Дослідження та перспективи генів стійкості до борошнистої роси пшениці
Анотація
Пшениця (Triticum aestivum L.) одна з основних зернових культур у світі. Борошниста роса пшениці – грибкове захворювання, спричинене інфекцією Blumeria graminis F.sp. tritici. Це одна з найважливіших хвороб пшениці у світі, яка серйозно впливає на врожайність та якість пшениці. Наразі основними способами боротьби з борошнистою росою є використання фунгіцидів та вирощування стійких до хвороб сортів. Оброблення фунгіцидами спричиняє накопичення залишків пестицидів та забруднення навколишнього середовища. Наразі джерел резистентності до борошнистої роси дикорослих видів та штучно виведених сортів пшениці не вистачає, тому необхідно терміново та ефективно створювати стійкі сорти. Традиційне схрещування має тривалу і низьку ефективність. Тим не менше, це швидкий та ефективний спосіб отримання стійких до хвороб сорти, використовуючи сучасні молекулярно-біологічні засобів для перенесення стійких до хвороб генів у культивовані сорти. Незважаючи на те, що вирощування стійких сортів є найбільш економічним та ефективним способом контролю борошнистої роси у пшениці, існують певні обмеження при введення генів стійкості звичайними способами для вирощування стійких сортів у товарному виробництві. Зі збільшенням захворюваності з кожним роком ця ситуація буде дедалі більше нездатною задовольнити потреби генетичного вдосконалення пшениці. Необхідно терміново дослідити новий спосіб створення стійких сортів пшениці до борошнистої роси, що забезпечуватиме тривалий широкий спектр дії.
Резистентність до хвороби через селекційне клонування рослин та взаємодії спорідненості патогенів відіграють ключову роль у вивченні фітопатогенів та їх механізму дії. Наразі у пшениці шляхом маніпулювання генами хвороби інфікований матеріал отримав тривалий широкий спектр дії меншої резистентності. У випадку захворювання генів та мутацій після такої резистентості до хвороби механізм досі незрозумілий. Отже, для селекції стійких сортів потрібні добування та використання генів стійкості. У статті підсумовується шкодочинність та розповсюдження борошнистої роси пшениці, механізм стійкості генів резистентності до борошнистої роси пшениці, а також функціональний аналіз, гени стійкості до борошнистої роси пшениці у галузі досліджень молекулярної біології, а також VIGS, RNAi, агробактеріальний принцип та застосування технічних засобів, таких як профілактика та боротьба з борошнистою росою пшениці, дослідження нових генів резистентності до борошнистої роси та регулювання стійкості, селекція стійких до хвороб сортів пшениці, що забезпечують бажану схему.
Посилання
2. Huang, X. Q., & Roder, M. S. (2004). Molecular mapping of powdery mildew resistance genes in wheat: Review. Euphytica, 137(2), 203‒223.
3. He Zhonghu, Zhuang Qiaosheng, & Cheng Shunhe (2018). Wheat Industry Development and Scientific and Technological Progress in China. Acta Agronomica Sinica, 83(01), 105‒112.
4. Sun Zhilu (2019). Empirical Analysis of international Wheat Trade Market Forces in the Context of trade opening. Journal of Huazhong Agricultural University (Social Sciences), 4, 1‒14.
5. Cao, S. Q., Luo, H. S., & Jin, S. L. (2011). Effect of wheat powdery mildew in Tianshui, Gansu province on infection cycle during summer and sexual period. Plant Protection, (01), 121‒125.
6. Liu, Wancai, Liu Zhendong, & Huang Chong (2016). Statistics and analysis of major crop pests and diseases in recent 10 years. Plant Protection, 42, 1‒9.
7. Zhao Mingyue, Ouyang Fang, & Zhang Yongsheng (2016). Analysis of occurrence and Damage characteristics of Wheat diseases and Insect Pests in China from 2000 to 2010. Biohazard Science, (01), 4‒9.
