Генотипическая и экологическая изменчивость содержания цинка в зерне сортов яровой мягкой пшеницы международного питомника КАСИБ













https://doi.org/10.18699/VJ21.061
- Р Р‡.МессенРТвЂВВВВВВВВжер
- РћРТвЂВВВВВВВВнокласснРСвЂВВВВВВВВРєРСвЂВВВВВВВВ
- LiveJournal
- Telegram
- ВКонтакте
- РЎРєРѕРїРСвЂВВВВВВВВровать ссылку
Полный текст:
Аннотация
Яровая мягкая пшеница является основной культурой в Западной Сибири и Казахстане, где значительная доля производимого зерна идет на экспорт. Селекция пшеницы на повышенное содержание цинка в зерне – наиболее рентабельный и экологичный способ решения проблемы дефицита цинка в рационе питания. Цель настоящей работы – установить вклад факторов «пункт» и «генотип» в изменчивость содержания цинка в зерне пшеницы и выделить лучшие сорта в качестве источников данного признака для селекции. Исследования по скринингу накопления цинка в зерне пшеницы 49 сортов яровой мягкой пшеницы из питомника КАСИБ-18 проведены в четырех пунктах России (Челябинск, Омск, Тюмень, Новосибирск) и двух пунктах Казахстана (Карабалык и Шортанды) в течение 2017–2018 гг. Содержание цинка в зерне определяли на факультете иономики Университета г. Ноттингем в рамках проекта EPPN-2020. Результаты дисперсионного анализа показали, что основной вклад в общее фенотипическое варьирование признака вносил фактор «пункт» (38.7 %) вследствие разного содержания цинка в почве и влагообеспеченности в пунктах испытания; влияние факторов «год» и «генотип» составило 13.5 и 8.0 % соответственно. Наиболее благоприятные экологические условия для получения зерна пшеницы с повышенным содержанием цинка сложились в Омской области, где в среднем по всем сортам содержание цинка было равно 50.4 мг/кг, а у лучшего сорта ОмГАУ 100 – 63.7 мг/кг. Эти показатели выше целевых значений международной программы Harvest Plus. Выделены лучшие сорта – Новосибирская 16 (49.4 мг/кг), Силач (48.4 мг/кг), Линия 4-10-16 (47.2 мг/кг), Элемент 22 (46.3 мг/кг) и Лютесценс 248/01 (46.0 мг/кг). В Западно-Сибирском регионе выявлены значительные потенциальные возможности производства зерна пшеницы с повышенным содержанием цинка, востребованного для получения хлеба и кондитерских продуктов с функциональными свойствами.
Об авторах
В. П. ШаманинРоссия
Омск
П. Флис
Великобритания
Ноттингем
Т. В. Савин
Казахстан
Алмалыбак, Алматинская область
С. С. Шепелев
Россия
Омск
О. Г. Кузьмин
Россия
Омск
А. С. Чурсин
Россия
Омск
И. В. Потоцкая
Россия
Омск
И. Е. Лихенко
Россия
Новосибирск
И. Ю. Кушниренко
Россия
Челябинск
А. А. Казак
Россия
Тюмень
В. А. Чудинов
Казахстан
пос. Карабалык, Костанайская область
Т. В. Шелаева
Казахстан
пос. Шортанды, Акмолинская область
А. И. Моргунов
Саудовская Аравия
Рияд
Список литературы
1. Abugalieva A., Flis P., Shamanin V., Savin T., Morgounov A. Ionomic analysis of spring wheat grain produced in Kazakhstan and Russia. Commun. Soil Sci. Plant. Anal. 2020. Available at: https://www.tandfonline.com. https://doi.org/10.1080/00103624.2020.1865398.
2. Abugaliyeva A.I., Savin T.V. The wheat introgressive form evaluation by grain biochemical and technological properties. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(3):353-362. https://doi.org/10.18699/VJ18.371. (in Russian)
3. Azarenko Yu.A., Ermohin Yu.I., Aksenova Yu.V. Zinc in soils of agrocenosis of Omsk Region and efficiency of zinc fertilizers application. Zemledelije = Agriculture. 2019;2:13-17. https://doi.org/10.24411/0044-3913-2019-10203. (in Russian)
4. Bhatta M., Shamanin V., Shepelev S., Baenziger S., Pozherukova V., Pototskaya I., Morgounov A. Marker-trait associations for enhancing agronomic performance, disease resistance, and grain quality in synthetic and bread wheat accessions in Western Siberia. G3: Genes Genom. Genet. 2019;9(12):4209-4222. https://doi.org/10.1534/g3.119.400811.
