doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.85rus

УДК 633.11:632.4.01:575.174

Молекулярно-генетические исследования патогена выполнены при финансовой поддержке РНФ, проект № 14-26-00067. Идентификация генов устойчивости у пшеницы с использованием ПЦР маркеров проведена в рамках проекта РНФ № 16-16-10005.

 

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА РОССИЙСКИХ И КАЗАХСТАНСКИХ
ПОПУЛЯЦИЙ ВОЗБУДИТЕЛЯ БУРОЙ РЖАВЧИНЫ Puccinia
triticina
Erikss. ПО ВИРУЛЕНТНОСТИ И SSR МАРКЕРАМ

Е.И. ГУЛЬТЯЕВА1, Е.Л. ШАЙДАЮК1, В.П. ШАМАНИН2, А.К. АХМЕТОВА3,
В.А. ТЮНИН4, Е.Р. ШРЕЙДЕР4, И.В. КАШИНА5, Л.А. ЕРОШЕНКО6,
Г.А. СЕРЕДА7, А.И. МОРГУНОВ3

Бурая ржавчина (возбудитель Puccinia triticina Erikss.) — экономически значимое заболевание яровой пшеницы в западно-азиатских регионах России и Северном Казахстане. Для успешной селекции на устойчивость к инфекции необходима информация об эффективности генов Lr пшеницы, влиянии новых сортов на изменчивость патогена по вирулентности, а также о степени изоляции популяций друг от друга. До настоящего времени в популяционных исследованиях P. triticina не использовали единообразный инфекционной материал (его собирали с разного набора сортов в каждом регионе), в связи с чем на результаты оценки вирулентности существенно влияло селективное действие растения-хозяина. Мы впервые сравнили структуру популяций гриба P. triticina на западе азиатской части России и в Северном Казахстане по вирулентности и молекулярным маркерам, использовав в качестве источника инфекционного материала единый набор образцов пшеницы сезона 2016 года, которые испытываются в этих регионах в рамках программы Казахстанско-Сибирской сети улучшения яровой пшеницы (КАСИБ). Для анализа вирулентности использовали 91 монопустульный изолят, в том числе 13 челябинских, 28 омских, 6 курганских, 16 акмолинских, 16 павлодарских и 12 карагандинских. С помощью 20 почти изогенных Lr-линий Thatcher (TcLr) нами описаны 11 фенотипов вирулентности. Сходный фенотипический состав патогена был выявлен на сортах Дуэт, Терция, Омская 35, Памяти Азиева, Саратовская 29, Чебаркульская 3 и линии Эритросперум 85-08. На сорте Астана 2 и линиях Лютесценс 1003, Лютесценс 6/04-4 российские изоляты гриба отличались от казахстанских по вирулентности для ТсLr11, а на линиях ГВК 2074/4 и Лютесценс 715 — авирулентностью в отношении ТсLr18. Более существенные различия по спектру вирулентности между региональными популяциями отмечались на менее поражаемой линии Лютесценс 34/08-19 и сорте Родник. Все изученные изоляты P. triticina были авирулентны для TсLr19, TсLr24 и вирулентны для TсLr3а, TсLr3bg, TсLr3ka, TсLr14a, TсLr14b, ТсLr16, ТсLr17, ТсLr30. На линиях Tс с генами Lr1, Lr2a, Lr2b, Lr2c, Lr9, Lr15, Lr18, Lr20, Lr26 наблюдали варьирование по частоте вирулентности. Вирулентность для TсLr9 выявили в популяциях патогена, собранных с образцов пшеницы с этим геном (Дуэт, Терция, Чебаркульская 3, Лютесценс 34/08-19). Индексы генетических расстояний по M. Nei (Nei D) и ΦPT (аналог Fst для бинарных данных в AMOVA) подтвердили различия в дифференциации популяций по вирулентности. Значения Nei D указывали на высокое сходство между большинством североказахстанских и российских популяций, за исключением челябинской и карагандинской. По индексу ΦPT высоким сходством обладали омская, курганская и североказахстанские популяции. Челябинская популяция была близка с курганской и отличалась от других изученных. С использованием 12 SSR маркеров были охарактеризованы 46 изолятов и выявлены 9 генотипов. В результате обнаружен 21 полиморфный аллель. Значения индексов Nei D и Fst указывали на умеренные различия между челябинской и карагандинской популяциями и высокое сходство между другими изученными. В целом проведенные исследования свидетельствуют о высоком сходстве популяций бурой ржавчины в западно-азиатских регионах России и Северном Казахстане, что подтверждает предположение о существовании единой популяции гриба в изученных областях. Для предотвращения эпифитотий P. triticina на сопредельной территории России и Казахстана необходимо постоянное обновление сортимента пшеницы, расширение его генетического разнообразия и применение стратегии мозаичного размещения сортов с соблюдением оптимальных площадей, занятых генетически однородными сортами.

Ключевые слова: Puccinia triticina Erikss., бурая ржавчина, мягкая пшеница, популяции, вирулентность, Lr-гены, SSR маркеры.