8. Figueroa, M., Hammond Kosack, & Kim, E. (2018). A Review of Wheat Diseases - A Field perspective. Molecular Plant Pathology, 19(6), 1523‒1536.
9. Dean, R., Kan, J. A., & Pretorius, Z. A. (2012). The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology, 13(7), 414‒430.
10. Morgounov, A., Tufan, H. A., & Sharma, R. (2012). Global Incidence of Wheat Rusts and Powdery Mildew during 1969‒2010 and Resistance of winter Wheat Variety Bezostaya 1. European Journal of Plant Pathology, 132(3), 323‒340.
11. Griffey, C. A., Das, M. K., & Stromberg, E. L. (1993). Effectiveness of adult-plant resistance in reducing grain yield loss to powdery mildew in winter wheat. Plant Disease, 77(6), 618.
12. Conner, R. L., Kuzyk, A. D., & Su, H. (2003). Impact of powdery mildew on the yield of soft white spring wheat culti-vars. Canadian Journal of Plant Science, 83(4), 725‒728.
13. Lackermann, K. V., Conley, S. P., & Gaska, J. M. (2011). Effect of location, cultivar, and diseases on grain yield of soft red winter wheat in Wisconsin. Plant Disease, 95(11), 1401‒1406.
14. Singh, R. P., Hodson, D. P., & Huertaespino, J. (2008). Will stem rust destroy the world's Wheat crop. Advances in Agronomy, 98(5), 271‒309.
15. Kang, Y. C., Barry, K., & Cao, F. (2019). Genome wide association mapping for adult resistance to powdery mildew in common wheat. Molecular Biology Reports, 53(3), 80‒96.
16. Panstruga, R., & Schulze Lefert, P. (2003). Corruption of host seven-transmembrane proteins by pathogenic microbes: a common theme in animals and plants. Microbes and Infection, 5(5), 429‒437.
17. Luo, M., Kong, X. Y., Hornaxin. (2002). Expression sequence label analysis of wheat resistance to powdery mildew infection at its initial stage. Acta Genetica Sinica, 6, 520‒530.
18. Cui, X. H., & Zhao, Y. F., (2008). Progress in wheat resistance to powdery mildew and its application in breeding. Inner Mongolia Agricultural Science and Technology, 2, 97‒99.
19. Cao, A., Xing, L., Wang, X., Yang, X., Wang, W., Sun, Y., Qian, C., Ni, J., Chen, Y., Liu, D., Wang, X, & Chen P. (2011). Serine/threonine kinase gene Stpk-V, a key member of powdery mildew resistance gene Pm21, confers powdery mildew resistance in wheat. Proc Natl Acad Sci USA, 108, 7727‒7732.
20. Yanrong, Geng Miaomiao, & Li Xiaojing. (2020). Identification of resistance to Powdery mildew and molecular marker detection of resistance genes in wheat varieties and germplasm resources in Hebei Province. Journal of Plant Genetic Resources, (1), 25‒31.
21. Qu Yunfeng. (2019). Molecular Marker analysis of powdery mildew Resistance genes in Wheat DH51302 and Shimai 26. Harbin: Harbin Normal University.
22. Li, H. J., Wang, X. M., & Song, F. J. (2011). Resistance response of Wheat varieties to powdery mildew and detection of disease resistance gene in China. Acta Agronomica Sinica, (06), 13‒24.
23. Zhang, F. Y., & Zeng, Y. J. (2019). Advances in plant resistance research. Forestry Sci-Tech Intelligence, 51(01), 6‒8.
24. Yang, Y., & Gao, Z. Y. (2016). Research Progress on plant disease resistance mechanism. Science and Education Guide, (09), 148‒149.
25. Fan, W. Y., & Jiang, S. J., (2005). Research progress of plant Disease resistance and disease resistance signal transduction. Chinese Agricultural Science Bulletin, 021(002), 249‒252.
