CC BY
0
Научная статья
УДК 633.14:632.482.19
doi: 10.47737/2307-2873_2023_44_83
ИСКУССТВЕННЫЙ ИНФЕКЦИОННЫЙ ФОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕСТНОЙ ПОПУЛЯЦИИ ГРИБА CLAVICEPS PURPUREA (FR.) TUL.
©2023. Люция Муллаахметовна Щеклеина Анастасия Владимировна Харина 2,
1,2Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, Киров, Россия 1 immunitet@fanc-sv. ru
Аннотация. Цель исследований являлся поиск источников устойчивости к спорынье в условиях искусственного инфекционного фона C. purpurea. Исследования выполнены в ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н. В. Рудницкого» (ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока) в 2020-2022 гг. Результаты анализа секвенирования ПЦР продукта ДНК показали, что образцы склероций Clav. 2, Clav. 3 и Clav. 4, собранные в двух экологических точках (г. Киров и г. Слободской) и с двух зерновых культур (озимая рожь и яровая пшеница), относятся к виду C. purpurea. Нуклеотидные последовательности наших образцов совпали с последовательностью в изоляте 17-275-F штамма 695/S при уровне гомологии 99,35; 99,03 и 99,68%. В полевых условиях при искусственной инокуляции цветков C. purpurea (штамм Clav. 4) 21 изучаемый сорт озимой ржи поражался спорыньей на уровне 3,2-34,7%, что характеризует их как восприимчивые. Без инфекции проявление болезни отсутствовало. По характеру взаимоотношений Secale cereale L. - Claviceps purpurea (Fr.) Tul. Генофонд озимой ржи можно дифференцировать: на сорта, формирующие крупные склероции (Эра, Батист, Дарвет, Саратовская 10), сорта с относительно мелкими склероциями (Графит ФП, Саратовская 7, Фаленская 4, Перепел), сорта с наиболее крупными и многочисленными склероциями (Саратовская 10, Янтарная, Солнышко, Марусенька, Батист, Эврика, Дана), сорта с немногочисленными и относительно мелкими склероциями (Графит ФП, Перепел, Фаленская 4, Лика, Чусовая, Саратовская 7, Викрас). Наименьшим поражением посевов и зерна спорыньей отличались: Графит ФП, Перепел, Садко, Фаленская крупнозерная, Лика и Чусовая, которые могут быть использованы в селекции на повышение устойчивости к болезни. Установлена тесная связь между поражением генотипов спорыньей и засоренностью зерна склероциями (r = 0,879) и положительная средней степени связь между биометрическими показателями (r =0,307... 0,578).
Ключевые слова: Secale cereale L., спорынья, ПЦР, инокуляция, поражение, засоренность склероциями, источники
Введение. Нарастающее
распространение спорыньи в посевах ржи, пшеницы, тритикале и ячменя - серьезная проблема отечественного и зарубежного растениеводства [1-4]. По нашим наблюдениям (1998-2022 гг.), поражение посевов озимой ржи в Кировской области достигает 1,70% [5]. Формирование склероциев снижает озерненность колоса на 17,2-52,9 %, что уменьшает его продуктивность и приводит к значительному недобору урожая [4]. В Германии усиление распространения спорыньи связывают с возрастающей долей в посеве высокоурожайной, но восприимчивой к болезни гибридной ржи. Чувствительность к
спорынье связывают с цитоплазматической мужской стерильностью (CMS), которая наследуется по материнской линии [6]. Тесная связь между наличием фертильной пыльцы и чувствительностью к спорынье создает проблему для селекции [2, 7]. В Беларуси, наряду с гибридной рожью возделывается тетраплоидная, которая из-за низкой озерненности колоса сильнее, чем диплоидная, поражается спорыньей [3].
Эффективность механизированной очистки ржи от склероциев достаточно низкая. В исследованиях она не превышала 23% [8]. При этом отечественные и зарубежные ГОСТы не допускают наличие склероциев в семенах высших репродукций.
