Характеристика северо-западной и северокавказской популяций Puccinia striiformis f. sp. tritici по вирулентности и микросателлитным локусам в 2022 году

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Желтая ржавчина (возбудитель – Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst) – потенциально опасное заболевание пшеницы. Генетическая защита пшеницы – экологически безопасный метод борьбы. Для ее успешного применения необходима информация о структуре региональных популяций патогена. Цель данных исследований – характеристика вирулентности и молекулярного полиморфизма российских популяций Pst в 2022 г. Листья пшеницы с урединиопустулами Pst получены из Северо-Кавказского (Краснодарский край, Дагестан, Республика Калмыкия) и Северо-Западного (Ленинградская обл.) регионов. Анализ вирулентности проводили на 14 изогенных линиях (AvocetNIL) и 15 сортах-дифференциаторах. При молекулярном анализе оценили полиморфизм 20 микросателлитных локусов. Использовали SSR-маркеры, рекомендуемые Global Rust Reference Center. Изучили вирулентность 74 монопустульных изолятов: 29 дагестанских, 10 краснодарских, 5 калмыцких, 30 северо-западных. Устойчивость ко всем изолятам показали линии с генами Yr5, Yr10, Yr15, Yr24, Yr26 и сорта Moro (Yr10, YrMor) и Nord Desprez (Yr3, YrND, Yr+). В дагестанской и краснодарской популяциях впервые выделены изоляты, вирулентные к линии AvYr17. В северо-западной популяции они были представлены умеренно (13%). Существенное варьирование наблюдали на линиях и сортах с генами Yr1 и Yr3. Отмечено снижение частот вирулентности к Yr7 и YrSp по сравнению с 2019–2021 гг. 28 фенотипов (рас) определили при анализе вирулентности (15 в дагестанской, 11 в северо-западной, три в краснодарской и две в калмыцкой). Общий фенотип отмечен в трех северокавказских образцах Pst. Оценили генетические дистанции между выявленными фенотипами. На многомерной диаграмме большинство из них объединились в общую группу, за исключением трех дагестанских фенотипов с наименьшим числом аллелей вирулентности. Согласно индексу Fst высоким сходством характеризовались дагестанская и калмыцкая Pst коллекции; другие умеренно отличались от них. Оценили многолетнюю динамику вирулентности (2019–2022 гг.) Pst популяций в Северо-Западном и Северо-Кавказском регионах. Высокое сходство определено между всеми региональными образцами популяций 2019 и 2020 гг. Незначительно дифференцировались от них северо-западные и дагестанские в 2021 и 2022 гг. Краснодарские и калмыцкие популяции в 2022 г. выделились в отдельные группы, которые различались между собой и с основной группой. Многолетние результаты анализа вирулентности указывают на высокую динамичность структуры Pst популяций в России. При SSR-анализе использовали все северокавказские изоляты и 23 северо-западных. Шесть локусов (RYN3, RYN9, RYN12, WU6, RJO21, RJO24) оказались мономорфными. По три полиморфных аллеля выявлено в локусах RYN13 и RJO27 и по два – в остальных изученных. Значительные отклонения от равновесия Харди-Вайнберга отмечены для большинства локусов. Наблюдаемая гетерозиготность превышала ожидаемую, что для ржавчинных грибов указывает на клональное происхождение популяции. Изученная коллекция изолятов была представлена 20 мультилокусными генотипами (MGs) (дагестанская и северо-западная – по 11, краснодарская – тремя, калмыцкая – одним). Общие генотипы отмечены в дагестанской, краснодарской и северо-западной популяциях (MG_1); дагестанской, калмыцкой и северо-западной (MG_2); дагестанской и краснодарской (MG_3, MG_4). Оценили генетические дистанции между MGs. На многомерной диаграмме они разделились на четыре группы. Основная группа включала 80% MGs. Один дагестанский MG, два северо-западных MG и общий для дагестанской и краснодарской коллекций MG_3 значимо отличались от основной группы и различались между собой. Согласно индексу Fst большинство региональных коллекций умеренно дифференцировались между собой, за исключением дагестанской и калмыцкой, что согласуется с анализом вирулентности. Согласно тесту Мантеля выявлена умеренная корреляция результатов анализа вирулентности и SSR (r = 0.6). Это указывает на то, что оба анализа могут быть использованы для оценки генетического полиморфизма Pst. Высокая изменчивость российских популяций по признаку вирулентности и микросателлитным локусам предопределяет необходимость проведения ежегодного мониторинга региональных популяций Pst в России.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. И. Гультяева

Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений

Автор, ответственный за переписку.