26. Ding Lina & Yang Guoxing (2016). Research progress in plant disease resistance mechanism and signal transduction. Bulletin of Biotechnology, 032(010), 109‒117.
27. Grant, M., & Lamb, C. (2006). Systemic immunity. Current Opinion in Plant Biology, 9(4), 414‒420.
28. Dong, N. (1998). SA, JA, ethylene, and disease resistance in plants. Current Opinion in Plant Biology, 1(4), 316.
29. Penninckx, I., Eggermont, K., & Terras, F.R.G. (1996). Pathogen-induced systemic activation of a plant defensin gene in Arabidopsis follows a salicylic acid-independent pathway. Plant Cell, (8), 2309‒2323.
30. Zhang Jianxia, Wang Yuejin, & Xu Weirong (2008). RAPD marker and sequence analysis of grape powdery mildew gene. Journal of Northwest A&F University: Natural Science, 036(002), 111‒118.
31. Luo Sulan, & Zheng Xueqin (2000). Sequence Analysis of RAPD marker of grapevine downy mildew gene. Journal of Hainan University (Natural Science edition), 17(2), 18‒19.
32. Schulze Lefert, P., & Vogel, J. (2000). Closing the ranks to attack by powdery mildew. Plant Science, 5(8), 1‒348.
33. Eckardt, N. (2002). Plant disease susceptibility genes. The Plant Cell, 1, 1983‒1986.
34. Liu Chao, Han Lihong, & Chu Honglong (2018). Research progress and prospect of plant disease resistance. Plant Protection, 044(004), 1‒8.
35. Shang Ming Qing, & Liu Aixin (1998). Molecular mechanism and Utilization of plant resistance to Disease. Shandong Science, 011(002), 37‒42.
36. Guo, L., Li, M., & Wang, W. (2012). Over-expression in the nucleotide-binding site-leucine rich repeat gene DEPG1 increases susceptibility to bacterial leaf streak disease in transgenic rice plants. Molecular Biology Reports, 39(4), 3491‒3504.
37. Robaglia, C., & Caranta, C. (2006). Translation initiation factors: a weak link in plant RNA virus infection. Trends in plant science, 11(1), 32‒45.
38. Vogel, J.P., Raab, T.K., & Schiff, C. (2002). PMR6, a pectatelyase-like gene required for powdery mildew susceptibility in Arabidopsis. The Plant Cell, 14(9), 2095‒2106.
39. Jiang, C., & Shimono, M. (2009). Suppression of the rice fatty-acid desaturase gene OsSSI2 enhances resistance to blast and leaf blight diseases in rice. Molecular Plant-Microbe Interactions, 22(7), 820‒829.
40. Li, W., & Zhu, Z. (2017). A Natural Allele of A transcription factor in Rice Confers Broad-spectrum Blast Resistance. Cell, 170(1), 114‒126.
41. Li, H. H., & Zhao, Z. Q. (2015). Cloning and expression analysis of Cotton GhWRKY106-1. Molecular Plant Breeding, (11), 2461‒2468.
42. Eichmann, R., & Bischof, M. (2010). BAX INHIBITOR-1 is required for full susceptibility of barley to powdery mildew. Molecular Plant-Microbe Interactions, 23, 1217‒1227.
43. Lei Xiu-yu. (2013). Practical evaluation of powdery mildew resistance gene molecular markers in wheat. Qinhuangdao: Hebei Normal University of Science and Technology.
44. Chantret, N., Pavoine, M. T., & Doussinault, G. (1999). The race-specific resistance gene to powdery mildew, MlRE, has a residual effect on adult plant resistance of winter wheat line RE714. Phytopathology, 89(7), 533‒539.
45. Song, W., Sun, H. J., & Sun, Y. L. (2014). Chromosomal location of powdery mildew resistance gene in wheat variety Wennong 14. Acta Agronomica Sinica, 40(5), 798‒804.
