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

vavilov-290

Research Article

Статьи

Articles

ИНТРОГРЕССИЯ ХРОМАТИНА РЖИ В ГЕНОМ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ: ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

RYE CHROMATIN INTROGRESSION IN THE BREAD WHEAT GENOME: CYTOGENETIC ASPECTS

Силкова

О. Г.

Silkova

O. G.

silkova@bionet.nsc.ru

Логинова

Д. Б.

Loginova

D. B.

silkova@bionet.nsc.ru

Иванова (Кабаненко)

Ю. Н.

Ivanova (Kabanenko)

Yu. N.

silkova@bionet.nsc.ru

Бондаревич

Е. Б.

Bondarevich

E. B.

nadezhdadubovets@gmail.com

Соловей

Л. А.

Solovei

L. A.

nadezhdadubovets@gmail.com

Штык

Т. И.

Shtyk

T. I.

nadezhdadubovets@gmail.com

Дубовец

Н. И.

Dubovets

N. I.

nadezhdadubovets@gmail.com

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

Государственное научное учреждение Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси, Минск, БеларусьБеларусьInstitute of Genetics and Cytology, National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, BelarusBelarus

2014

19012015

184/1630642

2015

Силкова О.Г., Логинова Д.Б., Иванова (Кабаненко) Ю.Н., Бондаревич Е.Б., Соловей Л.А., Штык Т.И., Дубовец Н.И.

Silkova O.G., Loginova D.B., Ivanova (Kabanenko) Y.N., Bondarevich E.B., Solovei L.A., Shtyk T.I., Dubovets N.I.

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

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/290

Интрогрессия чужеродного хроматина в геном мягкой пшеницы Triticum aestivum L. является наиболее эффективным способом обогащения генофонда этой культуры. Для повышения селекционно ценных свойств пшеницы в качестве источника признаков используется рожь Secale cereale L. Передача генетического материала ржи имеет свои особенности. Объединение геномов двух злаков в одном ядре приводит к дисбалансу в работе всех генетических систем. Формирование новых интрогрессивных форм начинается с восстановления фертильности амфигаплоидов, а затем сопровождается реорганизацией гибридного генома, во время которой достигается цитологическая и генетическая стабильность у диплоидных потомков. В данной работе собраны и проанализированы результаты, полученные при изучении двух этапов реорганизации пшенично-ржаного генома: 1) преодоление стерильности гибридов F1 (цитогенетические механизмы образования нередуцированных гамет); 2) реорганизация субгеномов пшеницы при интрогрессии единичных хромосом ржи.

Alien chromatin introgression into the genome of common wheat Triticum aestivum L. is the most efficient way to enrich the gene pool of this crop. To improve the breeding value of wheat accessions, rye Secale cereale L is used as a donor of characters. Transfer of rye genetic material has certain specific features. The combination of the two cereal genomes in a single nucleus results in imbalance in all genetic systems. Fertility restoration in amphihaploids is the first step in the formation of introgression accessions. It is followed by the hybrid genome reorganization, which leads to cytological and genetic stability in the diploid progeny. In this paper, we present and analyze results that were obtained in the study of the two steps of wheat-rye hybrid genome reorganization: (1) breaching of F1 hybrid sterility (cytogenetic mechanisms of unreduced gamete formation) and (2) reorganization of wheat subgenomes during the introgression of single rye chromosomes.

пшенично-ржаные гибридыцитогенетикаFISHиммуноокрашиваниеС-окрашиваниереорганизация геномовмейотическая реституциямодификация хромосом

wheat-rye hybridscytogeneticsFISHimmunostainingC bandinggenome reorganizationmeiotic restitutionchromosome modification

бюджетный проект VI.53.1.5; грант РФФИ (13-04-00679); интеграционный проект СО РАН № 2 и Б12СО-018

References1

Голубовская И.Н. Цитогенетика отдаленных гибридов пшеницы и перспективы их использования в селекции // Цитогенетика пшеницы и ее гибридов / Под ред. П.М. Жуковского, В.В. Хвостовой. М.: Наука, 1971. С. 243–286.

Дубовец Н.И., Дымкова Г.В., Соловей Л.А. и др. Реконструкция кариотипа гексаплоидных тритикале путем межгеномных замещений хромосом // Генетика. 1995. Т. 31. № 10. С. 1394–1399.

Дубовец Н.И., Сычева Е.А., Соловей Л.А. и др. Рекомбинантный геном злаков – закономерности формирования и роль в эволюции полиплоидных видов // Генетика. 2008. Т. 44. № 1. С. 54–61.

Карпеченко Г.Д. Избранные труды. М.: Наука, 1971. C. 303.