Email: eigultyaeva@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Е. Л. Шайдаюк

Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений

Email: eshaydayuk@bk.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Ali S., Gautier A., Leconte M. et al. A rapid genotyping method for an obligate fungal pathogen, Puccinia striiformis f. sp. tritici, based on DNA extraction from infected leaf and Multiplex PCR genotyping. BMC Research Notes. 2011. V. 4. P. 240. https://doi.org/10.1186/1756-0500-4-240
  2. Ali S., Gladieux P., Leconte M. et al. Origin, migration routes and worldwide population genetic structure of the wheat yellow rust pathogen Puccinia striiformis f. sp. tritici. PLOS Pathog. 2014. V. 10. (1). P. e1003903. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003903
  3. Ali S., Khan M.R., Gautier A. et al. Microsatellite genotyping of the wheat yellow rust pathogen Puccinia striiformis. In: Sambasivam Periyannan (ed.). Wheat rust diseases: methods and protocols, methods in molecular biology. V. 1659. N.Y., 2017a, pp. 59–70.
  4. Ali S., Rodriguez-Algaba J., Thach T. et al. Yellow rust epidemics worldwide were caused by pathogen races from divergent genetic lineages. Front. Plant Sci. 2017b. V. 8. P. 1057. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01057
  5. Amil R.E., Ali S., Bahri B. et al. 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 Pathol. 2020. V. 69 (4). P. 618–630. https://doi.org/10.1111/ppa.13164
  6. Bailey J., Karaoglu H., Wellings C. et al. Isolation and characterisation of 25 genome-derived simple sequence repeat markers for Puccinia striiformis f. sp. tritici. Mol. Ecol. Resour. 2013. V. 13 (4). P. 760–762. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12121
  7. Chen C.Q., Zheng W.M., Buchenauer H. et al. Isolation of microsatellite loci from expressed sequence tag library of Puccinia striiformis f. sp. tritici. Mol. Ecol. Resour. 2009. V. 9 (1). P. 236–238. https://doi.org/10.1111/j.1755-0998.2008.02423.x
  8. Chen W., Wellings C., Chen X. et al. Wheat stripe (yellow) rust caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici. Mol. Plant Pathol. 2014. V. 15 (5). P. 433–446 https://doi.org/10.1111/mpp.12116
  9. Chen X.M. Epidemiology and control of stripe rust (Puccinia striiformis f. sp. tritici) on wheat. Can. J. Plant Pathol. 2005. V. 27 (3). P. 314–337. https://doi.org/10.1080/07060660509507230
  10. Cheng P., Chen X.M., See D.R. Grass hosts harbor more diverse isolates of Puccinia striiformis than cereal crops. Phytopathology. 2016. V. 106. P. 362–371. https://doi.org/10.1094/phyto-07-15-0155-R
  11. Cheng P., Chen X.M., Xu L.S. et al. Development and characterization of expressed sequence tag-derived microsatellite markers for the wheat stripe rust fungus Puccinia striiformis f. sp tritici. Mol Ecol Resour. 2012. V. 12 (4). P. 779–781. https://doi.org/10.1111/j.1755-0998.2012.03155.x
  12. Enjalbert J., Duan X., Giraud T. et al. Isolation of twelve microsatellite loci, using an enrichment protocol, in the phytopathogenic fungus Puccinia striiformis f. sp. tritici. Mol. Ecol. Notes. 2002. V. 2 (4). P. 563–565. https://doi.org/10.1046/j.1471-8286.2002.00322.x
  13. Gassner G., Straib W. Untersuchungen Über die Infektionsbedingungen von Puccinia glumarum und Puccinia graminis. Arb. Biol. Reichsanst. Land-Forst- wirtsch Berlin-Dahlem. 1929. V. 16 (4). P. 609−629.
