Сравнительный анализ рекомбинационных событий у линий мягкой пшеницы, полученных с участием гексаплоидных видов Triticum с различным составом генома

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Виды рода Triticum и созданные с их участием синтетические пшеницы являются источником новых генов для улучшения культивируемых сортов T. aestivum. В настоящей работе был изучен характер замещений и транслокаций у гибридных линий, полученных от скрещивания сортов мягкой пшеницы с Triticum spelta и T. kiharae. Было показано, что в хромосомах В-генома (особенно в хромосомах 4В и 7В) фрагменты спельты, как правило, имели большую протяженность, чем фрагменты синтетической пшеницы T. kiharae. У линий, созданных с участием синтетической пшеницы, рекомбинационные события чаще происходили между А- и At-геномами в сравнении с В- и G-геномами T. aestivum и T. kiharae соответственно, что указывает на более тесное родство между гомеологичными хромосомами А/At. Полученные нами данные свидетельствуют, что протяженность интрогрессий в D-геноме у всех изученных линий, как правило, меньше, чем в геномах А и В. Для линий, созданных с участием спельты, отмечен высокий мейотический индекс (95.83–97.27%), что связано с близким родством T. spelta и T. aestivum. Линии на основе синтетической пшеницы имели меньше нормальных тетрад (77.0–93.0%), что обусловлено не только сниженной гомологией хромосом между геномами исходных форм, но и пониженной цитологической стабильностью T. kiharae по сравнению с остальными родительскими генотипами. Существенного нарушения процесса формирования гамет у интрогрессивных линий не обнаружено, и мейотический индекс для подавляющего числа генотипов находился на высоком уровне (более 90%). Изученные линии представляют интерес для отбора перспективного материала, характеризующегося хозяйственно ценными признаками.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. А. Орловская

Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси

Автор, ответственный за переписку.
Email: O.Orlovskaya@igc.by
Белоруссия, Минск

С. И. Вакула

Белорусский государственный технологический университет

Email: O.Orlovskaya@igc.by
Белоруссия, Минск

И. Н. Леонова

Федеральный исследовательский центр, Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: O.Orlovskaya@igc.by
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Petersen G., Seberg O., Yde M., Berthelsen K. Phylogenetic relationships of Triticum and Aegilops and evi-dence for the origin of the A, B, and D genomes of common wheat (Triticum aestivum) // Mol. Phylogenet. Evol. 2006. V. 39. P. 70–82. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.01.023
  2. Zhang H., Mittal N., Leamy L.J. et al. Back into the wild − apply untapped genetic diversity of wild relatives for crop improvement // Evol. Appl. 2016. V. 10. P. 5–24. https://doi.org/10.1111/eva.12434
  3. Arzani A., Ashraf M. Cultivated ancient wheats (Triticum spp.): А potential source of health – beneficial food products // Comprehensive Rev. in Food Sci. and Food Safety. 2017. V. 16. № 3. P. 477–488. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12262
  4. Uauy C., Distelfeld A., Fahima T. et al. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zinc, and iron content in wheat // Science. 2006. V. 314. № 5803. P. 1298–1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649
  5. Marais G.F., Pretorius Z.A., Wellings C.R. et al. Leaf rust and stripe rust resistance genes transferred to common wheat from Triticum dicoccoides // Euphytica. 2005. V. 143. P. 115–123. https://doi.org/10.1007/s10681-005-2911-6
  6. Maestra B., Naranjo T. Structural chromosome differentiation between Triticum timopheevii, T. turgidum and T. aestivum // Theor. Appl. Genet. 1999. V. 98. P. 744–750. https://doi.org/10.1007/s001220051130
  7. Friebe B., Qi L., Nasuda S. et al. Development of a complete set of Triticum aestivum – Aegilops speltoides chromosome addition lines // Theor. Appl. Genet. 2000. V. 101. P. 51–58. https://doi.org/10.1007/s001220051448
  8. Леонова И.Н., Будашкина Е.Б. Изучение признаков продуктивности у интрогрессивных линий Triticum aestivum / Triticum timopheevii, устойчивых к грибным болезням // Вавил. журн. генетики и селекции. 2016. Т. 20. № 3. С. 311–319. https://doi.org/10.18699/VJ16.120
  9. Abdel-Aal E.S.M., Hucl P. Amino acid composition and in vitro protein digestibility of selected ancient wheats and their end products // J. Food Compos. Anal. 2002. V. 15. P. 737–747. https://doi.org/10.1006/jfca.2002.1094
  10. Zielinski H., Ceglińska A., Michalska A. Bioactive compounds in spelt bread // Euroр. Food Res. Technol. 2008. V. 226. P. 537–544. https://doi.org/10.1007/s00217-007-0568-1
  11. Wiwart M., Suchowilska E., Lajszner W., Graban Ł. Identification of hybrids of spelt and wheat and their parental forms using shape and color descriptors // Comp. Electron. Agric. 2012. V. 83. P. 68–76. https://doi.org/10.1016/j.compag.2012.01.015
  12. Diordiieva I., Riabovol L., Riabovol I. et al. The characteristic of wheat collection created by Triticum aestivum L. / Triticum spelta L. hybridization // Agronomy Res. 2018. V. 16. P. 2005–2015. https://doi.org/10.15159/AR.18.181
  13. Jafarzadeh J., Bonnett D., Jannink J.L. et al. Breeding value of primary synthetic wheat genotypes for grain yield // PLoS One. 2016. V. 11. № 9. P. 62–86. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0162860
  14. Ogbonnaya F.C., Abdalla O., Mujeeb-Kazi A. et al. Synthetic hexaploids: Harnessing species of the primary gene pool for wheat improvement // Plant Breed. Rev. 2013. V. 37. P. 35–122. https://doi.org/10.1002/9781118497869.ch2
  15. Yang W., Liu D., Li J. et al. Synthetic hexaploid wheat and its utilization for wheat genetic improvement in China // J. Genet. Genomics. 2009. V. 36. № 9. P. 539 –546. https://doi.org/10.1016/S1673-8527(08)60145-9
  16. Li A., Liu D., Yang W. et al. Synthetic hexaploid wheat: Yesterday, today, and tomorrow // Engineering. 2018. V. 4. P. 552–558. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.001
  17. Liang D., Zhang M., Liu X. et al. Development and identification of four new synthetic hexaploid wheat lines with solid stems // Sci. Rep. 2022. V. 12. Р. 4898. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08866-x
  18. Lazar M.D., Worrall W.D., Peterson G.L. et al. Registration of ‘TAM 110’ wheat // Crop Science. 2004. V. 44. № 1. P. 355–357. https://doi.org/10.2135/cropsci1997.0011183X003700060055x
