RUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesRUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство2312-797X2312-7988Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba1970010.22363/2312-797X-2021-16-4-326-336Plant protectionЗащита растенийResearch ArticleScreening of blast resistance genes in rice breeding samplesСкрининг генов устойчивости к пирикуляриозу у селекционных образцов рисаhttps://orcid.org/0000-0002-2046-4000VozhzhovaNataliya N.ВожжоваНаталия Николаевна

Candidate of Agricultural Sciences, senior researcher, Laboratory of marker selection

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории маркерной селекции

nvozhzh@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1477-3285ZhogalevaOlga S.ЖогалеваОльга Сергеевна

junior researcher, Laboratory of Marker Selection

младший научный сотрудник лаборатории маркерной селекции

os.zogaleva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1726-4390KupreyshviliNatia T.КупрейшвилиНатия Темуриевна

research technician, Laboratory of Marker Selection

техник-исследователь лаборатории маркерной селекции

kupreyshvilin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1432-7616DubinaAngelina Y.ДубинаАнгелина Юрьевна

research technician, Laboratory of Marker Selection

техник-исследователь лаборатории маркерной селекции

angel.myshastaja@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4371-6848KostylevPavel I.КостылевПавел Иванович

Doctor of Agricultural Sciences, Head

доктор сельскохозяйственных наук, руководитель центра фундаментальных научных исследований

p-kostylev@mail.ruAgrarian Science Center ‘Donskoy’Аграрный научный центр «Донской»30122021164VOL 16, NO4 (2021)ТОМ 16, №4 (2021)32633630122021Copyright ©; 2021, Vozhzhova N.N., Zhogaleva O.S., Kupreyshvili N.T., Dubina A.Y., Kostylev P.I.Copyright ©; 2021, Вожжова Н.Н., Жогалева О.С., Купрейшвили Н.Т., Дубина А.Ю., Костылев П.И.2021Vozhzhova N.N., Zhogaleva O.S., Kupreyshvili N.T., Dubina A.Y., Kostylev P.I.Вожжова Н.Н., Жогалева О.С., Купрейшвили Н.Т., Дубина А.Ю., Костылев П.И.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://agrojournal.rudn.ru/agronomy/article/view/19700

Rice is one of the most widespread and cultivated crops in the world. It is necessary to increase the yield of crops or expand their sown areas to resolve a food security problem in Russia. Current impossibility of expanding rice cultivated areas in the Rostov region and the need to maintain and increase its yield require developing new disease-resistant varieties. Rice genotypes with multiple blast resistance genes avoid significant yield losses. Since pyramiding and selection of resistance genes in the same genotype through traditional selection methods are complicated, it is urgent to search for homozygous samples using marker-assisted selection methods. This study was aimed to identify Pi-1, Pi-2, Pi-33 and Pi-ta blast resistance genes in breeding rice samples by MAS-methods. The study used CTAB-method for DNA-isolation, PCR, electrophoresis on agarose and polyacrylamide gels. The resulting gels were stained in a solution of ethidium bromide and photographed in ultraviolet light. To control the presence of blast resistance genes the following parental cultivars were used: C104LAC for the Pi-1 and Pi-33 genes, C101-A-51 for the Pi-2 gene, IR36 for the Pi-ta gene; Novator and Boyarin as controls of non-functional alleles of all studied genes. The 446 selection samples of the seventh generation were analyzed. As a result of the research, 127 rice samples that combine 2 or 3 different blast resistance genes were identified. The Pi-2 and Pi-33 genes combination was identified in 43 samples (1128/1, 1149/3, 1171/2, 1177/3, 1177/4, 1186/4, et al.). Samples with three resistance genes are the most interesting for selection and further breeding. For developing new blast-resistant varieties, we recommend using rice samples with the following combinations of resistance genes Pi-1+Pi-2+Pi-33 (1197/1, 1226/2, 1271/1, 1272/2), Pi-1+Pi-2+Pi-ta (1197/4, 1304/2, 1304/3, 1482/3, 1482/4, 1486/1) and Pi-2+Pi-33+Pi-ta (1064/1, 1064/3, 1281/2, 1281/3, 1281/4, 1282/2, 1283/1, 1283/2, 1284/3).