46. Zou, J. W., Qiu, D., & Sun, Y. L. (2017). Effectiveness of the powdery mildew resistance gene Pm52 wheat variety Liangxing 99. Acta Agronomica Sinica, 43(3), 332‒342.
47. Liu, L. S. (2016). Identification of wheat powdery mildew resistance and molecular detection of resistance genes. Zhengzhou: Henan Agricultural University.
48. Wang, Z. H. (2017). Genetic diversity and expression of CRT gene in Wheat Powdery milt strains in China. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences.
49. Sun, Y. L. (2015). Response of wheat varieties to powdery mildew and detection of disease resistance gene. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences.
50. Chi Wenjuan, Cao Yuanyin, & Zhu Guiqing (2007). Analysis of powdery mildew species dynamics and strain re-sistance in endemic areas in northern wheat areas from 2004 to 2005. Plant Protection Journal, 34(6), 567‒572.
51. Zhang, S. Z., Chen, P. D., & Wang, X. E. (2004). New wheat variety Nong 9918 with high resistance to powdery mildew. China Seed Industry, (05), 47.
52. Jingwei, Zou, Dan Qiu, & Yanling Sun (2016). Pm52 the effectiveness of the gene conferring resistance to powdery mildew in wheat cultivar Liangxing 99. Acta Agronomica Sinica, 43(3), 332‒342.
53. Li Jiao. (2019). Research and Application progress of virus-induced gene silencing technology in plants. Molecular Plant Breeding, 17(5).
54. Jauhar, P.P., & Chibbar, R.N.(1999). Chromosome-mediated and direst gene transfers in wheat. Genome. 42, 570‒583.
55. Huerta-Espino, J., & Chen, X.M. (2015). Aegilops speltoides into soft red winter wheat. Theor. Appl. Genet., 128, 303‒312.
56. Lillemo, M., Asalf, B., & Singh, R.P. (2008). The adult plant rust resistance loci Lr34/Yr18 and Lr46/Yr29 are important determinants of partial resistance to powdery mildew in bread wheat line Saar. Theor. Appl. Genet. 116, 1155‒1166.
57. Lan, C., Rosewarne, G.M., & Singh, R.P. (2014). QTL characterization of resistance to leaf rust and stripe rust in the spring wheat line Francolin. Mol. Breeding. 34, 789‒803.
58. Dyck, P. L. & Samborski, D. J. (1979). Adult plant resistance in PI250413, an introduction Of Common Wheat. Can. J. Plant Sci., 59, 329‒332.
59. Dyck, P. L., Kerber, E. R. & Aung, T. (1994). An inter chromosomal reciprocal translocation Genome In wheat involving leaf rust Resistance gene Lr34., 37, 556‒559.
60. Singh, R. P. (1992) Genetic association of leaf rust resistance gene Lr34 with adult-plant resistance to stripe rust in bread wheat. Phytopathology, 82, 835‒838.
61. Lagudah, E.S., Krattinger, S.G., & Herrera-Foessel, S. (2009). Gene-specific markers for the wheat gene Lr34/Yr18/Pm38 which confers resistance to multiple fungal pathogens. Theoretical and Applied Genet-ics. 119, 889–898.
62. Hiebert, C.W., & Thomas, J.B. (2010). An introgression on wheat chromosome 4Dl in rl6077 (Thatcher*6/PI 250413) confers adult plant resistance to stripe. Theor Appl Genet, 121.
63. Herrera-Foessel, S.A., & Lagudah, E.S. (2011). New slow-rusting leaf rust and stripe rust resistance genes Lr67 and Yr46 in wheat are pleio-Tropic or closely linked. Theor Appl Genet, 122, 239‒249.
64. Herrera-Foessel, S., Singh, R.P., & Lillemo, M. (2014). Lr67/Yr46 confers adult plant resistance to stem rust and powdery mildew in wheat. Theoretical and Applied Genetics, 127, 781–789.