  19. Rudd J.C., Devkota R.N., Baker J.A. et al. ‘TAM 112’ wheat, resistant to green bug and wheat curl mite and adapted to the dryland production system in the southern high plains // J. Plant Registrations. 2014. V. 8. № 3. P. 291–297. https://doi.org/10.3198/jpr2014.03.0016crc
  20. Дорофеев В.Ф., Филатенко А.А., Мигушова Э.Ф. и др. Культурная флора СССР. Л., 1979. 347 с.
  21. Brown-Guedira G.L., Singh S., Fritz A.K. Performance and mapping of leaf rust resistance transferred to wheat from Triticum timopheevii subs. parmeniacum // Phytopathology. 2003. V. 93. P. 784–789. https://doi.org/10.1094/PHYTO.2003.93.7.784
  22. Uhrin A., Szakács E., Láng L. et al. Molecular cytogenetic characterization and SSR marker analysis of a leaf rust resistant wheat line carrying a 6G(6B) substitution from Triticum timopheevii (Zhuk.) // Euphytica. 2012. V. 186. P. 45–55. https://doi.org/10.1007/s10681-011-0483-1
  23. Cao W., Fedak G., Armstrong K. et al. Registration of spring wheat germplasm TC 67 resistant to Fusarium head blight // J. Plant Regist. 2009. V. 3. P. 104–106. https://doi.org/10.3198/jpr2008.08.0465crg
  24. Järve K., Peusha H.O., Tsymbalova J. et al. Chromosomal location of a T. timopheevii-derived powdery mildew resistance gene transferred to common wheat // Genome. 2000. V. 43. P. 377–381. https://doi.org/10.1139/g99-141
  25. Peusha H., Enno T., Priilinn O. Chromosomal location of powdery mildew resistance genes and cytogenetic analysis of meiosis in common wheat cultivar Meri // Hereditas. 2000. V. 132. P. 29–34. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.2000.00029.x
  26. Юдина Р.С., Леонова И.Н., Салина Е.А., Хлесткина Е.К. Изменение солеустойчивости мягкой пшеницы в результате интрогрессии генетического материала Aegilops speltoides и Triticum timopheevii // Вавил. журн. генетики и селекции. 2015. Т. 19. № 2. С. 171–175.
  27. Обухова Л.В., Будашкина Е.Б., Ермакова М.Ф. и др. Качество зерна и муки у интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы с генами устойчивости к листовой ржавчине от Triticum timopheevii Zhuk. // С.-хоз. биология. 2008. № 5. С. 38–42.
  28. Naz A.A., Dadshani S., Ballvora A. et al. Genetic analysis and transfer of favorable exotic QTL alleles for grain yield across D genome using two advanced backcross wheat populations // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00711
  29. Rawat N., Schoen A., Singh L. et al. TILL-D: An Aegilops tauschii TILLING resource for wheat improvement // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01665
  30. Suneja Y., Gupta A.K., Bains N.S. Stress adaptive plasticity: Aegilops tauschii and Triticum dicoccoides as potential donors of drought associated morpho-physiological traits in wheat // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.2289/fpls.2019.00211
  31. Бадаева Е.Д., Будашкина Е.Б., Билинская Е.Н., Пухальский В.А. Закономерности межгеномных замещений хромосом у межвидовых гибридов пшеницы и их использование для создания генетической номенклатуры хромосом Triticum timopheevii // Генетика. 2010. Т. 46. № 7. С. 869–886. https://doi.org/10.1134/S102279541007001X
  32. Pestsova E., Ganal M.W., Röder M.S. Isolation and mapping of microsatellite markers specific for the D genome of bread wheat // Genome. 2000. V. 43. № 4. P. 689–697. https://doi.org/10.1139/gen-43-4-689
  33. Wang S., Wong D., Forrest K. et al. Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density90000 single nucleotide polymorphism array // Plant Biotechnol. J. 2014. V. 12. № 6. P. 787–796. https://doi.org/10.1111/pbi.12183
  34. Winfield M.O., Allen A.M., Burridge A.J. et al. High-density SNP genotyping array for hexaploid wheat and its secondary and tertiary gene pool // Plant Biotechnol J. 2016. V. 14. № 5. P. 1195–1206. https://doi.org/10.1111/pbi.12485
  35. Orlovskaya О.A., Leonova I.N., Solovey L.A., Dubovets N.I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines created by crossing of Triticum aestivum with T. dicoccoides and T. dicoccum // Vavilov J. Genet. Breed. 2023. V. 27. № 6. P. 553–564. https://doi.org/10.18699/VJGB-23-67
  36. Skolotneva E.S., Leonova I.N., Bukatich E.Yu., Salina E.A. Methodical approaches to identification of effective wheat genes providing broad-spectrum resistance against fungal diseases // Vavilov J. Genet. Breed. 2017. V. 21. № 7. P. 862–869. https://doi.org/10.18699/VJ17.307
  37. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1988. 280 с.
  38. Orlovskaya О., Dubovets N., Solovey L., Leonova I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae // BMC Plant Biol. 2020. V. 20. Suppl. 1. Р. 201. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02407-2