Левитский Г.А. К истории плодовитых промежуточных константных пшенично-ржаных гибридов // Цитогенетика растений / Ред. Н.П. Дубинин. М.: Наука, 1978а. С. 251–253.

Левитский Г.А. Цитология пшенично-ржаных амфидиплоидов // Цитогенетика растений / Ред. Н.П. Дубинин. М.: Наука, 1978б. С. 224–250.

Леонова И.Н., Добровольская О.Б., Каминская Л.Н. и др. Молекулярный анализ линий тритикале, содержащих различные системы VRN-генов, с помощью молекулярных маркеров и гибридизации in situ // Генетика. 2005. Т. 41. № 9. С. 1014–1020.

Логинова Д.Б., Силкова О.Г. Митотическое поведение центромер в мейозе как механизм восстановления фертильности у пшенично-ржаных амфигаплоидов // Генетика. 2014. Т. 50. № 8. С. 930–939.

Мюнтцинг А. Генетические исследования. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1963. 488 с.

Першина Л.А. Хромосомная инженерия растений – направление биотехнологии // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2014. Т. 18. № 1. С. 139–146.

Писарев В.Е. Селекция зерновых культур. М.: Колос, 1964. 317 с.

Силкова О.Г., Добровольская О.Б., Дубовец Н.И. и др. Создание пшенично-ржаных замещенных линий с идентификацией хромосомного состава кариотипов методами С-бэндинга, GISH и SSR-маркеров // Генетика. 2006. Т. 42. № 6. С. 793–802.

Силкова О.Г., Добровольская О.Б, Дубовец Н.И. и др. Получение пшенично-ржаных замещенных линий на основе озимых сортов ржи с идентификацией кариотипов методами С-бэндинга, GISH и SSR-маркеров // Генетика. 2007. Т. 43. № 8. С. 1149–1152.

Силкова О.Г., Кабаненко Ю.Н., Логинова Д.Б. Влияние пшенично-ржаного замещения на элиминацию хромосом: анализ поведения унивалентов в мейозе пшеницы с димоносомией и тетрамоносомией // Генетика. 2014. Т. 50. № 3. C. 282–290.

Силкова О.Г., Щапова А.И., Кравцова Л.А. Механизмы мейотической реституции и их генетическая регуляция у пшенично-ржаных полигаплоидов // Генетика. 2003. Т. 38. № 11. С. 1514–1523.

Силкова О.Г., Щапова А.И., Шумный В.К. Мейотическая реституция у амфигаплоидов в трибе Triticeae // Генетика. 2011. Т. 47. № 4. С. 437–448.

Трубачеева Н.В., Россеева Л.П., Белан И.А. и др. Особенности сортов яровой мягкой пшеницы Западной Сибири, несущих пшенично-ржаную транслокацию 1RS.1BL // Генетика. 2011. Т. 47. № 1. С. 18–24.

Хвостова В.В., Голубовская И.Н., Шкутина Ф.М. Цитогенетика аллополиплоидов в подтрибе Triticinae на примере Triticale и 56-хромосомных ППГ (неполных амфидиплоидов) // Полиплоидия и селекция / Под ред. Н.В. Турбина. Минск, 1972. С. 95–105.

Шкутина Ф.М. Цитогенетика и селекция тритикале // Цитогенетика гибридов, мутаций и эволюция кариотипа. Новосибирск: Наука, 1977.

Щапова А.И., Кравцова Л.А. Цитогенетика пшенично-ржаных гибридов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. 164 с.

Щапова А.И., Потапова Т.А., Кравцова Л.А. Генетическая обусловленность нерасхождения хромосом в мейозе пшенично-ржаных полигаплоидов // Генетика. 1987. Т. 23. № 3. С. 473–481.

Aase H.C. Cytology of Triticum, Secale, and Aegilops hybrids with reference to phylogeny // Res. Stud. State Coll. Wash. 1930. V. 2. P. 5–60.

Alkhimova A.G., Heslop-Harrison J.S., Shchapova A.I., Vershinin A.V. Rye chromosome variability in wheat-rye addition and substitution lines // Chromosome Res. 1999. V. 7. P. 205–212.

Aragón-Alcaide L., Reader S., Miller T., Moore G. Centromeric behaviour in wheat with high and low homeologous chromosomal pairing // Chromosoma. 1997. V. 106. P. 327–333.

Badaeva E.D., Badaev N.S., Bolsheva N.L., Zelenin A.V. Chromosome alterations in the karyotype of triticale in comparison with the parental forms 1. Heterochromatic regions of R genome chromosomes // Theor. Appl. Genet. 1986. V. 72. P. 518–523.