Известно, что возбудитель спорыньи -сумчатый гриб Claviceps purpurea (Fr.) Tul., относящийся к семейству спорыньевых (Clavicipitaceae) и порядку гипокрейных (Hypocreales), имеет два вида спор: аскоспоры, образующиеся в плодовых телах, и конидии, появляющиеся уже при формировании тела склероция. В природных условиях гриб сохраняется в виде склероциев. Многообразие источников инфекции расширяет возможности иммунологических исследований по моделированию искусственного
инфекционного фона, необходимого для объективной оценки генофондов зерновых культур и поиска генисточников устойчивости для селекции.
В связи с этим, целью исследований являлся поиск источников устойчивости озимой ржи к спорынье в условиях искусственного инфекционного фона C. purpurea, созданного с использованием идентифицированных местных штаммов гриба C. purpurea.
Методика. Исследования выполнены в ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н. В. Рудницкого» (ФГБНУ ФАНц Северо-Востока) в 2020-2022 гг.
Для получения чистой культуры C. purpurea провели сбор инфекционного материала (склероции озимой ржи и яровой пшеницы) на селекционных посевах ФАНЦ Северо-Востока (г. Киров) и Слободского ГСУ (г. Слободской).
Для выделения ДНК патогена склероции ржи из г. Кирова и Слободского обозначили его как Clav. 4 и Clav. 2, образец яровой пшеницы - Clav. 3. При культивировании C. purpurea лучше использовать среды, богатые углеводами, например, Абэ или Штолля, но гриб достаточно хорошо растет и на картофельно-глюкозном агаре (КГА). В зависимости от культуры присутствовала значительная изменчивость культурально -морфологических признаков изолятов: цвет и структура воздушного и субстратного мицелия, общий вид колоний, размер и форма спор. Общим для всех изолятов была белая окраска воздушного мицелия, относительно слабое его развитие, наличие округлой вершины, приподнятой над агаром и споруляция на 9-14 день с начала культивирования. По мере хранения у некоторых изолятов появлялась фиолетовая пигментация субстратного мицелия.
ПЦР выполнена на амплификаторе ТП4-ПЦР-01-«Терцик» («НПО ДНК-технология», г. Москва). ПЦР-продукты были разделены в процессе вертикального электрофореза в 6,5-8,0%-ном полиакриламидном геле и окрашены бромистым этидием (1%).
Результаты электрофореза
документировали с помощью видеосистемы «Взгляд» и ПО «IC Measure» (ООО «Компания Хеликон», г. Москва). Размер амплифицированных фрагментов определяли с использованием 100bp+2Kb+3Kb ДНК-маркеров веса («СибЭнзайм», г. Новосибирск). Полученные в результате ПЦР продукты были отправлены в ЗАО «Евроген Ру» (г. Москва) для определения нуклеотидной
последовательности (секвенирования)
местного изолята C. purpurea.
В полевых условиях материалом исследований был 21 сорт озимой ржи селекции ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока и других научно-исследовательских учреждений Российской Федерации, которые высевали на фитопатологическом участке. Площадь делянки 1 м2, повторность трехкратная. При создании инфекционного фона применяли авторскую методику [9]. В начале колошения растений цветки в средней части колоса инокулировали с помощью шприца водно-споровой суспензией изолята Clav. 4 C. purpurea. Концентрация спор в инокуляте 105 кон/мл.
При иммунологической оценке сортов использовали два показателя: поражение (процент растений со склероциями в пробе) и засоренность зерна склероциями (процентное содержание массы склероциев в зерновой пробе). Характеристику сортов по устойчивости к спорынье давали на основании шкалы T. Miedaner с соавторами [10]. Собранные с каждого сорта склероции использовали для анализа биометрических параметров (длина, ширина, масса).
Статистическая обработка результатов проведена методами дисперсионного и корреляционного анализа с использованием пакета программ статистического и биометрико-генетического анализа в растениеводстве и селекции AGROS (версия 2.07.) и программы Microsoft Office Excel.
