References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ18.437

vavilov-1796

Research Article

ГЕНОФОНД И СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ

PLANT GENE POOL AND BREEDING

Получение и изучение линий мягкой пшеницы по озимому сорту Безостая 1 с комбинацией доминантных аллелей локусов VRN-1

Development and investigation of common wheat lines of winter cultivar Bezostaya 1 with combinations of dominant alleles of VRN-1 loci

https://orcid.org/0000-0002-2746-2307

Чуманова

Е. В.

Chumanova

E. V.

https://orcid.org/0000-0002-2865-5418

Ефремова

Т. Т.

Efremova

T. T.

chumanova@bionet.nsc.ru

https://orcid.org/0000-0002-1084-9521

Кручинина

Ю. В.

Kruchinina

Y. V.

https://orcid.org/0000-0002-9941-2026

Першина

Л. А.

Pershina

L. A.

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics, SB RASRussian Federation

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук;РоссияInstitute of Cytology and Genetics, SB RAS; Novosibirsk State Agrarian UniversityRussian Federation

2018

01012019

228951956

2019

Чуманова Е.В., Ефремова Т.Т., Кручинина Ю.В., Першина Л.А.

Chumanova E.V., Efremova T.T., Kruchinina Y.V., Pershina L.A.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/1796

Гены чувствительности к яровизации (VRN) являются основными генетическими системами, определяющими продолжительность вегетационного периода в целом, а также длительность основных этапов органогенеза. К настоящему времени для локусов VRN-1 описан ряд аллелей и разработаны аллельспецифичные праймеры, позволяющие проводить быструю идентификацию аллельного состава у сортов и линий мягкой пшеницы. Установлено неодинаковое влияние различных аллелей локусов VRN-1 на продолжительность вегетационного периода, однако исследований, касающихся влияния комбинации различных аллелей на время колошения, недостаточно. Получение полных наборов всех возможных генотипов по разным аллелям доминантных генов VRN на одном генетическом фоне необходимо для более глубокого изучения генетических эффектов генов VRN на продолжительность вегетационного периода и отдельных фаз развития, а также на продуктивность. Поскольку большинство современных сортов России несет доминантные аллели двух генов VRN (Vrn-A1a и Vrn-B1a или Vrn-B1c), нами была поставлена задача – получить линии, сочетающие доминантные аллели Vrn-A1a с Vrn-B1a и Vrn-B1c на генетическом фоне озимого сорта Безостая 1 (Без1 Vrn-A1a/Vrn-B1a и Без1 Vrn-A1a/ Vrn-B1c). С использованием известных аллельспецифичных праймеров для локусов Vrn-A1 и Vrn-B1 в поколении F 2 были выделены гомозиготные растения. У полученных линий с комбинацией двух доминантных аллелей локусов VRN-1 достоверно уменьшалась продолжительность периода «кущение–первый узел», который представляет собой ключевой этап, определяющий продолжительность вегетационного периода и периода от всходов до колошения по сравнению с изогенными линиями по сорту Безостая 1 с доминантными аллелями Vrn-B1a и Vrn-B1c. По сравнению с изогенной линией с доминантным аллелем Vrn-A1a у полученных линий также произошло уменьшение продолжительности этих фаз развития, однако различия были недостоверны. Достоверных различий по продолжительности остальных фаз развития у линий с двумя доминантными аллелями локусов VRN-1 относительно изогенных линий по сорту Безостая 1 выявлено не было.

VRN genes, determining wheat sensitivity to vernalization, are the main genetic system that defnes the duration of the entire growing period and the durations of the main organogenesis phases. To date, several alleles have been described for VRN-1 loci, and allelespecifc primers have been developed that allow rapid identifcation of allelic spectra in common wheat varieties and lines. The unequal inﬂuence of diﬀerent alleles of VRN-1 loci on the duration of the growing period has also been shown; however, there is little information on the eﬀect of the combination of diﬀerent alleles on heading time. In developing genotypes having diﬀerent alleles of dominant VRN genes on the base of the same genetic background, it is necessary to study the genetic eﬀects of VRN genes on the duration of the growing season and the individual developmental phases, as well as on productivity. Most varieties presently grown in Russia carry the dominant alleles of two VRN-1 genes: Vrn-A1a and Vrn-B1a or Vrn-B1c; thus, the task was to create lines combining the dominant alleles of Vrn-A1a with Vrn-B1a and Vrn-B1c against the genetic background of the winter variety Bezostaya 1 (Bez1 Vrn-A1a/Vrn-B1a and Bez1 Vrn-A1a/Vrn-B1c). Homozygous plants were isolated in the F2 generation by using known allelespecifc primers for the Vrn-A1 and Vrn-B1 loci. The durations of the tillering–frst node period, which is the key stage determining growing duration, and the period from shoots to heading were signifcantly reduced in lines with a combination of two dominant alleles of VRN-1 loci compared to isogenic lines of Bezostaya 1 with the dominant alleles Vrn-B1a and Vrn-B1c. The duration of these developmental phases also decreased in the obtained lines as compared to the isogenic line containing the dominant Vrn-A1a allele, but the diﬀerences were not signifcant. No substantial diﬀerences were found in the duration of other growing phases in lines with two dominant alleles of the VRN-1 loci as compared to isogenic lines of Bezostaya 1.