Bai X., Peirson B.N., Dong F. et al. Isolation and characterization of SYN1, a RAD21-like gene essential for meiosis in Arabidopsis // Plant Cell. 1999. V. 11. P. 417–430.

Benavente E., Fernandez-Calvin B., Orellana J. Relationship between the levels of wheat-rye metaphase I chromosomal pairing and recombination revealed by GISH // Chromosoma. 1996. V. 105. P. 92–96.

Bento M., Gustafson P., Viegas W., Silva M. Genome merger: from sequence rearrangements in triticale to their elimination in wheat-rye addition lines // Theor. Appl. Genet. 2010. V. 121. Р. 489–497.

Bolsheva N.L., Badaeva E.D., Badaev N.S., Zelenin A.V. Chromosome alterations in the karyotype of triticale in comparison with the parental forms 2. Heterochromatin of the wheat chromosomes // Theor. Appl. Genet. 1986. V. 73. P. 66–71.

Cai X., Xu S.S., Zhu X. Mechanism of haploidy-dependent meiotic cell division of polyploid wheat // Chromosoma. 2010. V. 119. P. 275–285.

Feldman M., Levy A.A. Allopolyploidy – a shaping force in the evolution of wheat genomes // Cytogenet. Genome Res. 2005. V. 109. P. 250–258.

Fu S., Yang M., Fei Y. et al. Alterations and abnormal mitosis of wheat chromosomes induced by wheat-rye monosomic addition lines // PLoS ONE. 2013. V. 8. No. 7. e70483. doi:10.1371/journal.pone.0070483

Gonzalez G., Sunkel C.E., Glover D.M. Interactions between mgr, asp, and polo: asp function modulated by polo and needed to maintain the poles of monopolar and bipolar spindles // Chromosoma. 1998. V. 107. P. 452–460.

Islam A.K.M.R., Shepherd K.W. Meiotic restitution in wheatbarley hybrids // Chromosoma. 1980. V. 79. P. 363–372.

Landjeva S., Korzun V., Tsanev V. et al. Distribution of wheat-rye translocation 1RS.1BL among bread wheat varieties of Bulgaria // Plant Breed. 2006. V. 125. P. 102–104.

Lukaszewski A.J. Frequency of 1RS.1AL and 1RS.1BL translocations in United States wheats // Crop Sci. 1990. V. 30. P. 1151–1153.

Ma X.F., Gustafson J.P. Genome evolution of allopolyploids: a process of cytological and genetic diploidisation // Cytogenet. Genome. Res. 2005. V. 109. P. 236–249.

Ma X.F., Gustafson J.P. Timing and rate of genome variation in triticale following allopolyploidization // Genome. 2006. V. 49. P. 950–958.

Ma X.F., Gustafson J.P. Allopolyploidization-accommodated genomic sequence changes in triticale // Ann. Bot. 2008. V. 101. P. 825–832.

Ma X.F., Fang P., Gustafson J.P. Polyploidization-induced genome variation in triticale // Genome. 2004. V. 47. P. 839–848.

Maan S.S., Sasakuma T. Fertility of amphihaploids in Triticinae // J. Hered. 1977. V. 57. P. 76–83.

Mater Y., Baenziger S., Gill K. et al. Linkage mapping of powdery mildew and greenbug resistance genes on recombinant 1RS from ‘Amigo’ and ‘Kavkaz’ wheat-rye translocations of chromosome 1RS.1AL // Genome. 2004. V. 47. P. 292–298.

Matsuoka Y., Nasuda S. Durum wheat as candidate for the unknown female progenitor of bread wheat: an empirical study with a highly fertile F1 hybrid with Aegilops tauschii Coss. // Theor. Appl. Genet. 2004. V. 109. P. 1710–1717.

Matsuoka Y., Nasuda S., Ashida Y. et al. Genetic basis for spontaneous hybrid genome doubling during allopolyploid speciation of common wheat shown by natural variation analyses of the paternal species // PLoS ONE. 2013. 8(8): e68310. doi:10.1371/journal.pone.0068310

Mergoum M., Singh P.K., Pena R.J. et al. Triticale: A «New» Crop with Old Challenges // Cereals. 2009. DOI:10.1007/978-0-387-72297-9 / Ed. M.J. Carena. Springer Science + Business Media, LLC.

Miller T.E., Reader S.M., Purdie K.A., King I.P. Determination of the frequency of wheat-rye chromosome pairing in wheat × rye hybrids with and without chromosome 5B // Theor. Appl. Genet. 1994. V. 89. P. 255–258.