  14. GRRC – Global Rust Reference Center. https://agro.au.dk/forskning/internationale-platforme/wheatrust. Accessed 22.01.2024.
  15. Gultyaeva E., Shaydayuk E. Resistance of modern Russian winter wheat cultivars to yellow rust. Plants. 2023, V. 12 (19). P. 3471. https://doi.org/10.3390/plants12193471
  16. Gultyaeva E.I, Solodukhina O.V. Rusts diseases in cereals. Izuchenie geneticheskikh resursov zernovyh kultur po ustojchivosti k vrednym organizmam. 2008. P. 5–11 (In Russ.).
  17. Gultyaeva E.I., Aristova M.K., Shaydayuk E.L. et al. Genetic differentiation of Puccinia triticina Erikss. in Russia. Russ. J. Genet. 2017. V. 53 (9). P. 998–1005. https://doi.org/10.1134/s1022795417070031
  18. Gultyaeva E.I., Shaydayuk E.L., Smirnova R.E. et al. Virulence diversity of the yellow rust pathogen population in Dagestan. Proceed. Appl. Botany, Genetics and Breeding. 2023. V. 184 (4). P. 190–204. https://doi.org/:10.30901/2227-8834-2023-4-190-204
  19. Gultyaeva Е., Shaydayuk E., Kosman E. Virulence diversity of Puccinia striiformis f. sp. tritici in common wheat in Russian regions in 2019–2021. Agriculture. 2022. V. 12 (11). P. 1957. https://doi.org/10.3390/agriculture12111957
  20. Hovmøller M.S., Rodriguez-Algaba J., Thach T. et al. Report for Puccinia striiformis race analyses and molecular genotyping 2017. 2018. GRRC, Aarhus University, Denmark. https://agro.au.dk/fileadmin/Summary_of_Puccinia_striiformis_race_analysis_2017.pdf. Accessed 22.01.2024.
  21. Hovmøller M.S., Patpour M., Rodriguez-Algaba J. et al. Stem- and yellow rust genotyping and race analyses. 2020. GRRC, Aarhus University, Denmark. Available at: https://agro.au.dk/fileadmin/www.grcc.au.dk/International_Services/Pathotype_YR_results/Summary_ of_Puccinia_striiformis_molecular_genotyping_2018.pdf. Accessed 22.01.2024.
  22. Hovmøller M.S., Rodriguez-Algaba J., Thach T. et al. Race typing of Puccinia striiformis on wheat. In: Sambasivam Periyannan (ed.). Wheat rust diseases: methods and protocols, methods in molecular biology. V. 1659. N.Y., 2017, pp. 29–40.
  23. Hovmøller M.S., Sørensen C.K., Walter S., Justesen A.F. Diversity of Puccinia striiformis on cereals and grasses. Annu. Rev. Phytopathol. 2011. V. 49 (1). P. 197–217.
  24. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-072910-095230
  25. Ivanova Yu.N., Rosenfread K.K., Stasyuk A.I. et al. Raise and characterization of a bread wheat hybrid line (Tulaykovskaya 10 × Saratovskaya 29) with chromosome 6Agi2 introgressed from Thinopyrum intermedium. Vavilov J. Genet. Breed. 2021. V. 25 (7). P. 701–712 (In Russ.). https://doi.org/10.18699/VJ21.080
  26. Justesen A.F., Ridoutb 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. Pathol. 2002. V. 51 (1). P. 13–23. https://doi.org/10.1046/j.0032-0862.2001.00651.x
  27. Kokhmetova A., Rathan N.D., Sehgal D. et al. QTL mapping for seedling and adult plant resistance to stripe and leaf rust in two winter wheat populations. Front. Genet. 2023. V. 14. P. 1265859. https://doi: 10.3389/fgene.2023.126585
  28. Kokhmetova A.M., Atishova M.N., Galymbek K. Identification of wheat germplasm resistant to leaf, stripe and stem rust using molecular markers. Bulletin of NAS RK. 2020. V.2 (384). P. 45–52. https://doi.org/10.32014/2020.2518-1467.40
  29. Kosman E., Dinoor A., Herrmann A. et al. Virulence Analysis Tool (VAT). User Manual. 2008. https://en-lifesci.tau.ac.il/profile/kosman. Accessed 22.01.2024.