Результаты. Для поиска информации по изучению внутривидовой структуры патогена C. purpurea с помощью различных типов ДНК маркеров, применяемых для генотипирования изолятов, использовали базы данных NCBI
Nucleotide, GrainGenes и NaPDoS, программы BLAST nucleotide, а также зарубежную литературу [11-15] (табл. 1).
Таблица 1
Используемые для генотипирования изоляты C. purpurea_
Изолят Расположение праймеров
VI04972 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial)
VI04971 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial)
VI04969 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial)
VI04968 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial)
695/S 18S rRNA gene (partial), 5.8S rRNA gene, 28S rRNA gene (partial), internal transcribed spacer 1 (ITS1) and internal transcribed spacer 2 (ITS2)
VI04917 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04916 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04915 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04914 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04913 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04912 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04909 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04907 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04906 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
VI04905 18S rRNA gene (partial), ITS1, 5.8S rRNA gene, ITS2 and 28S rRNA gene (partial), genotype G2
Clav. 2 Образец с растений озимой ржи (г. Слободской)
Clav. 3 Образец с растений яровой пшеницы (г. Киров)
Clav. 4 Образец с растений озимой ржи (г. Киров)
Для выбора наиболее перспективных праймеров проводили анализ множественного выравнивания последовательностей
нуклеотидов генов изолятов C. purpurea с
помощью Clustal Omega. На основании проведенного анализа были разработаны 2 пары праймеров, специфичных к изолятам C. purpurea (табл. 2).
Таблица 2
Характеристика праймеров для проверки отжига в Д НК вида C. purpurea
Название последовательности для праймера Нуклеотидная последовательность Температура отжига, °С Уникальность по шкале 1-10*
Clav. F GTATACCCATAGCGGCATGTCTGAGTGG 60 8,5
Clav. R CGGCGGTCTCGTCGCAGCCTTCTTTGCG 66 8,5
Примечание:
1* - много посторонних последовательностей,
10* - только последовательности заявленного гена в заявленном виде
Состав реакционной смеси на 10 мкл: ДНК - 2 мкл, 10 х PCR буфер - 1 мкл, смесь dNTPs (4mM) - 0,5 мкл, по 1 мкл прямого и
обратного праймера, Taq-полимераза - 3,75 ед., вода mQ - 3,75 мкл с требуемыми условиями ПЦР (табл. 3).
Таблица 3
Температурный режим Размер ампликона, п. н.
I 95°С - 5 мин; II 35 циклов: 95°С - 30 сек, 72°С - 2мин; III 72°С - 8 мин 317
На электрофореграмме скрининга во всех трех образцах (Clav. 2, Clav. 3, Clav. 4) были обнаружены ДНК, свидетельствующие о прохождении полимеразной цепной реакции (рис. 1).
Результаты анализа секвенирования ПЦР продукта ДНК в BLAST nucleotide показали, что образцы Clav. 2, Clav. 3 и Clav. 4,
собранные в двух экологических точках (г. Киров и г. Слободской) и с двух зерновых культур (озимая рожь и яровая пшеница), относящиеся к виду C. purpurea, по сходству нуклеотидных последовательностей близки к штамму C. purpurea strain 695/S при уровне гомологии 99,35; 99,03 и 99,68%.
Рис 1. Гель-электрофорез продуктов амплификации с праймерами к образцам Clav. F и Clav. R: 1, 2 - образцы ДНК Clav. 2; 3 - образец ДНК Clav 3; 4, 5 - образцы ДНК Clav. 4; М - маркер молекулярного веса Сибэнзим 100 b.p. + 2Kb + 3Kb Fig. 1. Gel-electrophoresis of amplification products with primers to the Clav. F and Clav. R samples: 1, 2 - DNA samples of Clav. 2; 3 - DNA sample of Clav. 3; 4, 5 - DNA samples of Clav. 4; M - molecular weight marker Sibenzyme 100 b.p. + 2Kb + 3Kb
В полевых условиях при искусственной инокуляции цветков C. purpurea штаммом Clav. 4 все изучаемые сорта озимой ржи поражались спорыньей в пределах от 3,20±0,10 до 34,75±0,05%, что характеризует их как восприимчивые (рис. 2). На естественном фоне развития C. purpurea на всех сортах поражение растений отсутствовало. Наибольшая частота пораженных растений
выявлена в сортах Саратовская 10 (34,75±0,05) и Янтарная (32,25±1,75). Меньшей восприимчивостью к болезни отличались перспективные популяции ФАНЦ Северо-Востока: Графит ФП (3,20±0,10%), Перепел (3,85±0,15%), Садко (7,10±0,90%), Лика (8,30±0,10%), Фаленская крупнозерная (9,75±0,25%) и сорт Уральского НИИСХ -Чусовая (6,70±0,70%).
