بررسی ژنتیکی مقاومت لاین‌های امیدبخش گندم نسبت به فاکتور (ژن)های بیماری‌زایی نژادهای زنگ زرد و زنگ قهوه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مربی پژوهش، موسسه اصلاح و تهیه نهال و بذر، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

2 دانشیار، گروه زراعت، دانشکده علوم زراعی، دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 استادیار پژوهش، مرکز تحقیقات و آموزش کشـاورزی و منـابع طبیعـی اردبیـل، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، مغان، ایران

چکیده

مقدمه: زنگ­ زرد (Puccinia striiformis f. sp. tritici) و زنگ قهوه­ای (Puccinia triticina Eriks) از شایع‌­ترین و خسارت‌­زاترین بیماری­‌های قارچی گندم در سراسر جهان هستند. استفاده از مقاومت‌­های ژنتیکی کارآمدترین، سالم‌­ترین و اقتصادی‌­ترین روش کنترل زنگ‌­ها است. اولین گام در برنامه­‌های به‌­نژادی گندم برای ایجاد مقاومت‌­های ژنتیکی موثر (رقم‌های مقاوم) نسبت به بیماری زنگ­‌ها، اطلاع از ویژگی‌های نژادهای بیمارگر زنگ­‌ها در مناطق مختلف و در مرحله بعد برای پیشبرد برنامه­‌های به­‌نژادی تولید ارقام مقاوم، شناسایی منابع مقاومت است. هدف از این مطالعه، تعیین الگوی پرآزاری عوامل بیماری­‌زای مرتبط با هر یک از زنگ‌­ها روی ژن­‌های مقاومت در مجموعه ارقام و لاین‌های استاندارد و افتراقی بین‌­المللی و ارزیابی واکنش لاین‌های امیدبخش‌ گندم  نسبت به نژادهای زنگ زرد و قهوه‌ای به‌منظور شناسایی منابع 
مقاومت بود.
مواد و روش‌ها: نژادهای پنج جدایه زنگ زرد جمع‌آوری شده از مناطق کرج، ساری، زرقان، مغان، مشهد و سه جدایه زنگ قهوه‌ای جمع‌آوری شده از مناطق گرگان، مغان و اهواز تعیین شدند. به‌منظور شناسایی منابع مقاومت نسبت به نژادهای مورد مطالعه، واکنش 23 لاین امیدبخش­ گندم (ERWYT-N99) در مراحل گیاهچه‌ای (در گلخانه زنگ موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه و نهال و بذر کرج) و گیاه بالغ (در ایستگاه تحقیقاتی مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل، مغان) بررسی شد. واکنش مقاومت لاین‌ها نسبت به پنج نژاد زنگ زرد و سه نژاد زنگ قهوه‌ای در مرحله گیاهچه‌ای در آزمایش‌های مجزا در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار ارزیابی شد. در مرحله گیاه بالغ نیز واکنش مقاومت لاین‌ها تحت شرایط مزرعه­ و آلودگی طبیعی زنگ زرد و قهوه‌ای با استفاده از ویژگی‌های پیشرفت بیماری روی گیاه و درصد شدت بیماری ظهور یافته روی برگ‌ها بررسی شد.