линии мягкой пшеницыпродолжительность фаз развитияаллели локуса VRN-1аллель-специфичные праймеры

common wheat linesduration of growing phasesalleles of the VRN-1 lociallele¬specifc primers

References1

Cockram J., Jones H., Leigh F.J., O’Sullivan D., Powell W., Laurie D.A., Greenland A.J. Control of ﬂowering time in temperate cereals: Genes, domestication, and sustainable productivity. J. Exp. Bot. 2007;58(6):1231-1244. DOI 10.1093/jxb/erm042.

Edwards K., Johnstone C., Thompson C. A simple and rapid method for the preparation of plant genomic DNA for PCR analysis. Nucl. Acids Res. 1991;19:1349.

Efremova T.T., Arbuzova V.S., Leonova I.N., Makhmudova K. Multiple allelism in the Vrn-B1 locus of common wheat. Cereal Res. Commun. 2011;39(1):12-21. DOI 10.1556/CRC.39.2011.1.2.

Efremova T.T., Chumanova E.V., Trubacheeva N.V., Arbuzova V.S., Belan I.A., Pershina L.A. Prevalence of VRN1 locus alleles among spring common wheat cultivars cultivated in Western Siberia. Russ. J. Genet. 2016;52(2):146-153. DOI 10.1134/S102279541601004X.

Emtseva M.V., Efremova T.T., Arbuzova V.S. The inﬂuence of Vrn-B1a and Vrn-B1c alleles on the length of developmental phases of substitution and near isogenic lines of common wheat. Russ. J. Genet. 2013;49(5):545-552. DOI 10.1134/S1022795413050050.

Fu D., Szucs P., Yan L., Helguera M., Skinner J.S., von Zitzewitz J., Hayes P.M., Dubcovsky J. Large deletions within the frst intron in VRN-1 are associated with spring growth habit in barley and wheat. Mol. Genet. Genomics. 2005;273:54-65.

Goncharov N.P. Response to vernalization in wheat: its quantitative or qualitative nature. Cereal Res. Commun. 2004;32:323-330.

Iqbal M., Navabi A., Yang R.C., Salmon D.F., Spaner D. Molecular characterization of vernalization response genes in Canadian spring wheat. Genome. 2007;50:511-516. DOI 10.1139/G07-028.

Kamran A., Iqbal M., Spaner D. Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): a key factor for global adaptability. Euphytica. 2014; 197:1-26. DOI 10.1007/s10681-014-1075.

Koval S.F., Goncharov N.P. Multiple allelism at the VRN1 locus of common wheat. Acta Agron. Hung. 1998;46(2):113-119.

Koval S.F., Koval V.S., Shamanin V.P. Wheat near-isogenic lines. Omsk, 2001. (in Russian).

Leonova I.N. Molecular markers: Implementation in crop plant breeding for identifcation, introgression and gene pyramiding. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2013;3(6):464-473. DOI 10.1134/S2079059713060051.

Likhenko I.E., Stasyuk A.I., Shcherban A.B., Zyryanova A.F., Likhenko N.I., Salina E.A. Analysis of the allelic variation of the Vrn-1 and Ppd-1 genes in siberian early and medium early varieties of spring wheat. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2014;18(4/1):691-703. (in Russian).

Loukoianov A., Yan L., Blechl A., Sanchez A., Dubcovsky J. Regulation of VRN-1 vernalization genes in normal and transgenic polyploid wheat. Plant Physiol. 2005;138:2364-2373. DOI 10.1104/pp.105.064287.

Merezhko A.F. The Problem of Donors in Plant Breeding. St. Petersburg: VIR, 1994. (in Russian)

Milec Z., Tomková L., Sumíková T., Pánková K. A new multiplex PCR test for the determination of Vrn-B1 alleles in bread wheat (Triticum aestivum L.). Mol. Breed. 2012;30:317-323. DOI 10.1007/s11032-011-9621-7.

Pánková K., Košner J. Chromosome substitutions with dominant loci Vrn-1 and their effect on developmental stages of wheat. Czech J. Genet. Plant Breed. 2004;40(2):37-44.