40 т
35 --
30
щ 25 --
а. о с
I
ш £ ГО
а. о С
20
15 --
10
5 --
33,3
34,7
26,1
21,6
16,7
9,8
18,9
14,9
8,3
14,6
3,9
д
3,2
Л
23,4
11,1
26,3
6,7
16,7
11,9
27,1
13,1
7,1
* >* ^ J> У ✓ У J * У ✓ > У jf J S
f л- * <<?
A4 .<? C
«г *vv>\
Рис 2. Поражение сортов озимой ржи спорыньей при искусственной инокуляции
местных штаммов C. Purpurea Fig. 2. Ergot infection of winter rye varieties during artificial inoculation of local strains
of C. purpurea
Засоренность зерна склероциями было у сортов Перепел, Графит ФП, Чусовая,
изменялась от 0,13±0,03 (Графит ФП, Перепел) Лика, Фаленская 4, Саратовская 7, Викрас,
до 1,87±0,01% (Янтарная). Относительно Графит, Марусенька, Гармония (табл. 4). меньшее содержание склероциев (до 0,50%)
Таблица 4
Средние биометрически параметры склероциев у сортов озимой ржи_
Сорт Происхождение Засоренность зерна склероциями, % Биометрия 1 склероция
длина, мм ширина, мм масса, г
Фаленская 4 ФГБНУ ФAНЦ Северо-Востока 0,30±0,05 16,67±5,55 2,67±0,33 0,09±0,05
Фаленская крупнозерная 0,58±0,08 21,33±2,91 3,33±0,67 0,15±0,07
Батист 0,75±0,05 25,33±S,S2 3,67±0,88 0,25±0,14
Лика 0,29±0,02 19,00±5,86 3,67±0,88 0,18±0,12
Гармония 0,43±0,08 19,33±4,06 3,33±0,67 0,14±0,06
Симфония 0,38±0,02 20,00±4,93 3,33±0,33 0,14±0,08
Перепел 0,13±0,03 14,00±4,93 3,33±0,88 0,10±0,06
Графит 0,47±0,03 21,00±6,81 3,00±0,58 0,15±0,07
Графит ФП 0,13±0,03 14,33±2,60 2,67±0,33 0,06±0,02
Садко 0,54±0,04 17,00±3,21 3,33±0,33 0,11±0,05
Дана Ленинградский НИИСХ «Белогорка» 0,86±0,06 17,00±5,86 3,33±0,88 0,15±0,09
Эра 0,78±0,05 22,33±9,35 4,00±1,53 0,28±0,23
Эврика 0,52±0,02 18,00±9,07 3,00±1,00 0,16±0,12
Янтарная Уральский НИИСХ - филиал ФГБНУ УрФAНИЦ УрО РAН 1,87±0,01 17,67±6,17 3,67±0,88 0,18±0,11
Чусовая 0,19±0,01 16,67±5,67 3,33±0,67 0,13±0,07
Дарвет 0,92±0,09 17,93±10,4 4,00±0,58 0,24±0,15
Викрас 0,45±0,01 22,33±6,01 4,00±1,15 0,17±0,07
Саратовская 7 ФГБНУ ФAНЦ Юго-Востока 0,31±0,01 16,33±2,73 3,00±1,00 0,08±0,04
Саратовская 10 1,78±0,02 20,67±4,33 3,67±0,88 0,21±0,10
Солнышко 1,07±0,04 21,33±6,98 4,00±1,00 0,15±0,08
Марусенька 0,47±0,02 19,67±6,17 3,00±0,58 0,11±0,07
НСР05 0,07 3,84 1,09 0,05
Р, % 3,72 4,31 4,93 6,26
Следует отметить, что инфекционный потенциал определяет не только содержание склероциев в зерне, но и их размер, поскольку крупные образцы образуют больше стром с плодовыми телами. В наших исследованиях масса одного склероция изменялась от 0,06 г (Графит ФП) до 0,28 г (Эра). Относительно крупные склероции (более 0,20 г) сформировались на сортах Эра, Батист, Дарвет и Саратовская 10, а относительно мелкие (до 0,10 г) - на сортах Графит ФП, Саратовская 7, Фаленская 4 и Перепел. Другие биометрические параметры склероциев также варьировали в широких пределах: длина - от 14,00 мм (Перепел) до 25,33 мм (Батист), ширина - от 2,67 мм (Фаленская 4, Графит ФП) до 4,00 мм (Эра, Дарвет, Викрас и Солнышко). В целом наиболее мелкие по размеру и массе склероции сформировал сорт Графит ФП.
