Comparison of the population of Puccinia graminis f. sp. tritici on bread wheat in the Krasnoyarsk Krai with some domestic populations of the pathogen by virulence and polymorphism of microsatellite loci

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Updated notes on the genetic structure of the East Siberian population of the wheat stem rust is not available in the modern literature. The aim of the study was to identify the races of the fungus found on bread wheat in the Krasnoyarsk Territory, and to compare data on virulence and DNA polymorphism of microsatellite repeats in the pathogen samples from neighboring regions. Race diversity of the Krasnoyarsk samples was low: out of 48 single pustule isolates of Puccinia graminis f. sp. tritici, only four races were identified. Local races differ in one-two virulence genes, but more than 5 genes from races from the Omsk and Novosibirsk regions and the Altai Krai identified at the same time in samples. The tested samples of Eastern Siberian were 100% avirulence to the wide list of wheat resistance genes: Sr7b, Sr9d, Sr9e, Sr17, Sr21, Sr24, Sr30, Sr31, Sr38, SrTmp. Accordingly, these resistance genes can be considered for introduction into the wheat breeding program for immunity in Eastern Siberia, individually or as part of genetic pyramids. A diagnostic panel of primers previously adopted by us for microsatellite repeats of the stem rust genome was used for genotyping material from the Krasnoyarsk Krai and cluster comparative analysis with P. graminis f. sp. tritici isolates from other regions of Russia. On the dendrogram of the genetic distances between different populations, isolates from Eastern Siberia were maximally isolated either from all samples from Western Siberia or both samples from the Volga region and the Central region. As a result of the study, the population of P. graminis f. sp. tritici on bread wheat in the Krasnoyarsk Krai can be characterized as genetically isolated and low virulent with local source of infection. After detecting an outbreak of the disease in the region, regular monitoring of the phytopathological situation with wheat crops in the Krasnoyarsk Krai is necessary.

About the authors

E. S. Skolotneva

Institute of Cytology and Genetics of Siberian branch of the Russian Academy of Sciences

Email: sk-ska@yandex.ru
Novosibirsk, Russia

Y. V. Laprina

Institute of Cytology and Genetics of Siberian branch of the Russian Academy of Sciences

Email: yulya.laprina@gmail.com
Novosibirsk, Russia

V. A. Aparina

Siberian Research Institute of Plant Growing and Breeding

Email: aparina.viktoriya@yandex.ru
Krasnoobsk, Russia

V. V. Piskarev

Siberian Research Institute of Plant Growing and Breeding

Email: piskaryov_v@mail.ru
Krasnoobsk, Russia

V. N. Kelbin

Institute of Cytology and Genetics of Siberian branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kelbin.biolog@gmail.com
Novosibirsk, Russia