Pugsley A.T. A genetic analysis of the spring-wheat habit of growth in wheat. Aust. J. Agric. Res. 1971;22:23-31.

Rokitskii P.F. Introduction to Statistical Genetics. Minsk, 1974. (in Russian).

Santra D.K., Santra M., Allan R.E., Campbell K.G., Kidwell K.K. Genetic and molecular characterization of vernalization genes Vrn-A1, Vrn-B1 and Vrn-D1 in spring wheat germplasm from the Pacifc Northwest Region of the USA. Plant Breed. 2009;128:576-584. DOI 10.1111/j.1439-0523.2009.01681.x.

Shcherban A.B., Borner A., Salina E.A. Effect of VRN-1 and PPD-1 genes on heading time in European bread wheat cultivars. Plant Breed. 2014. DOI 10.1111/pbr.12223.

Shcherban A.B., Emtseva M.V., Efremova T.T. Molecular genetical characterization of vernalization genes Vrn-A1, Vrn-B1 and Vrn-D1 in spring wheat germplasm from Russia and adjacent regions. Cereal Res. Commun. 2012;40(3):425-435. DOI 10.1556/CRC.40.2012.3.4.

Shcherban A.B., Khlestkina E.K., Efremova T.T., Salina E.A. The effect of two differentially expressed wheat VRN-B1 alleles on the heading time is associated with structural variation in the frst intron. Genetica. 2013;141:133-141.

Snape J.W., Butterworth K., Whitechurch E., Worland A.J. Waiting for fne times: genetics of ﬂowering time in wheat. Euphytica. 2001; 119:185-190.

Stelmakh A.F. Geographic distribution of Vrn genes in landraces and improved varieties of spring bread wheat. Euphytica. 1990;45: 113-118.

Stelmakh A.F. Genetic effects of Vrn genes on heading date and agronomic traits in bread wheat. Euphytica. 1993;65:53-60.

Stelmakh A.F. Genetic systems regulating ﬂowering response in wheat. Euphytica. 1998;100:359-369.

Stelmakh A.F., Avsenin V.I. Creation of sets of near isogenic lines at Vrn 1-3 loci. Nauch.-Techn. Bull. VSGI = Scientifc and Technical Bulletin VSGI. 1983;48(2):24-28. (in Russian).

Stelmakh A.F., Fait V.I., Martyniuk V.R. Genetic system of the type and speed of development of common wheat. Cytologia i Genetica = Cytology and Genetics. 2000;34(2):39-45. (in Russian).

Voronin V.I. The role of the loci Vrn 1-3 in determining the differences in productivity in comon wheat. Prikladnye Aspecty Genetiki, Tsytologii i Biotechnologii Selskochozyaistvennych Rasteniy = Applied Aspects of Genetics, Cytology and Biotechnology of Agricultural Plants. Odessa: VSGI, 1988;13-20. (in Russian).

Voronin A.N., Stelmakh A.F. Stages of organogenesis in near isogenic Vrn 1-3 comon wheat lines. Nauch.-Techn. Bull. VSGI = Scientifc and Technical Bulletin VSGI. 1985;55(1):19-23. (in Russian).

Worland A.J. The inﬂuence of ﬂowering time genes on environmental adaptability in European wheats. Euphytica. 1996;89:49-57. DOI 10.1007/BF00015718.

Worland A.J., Börner A., Korzun V., Li W.M., Petrovic S., Sayers E.J. The inﬂuence of photoperiod genes on the adaptability of European winter wheats. Euphytica. 1998;100:385-394.

Yan L., Fu D., Li C., Blechl A., Tranquilli G., Bonafede M., Sanchez A., Valarik M., Dubcovsky J. The wheat and barley vernalization gene VRN3 is an orthologue of FT. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006; 103;19581-19586. DOI 10.1073/pnas.0607142103.

Yan L., Helguera M., Kato K., Fukuyama S., Sherman J., Dubcovsky J. Allelic variation at the VRN-1 promoter region in polyploid wheat. Theor. Appl. Genet. 2004;109:1677-1686.

Yan L., Loukoianov A., Tranquilli G., Helguera M., Fahima T., Dubcovsky J. Positional cloning of wheat vernalization gene VRN1. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003;100:6263-6268. DOI 10.1073/pnas.0937399100.

Zhang X.K., Xiao Y.G., Zhang Y., Xia X.C., Dubcovsky J., He Z.H. Allelic variation at the vernalization genes Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, and Vrn-B3 in Chinese wheat cultivars and their association with growth habit. Crop Sci. 2008;48:458-470. DOI 10.2135/cropsci2007.06.0355.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.