В результате корреляционного анализа установлена тесная связь между поражением генотипов спорыньей и засоренностью зерна склероциями (г = 0,879); положительная средней степени связь между поражением и
длиной одного склероция (г = 0,377), шириной (г = 0,496) и его массой (г =0,578); засоренностью зерновой массы склероциями и биометрией склероциев (г =0,307... 0,534).
По характеру взаимоотношений Secale cereale L. - Claviceps purpurea (Fr.) Tul. изученный генофонд озимой ржи можно дифференцировать следующим образом: сорта формирующие крупные склероции (Эра, Батист, Дарвет, Саратовская 10), сорта с относительно мелкими склероциями (Графит ФП, Саратовская 7, Фаленская 4, Перепел), сорта с наиболее крупными и многочисленными склероциями (Саратовская 10, Янтарная, Солнышко, Марусенька, Батист, Эврика, Дана, Батист), сорта с немногочисленными и относительно мелкими склероциями (Графит ФП, Перепел, Фаленская 4, Лика, Чусовая, Саратовская 7, Викрас). Полученная информация может иметь прогностическое фитосанитарное значение при возделывании сортов в провокационных для гриба C. purpurea условиях вегетации, а также
использована при механической очистке зерновой массы.
Выводы. Результаты анализа секвенирования ПЦР продукта ДНК показали, что образцы Clav. 2, Clav. 3 и Clav. 4, собранные в двух экологических точках Кировской области и с двух зерновых культур по сходству нуклеотидных последовательностей близки к штамму C. purpurea strain 695/S [16] при уровне гомологии 99,35; 99,03 и 99,68%.
При искусственной инокуляции C. purpurea выделено шесть сортов озимой ржи
(Графит ФП, Перепел, Садко, Фаленская крупнозерная, Лика, Чусовая), которые характеризуются наименьшим поражением посевов и зерна спорыньей и могут быть использованы в селекции на повышение устойчивости к болезни. Установлена тесная связь между поражением генотипов спорыньей и засоренностью зерна склероциями (г = 0,879) и положительная средней степени связь между биометрическими показателями
(г =0,307...0,578).
Список источников
1. Кобылянский В. Д., Солодухина О. В. Развитие спорыньи на низкопентозановой диплоидной озимой ржи // Зерновое хозяйство России. 2021. № 4 (76). С. 73-78. https://doi.org/10.31367/2079-8725-2021-76-4-73-78.