Рис - одна из наиболее распространенных сельскохозяйственных культур в мире. Для решения проблемы продовольственной безопасности России необходимо увеличивать урожайность сельскохозяйственных культур или расширять их посевные площади. В связи с невозможностью в настоящее время расширения посевных площадей риса в Ростовской области и необходимостью поддержания и увеличения его урожайности, необходимо создавать новые, устойчивые к болезням сорта. Генотипы риса, имеющие несколько генов устойчивости к пирикуляриозу, избегают значительных потерь урожая. Так как пирамидирование и отбор генов устойчивости в одном генотипе традиционными методами селекции осложнен, актуальным является поиск гомозиготных образцов методами маркер-вспомогательной селекции. Цель исследования - идентификация генов устойчивости к пирикуляриозу Pi-1, Pi-2, Pi-33 и Pi-ta у селекционных образцов риса методами MAS. В исследовании использовались CTAB-метод выделения ДНК, ПЦР, электрофорез на агарозных и полиакриламидных гелях. Полученные гели окрашивались в растворе этидиум бромида и фотографировались в ультрафиолете. В качестве контроля наличия генов устойчивости к пирикуляриозу использовали следующие родительские сорта: C104-LAC - для генов Pi-1 и Pi-33, C101-A-51 - для гена Pi-2, IR36 - для гена Pi-ta; Новатор и Боярин как контроли не функциональных аллелей всех изучаемых генов. Анализировалось 446 селекционных образцов седьмого поколения F7. Выявлено 127 образцов риса, сочетающих 2 или 3 различных гена устойчивости к пирикуляриозу. У 43 образцов (1128/1, 1149/3, 1171/2, 1177/3, 1177/4, 1186/4 и др.) идентифицировано соче- тание генов Pi-2 и Pi-33. Наиболее интересны для отбора и дальнейшей селекционной работы образцы с 3 генами устойчивости. Рекомендуем использовать образцы риса с сочетаниями генов устойчивости Pi-1+Pi-2+Pi-33 (1197/1, 1226/2, 1271/1, 1272/2), Pi-1+Pi-2+Pi-ta (1197/4, 1304/2, 1304/3, 1482/3, 1482/4, 1486/1) и Pi-2+Pi-33+Pi-ta (1064/1, 1064/3, 1281/2, 1281/3, 1281/4, 1282/2, 1283/1, 1283/2, 1284/3) для создания новых устойчивых к пирикуляриозу сортов.