65. Zhang, X. M. (2017). Blufensin1 negatively regulates wheat stripe rust. Proceedings of the 2017 Annual Conference of the Chinese Society of Plant Pathology. Northwest AF University.
66. Wang Zhiwei, Wang Zhilong, Qiao Xiangmei (2020). KASP marker detection of functional genes of rust and scab resistance in Yunnan wheat varieties (line). Journal of Publications (1), 187‒193.
67. Milne, R. J., Dibley, K. E., Schnippenkoetter, W., Mascher, M., Lui, A. C. W., & Wang, L. (2019). The wheat Lr67 gene from the sugar transport protein 13 family confers multipathogen resistance in barley. Plant Physiology,179, 1285‒1297.
68. Proels, R.K. & Huckelhoven, R. (2014). Cell-wall Invertases, key enzymes in the modulation of plant metabolism during defence responses. Mol. Plant Pathol., 15, 858‒864.
69. Chen, L. Q., Hou, B. H., Lalonde, S., Takanaga, H., Hartung, M. L., Qu, X.Q., Guo, W.J., Kim, J.G., Underwood, W., Chaudhuri, B., Chermak, D., Antony, G., White, F. F., Somerville, S. C., Mudgett, M. B., & Frommer, W. B. (2010). Sugar transporters for intercellular exchange and nutrition of Pathogens. Nature, 468, 527‒532.
70. Akoh, C. C., Lee, G. C., Liaw, Y. C., Huang, T. H., & Shaw, J. F. (2004). GDSL family of serine esterases/lipases. Progress in Lipid Research, 43(6), 534‒552.
71. Chepyshko, H., Lai, C. P. et al. (2013). Multifunctionality and diversity of GDSL esterase/lipase gene family in rice (Oryza sativa L. japonica) genome: New insights from bioinformatics analysis. BMC Genomics, 13(1), 309‒327.
72. Ling, H., Zhao, J. Y., & Zuo, K. J. (2006). Isolation and expression analysis of a GDSL-like lipase gene from Brassica. Insect Knowledge, 46(4), 525‒532.
73. Lee, D., Kim, B., & Kwon, S. (2009). Arabidopsis GDSL lipase 2 plays a role in pathogen defense genaling. Biochemical and Biophysical Research Communications, 379(4), 1038‒1042.
74. Oh, I., Park, A., & Bae, M. (2005). Secretome Analysis reveals an Arabidopsis Lipase involved in Defense against Alter Naria Brassicola. The Plant Cell, 17(10), 2832‒2847.
75. Kwon, S., Jin, H., & Lee, S. (2009). GDSL lipase-like 1 regulates systemic resistance associated with ethylene signaling in Arabidopsis. The Plant Journal, 58(2), 235‒245.
76. Hong, J., Choi, H., & Hwang, I. (2008). Function of a novel GDSL-type pepper lipase gene, CaGLIP1, in disease susceptibility and abiotic stress tolerance. Planta, 227(3), 539‒558.
78. Wang Ya-ru, & Yao Yun-cong (2015). Application of TRV-GFP Carrier on Straw chrysanthemum. Journal of Beijing Agricultural University, 30(4), 39‒43.
79. Yao, D. Q., Zhang, W. W., & Yuan, L. H. (2009). VIGS: Revolution in plant functional genomics research. Molecular Plant Breeding, 1, 163‒169.
80. Zhang, X. L., Zhang, Z. W., & Na-Ren (2014). Research on VIGS silence system in potato. Journal of North China Agronomy, 29(1), 36‒40.
81. Kumagai, M., Donson, J., & Della, G. (1995). Cytoplasmic inhibition of carotenoid biosynthesis with virus-derived RNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 92(5), 1679‒1683.
82. Baulcombe, D. C. (1999). Fast forward genetics based on virus-induced gene silencing. Current Opinion in Plant Biology, 2(2), 109‒113.
