spannagl M., Pfeifer M., Kjetill S.J. et al. Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat. Science. 2014; 345(6194):1250092. DOI: 10.1126/science.1250092

31. Martynov S.P., Dobrotvorskaya T.V., Mitrofanova O.P. Genealogical analysis of the use of aegilops (Aegilops L.) genetic material in wheat (Triticum aestivum L.). Russian Journal of Genetics. 2015;51(9):855-862. DOI: 10.1134/S1022795415090070

32. McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers J., Morris C., Appels R., Xia X.C. Catalogue of gene symbols for wheat. In: Proceedings of the 12th International Wheat Genetics Symposium; 8–13 September 2013; Yokohama, Japan. Springer Open; 2013. Available from: https://wheat.pw.usda.gov/GG2/Triticum/wgc/2013/GeneCatalogueIntroduction.pdf [accessed Feb. 3, 2021].

33. Методы селекции и оценки устойчивости пшеницы и ячменя к основным болезням в странах – членах СЭВ. Прага; 1988. Михайлова Л.А, Гультяева Е.И., Мироненко Н.В. Ме тоды исследований структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы. В кн.: Сборник методических рекомендаций по защите растений. Санкт-Петербург: ВИЗР; 1998. C.105-126.

34. Mohler V., Schmolke M., Zeller F.J., Hsam S.L.K. Genetic analysis of Aegilops tauschii-derived seedling resistance to leaf rust in synthetic hexaploid wheat. Journal of Applied Genetics. 2020;61(2):163-168. DOI: 10.1007/s13353-020-00541-z

35. Mujeeb-Kazi A., Gul A., Ahmad I., Farooq M., Rizwan S., Bux H. et al. Aegilops tauschii, as a spot blotch (Cochliobolus sativus) resistance source for bread wheat improvement. Pakistan Journal of Botany. 2007;39(4):1207-1216.

36. Mujeeb-Kazi A., Gul A., Farooq M., Rizwan S., Ahmad I. Rebirth of synthetic hexaploids with global implications for wheat improvement. Australian Journal of Agricultural Research. 2008;59(5):391-398. DOI: 10.1071/AR07226

37. Naghavi M.R., Aghaei M.J., Taleei A.R., Omidi M., Mozafari J., Hassani M.E. Genetic diversity of the D-genome in T. aestivum and Aegilops species using SSR markers. Genetic Resources and Crop Evolution. 2009;56(4):499-506. DOI: 10.1007/s10722-008-9381-3

38. Naghavi M.R., Mardi M. Characterization of genetic variation among accessions of Aegilops tauschii. Asia-Pacific Journal of Molecular Biology and Biotechnology. 2010;18(1):93-96.

39. Naghavi M.R., Mardi M., Pirseyedi S.M., Kazemi M., Potki P., Ghffari M.R. Comparison of genetic variation among accessions of Aegilops tauschii using AFLP and SSR markers. Genetic Resources and Crop Evolution. 2007;54(2):237-240. DOI: 10.1007/s10722-006-9143-z

40. Nelson J.C., Singh R.P., Autrique J.E., Sorrells M.E. Mapping genes conferring and suppressing leaf rust resistance in wheat. Crop Science. 1997;37(6):1928-1935. DOI: 10.2135/cropsci1997.0011183X003700060043x

41. Peterson R.F., Campbell A.B., Hannah A.E. A diagrammatic scale for estimating rust intensity on leaves and stems of cereals. Canadian Journal of Research. 1948;26(5):496-500. DOI: 10.1139/cjr48c-033

42. Prazak R. The role of Aegilops species in the origin and improvement of common wheat. Acta Agrobotanika. 2013; 66(4):7-14. DOI: 10.5586/aa.2013.046

43. Qin P., Lin Y., Hu Y., Liu K., Mao S., Li Z. et al. Genome-wide association study of drought-related resistance traits in Aegilops tauschii. Genetics and Molecular Biology. 2016;39(3):398-407. DOI: 10.1590/1678-4685-GMB-2015-0232

44. Qiu J.W., Schürch A.C., Yahiaoui N., Dong L.L., Fan H.J., Zhang Z.J. et al. Physical mapping and identification of a candidate for the leaf rust resistance gene Lr1 of wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2007;115(2):159-168. DOI: 10.1007/s00122-007-0551-z

45. Ram R.B., Singh S.S., Lal Ahamed M., Sharma J.B. Genetic analysis for adult plant resistance to leaf rust in synthetic hexaploid wheats derived from Triticum turgidum (AABB) × T. tauschii (DD). Indian Phytopathology. 2005;58(2):149-152.

46. Rizwan S., Ahmad I., Ashraf M., Mirza J.I., Sahi G.M., AtiqurRahman R. et al. Evaluation of synthetic hexaploid wheats (Triticum turgidum L. × Aegilops tauschii L.) and their durum parents for stripe rust (Puccinia striiformis Westend. f. sp. tritici Eriksson) resistance. Revista Mexicana de Fitopatologia. 2007a;25(2):152-160.

47. Rizwan S., Ahmad I., Ashraf M., Sahi G.M., Mirza J.I., Ratto A. et al. New sources of wheat yellow rust (Puccinia striiformis f. tritici) seedling resistance. Pakistan Journal of Botany. 2007b;39(2):595-602.

48. Rosyara U., Kishii M., Payne T., Sansaloni C.P., Singh R.P., Braun H.J. et al. Genetic contribution of synthetic hexaploid wheat to CIMMYT’s spring bread wheat breeding germplasm. Scientific Reports. 2019;9(1):12355. DOI: 10.1038/s41598-019-47936-5

49. Schneider A., Molnár I., Molnár-Láng M. Utilization of Aegilops (goatgrass) to widen the genetic diversity of cultivated wheat. Euphytica. 2008;163(1):1-19. DOI: 10.1007/s10681-007-9624-y

50. Singh N., Wu S., Twari V., Sehgal S., Raupp J., Wilson D. et al. Genomic analysis confirms population structure and identifies inter-lineage hybrids in Aegilops tauschii. Frontiers in Plant Science. 2019;10:9. DOI: 10.3389/fpls.2019.00009

51. Singh P.K., Mergoum M., Ali S., Adhikari T.B., Hughes G.R. Genetic analysis of resistance to Pyrenophora tritici– repentis races 1 and 5 in tetraploid and hexaploid wheat. Phytopathology. 2008;98(6):702-708. DOI: 10.1094/PHYTO-98-6-0702

52. Sohail Q., Shehzad T., Kilian A., Eltayeb A.E., Tanaka H., Tsujimoto H. Development of diversity array technology (DArT) markers for assessment of population structure and diversity in Aegilops tauschii. Breeding Science. 2012;62(1):38-45. DOI: 10.1270/jsbbs.62.38

53. Takumi S., Nishioka E., Morihiro H., Kawahara T., Matsuoka Y. Natural variation of morphological traits in wild wheat progenitor Aegilops tauschii Coss. Breeding Science. 2009;59(5):579-588. DOI: 10.1270/jsbbs.59.579

54. van Slageren M.W. Wild wheats: a monograph of Aegilops L. and Amblyopyrum (Jaub. & Spach) Eig (Poaceae). Wageningen: Agricultural University; Aleppo: ICARDA; 1994.

55. Wang J., Luo M.C., Chen Z., You F.M., Wei Y., Zheng Y. et al. Aegilops tauschii single nucleotide polymorphisms shed light on the origins of wheat D-genome genetic diversity and pinpoint the geographic origin of hexaploid wheat. New Phytologist. 2013;198(3):925-937. DOI: 10.1111/nph.12164

56. Yu G.T., Wang T., Anderson K.M., Harris M.O., Cai X., Xu S.S. Evaluation and haplotype analysis of elite synthetic hexaploid wheat lines for resistance to Hessian fly. Crop Science. 2012;52(2):752-763. DOI: 10.2135/cropsci2011.05.0290

57. Yuan B., Cao X., Lv A. Gene introgression from common wheat into Aegilops L. Saudi Journal of Biological Scien ces. 2017;24(4):813-816. DOI: 10.1016/j.sjbs.2016.05.016

58. Zhang L.Q., Yan Z.H., Dai S.F., Chen Q.J., Yuan Z.W., Zheng Y.L. et al. The crossability of Triticum turgidum with Aegilops tauschii. Cereal Research Communications. 2008;36(3):417-427. DOI: 10.1556/CRC.36.2008.3.6

59. Zhao L., Ning S., Yi Y., Zhang L., Yuan Z., Wang J. et al. Fluorescence in situ hybridization karyotyping reveals the presence of two distinct genomes in the taxon Aegilops tauschii. BMC Genomics. 2018;19:3. DOI: 10.1186/s12864-017-4384-0