ارزیابی ژرم‌پلاسم بومی جو برای مقاومت به بیماری زنگ برگی (Puccinia hordei)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 استادیار پژوهش، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی گلستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، گرگان، ایران

10.22124/cr.2025.29811.1853

چکیده

مقدمه: زنگ برگ با عامل قارچی Puccinia hordei  یکی از بیماری‌های مهم جو است که می‌تواند سبب خسارت زیادی به عملکرد و کیفیت جو شود. استفاده از مقاومت ژنتیکی پایدارترین راهبرد کنترل این بیماری است. مقاومت ژنتیکی به زنگ برگی جو به دو دسته کلی شامل مقاومت در مرحله رشد گیاهچه یا مقاومت در همه مراحل رشدی (ASR) و مقاومت در مرحله رشدی گیاه بالغ (APR) تقسیم می‌شود. به‌دلیل پویایی جمعیت بیمارگر، بیش‌تر ژن‌های ASR  بی‌اثر شده‌اند و در مورد ژن‌های APR نیز تنوع محدودی وجود دارد. این موضوع، بیانگر اهمیت جستجو و شناسایی منابع جدید مقاومت برای این بیماری را نشان می‌دهد. ذخایر ژنتیکی بومی جو به‌عنوان منبع غنی از ژن‌های مقاومت به بیماری‌ها محسوب می‌شود. در این راستا تحقیق حاضر به‌منظور غربال ژرم‌پلاسم بومی کلکسیون جو بانک ژن گیاهی ملی ایران و با هدف یافتن منابع مقاومت به بیماری زنگ برگی جو انجام شد.

مواد و روش‌ها: تعداد 220 نمونه ژنتیکی از کلکسیون جو بانک ژن گیاهی ملی ایران با منشا مناطق مختلف کشور طی سه سال زراعی متوالی (1401-1400 تا 1403-1402) در ایستگاه تحقیقاتی عراقی‌محله گرگان به‌عنوان کانون بیماری زنگ برگی در شرایط آلودگی طبیعی مزرعه‌ای ارزیابی شدند. به‌منظور ارزیابی مقاومت ژنوتیپ‌ها، از صفات تیپ آلودگی، شدت بیماری و ضریب آلودگی استفاده شد. ارتباط بین اجزای مقاومت با محاسبه ضریب همبستگی بررسی شد. تفاوت معنی‌دار واریانس ضریب آلودگی در گروه‌های ده‌گانه مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های ژنتیکی در نمودار دوطرفه مبتنی بر رتبه مقاومت و رتبه پایداری واکنش تفکیک شدند. نمونه‌های ژنتیکی بر اساس ضریب آلودگی و پایداری واکنش مقاومت با استفاده از تجزیه خوشه‌ای به‌روش K-means و با در نظر گرفتن تعداد پنج خوشه اولیه (K=5) گروه‌بندی و سپس گروه‌های حاصل از تجزیه خوشه‌ای بر اساس نمودار مبتنی بر مقیاس‌بندی چندبعدی از یکدیگر تفکیک شدند. تجزیه و تحلیل‌های آماری و رسم نمودارها با کدنویسی در نرم‌افزار R نسخه 4.3.2 تحت محیط R-studio نسخه 2023.9.1.494 انجام شد.

یافته‌های تحقیق: نتایج بررسی فراوانی تیپ آلودگی در ژرم‌پلاسم جو مورد ارزیابی نشان داد که در سال اول، تعداد هفت نمونه (3.18 درصد) تیپ آلودگی O (واکنش مصونیت)، شش نمونه (2.73 درصد) تیپ آلودگی R (مقاومت)، و 11 نمونه (پنج درصد) تیپ آلودگی MR (نسبتاً مقاوم) نشان دادند. در سال دوم، تعداد 22 نمونه (10 درصد) واکنش مصونیت و تعداد 10 (4.55 درصد) و 22 (10 درصد) نمونه به‌ترتیب دارای تیپ آلودگی R و MR بودند. در سال سوم نیز سه (1.36 درصد) و هشت (3.46 درصد) نمونه به‌ترتیب تیپ آلودگی R و MR را نشان دادند. میانگین شدت بیماری در سال سوم به‌طور قابل توجهی نسبت به سال‌های اول و دوم افزایش یافت. نمونه‌های ژنتیکی واقع در دو حد نهایی ضریب آلودگی، از ثبات واکنش بیش‌تری نسبت به نمونه‌های ژنتیکی با ضریب آلودگی بینابینی برخوردار بودند. نمونه‌های ژنتیکی بر اساس میزان و تغییرات واکنش مقاومت به پنج گروه متمایز تفکیک شدند و نتایج تجزیه‌های آماری، تفکیک و تمایز مناسب آن‌ها را تأیید کرد.