یافته‌های تحقیق: بر اساس نتایج تعیین نژاد جدایه‌ها در این مطالعه، جدایه‌های­ زنگ زرد جمع‌آوری شده از مناطق کرج، ساری، زرقان، مغان و مشهد به‌ترتیب به‌عنوان نژادهای 14E158A+, Yr27، 142E158A+, Yr27، 6E134A+, Yr27، 166E62A+, Yr27 و 6E142A+, Yr27 و جدایه‌های­ زنگ قهوه‌ای جمع‌آوری شده از مناطق گرگان، مغان و اهواز به‌ترتیب به‌عنوان نژادهای FDTTS، FKTTS و FJTTS شناسایی شدند. ژن‌های مقاومت Yr1، Yr4، Yr5، Yr10، Yr15، Yr24، YrSU، YrSP و YrCV از جمله ژن‌های مقاومت موثر نسبت به نژادهای زنگ زرد و ژن‌های مقاومت Lr1، Lr2a، Lr9، Lr19 و Lr28 نیز از جمله ژن‌های مقاومت موثر نسبت به نژادهای زنگ قهوه‌ای بودند. نتایج نشان داد که از لحاظ ژنتیکی تفاوت معنی‌داری بین واکنش لاین‌های گندم نسبت به نژادهای زنگ زرد و زنگ قهوه‌ای وجود داشت. بر اساس واکنش مقاومت لاین‌های گندم نسبت به نژادهای زنگ زرد در هر دو مرحله گیاهچه‌ای و گیاه بالغ، لاین‌های گندم در دو گروه اصلی (مقاوم و نیمه‌مقاوم تا نیمه‌حساس) تفکیک شدند، به‌طوری که به‌جز لاین‌های شماره 21 و 22 که دارای واکنش نیمه‌مقاوم تا نیمه‌حساس بودند، سایر لاین‌های گندم نسبت به نژادهای زنگ زرد مقاومت قابل قبولی را نشان دادند. همچنین، بر اساس واکنش مقاومت لاین‌های گندم نسبت به نژادهای زنگ قهوه‌ای در هر دو مرحله گیاهچه‌ای و گیاه بالغ، لاین‌ها در سه گروه اصلی (مقاوم، نیمه‌مقاوم تا نیمه‌حساس و حساس) دسته‌بندی شدند و لاین‌های شماره 1، 3، 11، 14، 21 و 22  مقاومت قابل قبولی را نسبت به نژادهای زنگ قهوه‌ای نشان دادند.
نتیجه‌گیری: ایجاد مقاومت‌های مؤثر و پایدار یکی از راه‌هایی است که می‌تواند منجر به کاهش خسارت این بیماری‌ها و کاهش مصرف بی‌رویه سموم شیمیایی شود. لاین‌های جدید گندم، علاوه بر عملکرد بالا و ویژگی‌های زراعی مطلوب، باید نسبت به مهم‌ترین بیماری‌های گندم (زنگ‌ها) مقاومت قابل قبولی داشته باشند تا بتوانند به‌عنوان رقم تجاری معرفی شوند، در غیر این صورت حذف می‌شوند، زیرا در صورت فراهم شدن شرایط محیطی مناسب برای فعالیت بیمارگر زنگ‌ها، خسارت بسیار چشم‌گیر خواهد بود. از لاین­‌های مقاوم شناسایی شده در این تحقیق می‌­توان به­‌عنوان منابع مقاومت در برنامه­‌های به‌­نژادی تهیه ارقام گندم مقاوم به زنگ زرد و زنگ قهوه‌­ای استفاده کرد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Genetic investigation of the resistance of promising wheat lines to virulence factors of stripe rust and leaf rust races

نویسندگان [English]

  • Amir Kabiri 1
  • Faezeh Zaefariyan 2
  • Ali Omrani 3
1 Research Instructor, Seed and Plant Improvement Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
2 Associate Professor, Department of Agronomy, Faculty of Crop Sciences, Sari Agricultural Science and Natural University, Sari, Iran
3 Research Assistant Professor, Ardabil Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Moghan, Iran
چکیده [English]

Introduction
Stripe rust (Puccinia striiformis f. sp. tritici) and leaf rust (Puccinia triticina Eriks) are among the prevalent and devastating fungal diseases of wheat worldwide. The use of genetic resistance is the most effective, sustainable, and economical strategy for controlling rusts. The first step in wheat breeding programs to create the effective genetic resistances (resistant varieties) to rust disease is to know the characteristics of rust isolates in different regions, and in the next step, is to identify resistance sources to produce resistant varieties. The objectives of this study were to determine the virulence factors of rust pathogens to resistance genes in international standard and differential cultivars and lines associated with each rust and to evaluate the response of promising wheat lines to stripe and leaf rust races to identify resistance sources.
Materials and methods
Five stripe rust isolates collected from the regions of Karaj, Sari, Zarqan, Moghan, and Mashhad, and three leaf rust isolates collected from the regions of Gorgan, Moghan, and Ahvaz were identified. To identify the sources of resistance to the studied stripe and leaf rust races, the reaction of 23 promising wheat lines (ERWYT-N99) was evaluated at seedling stage (rusts greenhouses of Seed and Plant Improvement Institute, Karaj, Iran) and adult plant stage (research station of the Ardabil Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Moghan, Iran). The resistance reaction of wheat lines to five stripe rust isolates and three leaf rust isolates at the seedling stage was evaluated in separate experiments based on randomized complete block design with three replications. The resistance reaction of wheat lines at the adult plant stage was also investigated under field conditions and natural contamination of stripe and leaf rusts using disease progression parameters on the plant and disease severity percentage appeared on leaves.