References

  1. Azbukina Z.M. Rust fungi of the Far East. Nauka, Moscow, 1974. (In Russ.).
  2. Baranova O., Solyanikova V., Kyrova E. et al. Evaluation of resistance to stem rust and identification of Sr genes in Russian spring and winter wheat cultivars in the Volga Region. Agriculture. 2023. V. 13 (3). P. 635. https://doi.org/10.3390/agriculture13030635
  3. Baranova O.A., Sibikeev S.N., Druzhin A.E. Molecular identification of the stem rust resistance genes in the introgression lines of spring bread wheat. Vavilov J. Genet. Breed. 2019. V. 23 (3). P. 296–303. https://doi.org/10.18699/VJ19.494
  4. Baranova O.A., Sibikeev S.N., Druzhin A.E. et al. Loss of effectiveness of Sr25 and Sr6Agi stem rust resistance genes in the Lower Volga region. Vestnik zashchity rasteniy. 2021. V. 104 (2). P. 105–112. (In Russ.). https://doi.org/10.31993/2308-6459-2021-104-2-14994
  5. Bariana H.S., McIntosh R.A. Cytogenetic studies in wheat. XV. Location of rust resistance genes in VPM1 and their genetic linkage with other disease resistance genes in chromosome 2A. Genome. 1993. V. 36 (3). P. 476–482. https://doi.org/10.1139/g93-06
  6. Berlin A., Samils B., Andersson B. Multiple genotypes within aecial clusters in Puccinia graminis and Puccinia coronata: improved understanding of the biology of cereal rust fungi. Fungal Biol. Biotechnol. 2017. V. 4 (1). P. 1–7. https://doi.org/10.1186/S40694-017-0032-3
  7. Dean R., Van Kan J.A., Pretorius Z.A. et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathol. 2012. V. 13 (4). P. 414–430. https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2011.00783.x
  8. Gnocato F.S., Dracatos P.M., Karaoglu H. et al. Development, characterization and application of genomic SSR markers for the oat stem rust pathogen Puccinia graminis f. sp. avenae. Plant Pathol. 2018. V. 67 (2). P. 457–466. https://doi.org/10.1111/PPA.12742
  9. Grain and flour market. 2024. https://zerno.ru/node/23608?ysclid=m3guazq04p993459959. Accessed 11.11.2024.
  10. Gultyaeva E.I., Kazartsev I.A. Molecular-genetic approaches to studying wheat leaf rust populations. Vestnik zashchity rasteniy. 2018. V. 2 (96). P. 5–12. (In Russ.).
  11. Gultyaeva E.I., Shaidayuk E.L., Shamanin V.P. et al. Genetic structure of Russian and Kazakh populations of the brown rust pathogen Puccinia triticina Erikss. by virulence and SSR markers. Selskokhozyaistvennaya Biologiya. 2018. V. 53 (1). P. 85–95. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2018.1.85eng
  12. Hammer O., Harper D., Ryan P. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis. Palaeontologia Electronica. 2001. V. 4 (1). P. 1–9. http://palaeo-electronicaorg/2001_1/past/issue1_01htm
  13. Karaoglu H., Lee C.M.Y., Park R. Simple sequence repeats in Puccinia graminis: Abundance, cross-formae speciales and intra-species utility, and development of novel markers. Australas. Plant Pathol. 2013. V. 42 (3). P. 271–281. https://doi.org/10.1007/s13313-013-0199-x
  14. King J., Dreisigacker S., Reynolds M. et al. Wheat genetic resources have avoided disease pandemics, improved food security, and reduced environmental footprints: A review of historical impacts and future opportunities. Glob Change Biol. 2024. V. 30. P. 17440. https://doi.org/10.1111/gcb.17440
  15. Koishybaev M. Wheat diseases. Ankara: Prodovolstvennaya i selskokhozyaystvennaya organizatsiya OON (FAO). 2018. P. 365. (In Russ.).
  16. Lapochkina I.F., Baranova O.A., Gainullin N.R. et al. The development of winter wheat lines with several genes for resistance to Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici for use in breeding programs in Russia. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018. V. 22. P. 676–684. https://doi.org/10.18699/VJ18.410
