Создание и характеристика линии мягкой пшеницы с центрической транслокацией Т2DL.2RL

Создание интрогрессивных форм мягкой пшеницы с чужеродным генетическим материалом от культурных и диких видов трибы Triticeae является эффективным методом для расширения генофонда пшеницы, необходимого для селекционных работ. К настоящему времени получены многочисленные коллекции линий с интрогрессиями в виде замещений и модификаций хромосом, однако создание и изучение форм пшеницы с новыми ценными признаками остаются актуальным направлением современных научных разработок. Рожь Secale cereale L., чьи хромосомы несут гены, контролирующие ценные экономические и биологические характеристики и свойства, широко используется для получения новых форм. В данной работе охарактеризована линия пшеницы с транслоцированной хромосомой, которая была получена при беккроссировании дисомно-замещенной пшенично-ржаной линии 2R(2D)1 сортом Новосибирская 67. С использованием флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) и метода С-окрашивания изучен хромосомный состав кариотипов линий. Идентифицированы две центрические пшенично-ржаные транслоцированные хромосомы, образованные из двух длинных плеч хромосом 2D и 2R, Т2DL.2RL. Остальные 40 хромосом пшеницы не подверглись структурным изменениям. Мейоз линий характеризовался стабильностью. Хромосомы Т2DL.2RL формировали биваленты во всех мейоцитах, что подтверждает их гомологичность. По морфологическим признакам колоса линия Т2DL.2RL не отличалась от сорта Новосибирская 67. Проведен сравнительный анализ показателей элементов продуктивности у линии с транслокацией Т2DL.2RL и родительских форм, сорта Новосибирская 67 и дисомно-замещенной пшенично-ржаной линии 2R(2D)1. По результатам сравнения, линия Т2DL.2RL достоверно уступает сорту Новосибирская 67 по всем показателям с различной степенью достоверности. Показатели продуктивности линии 2R(2D)1 превосходили либо не отличались от показателей линии с транслокацией Т2DL.2RL, однако масса 1000 зерен была достоверно меньше. Обнаружено также влияние транс- локации Т2DL.2RL на признак «высота растения». Этот показатель был достоверно ниже, чем у Новосибирской 67, в условиях двух вегетаций. Следовательно, транслокация Т2DL.2RL влияет на уменьшение высоты растений, а также вызывает отрицательный эффект на элементы продуктивности.

1. Батыгина Т.Б. Биология развития растений. Симфония жизни. СПб.: Изд-во ДЕАН, 2014. [Batygina T.B. Developmental Biology of Plants. Symphony of Life. St. Perersburg: DEAN Publ., 2014. (in Russian)]

2. Коршунова А.Д. Влияние генов короткостебельности на хозяйственно ценные признаки яровой тритикале: Дис. … канд. биол. наук. М., 2015. [Korshunova A.D. The influence of short-stem genes on economically valuable traits of spring triticale. Cand. Sci. (Biol.) Diss. Moscow, 2015. (in Russian)]

3. Красилова Н.М., Адонина И.Г., Силкова О.Г., Шумный В.К. Особенности передачи хромосомы ржи 2R при бeккроссировании пшенично-ржаных замещенных линий 2R(2D) различными сортами мягкой пшеницы. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2011;15(3):554-562. [Krasilova N.M., Adonina I.G., Silkova O.G., Shumny V.K. Transmission of rye chromosome 2R in backcrosses of wheat-rye 2R(2D) substitution lines to various common wheat varieties. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2011;15(3):554-562. (in Russian)]

4. Леонова И.Н. Влияние чужеродного генетического материала на проявление хозяйственно важных признаков мягкой пшеницы (T. aestivum L.). Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(3):321-328. DOI 10.18699/VJ18.367. [Leonova I.N. Influence of alien genetic material on the manifestation of agronomically important traits of common wheat (T. aestivum L.). Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(3):321-328. DOI 10.18699/VJ18.367. (in Russian)]

5. Силкова О.Г., Добровольская О.Б., Дубовец Н.И., Адонина И.Г., Кравцова Л.А., Родер М.С., Салина Е.А., Щапова А.И., Шумный В.К. Создание пшенично-ржаных замещенных линий с идентификацией хромосомного состава кариотипов методами С-бэндинга, GISH и SSR-маркеров. Генетика. 2006;42(6):793- 802. [Silkova O.G., Dobrovolskaya O.B., Dubovets N.I., Adonina I.G., Kravtsova L.A., Roder M.S., Salina E.A., Shchapova A.I., Shumny V.K. Production of wheat-rye substitution lines and identification of chromosome composition of karyotypes using C-banding, GISH, and SSR markers. Russ. J. Genet. 2006;42(6):645-653. DOI 10.1134/S1022795406060093.]