rice blastPi-1Pi-2Pi-33Pi-taresistance genesriceпирикуляриоз рисаPi-1Pi-2Pi-33Pi-taгены устойчивостирисРабота выполнена в рамках Государственного задания ФГБНУ «АНЦ «Донской» № 0706-2019-0003.The research was carried out within the framework of the State Assignment of Agrarian Science Center ‘Donskoy’ No. 0706-2019-0003.Wang F, Wang F, Hu J, Xie L, Yao X. Rice yield estimation based on an NPP model with a changing harvest index. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2020; 13:2953—2959. doi: 10.1109/JSTARS.2020.2993905Wang F., Wang F., Hu J., Xie L., Yao X. Rice yield estimation based on an NPP model with a changing harvest index // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2020. Vol. 13. Pp. 2953-2959. doi: 10.1109/JSTARS.2020.2993905Asibi AE, Chai Q, Coulter JA. Rice Blast: a disease with implications for global food security. Agronomy. 2019; 9(8):451. doi: 10.3390/agronomy9080451Asibi A.E., Chai Q., Coulter J.A. Rice Blast: a disease with implications for global food security // Agronomy. 2019. Vol. 9. № 8. Р. 451. doi: 10.3390/agronomy9080451Yulensri Y. Efektifitas Formulasi Cair Konsorsium Bakteri sebagai Pengendali Hama dan Penyakit pada Padi Sawah Organik. Jurnal Ilmiah Inovasi. 2020; 20(3):35—40. doi: 10.25047/jii.v20i3.2366Yulensri Y., Noveri, Arneti. Efektifitas formulasi cair konsorsium bakteri sebagai pengendali hama dan penyakit pada padi sawah organik // Jurnal Ilmiah Inovasi. 2020. Vol. 20. № 3. Pp. 35-40. doi: 10.25047/jii. v20i3.2366El-Abbasi IH, Khalil AA, Awad HM, Shoala T. Nano-diagnostic technique for detection of rice pathogenic fungus Pyricularia oryzae. Indian Phytopathology. 2020; 73:673—682. doi: 10.1007/s42360-020-00254-7El-Abbasi I.H., Khalil A.A., Awad H.M., Shoala T. Nano-diagnostic technique for detection of rice pathogenic fungus Pyricularia oryzae // Indian Phytopathology. 2020. Vol. 73. Pp. 673-682. doi: 10.1007/ s42360-020-00254-7Hannum S, Hasibuan U, Sinaga R, Wahyuningsih H. Identification of blast resistance genes in fifteen rice accessions (Oryza sativa L.) from North-Sumatera. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Volume 305. IOP Publishing; 2019. p.012076. doi: 10.1088/1755-1315/305/1/012076Hannum S., Hasibuan U., Sinaga R., Wahyuningsih H. Identification of blast resistance genes in fifteen rice accessions (Oryza sativa L.) from North-Sumatera // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 305. Р. 012076. doi: 10.1088/1755-1315/305/1/012076Nickolas H, Jayalekshmy VG, Yamini Varma CK, Vighneswaran V. Molecular and field level screening for blast resistance gene donors among traditional rice varieties of Kerala. Journal of Tropical Agriculture. 2018; 56(2):93—98.Nickolas H., Jayalekshmy V.G., Yamini Varma C.K., Vighneswaran V. Molecular and fi level screening for blast resistance gene donors among traditional rice varieties of Kerala // Journal of Tropical Agriculture. 2018. Vol. 56. № 2. Pp. 93-98. URL: http://jtropag.kau.in/index.php/ojs2/article/view/652/463Pandian BA, Joel J, Nachimuthu VV, Swaminathan M, Govintharaj P, Tannidi S, Sabariappan R. Markeraided selection and validation of various Pi gene combinations for rice blast resistance in elite rice variety ADT43. Journal of Genetics. 2018; 97(4):945—952. doi: 10/1007/s12041-018-0988-7Pandian B.A., Joel J., Nachimuthu V.V., Swaminathan M., Govintharaj P., Tannidi S., Sabariappan R. Marker-aided selection and validation of various Pi gene combinations for rice blast resistance in elite rice variety ADT43 // Journal of Genetics. 2018. Vol. 97. Pp. 945-952. doi: 10/1007/s12041-018-0988-7Guan H, Hou X, Jiang Y, Srivastava V, Mao D, Pan R, et al. Feature of blast resistant near-isogenic lines using an elite maintainer line II-32B by marker-assisted selection. Journal of Plant Pathology. 