  17. Lapochkina I.F., Baranova O.A., Shamanin V.P. et al. The development of the initial material of spring common wheat for breeding for resistance to stem rust (Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici), including the Ug99 race, in Russia. Russian J. Genetics: Applied Research. 2017. V. 7. P. 308–317 https://doi.org/10.1134/S207905971703008X
  18. Lekomtseva S.N., Volkova V.T., Tchayka M.N. Aecidial “populations” of Puccinia graminis on barberry plants in the regions where sexual or asexual development of the fungus dominates. Mikologiya i fitopatologiya. 2000. V. 34. P. 59–62. (In Russ.).
  19. Michiels A.N., Van den Ende W., Tucker M. et al. Extraction of high-quality genomic DNA from latex-containing plants. Anal. Biochem. 2003. V. 315 (1). P. 85–89. https://doi.org/10.1016/S0003-2697(02)00665-6
  20. Naumov N.A. Rust of cereals in the USSR. Selkhozgiz, Leningrad, 1939. (In Russ.).
  21. Patpour M., Hovmøller M.S., Rodriguez-Algaba J. et al. Wheat stem rust back in Europe: diversity, prevalence and impact on host resistance. Front. Plant Sci. 2022. V. 13. P. 882440. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.882440
  22. Peakall R., Smouse P.E. GENALEX 6: Genetic Analysis in Excel. Population Genetic Software for Teaching and Research. Molecular Ecology Notes. 2006. V. 6 (1). P. 288–295. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x
  23. Roelfs A.P., Martens J.W. An international system of nomenclature for Puccinia graminis f. sp. tritici. Phytopathology. 1988. V. 78 (5). P. 526–533. https://doi.org/10.1094/PHYTO-78-526
  24. Rsaliyev A.S., Rsaliyev S.S. Principal approaches and achievements in studying race composition of wheat stem rust. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii. 2018. V. 8. (22). P. 967–977. https://doi.org/doi/10.18699/VJ18.439
  25. Seah S., Spielmeyer W., Jahier J. et al. Resistance gene analogs within an introgressed chromosomal segment derived from Triticum ventricosum that confers resistance to nematode and rust pathogens in wheat. Mol. Plant Microbe Interact. 2000. V. 13 (3). P. 334–341. https://doi.org/10.1094/MPMI.2000.13.3.334
  26. Shamanin V.P., Morgunov A.I., Petukhovsky S.L. et al. Selection of spring soft wheat for resistance to stem rust in Western Siberia. Omsk, 2015. (In Russ.).
  27. Shamanin V., Salina E., Wanyera R. et al. Genetic diversity of spring wheat from Kazakhstan and Russia for resistance to stem rust Ug99. 2016. Euphytica. V. 212 (2). P. 287–296. https://doi.org/10.1007/s10681-016-1769-0
  28. Sinyak E.V., Volkova G.V. Distribution and virulence of the population of the pathogen Puccinia graminis pers. f.sp. tritici Erikss. et Henn. in the south of Russia. Molodoy uchenyy. 2015. V. 2. (89). P. 70–71. (In Russ.).
  29. Skolotneva E.S., Kelbin V.N., Morgunov A.I. et al. The racial composition of the Novosibirsk population of Puccinia graminis f. sp. tritici. Mikologiya i fitopatologiya. 2020. V. 54 (1). P. 49–58. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0026364820010092
  30. Skolotneva E.S., Kelbin V.N., Shamanin V.P. et al. The gene Sr38 for bread wheat breeding in Western Siberia. Vavilovskii zhurnal genetiki i selektsii. 2021. V. 25 (7). P. 740–745. (In Russ.). https://doi.org/10.18699/VJ21.084
  31. 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
  32. Skolotneva E.S., Laprina Y.V., Baranova O.A. et al. Characteristics of populations of Puccinia graminis f. sp. tritici existing on soft wheat in the Volga and Central regions of Russia by microsatellite loci. Pisma v Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii. 2023. V. 9 (4). P. 201–208. (in Russ.). https://doi.org/10.18699/LettersVJ-2023-9-23
  33. Skolotneva E.S., Lekomtseva S.N., Kosman E. The wheat stem rust pathogen in the central region of the Russian Federation. Plant Pathology. 2013. V. 5 (62). P. 1003–1010. https://doi.org/10.1111/ppa.12019
  34. Smirnova L.A., Bessmeltsev V.I., Shinkarev D.A. Overwintering of uredomycelia rust. Zashchita rasteniy. 1968. V. 3. P. 51. (In Russ.).
  35. Vasilova N.Z., Askhadullin D.F., Askhadullin D.F. Epiphytotic stem rust on spring wheat in Tatarstan. Zashchita i karantin rasteniy. 2017. V. 2. P. 27–28. (In Russ.). https://doi.org/10.31993/2308-6459-2018-2(96)-5-12
  36. Visser B., Herselman L., Pretorius Z.A. Genetic comparison of Ug99 with selected South African races of Puccinia graminis f. sp. tritici. Mol. J. Patol. Plants. 2009. V. 10 (2). P. 213–222. https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2008.00525.x
  37. Volkova G.V., Gladkova E.V., Kudinova O.A. et al. Effectiveness of stem rust resistance genes in Southern Russia. J. Phytopathol. 2024. V. 172 (5). P. e13407. https://doi.org/10.1111/JPH.13407
  38. Азбукина З.М. (Azbukina) Ржавчинные грибы Дальнего Востока. М.: Наука, 1974. 527 c.
  39. Баранова О.А., Сибикеев С.Н., Дружин А.Е. и др. (Baranova et al.) Потеря эффективности генов устойчивости к стеблевой ржавчине Sr25 и Sr6Agi на территории Нижнего Поволжья // Защита и карантин растений. 2017. Т. 2. С. 27–28.
  40. Василова Н.З., Асхадуллин Д.Ф., Асхадуллин Д.Ф. (Vasilova et al.) Эпифитотия стеблевой ржавчины на яровой пшенице в Татарстане // Защита и карантин растений. 2017. Т. 2. С. 27–28.
  41. Гультяева Е.И., Казарцев И.А. (Gultyaeva, Kazartsev) Молекулярно-генетические подходы в изучении популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы // Защита и карантин растений. 2018. Т. 2. С. 5–12.
  42. Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Шаманин В.П. и др. (Gultyaeva et al.) Генетическая структура российских и казахстанских популяций возбудителя бурой ржавчины Puccinia triticina Erikss. по вирулентности и SSR маркерам // Сельскохозяйственная биология. 2018. Т. 53 (1). С. 85–95.
  43. Койшыбаев М. (Koyshibaev) Болезни пшеницы. Анкара: ФАО, 2018. 365 с.
  44. Лекомцева С.Н., Волкова В.Т., Чайка М.Н. (Lekomtseva et al.) Эциальные “популяции” Puccinia graminis на барбарисах в районах доминирования полового и бесполого развития гриба // Микология и фитопатология. 2000. Т. 34. С. 59–62.
  45. Наумов Н.А. (Naumov) Ржавчина хлебных злаков в СССР. Ленинград: Сельхозгиз, 1939. 402 c.
  46. Рынок зерновых и муки (Grain…) https://zerno.ru/node/23608?ysclid=m3guazq04p993459959 (дата обращения: 11.11.2024).
  47. Синяк Е.В., Волкова Г.В. (Sinyak, Volkova) Распространение и вирулентность популяции возбудителя Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici Erikss. et Henn. на юге России // Молодой ученый. 2015. Т. 2 (89). С. 70–71.
  48. Сколотнева Е.С., Кельбин В.Н., Моргунов А.И. и др. (Skolotneva et al.) Расовый состав новосибирской популяции Puccinia graminis f. sp. tritici // Микология и фитопатология. 2020. Т. 54. № 1. С. 49–58.
  49. Сколотнева Е.С., Кельбин В.Н., Шаманин В.П. и др. (Skolotneva et al.) Ген Sr38: значение для селекции мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021. Т. 25. № 7. С. 740–745.
  50. Сколотнева Е.С., Лаприна Ю.В., Баранова О.А. и др. (Skolotneva et al.) Характеристика популяций Puccinia graminis f. sp. tritici, существующих на мягкой пшенице в Поволжском и Центральном регионах России, по микросателлитным локусам // Письма в Вавиловский журнал генетики и селекции. 2023. Т. 9. № 4. С. 201–208.
  51. Смирнова Л.А., Бессмельцев В.И., Шинкарев Д.А. (Smirnova et al.) Перезимовка уредомицелия ржавчины // Защита растений. 1968. № 3. С. 51.
  52. Шаманин В.П., Моргунов А.И., Петуховский С.Л. и др. (Shamanin et al.). Селекция яровой мягкой пшеницы на устойчивость к стеблевой ржавчине в Западной Сибири. Омск: ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, 2015. 149 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».