  30. Liu Y., Bai Q., Wang M. et al. Genotyping Puccinia striiformis f. sp. tritici isolates with SSR and SP-SNP markers reveals dynamics of the wheat stripe rust pathogen in the United States from 1968 to 2009 and identifies avirulence associated markers. Phytopathology. 2021. V. 111 (10). P. 1828–1839. https://doi.org/10.1094/phyto-01-21-0010-R
  31. Luo H., Wang X., Zhan G. et al. Genome-wide analysis of simple sequence repeats and efficient development of polymorphic SSR markers based on whole genome re-sequencing of multiple isolates of the wheat stripe rust fungus. PLOS One. 2015. V. 10 (6). P. e0130362. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0130362
  32. Malysheva A.A., Kokhmetova A.M., Kumarbayeva M.K. et al. Identification of carriers of Puccinia striiformis resistance genes in the population of recombinant inbred wheat lines. International J. Biol. Chem. 2022. 15(1). P. 4–10. https://doi.org/10.26577/ijbch.2022.v15.i1.01
  33. Mikhaylova L.A. Genetics of relationship of leaf rust activator and wheat. By M.M. Levitin (ed.). SPb., VIZR, 2006 (In Russ.).
  34. Mikhaylova L.A., Gultyaeva E.I., Mironenko N.V. Methods for studying the structure of populations of the leaf rust causative agent. In: Guidelines for plant protection. VIZR, St. Petersburg, 1998, pp. 105–126 (In Russ.).
  35. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research – an update. Bioinformatics. 2012. V. 28. P. 2537–2539. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts460
  36. Schachtel G.A., Dinoor A., Herrmann A. et al. Comprehensive evaluation of virulence and resistance data: a new analysis tool. Plant Dis. 2012. 96 (7). P. 1060–1063. https://doi.org/10.1094/PDIS-02-12-0114-SR
  37. Sharma-Poudyal D., Chen X.M., Wan A.M. et al. Virulence characterization of international collections of the wheat stripe rust pathogen, Puccinia striiformis f. sp. tritici. Plant Dis. 2013. V. 97 (3). P. 379–386. https://doi.org/10.1094/pdis-01-12-0078-re.
  38. Shaydayuk E.L., Gultyaeva E.I. Characterization of the Northwestern population of Puccinia striiformis f. sp. tritici on the basis of virulence and representation of invasive PstS1 and PstS2 races. Mikologiya i fitopatologiya. 2023. V. 57 (6). P. 435–446 (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0026364823060
  39. Skolotneva E.S., Kosman E., Kelbin V.N. et al. SSR Variability of stem rust pathogen on spring bread wheat in Russia. Plant Dis. 2023. V. 107 (2). P. 493–499. https://doi.org/10.1094/PDIS-10-22-2373-RE
  40. State commission of the Russian Federation for testing and protection of breeding achievements (FSBI “Gossortkomissiya”). https://gossortrf.ru/publication/reestry.php. Accessed 22.01.2024.