نتیجه‌گیری: نتایج حاصل از روش‌های مختلف تجزیه و تحلیل آماری داده‌های تحقیق، شواهدی از تغییر بیماری‌زایی را طی سال‌های مختلف نشان داد. این موضوع نشان‌دهنده پویایی جمعیت بیمارگر در این کانون آلودگی و لزوم جستجوی مستمر برای شناسایی منابع دارای مقاومت مؤثر است. نمونه‌های ژنتیکی KC18607، KC70044، KC18653، KC20636، KC19610، KC20924، KC18761، KC18394، KC20560، KC70441 و KC20806 مقاومت پایداری را نشان دادند. شناسایی نمونه‌های ژنتیکی مقاوم در ژرم‌پلاسم بومی بیانگر ظرفیت ارزشمند آن‌ها به‌عنوان منابع مقاومت به بیماری زنگ برگی بود. از این ژرم‌پلاسم مقاوم می‌توان در برنامه‌های به‌نژادی و همچنین در مطالعات ژنتیکی برای شناسایی ژن‌های مقاومت به بیماری و توسعه نشانگرهای مولکولی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of barley landraces for resistance to leaf rust disease (Puccinia hordei)

نویسندگان [English]

  • Mehdi Zahravi 1
  • Shariyar Kia 2
1 Research Assistant Professor, Seed and Plant Improvement Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
2 Research Assistant Professor, Golestan Agricultural and Natural Resources Research and education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Gorgan, Iran
چکیده [English]

Introduction
Leaf rust caused by the fungal pathogen Puccinia hordei, is a major disease in barley that can cause significant damage to barley yield and quality. The use of genetic resistance is the most sustainable strategy for controlling this disease. Genetic resistance to barley leaf rust is divided into two general categories: Seedling resistance or all-stage resistance (ASR) and adult plant resistance (APR). Due to the dynamics of the pathogen population, most ASR genes have become ineffective, and there is limited diversity in APR genes. This highlights the importance of searching and identifying new sources of resistance to this disease. Local genetic resources (landraces) of barley are considered a rich source of disease resistance genes. In this regard, the present study was conducted to screen local germplasm in the barley collection of the National Plant Gene Bank of Iran and to find sources of resistance to barley leaf rust disease.

Materials and methods
A total of 220 accessions from the barley collection of the National Plant Gene Bank of Iran, originating from different regions of the country, were evaluated under natural infection conditions for three consecutive cropping years from 2021-2022 to 2023-2024 in the field of Iraqi-Mahalleh Research Station of Gorgan as the hotspot of leaf rust disease. To determine the resistance of barley accessions, infection type, disease severity, and infection coefficient were evaluated. The relationship between resistance components was examined through correlation analysis. A significant difference in the variance of the infection coefficient was observed among the ten defined groups. The studied accessions were separated in a biplot based on their resistance rank and stability of response rank. Classification of the acccessions based on the infection coefficient and stability of resistance response was performed using K-means clustering with K set to 5. The resulting clusters were distinguished from one another in a multidimensional scaling (MDS) plot. All statistical analyses and visualizations were conducted using custom scripts in R software, version 4.3.2, within the RStudio environment, version 2023.9.1.494.

Research findings
The results of the frequency of infection type in the studied germplasm showed that in the first year, seven accessions (3.18%) showed infection type O (immunity reaction), six accessions (2.73%) showed infection type R (resistance), and 11 accessions (5%) showed infection type MR (moderate resistance). In the second year, 22 accessions (10%) had an immunity reaction and 10 (4.55%) and 22 (10%) accessions had infection types R and MR, respectively. In the third year, three (1.36%) and eight (3.46%) accessions showed infection types R and MR, respectively. The average disease severity in the third year was significantly higher than in the first and second years. The accessions located at the two extreme limits of the coefficient of infection had more stable reactions than the accessions with an intermediate coefficient of infection. The studied germplasm were differentiated into five groups based on the amount and changes in resistance reaction, and the results of statistical analyzes confirmed their proper separation and differentiation.