83. Ratcliff, F., Martin-Hernandez, A.M., & Baulcombe, D.C. (2001). Technical advance: tobacco rattle virus as a vector for analysis of gene function by silencing. The Plant Journal, 25(2), 237‒245.
84. Bäumlein, H. W., Boerjan, W., Nagy, I., Bassfüner, R., Vanontagu, M., Inzé, D., & Wobus, U. (1991). A novel seed protein gene from Vicia fabais developmentally regulated in transgenic tobacco and Arabidopsis the plants. Journal of Molecu-lar and General Genetics, 225(3), 459‒467.
85. Turnage, M. A., Muangsan, N., & Peele, C. G. (2002). Gemini virus-based vectors for gene silencing in Arabidopsis. The Plant Journal, 30(1), 107‒114.
86. Holzberg, S., Brosio, P., & Gros,s C. (2002). Barlestripe Mosaic virus‐induced gene silencing in a Monocot plant. The Plant Journal, 30(3), 315‒327.
87. Lacomme, C., Hrubikova, K., & Hein, I. (2003). Enhancement of virus-induced gene silencing through viral-based production of inverted-repeats. The Plant Journal, 34(4), 543‒553.
88. He Zhengbo, Chen Bin, Feng Guozhong, & Li Jiao (2019). Research and Application progress of virus-induced gene silencing technology in plants. Molecular. Plant Breeding, 17(5).
89. Fire, A., Xu, S., & Mary, K. (1998). Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature, 391(6669), 806‒811.
90. Sunkar, R., Li, Y.F., & Jagadeeswaran, G. (2012). Functions of microRNAs in plant stress responses. Trends Plant Sci. 17, 196‒203.
91. Mao, Y., Cai, W., & Wang, J. (2007). Sila cotton Bollworm P450 Monooxy genase gene by plant-mediated RNAi Impairs Larval tolerance of Gossypol. Nature Biotechnology, 25(11), 1307‒1313.
92. Wang Weiwei, Liu Ni, & Lu Qin (2017). Recent research progress of RNAi technology. Bulletin of Biotechnology, 33(11), 35‒40.
93. Zhong, X. F., Yang, X. D., Zhang, J. H. (2016). Study on resistance of RNAi transgenic soybeans with HG-RPS-23 gene to soybean cyst nematode. Northeast Agricultural Science, 41(3), 25‒30.
94. Mao, J., & Zeng, F. (2014). Plant-mediated RNAi of a gap gene-enhanced tobacco tolerance against the Myzus persicae. Transgenic Research, 23(1), 145‒152.
95. Yang, X., Niu, L., & Zhang, W. (2018). RNAi-mediated SMV P3 cistron silencing confers significantly enhanced resistance to multiple Potyvirus strains and isolates in transgenic soybean. Plant Cell Reports, 37(1), 103‒114.
96. Zhong (2004). RNA silencing: genomic immune system. J Immunology, 2, 83‒90.
97. Oropeza, A., Cervantes, S., & Albert, V. (2020). Agrobacterium tumefaciens mediated transformation of the aquatic carnivorous plant Utricularia gibba. Plant Methods, 2020, 16.
98. Li Junxiang, & GU Qisheng. (2020). Progress in the study of fungal genetic transformation mediated by agrobacterium tumefaciens. Jiangsu Agricultural Sciences, 48(3), 43‒49.
99. Yang Jing (2019). Research Progress of agrobacteria-mediated monocotyledonous plant Genetic Transformation. Seed Technology, 37(18), 10‒12.
100. John, W., Moore, Sybil, Herrera-Foessel. (2015). A recently evolved hexose transporter variant confers Resistance to multiple pathogens in wheat. Nature Genetics. doi: 10.1038 / ng.3439
101. Liesche, J. (2011). Sucrose transporter regulation at the transcriptional, post-transcriptional. Plant Physiol., 168, 1426‒1433.