  41. Strand Analysis Software. https://vgl.ucdavis.edu/STRand. Accessed 22.01.2024.
  42. Visser B., Herselman L., Pretorius Z.A. Microsatellite characterisation of South African Puccinia striiformis races. South African J. Plant and Soil. 2016. V. 33 (3). P. 161–166. https://doi.org/10.1080/02571862.2015.1125957
  43. Walter S., Ali S., Kemen E. et al. Molecular markers for tracking the origin and worldwide distribution of invasive strains of Puccinia striiformis. Ecol. Evol. 2016. V. 6 (9). P. 2790–2804. https://doi.org/10.1002/ece3.2069
  44. Wan A., Muleta K.T., Zegeye H. et al. Virulence characterization of wheat stripe rust fungus Puccinia striiformis f. sp. tritici in Ethiopia and evaluation of Ethiopian wheat germplasm for resistance to races of the pathogen from Ethiopia and the United States. Plant Dis. 2017. V. 101 (1). P. 73–80. https://doi.org/10.1094/PDIS-03-16-0371-RE
  45. Wellings C.R. Puccinia striiformis in Australia: A review of the incursion, evolution and adaptation of stripe rust in the period 1979–2006. Austr. J. Agric. Res. 2007. V. 58 (6). P. 567–575. https://doi.org/10.1071/AR07130
  46. Zeleneva Y.V., Sudnikova V.P., Buchneva G.N. Immunological characteristics of soft winter wheat varieties in conditions of the CBR. Trudy Kubanskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta. 2022. N 96. P. 95–99 (In Russ.). https://doi.org/10.21515/1999-1703-96-95-99
  47. Zhou X., Fang T., Li K. et al. Yield losses associated with different levels of stripe rust resistance of commercial wheat cultivars in China. Phytopathology. 2022. V. 112 (6). P. 1244–1254. https://doi.org/10.1094/PHYTO-07-21-0286-R
  48. Гультяева Е.И., Солодухина О.В. (Gultyaeva, Solodukhina) Ржавчинные болезни зерновых культур // Изучение генетических ресурсов зерновых культур по устойчивости к вредным организмам. 2008. С. 5– 11.
  49. Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Смирнова Р.Е. и др. (Gultyaeva et al.) Разнообразие дагестанской популяции возбудителя желтой ржавчины пшеницы по вирулентности // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2023. Т. 184 (4). С. 190–204.
  50. Зеленева Ю.В., Судникова В.П., Бучнева Г.Н. (Zeleneva et al.) Иммунологическая характеристика сортов озимой мягкой пшеницы в условиях ЦЧР // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2022. № 96. С. 95–99.
  51. Иванова Ю.Н., Розенфрид К.К., Стасюк А.И. и др. (Ivanova et al.) Получение и характеристика линии мягкой пшеницы (Тулайковская 10 × Саратовская 29) с интрогрессией хромосомы пырея Thinopyrum intermedium 6Agi2 // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021. Т. 25 № 7. C. 701–712.
  52. Михайлова Л.А. (Mikhaylova) Генетика взаимоотношений возбудителя бурой ржавчины и пшеницы / Под ред. акад. РАСХН М.М. Левитина. СПб.: ВИЗР, 2006. 80 с.
  53. Михайлова Л.А., Гультяева Е.И., Мироненко Н.В. (Mik-hailova et al.) Методы исследований структуры популяции возбудителя бурой ржавчины пшеницы // Сборник методических рекомендаций по защите растений. СПб.: ВИЗР; 1998. C. 105–126.
  54. Шайдаюк Е.Л., Гультяева Е.И. (Shaydayuk, Gultyaeva) Характеристика северо-западной популяции Puccinia striiformis f. sp. tritici по признаку вирулентности и представленности инвазивных рас PstS1 и PstS2 // Микология и фитопатология. 2023. Т. 57. № 6. С. 435–446.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Генетические расстояния между фенотипами вирулентности Puccinia striiformis в 2022 г. (индекс Fst): Д – Дагестан; Кр – Краснодар; К – Калмыкия; СЗ – Северо-Западный регион (Ленинградская обл.). Жирным шрифтом выделен фенотип вирулентности, отмеченный в нескольких популяциях

Скачать (82KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Генетические расстояния между региональными коллекциями Puccinia striiformis в 2019–2022 гг. по признаку вирулентности (индекс Fst): Д – Дагестан; Кр – Краснодар; К – Калмыкия; СЗ – Северо-Западный регион (Ленинградская обл.)

Скачать (62KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Генетические расстояния между молекулярными генотипами Puccinia striiformis в 2022 г. по SSR-анализу (индекс Fst). Происхождние: Д – Дагестан; Кр – Краснодар; К – Калмыкия; СЗ – Северо-Западный регион (Ленинградская обл.). Жирным шрифтом выделены молекулярные генотипы (MG), отмеченные в нескольких популяциях

Скачать (81KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024