6. 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;50(3):282-290. [Silkova O.G., Kabanenko Yu.N., Loginova D.V. The effect of wheat-rye substitution on chromosome elimination: an analysis of univalents’ behavior in wheat meiosis with dimonosomy and tetramonosomy. Russ. J. Genet. 2014;50(3):245-252. DOI 10.1134/S102279541402015X.]

7. Степочкин П.И., Пономаренко В.И., Першина Л.А., Осадчая Т.С., Трубачеева Н.В. Использование отдаленной гибридизации для создания селекционного материала озимой пшеницы. Достижения науки и техники АПК. 2012;6:37-38. [Stepochkin P.I., Ponomarenko V.I., Pershina L.A., Osadchaya T.S., Trubacheeva N.V. Utilization of distant hybridization for development of breeding material of winter wheat. Dostizheniya Nauki i Tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2012;6:37-38. (in Russian)]

8. Файт В.И., Балашова И.А., Федорова В.Р., Бальвинская М.С. Идентификация генотипов Ppd-1 сортов мягкой пшеницы методами генетического и STS-ПЦР анализа. Физиология растений и генетика. 2014;46:325-336. [Fayt V.I., Balashova I.A., Fedorova V.R., Balvinskaya M.S. Identification of bread wheat Ppd-genotypes by genetic and STS-PCR analysis. Fiziologiya Rasteniy i Genetika = Plant Physiology and Genetics. 2014;46:325-336. (in Russian)]

9. Шульгин И.А., Вильфанд Р.М., Страшная А.И., Береза О.В. Энергобалансовая оценка урожайности яровых культур. Изв. ТСХА. 2015;5:61-80. [Shul’gin I.A., Vil’fand R.M., Strashnaya A.I., Bereza O.V. Energy- balance approach to evaluation of spring crops yield. Izvestiya Timiryazevskoy Selskokhozyaystvennoy Akademii = Izvestiya of Timiryazev Agricultural Academy. 2015;5:61-80. (in Russian)]

10. Щапова А.И., Кравцова Л.А. Цитогенетика пшенично-ржаных гибридов. Новосибирск: Наука, 1990. [Shchapova A.I., Kravtsova L.A. Cytogenetic of Wheat-Rye Hybrids. Novosibirsk: Nauka Publ., 1990. (in Russian)]

11. An D., Zheng Q., Zhou Y., Ma P., Lv Z., Li L., Li B., Luo Q., Xu H., Xu Y. Molecular cytogenetic characterization of a new wheat-rye 4R chromosome translocation line resistant to powdery mildew. Chromosome Res. 2013;21:419-432. DOI 10.1007/s10577-013-9366-8.

12. Badaeva E.D., Sozinova L.F., Badaev N.S., Muravenko O.V., Zelenin A.V. “Chromosomal passport” of Triticum aestivum L. em Thell. cv. Chinese Spring and standartization of chromosomal analysis of cereals. Cereal Res. Commun. 1990;18:273-281. Available at: https://www.jstor.org/stable/23783638

13. Bazhenov M.S., Divashuk M.G., Kroupin P.Yu., Pylnev V.V., Karlov G.I. The effect of 2D(2R) substitution on agronomical traits of triticale in early generations of two connected crosses. Cereal Res. Commun. 2015;43:504-514. DOI 10.1556/0806.43.2015.002.

14. Belan I.A., Rosseeva L.P., Rosseev V.M., Badaeva E.D., Zelenskiy Y.I., Blokhina N.P., Shepelev S.S., Pershina L.A. Study of adaptive and agronomic characters in lines of common wheat Omskaya 37 carrying 1RS.1BL and 7DL-7Ai translocations. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2015;5(1):41-47. DOI 10.1134/S2079059715010037.