2. Miedaner T., Kodisch A., Raditschnig A., Eifler J. Ergot alkaloid contents in hybrid rye are reduced by breeding. Agriculture. 2021. Vol. 11. P. 526. https://doi.org/10.3390/agriculture11060526
3. Урбан Э. П., Гордей С. И., Артюх Д. Ю., Гордей И. С. Направления, методы и результаты селекции ржи (Secale cereale L.) в Беларуси. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Agrarian series. 2022. Vol. 60. No. 2. P. 160-170. https://doi.org/10.29235/1817-7204-2022-60-2-160-170.
4. Щеклеина Л. М., Шешегова Т. К. Сорта озимой ржи, умеренно устойчивые к спорынье // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2022. Том 183. № 4. С. 229-238. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2022-4-229-238
5. Щеклеина Л. М. Влияние погодных факторов на отдельные периоды развития гриба Claviceps purpurea (Fr.) Tul и уровень вредоносности спорыньи в Кировской области // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2019. № 2. С. 134-143. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2019.20.2.134-143.
6. Kodisch A., Schmiedchen B., Eifler J., Cordillo A., Siekmann D., Fromme F. J., Oberforster M., Miedaner T. Maternal differences for the reaction to ergot in unfertilized hybrid rye (Secale cereale). European Journal of Plant Pathology. 2022. 163: 181-191 DOI: 10.1007/s10658-022-02467-0.
7. Wilde P., Miedaner T. Hybrid rye breeding. In: The rye genome. Compendium of Plant Genomes / M.T. Rabanus-Wallace. N. Stein (eds.). Springer, Cham, Switzerland. 2021. P. 13-41.
8. Хоченко А. А., Худосовский Д. И., Солянин В. В., Безмен В. А. Проблемы качества зернофуража. Ветеринария. 2000. № 1. С. 55-56.
9. Шешегова Т. К, Щеклеина Л. М., Кедрова Л. И., Уткина Е. И. Селекция озимой ржи на устойчивость к спорынье: Методическое пособие. Киров: ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, 2018. 27 с.
10. Miedaner T., Mirdita V., Geiger H. H. Strategies in breeding for ergot (Claviceps purpurea) resistance // Book of abstracts: International Symposium on Rye Breeding & Genetics Minsk. Belarus. 2010. P. 83.
11. Cheng L-J, Robbers J. E., Floss H. G. End-product regulation of ergot alkaloid formation in intact cells and protoplasts of Claviceps species, strain SD-58 // Jornal of Natural Products. 1980. V. 43. P. 329-339.
12. Ulsing U. J., Tudzynski P. Analysis of genetic diversity in Claviceps purpurea by RAPD markers // Mycological Research. 1997. V. 101. P. 1-6. https://doi.org/10.1017/S0953756296001657.
13. Gilmore B. S., Alderman S. C., Knaus D. J., Bassil N. V., Martin R. C., Dombrowski J. E., Dung J. K. Simple sequence repeat markers that identify Claviceps species and strains // Fungal Biology and Biotechnology. 2016. V. 3. P. 1-13. https://doi.org/10.1186/s40694-016-0019-5.
14. Pazoutova S., Olsovska J., Linka M., Kolinska R., Flieger M. Chemoraces and habitat pecialization of Claviceps purpurea populations // Applied and Environmental Microbiology. 2000. V. 66 (12). P. 5419-5425. https://doi.org/10.1128/AEM.66.12.5419-5425.2000.
15. Paul W. Tooley, Erin D. Goley, Marie M. Carras, Reid D. Frederick, Erin L. Weber & Gretchen A. Kuldau Characterization of Claviceps species pathogenic on sorghum by sequence analysis of the P-tubulin gene intron 3 region and EF-1a gene intron 4, Mycologia. 2001. 93:3, 541-551, DOI: 10.1080/00275514.2001.12063186.
16. Maier W., Erge D., Groeger D. Mutational biosynthesis in a strain of Claviceps purpurea // Planta Med. 1980. 40, 104108.
ARTIFICIAL INFECTION BACKGROUND WITH THE USE OF LOCAL POPULATION OF THE FUNGUS CLAVICEPS PURPUREA (FR.) TUL.