2019; 101(3):491—501. doi: 10.1007/s42161-018-00222-1Guan H., Hou X., Jiang Y., Srivastava V., Mao D., Pan R., Chen M., Zhou Y., Wang Z., Chen Z. Feature of blast resistant near-isogenic lines using an elite maintainer line II-32B by marker-assisted selection // Journal of Plant Pathology. 2019. Vol. 101. Pp. 491-501. doi: 10.1007/s42161-018-00222-1Correa-Victoria FJ, Tharreau D, Martinez C, Vales M, Escobar F, Prado G, et al. Gene combination for durable blast resistance in Colombia. Fitopatol. Colomb. 2002; 26: 47—54. Available from: http://ciat-library. ciat.cgiar.org/Articulos_Ciat/poster_riceblast.pdfCorrea-Victoria F.J., Tharreau D., Martinez C., Vales M., Escobar F., Prado G., Aricapa G. Gene combination for durable blast resistance in Colombia // Fitopatol. Colomb. 2002. Vol. 26. Pp. 47-54. URL: http://ciat-library.ciat.cgiar.org/Articulos_Ciat/poster_riceblast.pdfNoenplab A, Vanavichit A, Toojinda T, Sirithunya P, Tragoonrung S, Sriprakhon S, et al. QTL mapping for leaf and neck blast resistance in Khao Dawk Mali105 and Jao Horn Nin recombinant inbred lines. ScienceAsia. 2006; 32(2):133—142. doi: 10.2306/scienceasia1513-1874.2006.32.133Noenplab A., Vanavichit A., Toojinda T., Sirithunya P., Tragoonrung S., Sriprakhon S., Vongsaprom C. QTL mapping for leaf and neck blast resistance in Khao Dawk Mali105 and Jao Horn Nin recombinant inbred lines // ScienceAsia. 2006. Vol. 32(2). Pp. 133-142. doi: 10.2306/scienceasia1513-1874.2006.32.133Jamaloddin M, Durga Rani CV, Swathi G, Anuradha C, Vanisri S, Rajan CPD, et al. Marker Assisted Gene Pyramiding (MAGP) for bacterial blight and blast resistance into mega rice variety «Tellahamsa». PLoS ONE. 2020; 15(6): e0234088. doi: 10.1371/journal.pone.0234088Jamaloddin M., Durga Rani C.V., Swathi G., Anuradha C., Vanisri S., Rajan C.P.D., Krishnam Raju S., Bhuvaneshwari V., Jagadeeswar R., Laha G.S., Prasad M.S., Satyanarayana P.V., Cheralu C., Rajani G., Ramprasad E., Sravanthi P., Arun Prem Kumar N., Aruna Kumari K., Yamini K.N., Mahesh D., Sanjeev Rao D., Sundaram R.M., Sheshu Madhav M. Marker Assisted Gene Pyramiding (MAGP) for bacterial blight and blast resistance into mega rice variety «Tellahamsa» // PLoS ONE. 2020. Vol. 15(6): e0234088. doi: 10.1371/journal. pone.0234088Murray MG, Thompson WF. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Res. 1980; 8(19):4321—4325. doi: 10.1093/nar/8.19.4321Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA // Nucleic Acids Res. 1980. Vol. 8. Pp. 4321-4325. doi: 10.1093/nar/8.19.4321Ware D, Jaiswal P, Ni J, Pan X, Chang K, Clark K, et al. Gramene: A resource for comparative grass genomics. Nucleic Acids Res. 2002; 30(1):103—105. doi: 10.1093/nar/30.1.103Ware D., Jaiswal P., Ni J., Pan X., Chang K., Clark K., Teytelman L., Schmidt S., Zhao W., Cartinhour S., McCouch S., Stein L. Gramene: A resource for comparative grass genomics // Nucleic Acids Res. 2002. Vol. 30. P. 103-105. doi: 10.1093/nar/30.1.103Sharma RC, Shrestha SM, Pandey MP. Inheritance of blast resistance and associated microsatellite markers in rice cultivar «Laxmi». Journal of Phytopatology. 2007; 155(11–12):749–753. doi: 10.1111/j.14390434.2007.01298.x.Sharma R.C., Shrestha S.M., Pandey M.P. Inheritance of blast resistance and associated microsatellite markers in rice cultivar «Laxmi» // Journal of Phytopatology. 2007. Vol. 155. № 11-12. P. 749-753. doi: 10.1111/j.1439-0434.2007.01298.xMukhina ZМ, Myagkikh YА, Bogomaz D, Matveeva TV, Tokmakov SV. Creation of a codominant molecular PCR marker for identification of the gene of race-specific resistance to rice blast infection Pi-ta. Rice growing. 2008; (7):3—4.Мухина Ж.М., Мягких Ю.А., Богомаз Д., Матвеева Т.В, Токмаков С.В. Создание кодоминантного молекулярного ПЦР-маркера для идентификации гена расоспецифической устойчивости к пирикуляриозу риса Pi-ta // Рисоводство. 2008. № 7. С. 3-4.