15. Börner A., Plaschke J., Korzun V.A., Worland J. The relationships between the dwarfing genes of wheat and rye. Euphytica. 1996;89: 69-75. DOI 10.1007/BF00015721.

16. Börner A., Worland A.J., Plaschke J., Schumann E., Law C.N. Pleiotropic effects of genes for reduced height (rht) and day-length insensitivity (ppd ) on yield and its components for wheat grown in middle Europe. Plant Breed. 1993;111:204-216. DOI 10.1111/j.1439-0523.1993.tb00631.x.

17. Boros D., Lukaszewski A.J., Aniol A., Ochodzki P. Chromosome location of genes controlling the content of dietary fibre and arabinoxylans in rye. Euphytica. 2002;128:1-8. DOI 10.1023/A:1020639601959.

18. Ehdaie B., Whitkus R.W., Waines J.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. DOI 10.2135/cropsci2003.0710.

19. Feuillet C., Langridge P., Waugh R. Cereal breeding takes a walk on the wild side. Trends Genet. 2008;24:24-32. DOI 10.1016/j.tig.2007.11.001.

20. Francki M.G. Identification of Bilby, a diverged centromeric T1-copia retrotransposon family from cereal rye (Secale cereale L.). Genome. 2001;44:266-274. DOI 10.1139/g00-112.

21. Friebe B., Hatchett J.H., Sears R.G., Gill B.S. Transfer of Hessian fly resistance from Chaupon rye to hexaploid wheat via a 2BS/2RL wheat-rye chromosome translocation. Theor. Appl. Genet. 1990;79:385-389. DOI 10.1007/BF01186083.

22. Friebe B., Jiang J., Raupp W.J., McIntosh R.A., Gill B.S. Characterization of wheat-alien translocations conferring resistance to diseases and pests: current status. Euphytica. 1996;91:59-87. DOI 10.1007/BF00035277.

23. Friebe B., Zhang P., Linc G., Gill B.S. Robertsonian translocations in wheat arise by centric misdivision of univalents at anaphase I and rejoining of broken centromeres during interkinesis of meiosis II. Cytogenet. Genome Res. 2005;109:293-297. DOI 10.1159/000082412.

24. Fu S., Lv Z., Qi B., Guo X., Li J., Liu B., Han F. Molecular cytogenetic characterization of wheat – Thinopyrum elongatum addition, substitution and translocation lines with a novel source of resistance to wheat fusarium head blight. J. Genet. Genomics. 2012;39:103-110. DOI 10.1016/j.jgg.2011.11.008.

25. Heun M., Friebe B. Introgression of powdery mildew resistance from rye into wheat. Phytopathology. 1990;80:242-245. DOI 10.1094/phyto-80-242.

26. Hysing S.-C., Hsam S.L.K., Singh R.P., Huerta-Espino J., Boyd L.A., Koebner R.M.D., Cambron S., Johnson J.W., Bland D.E., Liljeroth E., Merker A. Agronomic performance and multiple disease resistance in T2BS.2RL wheat-rye translocation lines. Crop Sci. 2007; 47:254-260. DOI 10.2135/cropsci2006.04.0269.

27. Jiang J.M., Friebe B., Gill B.S. Recent advances in alien gene transfer in wheat. Euphytica. 1994;73:199-212. DOI 10.1007/BF00036700.

28. Lei M., Li G., Zhang S., Liu C., Yang Z. Molecular cytogenetic characterization of a new wheat Secale africanum 2R(a)(2D) substitution line for resistance to stripe rust. J. Genet. 2011;90:283-287. DOI 10.1007/s12041-011-0081-y.

29. Leonova I.N., Budashkina E.B. The study of agronomical traits determining productivity of Triticum aestivum/Triticum timopheevii introgression lines with resistance to fungal diseases. Russ. J. Genet.: Appl. Res. 2017;7(3):299-307. DOI 10.1134/S2079059717030091

30. Li F., Li Y., Cao L., Liu P., Geng M., Zhang Q., Qiu L., Sun Q., Xie C. Simultaneous transfer of leaf rust and powdery mildew resistance genes from hexaploid Triticale cultivar Sorento into bread wheat. Front. Plant Sci. 2018;9:85. DOI 10.3389/fpls.2018.00085.