©2023. Luria M. Shchekleina1H, Anastasia V. Kharina2,
^Federal Agrarian Research Center of the North-East named after N.V. Rudnitsky, Kirov, Russia ' i m m [email protected]
Abstract. The aim of the research was to find sources of resistance to ergot in conditions of an artificial infection background of C. purpurea. The studies were carried out at the Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Agrarian Research Center of the North-East named after A.I. N.V. Rudnitsky" (FSBSI "FARC of the North-East") in 2020-2022. The results of the PCR sequencing analysis of the DNA product showed that the sclerotinia samples of Clav. 2, Clav. 3 and clav. 4 collected in two ecological areas (Kirov and Slobodskoy) and from two grain crops (winter rye and spring wheat) belong to the species C. purpurea. The nucleotide sequences of our samples coincided with the sequence in isolate 17-275-F of the strain 695/S at a homology level of 99.35; 99.03 and 99.68%. In the field conditions, during artificial inoculation of flowers with C. purpurea (strain Clav. 4), 21 winter rye varieties were affected by ergot at the level of 3.2-34.7%, so they can be characterized as susceptible. There was no manifestation of the disease without infection. By the nature of the relationship between Secale cereale L. and Claviceps purpurea (Fr.) Tul. winter rye gene pool can be differentiated: varieties that form large sclerotia (Era, Batist, Darvet, Saratovskaya 10), varieties with relatively small sclerotia (Grafit FP, Saratovskaya 7, Falenskaya 4, Perepel), varieties with the largest and most numerous sclerotia (Saratovskaya 10, Yantarnaya, Solnyshko, Marusenka, Batist, Evrika, Dana), varieties with few and relatively small sclerotia (Grafit FP, Perepel, Falenskaya 4, Lika, Chusovaya, Saratovskaya 7, Vikras). The crops and grain of Grafit FP, Perepel, Sadko, Falenskaya large-kerneled, Lika and Chusovaya varieties were less affected by the ergot, so they can be used in breeding to increase resistance to the disease. A close relationship was established between the affection of genotypes by ergot and the infestation of grain with sclerotia (r = 0.879) and the results indicated positive medium-scale relationship between biometric indicators (r = 0.307...0.578).
Key words: Secale cereale L., ergot, PCR, inoculation, affection, sclerotinia infestation, sources
References
1. Kobylyanskii V. D., Solodukhina O. V. Razvitie sporyn'I na nizkopentozanovoi diploidnoi ozimoi rzhi (Ergot development on low-pentosan diploid winter rye), Zernovoe khozyaistvo Rossii, 2021, No. 4 (76), pp. 73-78. https://doi.org/10.31367/2079-8725-2021-76-4-73-78.
2. Miedaner T., Kodisch A., Raditschnig A., Eifler J. Ergot alkaloid contents in hybrid rye are reduced by breeding, Agriculture, 2021, V. 11, p. 526. https://doi.org/10.33 90/agriculture 11060526
3. Urban E. P., Gordei S. I., Artyukh D. Yu., Gordei I. S. Napravleniya, metody i rezul'taty selektsii rzhi (Secale cereale L.) v Belarusi (Directions, methods and results of rye (Secale cereale L.) breeding in Belarus). Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Agrarian series, 2022, V. 60, No. 2, pp. 160-170. https://doi.org/10.29235/1817-7204-2022-60-2-160-170
4. Shchekleina L. M., Sheshegova T. K. Sorta ozimoi rzhi, umerenno ustoichivye k sporyn'e (Winter rye varieties moderately resistant to ergot), Trudy po prikladnoi botanike, genetike i selektsii, 2022, T. 183, No. 4, pp. 229-238. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2022-4-229-238
5. Shchekleina L. M. Vliyanie pogodnykh faktorov na otdel'nye periody razvitiya griba Claviceps purpurea (Fr.) Tul I uroven' vredonosnostisporyn'i v Kirovskoi oblasti (Influence of weather conditions on certain periods of development of the fungus Claviceps purpurea (Fr.) Tul and the level of harmfulness of ergot in the Kirov region), Agrarnayanauka Evro-Severo-Vostoka, 2019, No. 2, pp. 134-143. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2019.20.2.134-143
6. Kodisch A., Schmiedchen B., Eifler J., Cordillo A., Siekmann D., Fromme F. J., Oberforster M., Miedaner T. Maternal differences for the reaction to ergot in unfertilized hybrid rye (Secale cereale). European Journal of Plant Pathology, 2022, 163, 181-191 DOI: 10.1007/s10658-022-02467-0
7. Wilde P., Miedaner T. Hybrid rye breeding. In: The rye genome. Compendium of Plant Genomes, M.T. Rabanus-Wallace. N. Stein (eds.). Springer, Cham, Switzerland, 2021, P. 13-41.
