vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ15.074vavilov-450Research ArticleМЕТОДЫ ГЛУБОКОГО МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ БИОИНФОРМАТИКИ И СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИPLANT PHYSIOLOGICAL AND AND BIOCHEMICAL GENETICSВлияние ограниченных интрогрессий от Triticum timopheevii Tausch. в геном мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) на физиологические и биохимические признаки в условиях полива и засухиEffects of limited introgressions from Triticum timopheevii Tausch. into the genome of bread wheat (Triticum aestivum L.) on physiological and biochemical traits under normal watering and droughtПшеничниковаТ. А.PshenichnikovaT. A.wheatpsh@bionet.nsc.ruПермяковА. В.PermyakovA. V.ОсиповаС. В.OsipovaS. V.ПермяковаМ. Д.PermyakovaM. D.РудиковскаяЕ. Г.RudikovskayaE. G.ВерхотуровВ. В.VerchoturovV. V.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 FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений, Иркутск, РоссияРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений, Иркутск, Россия Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет», Иркутск, РоссияРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk, Russia Irkutsk State University, Irkutsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет», Иркутск, РоссияРоссияNational Research Irkutsk State Technical University, Irkutsk, RussiaRussian Federation201502122015195574580Copyright © Пшеничникова Т.А., Пермяков А.В., Осипова С.В., Пермякова М.Д., Рудиковская Е.Г., Верхотуров В.В., 20152015Пшеничникова Т.А., Пермяков А.В., Осипова С.В., Пермякова М.Д., Рудиковская Е.Г., Верхотуров В.В.Pshenichnikova T.A., Permyakov A.V., Osipova S.V., Permyakova M.D., Rudikovskaya E.G., Verchoturov V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/450

Межвидовая гибридизация у злаков используется как для сравнительного изучения строения и эволюции геномов, так и для извлечения из дикого генофонда полезных для селекции генов. Тетраплоидный вид пшеницы Triticum timopheevii давно используется как источник генов устойчивости к грибным болезням. Линия 821, созданная на генетическом фоне засухо- устойчивого, но чувствительного к болезням сорта яровой пшеницы Саратовская 29 (С29), несет от этого вида интрогрессии в хромосомы 2А, 2В и в субтеломерный район длинного плеча хромосомы 5А. Два генотипа сравнили по параметрам, связанным с прямой и непрямой реакцией фотосинтетического аппарата на водный стресс. По сравнению с исходным сортом С29 во флаговых листьях линии 821 наблюдали повышенную скорость транспирации и устьичную проводимость (примерно в 4 раза в оптимальных и в 1,3 раза в вододефицитных условиях) и, соот- ветственно, пониженную эффективность использования воды (в 1,6 раз в оптимальных и в 1,2 раза в вододефицитных условиях). Кроме того, в условиях водного стресса у линии 821 были снижены содержание хлорофиллов и каротиноидов, реальная эффективность фотосинтеза, скорость транспорта электронов в фотосистеме II, общая антиоксидантная способность (примерно в 3 раза) и повышена активность липоксигеназы (в 2 раза). В целом устойчивость к дефициту воды у линии снизилась по сравнению с родительским сортом, что сопровождалось подвяданием листьев. Таким образом, можно предположить, что хромосомы 2А, 2В и 5А засухоустойчивого сорта пшеницы С29 несут важные генетические факторы, контролирующие в растениях реакцию на водный стресс.