Conclusion
The results of different methods of data analysis of the research showed evidence of changes in pathogenicity in different years, which indicates the dynamics of the pathogen population in this disease hotspot and the need for continuous search to identify sources with effective resistance. The accessions KC18607, KC70044, KC18653, KC20636, KC19610, KC20924, KC18761, KC18394, KC20560, KC70441 and KC20806 showed stable resistance. Identifying resistant accessions in these landraces indicates their valuable capacity as sources of resistance to leaf rust disease. This resistant germplasm can be used in breeding programs as well as in genetic studies to identify resistance genes and develop markers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Accession
  • Barley germplasm
  • Brown rust
  • Gene Bank
  • Landrace
Amouzoune, M., Rehman, S., Benkirane, R., Verma, S., Gyawali, S., Al-Jaboobi, M., Verma, R. P. S., Kehel, Z., & Amri, A. (2022). Genome-wide association study of leaf rust resistance at seedling and adult plant stages in a global barley panel. Agriculture, 12(11), 1829. doi: 10.3390/agriculture12111829.##Arifuzzaman, M., Jost, M., Wang, M., Chen, X., Perovic, D., Park, R. F., Rouse, M., Forrest, K., Hayden, M., Khan, G. A., & Dracatos, P. M. (2023). Mining the Australian grains gene bank for rust resistance in barley. International Journal of Molecular Sciences, 24(13), 10860. doi: 10.3390/ijms241310860.##Clifford, B. (1985). Barley leaf rust. In: Roelfs, A. P., & Bushnell, W. R. (Eds.). The Cereal Rusts. Volume II: Diseases, Distribution, Epidemiology, and Control. Elsevier. 650 p.##Czembor, J. H. (2023). Barley genetic resources: Advancing conservation and applications for breeding. Agronomy, 13(12), 2901. doi: 10.3390/agronomy1312290.##Danilova, A. V., & Volkova, G. V. (2022). Virulence of barley leaf rust in the South of Russia in 2017-2019. Spanish Journal of Agricultural Research, 20(1), e10SC01. doi: 10.5424/sjar/2022201-18337.##Derevnina, L., Singh, D., & Park, R. F. (2013). Identification and characterization of seedling and adult plant resistance to Puccinia hordei in Chinese barley germplasm. Plant Breeding, 132(6), 571-579. doi: 10.1111/pbr.12082.##Hickey, L. T., Lawson, W., Platz, G. J., Dieters, M., Arief, V. N., German, S., Fletcher, S., Park, R. F., Singh, D., Pereyra, S., & Franckowiak, J. (2011). Mapping Rph20: A gene conferring adult plant resistance to Puccinia hordei in barley. Theoretical & Applied Genetics, 123, 55-68. doi: 10.1007/s00122-011-1566-z.##Jost, M., Singh, D., Lagudah, E., Park, R. F., & Dracatos, P. (2020). Fine mapping of leaf rust resistance gene Rph13 from wild barley. Theoretical & Applied Genetics, 133(6), 1887-1895. doi: 10.1007/s00122-020-03564-6.##Lin, C. S., & Binns, M. R. (1988) A superiority measure of cultivar performance for cultivar × location data. Canadian Journal of Plant Science, 68, 193-198. doi: 10.4141/cjps88-018.##Mehnaz, M., Dracatos, P. M., Park, R. F., & Singh, D. (2021). Mining Middle Eastern and Central Asian barley germplasm to understand diversity for resistance to Puccinia hordei, causal agent of leaf rust. Agronomy, 11(11), 2146. doi: 10.3390/agronomy11112146.##Milner, S. G., Jost, M., Taketa, S., Mazón, E. R., Himmelbach, A., Oppermann, M., Weise, S., Knüpffer, H., Basterrechea, M., König, P., & Schüler, D. (2019). Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection. Nature Genetics, 51(2), 319-326. doi: 10.1038/s41588-018-0266-x.