8. Khochenko A. A., Khudosovskii D. I., Solyanin V. V., Bezmen V. A. Problemy kachestva zernofurazha (Grain feed quality problems), Veterinariya, 2000, No. 1, pp. 55-56.
9. Sheshegova T. K, Shchekleina L. M., Kedrova L. I., Utkina E. I. Selektsiya ozimoi rzhi na ustoichivost' k sporyn'e (Selection of winter rye for resistance to ergot), Metodicheskoe posobie. Kirov: FGBOU VO Vyatskaya GSKhA, 2018, p. 27.
10. Miedaner T., Mirdita V., Geiger H. H. Strategies in breeding for ergot (Claviceps purpurea) resistance, Book of abstracts: International Symposium on Rye Breeding & Genetics Minsk, Belarus, 2010, p. 83.
11. Cheng L-J, Robbers J. E., Floss H. G. End-product regulation of ergot alkaloid formation in intact cells and protoplasts of Claviceps species, strain SD-58, Journal of Natural Products, 1980, V. 43, pp. 329-339.
12. Ulsing U. J., Tudzynski P. Analysis of genetic diversity in Claviceps purpurea by RAPD markers, Mycological Research, 1997, V. 101, pp. 1-6. https://doi.org/10.1017/S0953756296001657
13. Gilmore B. S., Alderman S. C., Knaus D. J., Bassil N. V., Martin R. C., Dombrowski J. E., Dung J. K. Simple sequence repeat markers that identify Claviceps species and strains, Fungal Biology and Biotechnology, 2016, V. 3, pp. 1-13. https://doi.org/10.1186/s40694-016-0019-5
14. Pazoutova S., Olsovska J., Linka M., Kolinska R., Flieger M. Chemoraces and habitat pecialization of Claviceps purpurea populations, Applied and Environmental Microbiology, 2000, V. 66 (12), pp. 5419-5425. https://doi.org/10.1128/AEM.66.12.5419-5425.2000
15. Paul W. Tooley, Erin D. Goley, Marie M. Carras, Reid D. Frederick, Erin L. Weber & Gretchen A. Kuldau Characterization of Claviceps species pathogenic on sorghum by sequence analysis of the P-tubulin gene intron 3 region and EF-1a gene intron 4, Mycologia, 2001, 93,3, 541-551, DOI: 10.1080/00275514.2001.12063186
16. Maier W., Erge D., Groeger D. Mutational biosynthesis in a strain of Claviceps purpurea, Planta Med, 1980, 40, pp. 104-108.
Сведения об авторах Л. М. Щеклеина1 - канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник; А. В. Харина2 - канд. с.-х. наук, научный сотрудник.
ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», Киров, Россия.
1 immunitet@fanc- sv.ru
Information about the authors
L. M. Shchekleina1 - Cand. Agr. Sci., Senior Researcher; A. V. Kharina2 - Cand. Agr. Sci., Researcher.
FSBSI "Federal Agrarian Research Center of the North-East named after N.V. Rudnitsky", Kirov, Russia.
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest: the authors declare that they have no conflicts of interest.
Статья поступила в редакцию 11.07.2023; одобрена после рецензирования 01.08.2023; принята к публикации 10.11.2023 The article was submitted 11.07.2023; approved after reviewing 01.08.2023; acceptedfor publication 10.11.2023
