Characterization of yellow rust and stem rust resistant and sensitive durum wheat lines at molecular level by using biophysical methods

Abstract

Kara pas ve Sarı Pas Türkiye'de ve dünyada önemli ölçüde verim kaybına neden olan başlıca buğday mantar hastalıklarıdır. Bu yıkıcı mantar hastalıklarına karşı dayanıklı buğday hatlarının tanımlanması ve bu dayanaklı kaynaklardan yararlanılması için araştırmalar yapılmaktadır. Fakat virulan patotipler buğday üretimi ve verime önemli ölçüde tehdit oluşturmaya devam etmektedir. Bu sebeple, hızlı teşhis için yeni yaklaşımlara ihtiyaç vardır.Bu çalışmanın amacı bitki mantar hastalıkları kara pas ve sarı pasa karşı dayanıklı ve hassas durum buğday kültürlerinin yapısal ve fonksiyonel farklılıklarını incelemek ve anlamaktır. Bu amaçla, daha önceki çalışmalarda kara pas ve sarı pas hastalıklarına dayanıklı ve hassas olduğu belirlenmiş olan kırk saf durum buğday hattı örneğe zarar vermeyen ATR-FTIR spektroskopisi ile incelendi. Aynı zamanda, bu farklılıklara göre dayanıklı ve hassas hatların sınıflandırılmasının yapılması amaçlandı.Kara pas FTIR spektrumları, dayanıklı hatların lipid doymamış asil zinciri populasyonunda, total protein ve total lipid miktarında ve aynı zamanda karboksilik asit ve alkolllerde önemli bir artım olduğunu göstermiştir. Sarı pas hastalığı için, dayanıklı hatlar hidrojen bağlarında önemli bir artıma ve daha düzenli bir membran yapısına sahiptir.Principal Component Analizi kara pas hastalığı için 3700-650 cm-1 bölgesi, amid III bandı (1213-1273 cm-1 region) ve C-H gerilme bölgesine (3020-2800 cm-1) göre dayanıklı ve hassas grupları başarıyla ayırmıştır. Sarı pas hastalığı için, 3700-650 cm-1 bölgesi, Amid A ve Amid III bandlarına gore dayanıklı ve hassas hatlar belirgin bir şekilde gruplanmıştır.FTIR spektroskopisi durum buğdayı saf hatlarının moleküler yapısındaki farklılıkları belirlemek için yararlı bir yaklaşım sağlamaktadır. Ancak, bu yapısal ve fonksiyonel değişikliklerin dayanıklı bireylerin hassas olanlardan ayrılmasında moleküler belirteç olarak kullanılabileceğini doğrulayan daha fazla araştırma gereklidir.Anahtar Kelimeler: ATR-FTIR spektroskopisi, kara pas, sarı pas, pas hastalığına dayanıklılık durum buğdayı, Rekombinant kendilenmiş hatlar, karakterizasyon.

Stem rust and Yellow rust diseases are the two major wheat fungal diseases causing considerable yield losses in Turkey and all around the world. There are studies which are carried out to identify and utilize resistance sources in order to obtain resistant lines of wheat. However, virulent pathotypes are continuously being important threats to wheat production and yield. For that reason, new approaches for rapid identification are needed.The aim of this study was to investigate and to understand the structural and functional differences between the resistant and sensitive durum wheat cultivars to the plant fungal diseases of stem and yellow (stripe) rusts. To aim this, forty durum wheat recombinant inbred lines (RILs), which were previously determined to be resistant or sensitive to stem and yellow rust diseases, were investigated by the non-invasive Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) Spectroscopy. Also, classification of the resistant and sensitive lines depending on the structural and functional differences has been attempted.The FTIR spectra for stem rust disease showed that, resistant durum wheat lines had a significant increase in the population of unsaturation in acyl chains of lipid molecules, an increase in lipid and in total protein content and also an increase in carboxylic acids and alcohols. For yellow rust disease, resistant lines had a significant increase in hydrogen bonding and they had also a more ordered membrane structure.In Principal Component Analysis for stem rust disease, according to 3700-650 cm-1 region, amide III band (1213-1273 cm-1 region) and C-H stretching region (3020-2800 cm-1), the resistant and sensitive groups were separated successfully. For yellow rust disease, according to 3700-650 cm-1 region, Amide A and Amide III bands, the resistant and sensitive lines were grouped distinctly.FTIR spectroscopy provides a useful approach to determine the differences in molecular structure of durum wheat RILs regarding resistance of lines to fungal diseases. However, further research is still needed to ensure if the structural and functional differences in biomolecules of the samples could be used as molecular markers for discrimination of rust resistant materials from rust sensitive ones.Keywords: ATR-FTIR spectroscopy, stem rust, yellow rust, rust disease resistance, Durum wheat, Recombinant inbred lines, characterization.