Nasuda S., Friebe B., Gill B.S. Gametocidal genes induce chromosome breakage in the interphase prior to the first mitotic cell division of the male gametophyte in wheat // Genetics. 1998. V. 149. P. 1115–1124.

Olesczuk S., Lukaszewski A.J. The origin of unusual chromosome constitutions among newly formed allopolyploids // AJB. 2014. V. 101. P. 318–326.

Rimpau W. Kreuzungsprodukte landwirtschaftlicher Kulturpflanzen // Landwirtsh Jahrb. 1891. V. 20. No. 4. P. 335–371.

Ren T.H., Yang Z.J., Yan B.J. et al. Development and characterization of a new 1BL.1RS translocation line with resistance to stripe rust and powdery mildew of wheat // Euphytica. 2009. V. 169. P. 207–213.

Sears E.R. Genetic control of chromosome pairing in common wheat // Annu. Rev. Genet. 1976. V. 10. P. 31–51.

Sears E.R. Homoeologous chromosomes in Triticum aestivum (abstr.) // Genetics. 1952. V. 37. P. 624.

Sears E.R. The aneuploids of common wheat // Res. Bull. Mis. Agric. Exptl. Stat. 1954. V. 572. P. 1– 8.

Shchapova A.I., Potapova T.A., Kravtsova L.A., Numerova O.M. Karyotype stabilization in intergeneric hybrids of the subtriebe Triticinae // Theor. Appl. Genet. 1984. V. 68. P. 289–296.

Shlegel R. Current list of wheats with rye and alien introgression. 2010. V05-08, 1–14. http://www.desicca. de/Wheatrye introgression.

Silkova O.G., Adonina I.G., Krivosheina E.A. et al. Chromosome pairing in meiosis of partially fertile wheat/rye (ABDR) hybrids // Plant Reprod. 2013. V. 26. P. 33–41.

Silkova O.G., Shchapova A.I., Shumny V.K. Patterns of meiosis in ABDR amphihaploids depend on the specifi c type of univalent chromosome division // Euphytica. 2011. V. 178. P. 415–426.

Tsuchida M., Fukushima T., Nasuda S. et al. Dissection of rye chromosome 1R in common wheat // Genes Genet. Syst. 2008. V. 83. P. 43–53.

Villareal R.L., Banuelos O., Mujeeb-Kazi A., Rajaram S. Agronomic performance of chromosome 1B and T1BL.1RS near-isolines in the spring bread wheat Seri M82 // Euphytica. 1998. V. 103. P. 195–202.

Voylokov A.V., Tikhenko N.D. Triticale as a model for study of genomic interaction and genome evolution in allopolyploids plants // Proc. of the 5th Intern. Triticale Symp. Poland. 2002. V. 1. P. 63–70.

Wagenaar E.B. Meiotic restitution and the origin of polyploidy. I. Infl uence of genotype on polyploid seedset in a Triticum crassum × Triticum turgidum hybrid // Can. J. Genet. Cytol. 1968. V. 10. P. 836–843.

Weimarck A. Elimination of wheat and rye chromosomes in a strain of octoploid triticale as revealed by Giemsa banding technique // Hereditas. 1974. V. 77. P. 281–286.

Xu S.J., Joppa L.R. Mechanisms and inheritance of first division restitution in hybrids of wheat, rye, and Aegilops squarrosa // Genome. 1995. V. 38. P. 607–615.

Xu S.J., Joppa L.R. First division restitution in hybrids of Langdon durum disomic substitution linnes with rye and Aegilops squarrosa // Plant Breed. 2000. V. 119. P. 233–241.

Yediay F.E., Baloch F.S., Kilian B., Ozkan H. Testing of rye-specifi c markers located on 1RS chromosome and distribution of 1AL.RS and 1BL.RS translocations in Turkish wheat (Triticum aestivum L., T. durum Desf.) varieties and landraces // Genet. Resour. Crop. Evol. 2010. V. 57. P. 119–129.

Zhang L., Chen Q., Yuan Z. et al. Production of aneuhaploid and euhaploid sporocytes by meiotic restitution in fertile hybrids between durum wheat Langdon chromosome substitution lines and Aegilops tauschii // J. Genet. Genom. 2008. V. 35. P. 617–623.

Zhang L., Yen Y., Zheng Y., Liu D. Meiotic restriction in emmer wheat is controlled by one or more nuclear genes that continue to function in derived line // Sex. Plant Reprod. 2007. V. 20. P. 159–166.

Zhou J., Zhang H., Yang Z. et al. Characterization of a new T2DS.2DL-?R translocation triticale ZH-1 with multiple resistances to diseases // Genet. Resour. Crop. Evol. 2012. V. 59. P. 1161–116.

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