##Oğuz, A. Ç. (2019). Resistance of wild barley (Hordeum spontaneum) and barley landraces to leaf stripe (Drechslera graminea). Phytopathologia Mediterranea, 58(3), 485-496. doi: 10.14601/Phyto-10885.##Park, R. F. (2008). Breeding cereals for rust resistance in Australia. Plant Pathology, 57(4), 591-602. doi: 10.1146/annurev-phyto-080614-120324.##Park, R. F., Golegaonkar, P. G., Derevnina, L., Sandhu, K. S., Karaoglu, H., Elmansour, H. M., Dracatos, P. M., & Singh, D. (2015). Leaf rust of cultivated barley: Pathology and control. Annual Review of Phytopathology, 53(1), 565-589. doi: 10.1146/annurev-phyto-080614-120324.##Peterson, R. F., Campbell, A. B., & Hannah, A. E. (1948). A diagrammatic scale for estimating rust intensity on leaves and stems of cereals. Canadian Journal of Research, 26(5), 496-500. doi: 10.1139/cjr48c-033.##Roelfs, A. P., Singh, R. P., & Saari, E. E. (1992). Rust Diseases of Wheat: Concepts and Methods of Disease Management. CIMMYT, Mexico.##Singh, D., Dracatos, P., Derevnina, L., Zhou, M., & Park, R. F. (2015). Rph23: A new designated additive adult plant resistance gene to leaf rust in barley on chromosome 7H. Plant Breeding, 134(1), 62-69. doi: 10.1111/pbr.12229.##Singh, D., Ziems, L. A., Dracatos, P. M., Pourkheirandish, M., Tshewang, S., Czembor, P., German, S., Fowler, R. A., Snyman, L., Platz, G. J., & Park, R. F. (2018). Genome-wide association studies provide insights on genetic architecture of resistance to leaf rust in a worldwide barley collection. Molecular Breeding, 38, 43. doi: 10.1007/s11032-018-0803-4.##Visioni, A., Basile, B., Amri, A., Sanchez-Garcia, M., & Corrado, G. (2023). Advancing the conservation and utilization of barley genetic resources: Insights into germplasm management and breeding for sustainable agriculture. Plants, 12(18), 3186. doi: 10.3390/plants12183186.##Volkova, G. V., Danilova, A. V., & Kudinova, O. A. (2019). The virulence of the barley leaf rust pathogen in the North Caucasus in 2014-2017. Agricultural Biology, 54(3), 589-596. doi: 10.15389/agrobiology.2019.3.589eng.##Whelan, H., Gaunt, R., & Scott, W. (1997). The effect of leaf rust (Puccinia hordei) on yield response in barley (Hordeum vulgare L.) crops with different yield potentials. Plant Pathology, 46(4), 397-406. doi: 10.1046/j.1365-3059.1997.d01-23.x.##Zahravi, M., & Dehghan, M. (2018). Identification of genetic resources of field resistance to barley leaf rust in local germplasm of cultivated barley. Iranian Journal of Genetics & Plant Breeding, 7(2), 1-12. [In Persian]. doi: 10.30479/ijgpb.2019.9786.1215.##Zahravi, M., Safavi, S. A., & Ghazvini, H. (2021). Identification of sources of resistance to yellow rust in barley landraces grown in the northwest regions of Iran. Iranian Journal of Genetics & Plant Breeding, 10(2), 13-23. [In Persian]. doi: 10.30479/IJGPB.2023.18050.1330.##Ziems, L. A., Hickey, L. T., Platz, G. J., Franckowiak, J. D., Dracatos, P. M., Singh, D., & Park, R. F. (2017). Characterisation of Rph24: A gene conferring adult plant resistance to Puccinia hordei in barley. Phytopathology, 107(7), 834-841. doi: 10.1094/PHYTO-08-16-0295-R.##Ziems, L. A., Singh, L., Dracatos, P. M., Dieters, M. J., Sanchez-Garcia, M., Amri, A., Verma, R. P. S., Park, R. F., & Singh, D. (2023). Characterization of leaf rust resistance in international barley germplasm using genome-wide association studies. Plants, 12(4), 862. doi: 10.3390/plants12040862.