Research findings
The results of determining the race of the isolates showed that the stripe rust isolates collected from Karaj, Sari, Zarqan, Moghan, and Mashhad regions included the races of 14E158A+, Yr27; 142E158A+, Yr27; 6E134A+, Yr27;, 166E62A+, Yr27; and 6E142A+, Yr27; respectively, and the leaf rust isolates collected from Gorgan, Moghan, and Ahvaz included FDTTS,  FKTTS, and FJTTS, respectively. The resistance genes Yr1, Yr4, Yr5, Yr10, Yr15, Yr24, YrSU, YrSP, and YrCV were identified as the effective resistance genes against stripe rust races, and the resistance genes Lr1, Lr2a, Lr9, Lr19, and Lr28 were identified as the effective resistance genes against leaf rust races. The results showed that there was a significant genetic difference between the reaction of promising wheat lines to stripe and leaf rust races. Based on the results of the reaction of wheat lines to stripe rust races in both seedling and adult plant stages, wheat lines were divided into two main groups (resistant and semi-resistant to semi-susceptible), so that except for lines number 21 and 22 (with semi-resistant to semi-susceptible reaction), other wheat lines showed acceptable resistance to stripe rust races. Based on the reaction of promising wheat lines to leaf rust races in both seedling and adult plant stages, the lines were also classified into three main groups (resistant, semi-resistant to semi-susceptible, and susceptible), and lines number 1, 3, 11, 14, 21, and 22 showed acceptable resistance to leaf rust races.
Coclusion
Developing durable and effective resistance is one of the crucial strategy for mitigating the detrimental effects of wheat diseases and reducing the excessive reliance of chemical fungicides. In addition to exhibiting high yield potential and desirable agronomic traits, newly developed wheat lines must harbor an acceptable level of resistance to the most prevalent wheat diseases, particularly rusts, to qualify for commercialization. The presence of rust pathogens poses a significant threat during the growing season. If environmental conditions favor their pathogenicity, the damage inflicted can be substantial, warranting the development of robust resistant varieties. The resistant lines identified in this study can be used as sources of resistance in breeding programs to develop wheat varieties resistant to stripe and leaf rust diseases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Puccinia striiformis f. sp. tritici
  • Puccinia triticina Eriks
  • Resistance genes
  • Virulence

مراجع

Ali, S., & Hodson, D. (2017). Wheat rust surveillance: Field disease scoring and sample collection for phenotyping and molecular genotyping. In: Periyannan, S. (Ed.). Wheat Rust Diseases. Methods in Molecular Biology. Vol. 1659. Humana Press, New York. doi: 10.1007/978-1-4939-7249-4_1.##Basnet, B., Juliana, P., Bhattarai, K., & Upreti, U. (2022). A review on major rust resistance gene and amino acid changes on wheat (Triticum aestivum L.). Advances in Agriculture, 2022, 7419326. doi: 10.2139/ssrn.4258549.##Bouvet, L., Percival-Alwyn, L., Berry, S., Fenwick, P., Mantello, C. C., Sharma, R., Holdgate, S., Mackay, I. J., & Cockram, J. (2022). Wheat genetic loci conferring resistance to stripe rust in the face of genetically diverse races of the fungus Puccinia striiformis f. sp. tritici. Theoretical & Applied Genetics, 135, 301-319. doi: 10.1007/s00122-021-03967-z.##Chen, X. (2020). Pathogens which threaten food security: Puccinia striiformis, the wheat stripe rust pathogen. Food Security, 12(2), 239-251. doi: 10.1007/s12571-020-01016-z.