 

Полный текст

Приложения

 

 

GENETIC STRUCTURE OF RUSSIAN AND KAZAKHSTANI
LEAF RUST CAUSATIVE AGENT Puccinia triticina Erikss.
POPULATIONS AS ASSESSED BY VIRULENCE PROFILES AND SSR MARKERS

E.I. Gultyaeva1, E.L. Shaydayuk1, V.P. Shamanin2, А.К. Аkhmetova3,
V.A. Tyunin4, E.R. Shreyder4, I.V. Kashina5, L.A. Eroshenko6,
G.A. Sereda7, A.I. Morgunov3

Leaf rust caused by Puccinia triticina Erikss is an economically significant disease of spring wheat in the West-Asian Russia and Northern Kazakhstan. Successful wheat breeding for leaf rust resistance necessitates characterization of Lr gene effectiveness, the impact of new wheat varieties on the pathogen virulence, and isolation between populations of P. triticina. Until now, nobody used a uniform infectious material in P. triticina population study, as it was collected from a different set of varieties in each region. Thence, the virulence assessment data were significantly influenced by the effects of host plants. We were the first to compare the structure of P. triticina populations in the West-Asian Russia and Northern Kazakhstan on virulent and molecular genetic properties, using as a source of infectious material a single set of the wheat samples dated 2016 that were tested there within the framework of the Kazakhstan-Siberian Spring Wheat Improvement Network Program (KASIB). Ninety one single-pustule isolates have been tested in the virulence analysis, including 13 isolates from Chelyabinsk, 28 from Omsk, 6 from Kurgan, 16 from Akmolinskaya, 16 from Pavlodarskaya, and 12 from Karagandinskaya provinces. Eleven phenotypes of virulence have been identified with the use of 20 isogenic Thatcher lines with Lr genes (TcLr). The similar phenotypes were found on cultivars Duat, Tertsia, Omskaya 35, Pamyati Azieva, Saratovskaya 29, Chebarkulskaya 3 and line Eritrosperum 85-08. The Russian pathotypes found on variety Astana and lines Lutescens 1003 and Lutescens 6/04-4 differed from Kazakhstan ones in virulence to TcLr11, and those colonizing variety GVK 2074/4 and line Lutescens 715 differed in avirulence to TcLr18. More significant differences in the virulence rang between regional populations have been observed on the line Lutescens 34/08-1 and the variety Rodnik. All studied P. triticina isolates were avirulent to TcLr19, TcLr24 and virulent to TcLr3a, TcLr3bg, TcLr3ka, TcLr14a, TcLr14b, TcLr16, TcLr17, TcLr30. The variation in virulence frequencies was observed on the wheat lines with the genes Lr1, Lr2a, Lr2b, Lr2c, Lr9, Lr15, Lr18, Lr20, and Lr26. Virulence to Lr9 was found in the pathogen populations collected from the wheat samples Duet, Tertsia, Chebarkulskaya 3, Lutescens 34/08-19 carrying this gene. The differences in populations on virulence were found using the indices of genetic distances Nei D and Fst, the analog for binary data in AMOVA. The Nei index values indicated a high similarity between the majority of the Northern-Kazakhstani and Russian populations, except of those from Chelyabinskaya and Karagandinskaya provinces. According to the Fst index, the high similarity was found between the populations from Omsk, Kurgan and Northern Kazakhstan. The Chelyabinsk population appeared to be close to the Kurgan but varied from others. In the test, a total of 46 isolates and 9 genotypes have been identified using 12 SSR markers. In this, 21 polymorphic alleles were found in the studied set. The Nei and Fst indices revealed the moderate differences between the Chelyabinsk and Karaganda populations and a high similarity between other populations studied. The current survey defined the high similarity of leaf rust pathogen populations in West-Asian Russia and Northern Kazakhstan, assuming the existence of a single fungus population in the studied territories. In order to prevent the P. triticina epiphytoties on the adjacent territories of Russia and Kazakhstan, the constant updating of wheat varieties and higher genetic diversity are strongly recommended. In addition, the varieties should be grown according to the «mosaic distribution» scheme using optimal areas for genetically homogeneous varieties.

Keywords: Puccinia triticina Erikss., leaf rust, common wheat, populations, virulence, Lr-genes, SSR markers.

 

1ФГБНУ Всероссийский НИИ защиты растений,
196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3,
e-mail: eigultyaeva@gmail.com ✉ , eshaydayuk@bk.ru;
2ФГБОУ ВО Омский государственный аграрный
университет им. П.А. Столыпина
,
644122 Россия, г. Омск, Институтская площадь, 1,
e-mail: vp.shamanin@omgau.org;
3International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT),
P.К. 39, Emek, 06511, Ankara, Turkey,
e-mail: aigkur@gmail.com, a.morgounov@cgiar.org;
4ФГБНУ Челябинский НИИ сельского хозяйства,
456404 Россия, Челябинская обл., Чебаркульский р-н, п. Тимирязевский,
e-mail: chniisx2@mail.ru, shreyder11@mail.ru;
5ООО Агрокомплекс «Кургансемена»,
640000 Россия, г. Курган, ул. Володарского, 57-203,
e-mail: irfom45@mail.ru;
6ТОО Павлодарский НИИСХ,
140000 Республика Казахстан, Павлодарская обл.,
п. Красноармейка, ул. 60 лет Октября, 32,
e-mail: selektion2011@mail.ru;
7ТОО Карагандинский НИИ растениеводства
и селекции
,
110435 Республика Казахстан, Карагандинская обл., Бухар-Жырауский р-н, с. Центральное,
e-mail: 12345680@bk.ru

Поступила в редакцию
29 июня 2017 года

 

назад в начало