  39. Luo M.-C., Gu Y.Q., Puiu D. et al. Genome sequence of the progenitor of the wheat D genome Aegilops tauschii // Nature. 2017. V. 551. P. 498–502. https://doi.org/10.1038/nature24486
  40. Riaz A., Hathorn A., Dinglasan E. et al. Into the vault of the Vavilov wheats: Оld diversity for new alleles // Genet. Resour. Crop Evol. 2016. V. 64. № 3. P. 531–544. https://doi.org/10.1007/s10722-016-0380-5
  41. Grewal S., Hubbart-Edwards S., Yang C. et al. Detection of Triticum urartu introgressions in wheat and development of a panel of interspecific introgression lines // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01565
  42. King J., Grewal S., Yang C. et al. Introgression of Aegilops speltoides segments in Triticum aestivum and the effect of the gametocidal genes // Ann. Bot. 2018. V. 121. P. 229–240. https://doi.org/10.1093/aob/mcx149
  43. Бадаева Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическое исследование: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М.: Ин-т мол. биологии, 2000. 48 с.
  44. Ruban A.S., Badaeva E.D. Evolution of the S-Genomes in Triticum-Aegilops аlliance: Evidences from chromosome analysis // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01756
  45. Бадаева Е.Д., Прокофьева З.Д., Билинская Е.Н. и др. Цитогенетический анализ устойчивых к бурой ржавчине и мучнистой росе гибридов, полученных от скрещивания мягкой пшеницы (Triticum aestivum L., AABBDD) c пшеницами группы Timopheevi (AtAtGG) // Генетика. 2000. Т. 36. № 12. С. 1663–1673. https://doi.org/10.1023/A:1009019323942
  46. Гордеева Е.И., Леонова И.Н., Калинина Н.П. и др. Сравнительный цитологический и молекулярный анализ интрогрессивных линий мягкой пшеницы, содержащих генетический материал Triticum timopheevii Zhuk. // Генетика. 2009. Т. 45. № 12. С. 1616–1626. https://doi.org/10.1134/S1022795409120047
  47. Feldman M. Identification of unpaired chromosomes in F1 hybrids involving T. aestivum and T. timopheevii // Can. J. Genet. Cytol. 1966. V. 8. P. 144–151.
  48. Devi U., Grewal S., Yang C. et al. Development and characterisation of interspecific hybrid lines with genome-wide introgressions from in a hexaploid wheat background // BMC Plant Biol. 2019. V. 19. Р. 183. https://doi.org/10.1186/s12870-019-1785-z
  49. Rodríguez S., Perera E., Maestra B. et al. Chromosome structure of Triticum timopheevii relative to T. turgidum // Genome. 2000. V. 43. P. 923–930. https://doi.org/10.1139/g00-062
  50. Jiang J., Gill B.S. Different species-specific chromosome translocations in T. timopheevii and T. turgidum support the diphyletic origin of polyploidy wheats // Chromosom Res. 1994. V. 2. P. 59–64. https://doi.org/10.1007/BF01539455
  51. Nyine M., Adhikari E., Clinesmith M.I. et al. Genomic patterns of introgression in interspecific populations created by crossing wheat with its wild relative // G3: Genes, Genomes, Genetics. 2020. V. 10. P. 3651–3661. https://doi.org/10.1534/g3.120.401479
  52. Дедкова О.С., Бадаева Е.Д., Митрофанова О.П. и др. Анализ внутривидовой дивергенции гексаплоидной пшеницы Triticum spelta L. с помощью метода дифференциального окрашивания хромосом // Генетика. 2004. Т. 40. № 10. С. 1352–1369. https://doi.org/10.1023/B:RUGE. 0000044755. 18085.7e
  53. Rezaei M., Arzani A., Sayed-Tabatabaei B.E. Meiotic behaviour of tetraploid wheats (Triticum turgidum L.) and their synthetic hexaploid wheat derivates influenced by meiotic restitution and heat stress // J. Genet. 2010. V. 89:401. https://doi.org/10.1007/s12041-010-0058-2
  54. Лапочкина И.Ф., Иорданская И.В., Ячевская Г.Л., Адхамаль Лаббан Д. Цитогенетическое изучение коллекции синтетической пшеницы из Национальной коллекции злаков США (National small grain collection of USDA-ARS) в условиях Нечерноземной зоны России // С.-хоз. биология. 2014. № 3. С. 77–82.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Количество (%) полиморфных маркеров, выявляющих локализацию и протяженность фрагментов интрогрессии от T. kiharae и T. spelta у гибридных форм пшеницы в хромосомах геномов А (а), В (б) и D (в).

Скачать (211KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Среднее число различных хромосомных ассоциаций в метафазе I мейоза у интрогрессивных линий мягкой пшеницы F10 и их родительских форм.

Скачать (211KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Мейотический индекс (%) у интрогрессивных линий мягкой пшеницы F10 и их родительских форм.

Скачать (154KB)
Метаданные
5. Дополнительные материалы
Скачать (539KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025