##Dadrezaei, S. T., Dehghan, M. A., Safavi, S., Dalvand, M., & Shahbazi, K. (2022a). Resistance evaluation of advanced and commercial genotypes of Iranian wheat to leaf rust at seedling and adult plant stages. Journal of Applied Research in Plant Protection, 11(4), 1-13. [In Persian]. doi: 10.22034/ARPP.2022.15742.##Dadrezaei, S.T., Delfan, S., & Allahassani, E. (2022b). Determination of pathotypes and physiologic races of Puccinia triticina, the causal agent of wheat leaf rust in Iran. Journal of Applied Research in Plant Protection, 11(3), 1–15. [(In Persian]. doi: 10.22034/ARPP.2021.13545.##Dadrezaei, S. T., Nazari, K., Afshari, F., & Torabi, M. (2018). Genetic diversity and migration of wheat leaf rust populations in Iran based on virulence and molecular data. Seed & Plant Journal, 33(3), 401-425. [In Persian]. doi: 10.22092/SPIJ.2017.116686.##Draz, I. S., Abou-Elseoud, M. S., Kamara, A. E. M., Alaa-Eldein, O. A. E., & El-Bebany, A. F. (2015). Screening of wheat genotypes for leaf rust resistance along with grain yield. Annals of Agricultural Sciences, 60(1), 29-39. doi: 10.1016/j.aoas.2015.01.001.##Ellis, J. G., Lagudah, E. S., Spielmeyer, W., & Dodds, P. N. (2014). The past, present and future of breeding rust resistant wheat. Frontiers in Plant Science, 5, 641. doi: 10.3389/fpls.2014.00641.##Figueroa, M., Dodds, P. N., & Henningsen, E. C. (2020). Evolution of virulence in rust fungi multiple solutions to one problem. Current Opinion in Plant Bbiology, 56, 20-27. doi: 10.1016/j.pbi.2020.02.007.##Johnson, R., Stubbs, R. W., Fuchs, E., & Chamberlain, N. H. (1972). Nomenclature for physiologic races of Puccinia striiformis infecting wheat. Transactions of the British Mycological Society, 58(3), 475-480. doi: 10.1016/S0007-1536(72)80096-2.##Huerta-Espino, J., Singh, R., Crespo-Herrera, L. A., Villaseñor-Mir, H. E., Rodriguez-Garcia, M. F., Dreisigacker, S., Barcenas-Santana, D., & Lagudah, E. (2020). Adult plant slow rusting genes confer high levels of resistance to rusts in bread wheat cultivars from Mexico. Frontiers in Plant Science, 11, 824. doi: 10.3389/fpls.2020.00824.##Hovmøller, M. S., Walter, S., Bayles, R. A., Hubbard, A., Flath, K., Sommerfeldt, N., Leconte, M., Czembor, P., Rodriguez‐Algaba, J., Thach, T., & Hansen, J. G. (2016). Replacement of the European wheat yellow rust population by new races from the centre of diversity in the near‐Himalayan region. Plant Pathology, 65(3), 402-411. doi: 10.1111/ppa.12433.##Kolmer, J. A. (2019). Virulence of Puccinia triticina, the wheat leaf rust fungus, in the United States in 2017. Plant Disease, 103(8), 2113-2120. doi: 10.1094/PDIS-09-18-1638-SR.##Mago, R., Chen, C., Xia, X., Whan, A., Forrest, K., Basnet, B. R., Perera, G., Chandramohan, S., Randhawa, M., Hayden, M., & Bansal, U. (2022). Adult plant stem rust resistance in durum wheat Glossy Huguenot: mapping, marker development and validation. Theoretical & Applied Genetics, 135(5), 1541-1550. doi: 10.1007/s00122-022-04052-9.##McCallum, B. D., Hiebert, C. W., Cloutier, S., Bakkeren, G., Rosa, S. B., Humphreys, D. G., & Wang, X. (2016). A review of wheat leaf rust research and the development of resistant cultivars in Canada. Canadian Journal of Plant Pathology, 38(1), 1-18. doi: 10.1080/07060661.2016.##Mccallum, B. D., Reimer, E., McNabb, W., Foster, A., & Xue, A. (2020). Physiological specialization of Puccinia triticina, the causal agent of wheat leaf rust, in Canada in 2014. Canadian Journal of Plant Pathology, 42(4), 520-526. doi: 10.1080/07060661.2021.1888156.