31. Liu W., Danilova T.V., Rouse M.N., Bowden R.L., Friebe B., Gill B.S., Pumphrey M.O. Development and characterization of a compensating wheat-Thinopyrum intermedium Robertsonian translocation with Sr44 resistance to stem rust (Ug99). Theor. Appl. Genet. 2013; 126:1167. DOI 10.1007/s00122-013-2044-6.

32. Lukaszewski A.J. Reconstruction in wheat of complete chromosomes 1B and 1R from the 1RS.1BL translocation of “Kavkas” origin. Genome. 1993;36:821-824. DOI 10.1139/g93-109.

33. Marais G.F., Marais A.S. The derivation of compensating translocations involving homoeologous group 3 chromosomes of wheat and rye. Euphytica. 1994;79:75-80. DOI 10.1007/BF00023578.

34. May C.E., Appels R. Seedling lethality in wheat: a novel phenotype associated with a 2RS/2BL translocation chromosome. Theor. Appl. Genet. 1984;68:163-168. DOI 10.1007/BF00252333.

35. McIntosh R.A., Friebe B., Jiang J., The D., Gill B.S. Cytogenetical studies in wheat XVI. Chromosome location of a new gene for resistance to leaf rust in a Japanese wheat-rye translocation line. Euphytica. 1995;82:141-147. DOI 10.1007/BF00027060.

36. Merker A., Forsstrom P.O. Isolation of mildew resistant wheat-rye translocations from a double substitution line. Euphytica. 2000;115: 167-172. DOI 10.1023/A:1004018500970.

37. Mujeeb-Kazi A., Kazi A.G., Dundas I., Rasheed A., Ogbonnaya F., Kishi M., Bonnett D., Wang R.R.-C., Xu S., Chen P., Mahmood T., Bux H., Farrakh S. Genetic diversity for wheat improvement as a conduit to food security. Adv. Agron. 2013;122:179-257. DOI 10.1016/B978-0-12-417187-9.00004-8.

38. Pershina L.A., Belova L.I., Trubacheeva N.V., Osadсhaya T.S., Shumny V.K., Belan I.A., Rosseeva L.P., Nemchenko V.V., Abakumov S.N. Alloplasmic recombinant lines (H. vulgare)-T. aestivum with 1RS.1BL translocation: initial genotypes for production of common wheat varieties. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(5):544-552. DOI 10.18699/VJ18.393.

39. Rasheed A., Mujeeb-Kazi A., Ogbonnaya F.C., He Z., Rajaram S. Wheat genetic resources in the post-genomics era: promise and challenges. Ann. Bot. 2018;121:603-616. DOI 10.1093/aob/mcx148.

40. Ren T., Tang Z., Fu S., Yan B., Tan F., Ren Z., Li Z. Molecular cytogenetic characterization of novel wheat-rye T1RS.1BL translocation lines with high resistance to diseases and great agronomic traits. Front. Plant Sci. 2017;8:799. DOI 10.3389/fpls.2017.00799.

41. Schlegel R. Current List of Wheats with Rye and Alien Introgression. Version 08.19. 2019. Available at: http://www.rye-gene-map.de/ryeintrogression

42. Silkova O.G., Ivanova Y.N., Krivosheina E.A., Bondarevich E.B., Solovey L.A., Sycheva E.A., Dubovets N.I. Wheat chromosome instability in the selfed progeny of the double monosomics 1Rv-1A. Biol. Plant. 2018;62:241-249. DOI 10.1007/s10535-017-0757-0.

43. Timonova E.M., Leonova I.N., Röder M.S., Salina E.A. Marker-assisted development and characterization of a set of Triticum aestivum lines carrying different introgressions from the T. timopheevii genome. Mol. Breed. 2013;31:123-136. DOI 10.1007/s11032-012-9776-x.

44. Zhang P., Friebe B., Gill B., Park R.F. Cytogenetics in the age of molecular genetics. Crop Pasture Sci. 2007;58:498-506. DOI 10.1071/AR07054.

45. Zhang P., Wanlong L., Fellers J., Friebe B., Gill B.S. BAC-FISH in wheat identifies chromosome landmarks consisting of different types of transposable elements. Chromosoma. 2004;112:288-299. DOI 10.1007/s00412-004-0273-9.