Alien hybridization in cereals is used for comparative investigations of genome structure and evolution as well as for extracting useful genes from the wild gene pool. The tetraploid species Triticum timopheevii has long been used as a source of genes for resistance to fungal diseases. Line 821 was developed on the genetic background of cultivar Saratovskaya 29 (S29), which is drought-resistant but is very susceptible to diseases and carries big introgressions in 2A and 2B chromosomes and a small introgression in the subtelomeric region of 5A chromosome. The two genotypes were compared for the parameters associated with direct and indirect reaction of the photosynthetic apparatus to water stress. In flag leaves of 821 line, an increased transpiration rate and stomatal conductance (1.6 times the value in optimal watering and 1.2 times the value under water deficit) and, correspondingly, reduced water use efficiency were found compared to the initial cultivar. Additionally, the actual effectiveness and electron transport rate of photosystem II and chlorophyll and carotenoid content were reduced as well as the total antioxidant capacity (approximately three-fold) under water stress. Under the same conditions, lipoxygenase activity was increased two-fold. On the whole, water deficit tolerance was decreased in the line in comparison with the parental cultivar and was accompanied by leaf senescence. Thus, it may be supposed that 2A, 2B and 5A chromosomes of the drought-tolerant cultivar S29 carry important genetic factors responsible for reaction to water stress in wheat plants.

мягкая пшеницаTriticum timopheeviiинтрогрессиифотосинтезфлюоресценция хлорофилласодержание пигментов в листеактивность антиоксидантных ферментовзасухоустойчивостьbread wheatTriticum timopheeviiintrogressionsphotosynthesischlorophyll fluorescencepigment content in leafantioxidant enzyme activitydrought toleranceРФФИ, ЦКП «Фитотрон» СИФИБР СО РАНReferencesБухов Н.Г. Динамическая световая регуляция фотосинтеза. Физиология растений. 2004;51(6):825-837.Бухов Н.Г. Динамическая световая регуляция фотосинтеза. Физиология растений. 2004;51(6):825-837.Давыдов В.А. Количественные характеристики устьичного аппарата растений яровой пшеницы сорта Саратовская 29 при остром дефиците воды. Сельскохозяйственная биология. 2007;5:90-93.Давыдов В.А. Количественные характеристики устьичного аппарата растений яровой пшеницы сорта Саратовская 29 при остром дефиците воды. Сельскохозяйственная биология. 2007;5:90-93.Жуковский П.М., Мигушова Э.Ф. Наиболее высокоиммунный эндемичный генофонд для выведения устойчивых сортов пшеницы путем отдаленной гибридизации. Вестн. с.-х. науки. 1969; 2:9-20.Жуковский П.М., Мигушова Э.Ф. Наиболее высокоиммунный эндемичный генофонд для выведения устойчивых сортов пшеницы путем отдаленной гибридизации. Вестн. с.-х. науки. 1969; 2:9-20.Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. М.: Наука, 1968.Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. М.: Наука, 1968.Иванов Б.Н. Роль аскорбиновой кислоты в фотосинтезе (обзор). Биохимия. 2014;79(3):364-372.Иванов Б.Н. Роль аскорбиновой кислоты в фотосинтезе (обзор). Биохимия. 2014;79(3):364-372.Ильина Л.Г. Селекция яровой мягкой пшеницы на Юго-Востоке. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1989.Ильина Л.Г. Селекция яровой мягкой пшеницы на Юго-Востоке. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1989.Леонова И.Н., Родер М.С., Калинина Н. П., Будашкина Е.Б. Генетический анализ и локализация локусов, контролирующих устойчивость интрогрессивных линий Triticum aestivum × Triticum timopheevii к листовой ржавчине. Генетика. 2008;44:1652-1659.Леонова И.Н., Родер М.С., Калинина Н. П., Будашкина Е.Б. Генетический анализ и локализация локусов, контролирующих устойчивость интрогрессивных линий Triticum aestivum × Triticum timopheevii к листовой ржавчине. Генетика. 2008;44:1652-1659.Обухова Л.В., Будашкина Е.Б., Ермакова М.Ф., Калинина Н.П., Шумный В.К. Качество зерна и муки у интрогрессивных линий мягкой пшеницы с генами устойчивости к листовой ржавчине от Triticum timopheevii Zhuk. C.-х. биология. 2008;5:38-42.Обухова Л.В., Будашкина Е.Б., Ермакова М.Ф., Калинина Н.П., Шумный В.К. Качество зерна и муки у интрогрессивных линий мягкой пшеницы с генами устойчивости к листовой ржавчине от Triticum timopheevii Zhuk. C.-х. биология. 2008;5:38-42.Пермякова М.Д., Труфанов В.А., Пшеничникова Т.А., Ермакова М.Ф. Роль липоксигеназы в определении качества зерна пшеницы. Прикладная биохимия и микробиология. 2010;46(1):96-102.Пермякова М.Д., Труфанов В.А., Пшеничникова Т.А., Ермакова М.Ф. Роль липоксигеназы в определении качества зерна пшеницы. Прикладная биохимия и микробиология. 2010;46(1):96-102.Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Изменение активности антиоксидантных ферментов в листьях и корнях пшеницы в зависимости от формы и дозы азота в среде. Физиол. растений. 2004;51(5):686-691.Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Изменение активности антиоксидантных ферментов в листьях и корнях пшеницы в зависимости от формы и дозы азота в среде. Физиол. растений. 2004;51(5):686-691.Тимонова Е.М., Леонова И.Н., Белан И.А., Россеева Л.П., Салина Е.А. Влияние отдельных участков хромосом Triticum timopheevii на формирование устойчивости к болезням и количественные признаки мягкой пшеницы. Вавил. журн. генет. и селекции. 2012;16(1):142-159.Тимонова Е.М., Леонова И.Н., Белан И.А., Россеева Л.П., Салина Е.А. Влияние отдельных участков хромосом Triticum timopheevii на формирование устойчивости к болезням и количественные признаки мягкой пшеницы. Вавил. журн. генет. и селекции. 2012;16(1):142-159.Aebi H. Catalase in vitro. Meth. Enzymol. 1984;105:121-126.Aebi H. Catalase in vitro. Meth. Enzymol. 1984;105:121-126.Arbuzova V.S., Efremova T.T., Laikova L.I., Maystrnko O.I., Popova M., Pshenichnikova T.A. The development of precise genetic stocks in two wheat cultivars and their use in genetic analysis. Euphytica. 1996;89:11-15.Arbuzova V.S., Efremova T.T., Laikova L.I., Maystrnko O.I., Popova M., Pshenichnikova T.A. The development of precise genetic stocks in two wheat cultivars and their use in genetic analysis. Euphytica. 1996;89:11-15.Asada K. The water-water cycle in chloroplasts: Scavenging of active oxygens and dissipation of excess photons. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999;50:601-639.Asada K. The water-water cycle in chloroplasts: Scavenging of active oxygens and dissipation of excess photons. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999;50:601-639.Baier M., Noctor G., Foyer C., Dietz K.J. Antisense suppression of 2-cysteine peroxiredoxinin Arabidopsis specifically enhances the activities and expression of enzymes associated with ascorbate metabolism but not glutathione metabolism. Plant Physiol. 2000;124:823-832.Baier M., Noctor G., Foyer C., Dietz K.J. Antisense suppression of 2-cysteine peroxiredoxinin Arabidopsis specifically enhances the activities and expression of enzymes associated with ascorbate metabolism but not glutathione metabolism. Plant Physiol. 2000;124:823-832.Bartoli C.G., Guiamet J.J., Kiddle G., Pastori G.M., Cagno R.D., Theodoulou F.L., Foyer C.H. Ascorbate content of wheat leaves is not determined by maximal l-galactono-1,4-lactone dehydrogenase (GalLDH) activity under drought stress. Plant, Cell Env. 2005;28:1073-1081.Bartoli C.G., Guiamet J.J., Kiddle G., Pastori G.M., Cagno R.D., Theodoulou F.L., Foyer C.H. Ascorbate content of wheat leaves is not determined by maximal l-galactono-1,4-lactone dehydrogenase (GalLDH) activity under drought stress. Plant, Cell Env. 2005;28:1073-1081.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analyt. Biochem. 1976;72:248-254.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analyt. Biochem. 1976;72:248-254.Budashkina E. Cytogenetic study of introgressive disease-resistant common wheat lines. Tag. Ber. Acad. Landwirtsch. Wiss. DDR. 1988;206:209-212.Budashkina E. Cytogenetic study of introgressive disease-resistant common wheat lines. Tag. Ber. Acad. Landwirtsch. Wiss. DDR. 1988;206:209-212.Budashkina E.B., Kalinina N.P. Development and genetic analysis of common wheat introgressive lines resistant to leaf rust. Acta Phytopathol. Entomol. 2001;36:61-65.Budashkina E.B., Kalinina N.P. Development and genetic analysis of common wheat introgressive lines resistant to leaf rust. Acta Phytopathol. Entomol. 2001;36:61-65.de Lamotte F., Vianey-Liaud N., Duviau M., Kobrehel K. Glutathione reductase in wheat grain. 1. Isolation and Characterization. J. Agric. Food Chem. 2000;48:4978-4983. DOI: 10.1021/jf0003808de Lamotte F., Vianey-Liaud N., Duviau M., Kobrehel K. Glutathione reductase in wheat grain. 1. Isolation and Characterization. J. Agric. Food Chem. 2000;48:4978-4983. DOI: 10.1021/jf0003808Ehdaie B., Whitkus R.N., Waines S.G. Root biomass, water-use efficiency and performance of wheat-rye translocations of chromosomes 1 and 2 in spring bread wheat «Pavon». Crop Sci. 2003;43:710-717.Ehdaie B., Whitkus R.N., Waines S.G. Root biomass, water-use efficiency and performance of wheat-rye translocations of chromosomes 1 and 2 in spring bread wheat «Pavon». Crop Sci. 2003;43:710-717.Foyer C.H., Shigeoka S. Understanding oxidative stress and antioxidant functions to enhance photosynthesis. Plant Physiol. 2011;155: 93-100.Foyer C.H., Shigeoka S. Understanding oxidative stress and antioxidant functions to enhance photosynthesis. Plant Physiol. 2011;155: 93-100.Gallie D.R. L-Ascorbic Acid: A multifunctional molecule supporting plant growth and development. Scientifica. 2013;2013. Article ID 795964, 24 p. DOI:10.1155/2013/795964Gallie D.R. L-Ascorbic Acid: A multifunctional molecule supporting plant growth and development. Scientifica. 2013;2013. Article ID 795964, 24 p. DOI:10.1155/2013/795964Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide Dismutase. 1. Occurrence in Higher Plants. Plant Physiol. 1977;59:309-314.Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide Dismutase. 1. Occurrence in Higher Plants. Plant Physiol. 1977;59:309-314.Jarén-Galán M., Minguez-Mosquera M.I. β-caroten and capsanthin cooxidation by lipoxygenase. Kinetic and Thermodynamic aspects of the reaction. J. Agric. Food Chem. 1997;45:4814-4820.Jarén-Galán M., Minguez-Mosquera M.I. β-caroten and capsanthin cooxidation by lipoxygenase. Kinetic and Thermodynamic aspects of the reaction. J. Agric. Food Chem. 1997;45:4814-4820.Leonova I.N., Kalinina N.P., Budashkina E.B., Röder M.S., Salina E.A.Comparative molecular and genetic analysis of Triticum aestivum × Triticum timopheevii hybrid lines resistant to leaf rust. EWAC Newslett. 2001. Proc. 11th EWAC Conf., Novosibirsk, Russia, 24–28 July, 2000. Ed. T.A. Pshenichnikova, A.J. Worland.Leonova I.N., Kalinina N.P., Budashkina E.B., Röder M.S., Salina E.A.Comparative molecular and genetic analysis of Triticum aestivum × Triticum timopheevii hybrid lines resistant to leaf rust. EWAC Newslett. 2001. Proc. 11th EWAC Conf., Novosibirsk, Russia, 24–28 July, 2000. Ed. T.A. Pshenichnikova, A.J. Worland.Li W.L., Faris J.D., Chittoor J.M., Leach J.E., Hulbert S.H., Liu D.J., Chen P.D., Gill B.S. Genomic mapping of defense response genes in wheat. Theor. Appl. Genet. 1999;98:226-233.Li W.L., Faris J.D., Chittoor J.M., Leach J.E., Hulbert S.H., Liu D.J., Chen P.D., Gill B.S. Genomic mapping of defense response genes in wheat. Theor. Appl. Genet. 1999;98:226-233.Luna C., Pastory G., Driscoll S., Groten K. Drought control on H2O2 accumulation, catalase (CAT) activity and CAT gene expression in wheat. J. Exp. Bot. 2005;56:417-423. DOI: 10.1093/jxb/eri039Luna C., Pastory G., Driscoll S., Groten K. Drought control on H2O2 accumulation, catalase (CAT) activity and CAT gene expression in wheat. J. Exp. Bot. 2005;56:417-423. DOI: 10.1093/jxb/eri039McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers J, Morris C, Appels R., XC Xia Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 2013. 12th Intern. Wheat Genet. Symp., 8–13 September 2013, Yokohama, Japan.McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers J, Morris C, Appels R., XC Xia Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 2013. 12th Intern. Wheat Genet. Symp., 8–13 September 2013, Yokohama, Japan.Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbatespecific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell Physiol. 1981; 22:867-880.Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbatespecific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell Physiol. 1981; 22:867-880.Neuman P.R., Hart G.E. Genetic control of the mitochondrial form of superoxide dismutase in hexaploid wheat. Biochem. Genetics. 1986; 24:435-446.Neuman P.R., Hart G.E. Genetic control of the mitochondrial form of superoxide dismutase in hexaploid wheat. Biochem. Genetics. 1986; 24:435-446.Osipova S.V., Permyakov A.V., Permyakova M.D., Pshenichnikova T.A., Genaev M.A., Börner A. The antioxidant enzymes activity in leaves of inter-varietal substitution lines of wheat (Triticum aestivum L.) with different tolerance to soil water deficit. Acta Physiol. Plant. 2013;35:2455-2465.Osipova S.V., Permyakov A.V., Permyakova M.D., Pshenichnikova T.A., Genaev M.A., Börner A. The antioxidant enzymes activity in leaves of inter-varietal substitution lines of wheat (Triticum aestivum L.) with different tolerance to soil water deficit. Acta Physiol. Plant. 2013;35:2455-2465.Qi L., Friebe B., Zhang P., Gill B.S. Homoeologous recombination, chromosome engineering and crop improvement. Chromosome Res. 2007;15:3-19.Qi L., Friebe B., Zhang P., Gill B.S. Homoeologous recombination, chromosome engineering and crop improvement. Chromosome Res. 2007;15:3-19.Rabinovich S.V. Importance of wheat-rye translocation for breeding modern cultivars of Triticum aestivum L. Euphytica. 1998;100: 323-340.Rabinovich S.V. Importance of wheat-rye translocation for breeding modern cultivars of Triticum aestivum L. Euphytica. 1998;100: 323-340.Salina E.A., Leonova I.N., Efremova T.T., Röder M.S. Wheat genome structure: translocations during the course of polyploidization. Funct. Integr. Genomics. 2006;6:71-80.Salina E.A., Leonova I.N., Efremova T.T., Röder M.S. Wheat genome structure: translocations during the course of polyploidization. Funct. Integr. Genomics. 2006;6:71-80.Schaller F. Enzymes of biosynthesis of octadecanoid-derived signaling molecules. J. Exp. Bot. 2001;52(354):11-23.Schaller F. Enzymes of biosynthesis of octadecanoid-derived signaling molecules. J. Exp. Bot. 2001;52(354):11-23.Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Gene networks involved in drought stress response and tolerance. J. Expt. Bot. 2007;58:221-227. DOI: 10.1093/jxb/erl164Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Gene networks involved in drought stress response and tolerance. J. Expt. Bot. 2007;58:221-227. DOI: 10.1093/jxb/erl164Wettstein D. Chlorophyll-letale und der submikroskopische form wechsel der Plastiden. Exp. Cell Res. 1957;12:427–506.Wettstein D. Chlorophyll-letale und der submikroskopische form wechsel der Plastiden. Exp. Cell Res. 1957;12:427–506.

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