##McCallum, B. D., Reimer, E., McNabb, W., Foster, A., Rosa, S., & Xue, A. (2021). Physiologic specialization of Puccinia triticina, the causal agent of wheat leaf rust, in Canada in 2015-2019. Canadian Journal of Plant Pathology, 43(2), 333-346. doi: 10.1094/PDIS-91-8.##Mcintosh, R. A., Wellings, C. R., & Park, R. F. (1995). Wheat Rusts: An Atlas of Resistance Genes. Melbourne, CSIRO Publishing.##Omrani, A., Aharizad, S., Roohparvar, R., Khodarahmi, M., & Toorchi, M. (2017). Identification of stem and leaf rust resistance genes in some promising wheat lines using molecular markers. Crop Biotechnology, 7(18), 15-25. [In Persian]. dorl: 20.1001.1.22520783.1396.7.18.2.1.##Omrani, A., Aharizad, S., Roohparvar, R., Khodarahmi, M., & Toorchi, M. (2018). Virulence factors of wheat stem rust (Puccinia graminis f. sp. tritici) isolates and identification of resistance sources in CIMMYT wheat synthetic genotypes. Journal of Crop Breeding, 10(27), 84-93. [In Persian]. doi: 10.29252/jcb.10.27.84.##Omrani, A., Khodarahmi, M., & Afshari, F. (2013). Genetics study of resistance to yellow rust in CIMMYT origin wheat advanced lines at seedling and adult plant stages. Archives of Phytopathology & Plant Protection, 46(19), 2341-2355. doi: 10.1080/03235408.2013.794529.##Omrani, A., Khodarahmi, M., & Afshari, F. (2014). Reaction of some wheat cultivars and breeding lines to Puccinia striiformis f. sp. tritici hot races in Iran. Archives of Phytopathology and Plant Protection, 47(9), 1136-1145. doi: 10.1080/03235408.2013.832865.##Omrani, A., & Roohparvar, R. (2020). First report of TTKTK, a variant of the race TTKSK (Ug99) of Puccinia graminis f. sp. tritici with virulence on the resistance genes Sr31 and SrTmp in Iran. Journal of Applied Research in Plant Protection, 9(3), 87-89. [In Persian].##Omrani, A., & Roohparvar, R. (2021). First report of TTRTF race of the wheat stem rust pathogen, Puccinia graminis f. sp. tritici from Iran (Northwest, cold zone). Journal of Applied Research in Plant Protection, 9(4), 101-103. [In Persian]. doi: 10.22034/ARPP.2021.12363.##Ordoñez, M. E., German, S. E., & Kolmer, J. A. (2010). Genetic differentiation within the Puccinia triticina population in South America and comparison with the North American population suggests common ancestry and intercontinental migration. Phytopathology, 100(4), 376-383. doi: 10.1094/PHYTO-100-4-0376.##Pooja, P., Dhanda, S. S., Pahil, V. S., & Behl, R. K. (2022). Evaluation of bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes for yellow rust resistance in relation to meteorological parameters. Ekin Journal of Crop Breeding and Genetics, 8(1), 53-60.## Xu, S. S., Jin, Y., Klindworth, D. L., Wang, R. R., & Cai, X. (2009). Evaluation and characterization of seedling resistances to stem rust Ug99 races in wheat-alien species derivatives. Crop Science, 49(6), 2167. doi: 10.2135/cropsci2009.02.0074.## Ye, B., Singh, R. P., Yuan, C., Liu, D., Randhawa, M. S., Huerta-Espino, J., Bhavani, S., Lagudah, E., & Lan, C. (2022). Three co-located resistance genes confer resistance to leaf rust and stripe rust in wheat variety Borlaug 100. The Crop Journal 10(2), 490-497. doi: 10.1016/j.cj.2021.07.004.## Zhang, L., Shi, C., Li, L., Li, M., Meng, Q., Yan, H., & Liu, D. (2020a). Race and virulence analysis of Puccinia triticina in China in 2014 and 2015. Plant Disease, 104(2), 455-464. doi: 10.1094/PDIS-05-19-1051-RE.## Zhang, L., Xiao, Y., Gao, Y., Zhao, N., An, Y., Yang, W., & Liu, D. (2020b). Race and virulence analysis of Puccinia triticina in China during 2011 to 2013. Plant Disease, 104(8), 2095-2101. doi: 10.1094/PDIS-01-20-0047-RE.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار