Влияние разных типов стерильных цитоплазм (А3, А4, 9Е) на комбинационную способность ЦМС-линий сорго

Изучение влияния цитоплазмы на комбинационную способность (КС) линий с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) представляет значительный интерес в плане понимания генетических функций цитоплазмы у растений и в практических целях для создания гибридов с улучшенными хозяйственно ценными признаками. С целью выяснения характера влияния разных типов стерильных цитоплазм (А3, А4, 9Е) на КС у сорго исследовали проявление ряда агрономически ценных признаков у 54 гибридных комбинаций F1, полученных с использованием в качестве материнских родителей изоядерных ЦМС-линий, созданных на основе линии Желтозерное 10 и различающихся только типами стерильных цитоплазм (А3, А4 и 9Е). В качестве отцовских родителей были 18 сортов и линий зернового сорго селекции Российского НИИ сорго и кукурузы. Комбинационную способность определяли методом топкросса. Родительские компоненты и гибриды F1 выращивали в 2015–2017 гг. в условиях недостаточной (2015–2016 гг.: гидротермический коэффициент (ГТК) = 0.32–0.66) либо хорошей (2017 г.: ГТК = 1.00) влагообеспеченности. В среднем за три года испытаний выявлены положительное влияние цитоплазмы 9Е на общую комбинационную способность (ОКС) по длине соцветия (0.63) и отрицательные эффекты цитоплазм А3 и А4 (–0.32 и –0.31) на ОКС по этому признаку. В засушливые сезоны отмечены значимые положительные эффекты цитоплазмы 9Е на ОКС по длине наибольшего листа, цитоплазмы А3 – на ОКС по высоте растений и отрицательное влияние цитоплазмы А4 на эти признаки. Во влажный сезон различия отсутствовали. Тип ЦМС не оказывал влияния на ОКС по ширине наибольшего листа и урожайности зерна. Дисперсия специфической комбинационной способности (СКС) в засушливые сезоны оказалась значимой для следующих признаков: длина листа, высота растений, длина и ширина метелки, урожайность. При этом линия с цитоплазмой 9Е отличалась наиболее высокими показателями дисперсии СКС, тогда как линия с цитоплазмой А4 – наименьшими. Полученные данные свидетельствуют, что разные типы стерильных цитоплазм сорго вносят различный вклад в КС в условиях засухи. 

1. Amiribehzadi A., Satyavathi C.T., Singh S.P., Bharadwaj C., Singh M.P. Estimation of heterosis in diverse cytoplasmic male sterile sources of pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) Br. R). Ann. Agric. Res. New Series. 2012;33(4):220-227.

2. Aruna C., Shrotria P.K., Pahuja S.K., Umakanth A.V., Bhat B.V., Devender A.V., Patil J.V. Fodder yield and quality in forage sorghum: scope for improvement though diverse male sterile cytoplasms. Crop Pasture Sci. 2013;63(12):1114-1123. DOI 10.1071/CP12215.

3. Atienza S.G., Martin A.C., Ramírez M.C., Martin A., Ballesteros J. Effect of Hordeum chilense cytoplasm on agronomic traits in common wheat. Plant Breed. 2007;126:5-8. DOI 10.1111/j.1439-0523.2007.01319.x.

4. Ba Q., Zhang G., Niu N., Ma S., Wang J. Cytoplasmic effects on DNA methylation between male sterile lines and the maintainer in wheat (Triticum aestivum L.). Gene. 2014;549:192-197.

5. Bychkova V.V., Elkonin L.A. The effect of the type of sterile cytoplasm on the photosynthetic parameters of the grain sorghum hybrids. Zernovoye Khozjaistvo Rossii = Grain Economy of Russia. 2016;4(46): 5-8. (in Russian)

6. Bychkova V.V., Elkonin L.A. Effect of the sterile cytoplasm type on grain yield, biomass, and protein content in grain sorghum hybrids. Tavricheskiy Vestnik Agrarnoy Nauki = Taurida Herald of the Agrarian Sciences. 2017;1(9):37-44. (in Russian)

7. Chakrabarty S.K., Maity A., Yadav J.V. Influence of cyto-sterility source of female line on seed quality of Indian mustard (Brassica juncea L. Czern & Coss.) in relation to storage period. Plant Breed. 2015;134(3):333-337. DOI 10.1111/pbr.12267.

8. Chandra-Shekara A.C., Prasanna B.M., Singh B.B., Unnikrishan K.V., Seetharam A. Effect of cytoplasm and cytoplasm-nuclear interaction on combining ability and heterosis for agronomic traits in pearl millet {Pennisetum glaucum (L.) Br. R}. Euphytica. 2007;153:15-26. DOI 10.1007/s10681-006-9194-4.

9. Dahlberg J.A., Madera-Torres P. Restorer reaction in A1 (AT 623), A2 (A2T 632), and A3 (A3SC 103) cytoplasms to selected accessions from the Sudan sorghum collection. Int. Sorghum Millet Newsl. 1977;38:43-58.

10. Elkonin L., Kibalnik O., Zavalishina A., Gerashchenkov G., Rozhnova N. Genetic function of cytoplasm in plants with special emphasis on sorghum. In: Dejesus C., Trask L. (Eds.). Chloroplasts and Cytoplasm. Structure and Function. New York: Nova Science Publ., 2018.

11. Elkonin L.A., Kozshemyakin V.V., Ishin A.G. Using new types of CMS-inducing cytoplasm to create precocious sorghum lines with male sterility. Doklady Rossiyskoy Akademii Selskokhozyaystvennykh Nauk = Proceedings of the Russian Academy of Agricultural Sciences. 1997;2:7-9. (in Russian)

12. Fujii S., Toriyama K. Genome barriers between nuclei and mitochondria exemplified by cytoplasmic male sterility. Plant Cell Physiol. 2008;49:1484-1494.

13. Frankovskaya M.T., Papazov D.Yu., Ognyanik L.G. The influence of different types of CMS on the performance of hybrids. Kukuruza i Sorgo = Maize and Sorghum. 1995;3:4-5. (in Russian)

14. Gorbunov V.S., Kostina G.I., Ishin A.G., Kolov O.V., Zhuzhukin V.I., Semin D.S., Efremova I.G., Lyascheva S.V., Kibalnik O.P., Revyakin E.L. Resource-Saving Technology of Grain Sorghum Production. Moscow, 2012. (in Russian)

15. Jan C., Seiler G., Hammond J.J. Effect of wild Helianthus cytoplasms on agronomic and oil characteristics of cultivated sunflower (Helianthus annuus L.). Plant Breed. 2014;133(2):262-267. DOI 10.1111/pbr.12151.

16. Kabanova E.M., Kazakova V.V., Sivovol A.A. The influence of cytoplasmic male sterility on panicle length and the height of ear attachment in maize. Trudy Kubanskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta = Proceeding of the Kuban State Agrarian University. 2015;57:84-88. (in Russian)

17. Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V., Shapturenko M.N. Theoretical aspects of heterosis. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(4):482-492. DOI 10.18699/VJ16.174. (in Russian)

18. Kibalnik O.P., Elkonin L.A. Effect of sterile cytoplasm type on economically-valuable traits of the sorghum-sudangrass hybrids. Doklady Rossiyskoy Akademii Selskokhozyaystvennykh Nauk = Proceedings of the Russian Academy of Agricultural Sciences. 2012;1:12-15. (in Russian)

19. Kibalnik O.P., Kostina G.I., Semin D.S. Plasticity and stability аssessment the grain sorghum under the conditions of Saratov region. Agrarnyy Vestnik Yugo­Vostoka = Agrarian Reporter of SouthEast. 2010;3-4:64-67. (in Russian)

20. Kibalnik O.P., Semin D.S. Using A3, A4, and 9E СSM types in breeding grain sorghum hybrids. Russian Agricultural Sciences. 2018;44: 516-520. DOI 10.3103/S1068367418060071.

21. Kibalnik O., Semin D., Gorbunov V., Zhuzhukin V., Efremova I., Kukoleva S., Starchak V., Arhipov A., Kameneva O. Directions of breeding of grain sorghum in the Low Volga region of Russia. In: Agrobiodiversity for Improving Nutrition, Health and Life Quality. 2017;1: 226-229. DOI 10.15414/agrobiodiversity.2017.2585-8246.226-229.

22. Kilchevsky A.V., Khotyleva L.V., Tarutina L.A., Shapturenko M.N. Heterosis in breeding of agricultural plants. In: Molecular and Applied Genetics. V. 8. Minsk, 2008;7-25. (in Russian)

23. Kishan A.G., Borikar S.T. Line × tester analysis involving diverse cytoplasm system in sorghum. Plant Breed. 1989;102(2):153-157. DOI 10.1111/j.1439-0523.1989.tb00329.x.

24. Martynov S.P. Statistical and Biometrical Genetic Analysis in Crop Production and Breeding: A Software package. Tver, 1999. (in Russian)

25. Methods of State Variety Testing of Agricultural Crops. V. 2. Moscow, 1989. (in Russian)

26. Moran J.L., Rooney W.L. Effect of cytoplasm on the agronomic performance of grain sorghum hybrids. Crop Sci. 2003;43(3):777-781. DOI 10.2135/cropsci2003.0777.

27. Pujiar M., Govindaraj M., Gangaprasad S., Kanatti A. Effect of isonuclear-alloplasmic cytoplasmic male sterility on grain yield in pearl millet. Indian J. Genet. 2019;79(Suppl. 1):141-149. DOI 10.31742/IJGPB.79S.1.3.

28. Ramesh S., Reddy B.V.S., Reddy S., Ramaiah B. Influence of cytoplasmic-nuclear male sterility on agronomic performance of sorghum hybrids. Int. Sorghum Millet Newslett. 2006;47:21-25.

29. Reddy B.V.S., Ramesh S., Reddy P.S., Kumar A.A. Male-sterility inducing cytoplasmic effect on combining ability in sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Indian J. Genet. Plant Breed. 2009; 69(3):199-204.

30. Reddy B.V.S., Ramesh S., Reddy P.S., Ramaiach B. Combining ability and heterosis as influenced by male-sterility inducing cytoplasms in sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]. Euphytica. 2007;154: 153-164. DOI 10.1007/s10681-006-9281-6.

31. Savchenko V.K. A method for assessing the combinational ability of genetically heterogeneous sets of parental forms. In: Methods of Breeding and Genetic Experiments. Minsk, 1973. (in Russian)

32. Tao D., Xu P., Zhou J., Deng X., Li J., Deng W., Yang J., Yang G., Li Q., Hu F. Cytoplasm affects grain weight and filled-grain ratio in indica rice. BMC Genet. 2011;12:53. DOI 10.1186/1471-2156-12-53.

33. Torres-Cardona S., Sotomayor-Rios A., Quiles Belen A., Schertz K.F. Fertility restoration to A1, A2, and A3 cytoplasm systems of converted sorghum lines. Texas Agric. Exp. Stn. 1990;MP-1721:1-11.

34. Tuteja O.P., Banga M. Effect of cytoplasm on heterosis for agronomic traits in upland cotton (Gossypium hirsutum). Indian J. Agric. Sci. 2011;81(11):1001-1007.

35. Tyagi V., Dhillon S.K. Cytoplasmic effect on combining ability for agronomic traits in sunflower under different irrigation regimes. SABRAO J. Breed Genet. 2016;48(3):295-308.

36. Urban E.P., Hardzei S.I. Use of CMS of P- and G-types in breeding and seed growing of heterotic winter rye (Secale cereale L.) F1 hybrids. Zemledeliye i Selektsiya v Belarusi = Agriculture and Breeding in Belarus. 2013;49:291-299. (in Russian)

37. Williams-Alanís H., Rodríguez-Herrera R. Сombining ability on isogenic sorghum in A1 and A2 cytoplasm. Int. Sorghum Millets Newsl. 1994;35:75.

38. Worstell J.V., Kidd H.J., Schertz K.F. Relationships among malesterility inducing cytoplasms of sorghum. Crop Sci. 1984;24(1): 186-189.

39. Xu P., Yan W., He J., Li Y., Zhang H., Peng H., Wu X. DNA methylation affected by male sterile cytoplasm in rice (Oryza sativa L.). Mol. Breed. 2013;31:719-727.

40. Yaakov B., Kashkush K. Methylation, transcription, and rearrangements of transposable elements in synthetic allopolyploids. Int. J. Plant Genom. 2011;2011:569826:7. DOI 10.1155/2011/569826.

41. Young J.B., Virmani S.S. Effects of cytoplasm on heterosis and combining ability for agronomic traits in rice (Oryza sativa L.). Euphytica. 1990;48:177-188.

42. Zavalishina A.N., Tyrnov V.S. The starting mechanism for paramutation: cytoplasm as a factor. Maize Gen. Coop. Newslett. 2003;77: 66-67.

43. Zavalishina A.N., Tyrnov V.S. Cytoplasm-induced paramutations in maize. In: 52nd Annual Maize Genetics Conference. Riva del Garda (Trento), March 18–21, 2010. Riva del Garda (Trento). 2010;165.