5. Björck I., Östman E., Kristensen M., Anson N.M., Price R.K., Haenen G.R.M., Havenaar R., Knudsen K.E.B., Frid A., Mykkanen H., Welch R.W., Riccardi G. Cereal grains for nutrition and health benefits: overview of results from in vitro, animal and human studies in the HEALTHGRAIN project. Trends Food Sci. Technol. 2012; 25(2):87-100.
6. Bouis H. Enrichment of food staples through plant breeding: a new strategy for fighting micronutrient malnutrition. SCN News. 1995; 12:15-19. PMID: 12346314.
7. Bouis H.E., Hotz C., McClafferty B., Meenakshi J.V., Pfeiffer W.H. Biofortification: a new tool to reduce micronutrient malnutrition. Food Nutr. Bull. 2011;32:31S-40S.
8. Cakmak I., Torun A., Millet E., Feldman M., Fahim T., Korol A., Nevo E., Braun H.J., Ozkan H. Triticum dicoccoides: an important genetic resource for increasing zinc and iron concentration in modern cultivated wheat. Soil Sci. Plant Nutr. 2004;50:1047-1054.
9. Chen X.-P., Zhang Y.-Q., Tong Y.-P., Xue Y.-F., Liu D.-Y., Zhang W., Deng Y., Meng Q.-F., Yue S.-C., Yan P., Cui Z.-L., Shi X.-J., Guo S.-W., Sun Y.-X., Ye Y.-L., Wang Z.-H., Jia L.-L., Ma W.-Q., He M.-R., Zhang X.-Y., Kou C.-L., Li Y.-T., Tan D.-S., Cakmak I., Zhang F.-S., Zou C.-Q. Harvesting more grain zinc of wheat for human health. Sci. Rep. 2017;7:7016. https://doi.org/10.1038/s41598-01707484-2.
10. Genc Y., Verbyla A.P., Torun A.A., Cakmak I., Willsmore K., Wallwork H., McDonald G.K. Quantitative trait loci analysis of zinc efficiency and grain zinc concentration in wheat using whole genome average interval mapping. Plant Soil. 2009;314:49-66. https://doi.org/10.1007/s11104-008-9704-3.
11. Gomez-Becerra H.F., Morgunov A.I., Abugalieva A.I. Evaluation of the germplasm through the Kazakhstan-Siberian network of spring wheat improvement: I. Genotype × environment interactions and site classification for grain yield and grain protein content. Austr. J. Agric. Res. 2007;4:649-660.
12. Gordeeva E., Shamanin V., Shoeva O., Kukoeva T., Morgounov A., Khlestkina E. The strategy for marker-assisted breeding of anthocyanin-rich spring bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in Western Siberia. Agronomy. 2020;10:1603. https://doi.org/10.3390/agronomy10101603.
13. Govindan V., Singh R.P., Crespo-Herrera L., Juliana Ph., Dreisigacker S., Valluru R., Stangoulis J., Sohu V.S., Mavi G.S., Mishra V.K., Balasubramaniam A., Chatrath R., Gupta V., Singh G.P., Joshi A.K. Genetic dissection of grain zinc concentration in spring wheat for mainstreaming biofortification in CIMMYT wheat breeding. Sci. Rep. 2018;8:13526. https://doi.org/10.1038/s41598-018-31951-z.
14. Guttieri M.J., Seabourn B.W., Liu C., Baenziger P.S., Waters B.M. Distribution of cadmium, iron, and zinc in millstreams of hard winter wheat (Triticum aestivum L.). J. Agric. Food Chem. 2015;63:10681-10688. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b04337.
15. Khlestkina E.K., Shoeva O.Y., Gordeeva E.I., Otmakhova Y.S., Usenko N.I., Tikhonova M.A., Tenditnik M.V., Amstislavskaya T.G. Anthocyanins in wheat grain: genetic control, health benefit and breadmaking quality. In: Current Challenges in Plant Genetics, Genomics, Bioinformatics, and Biotechnology: Proceed. of the Fifth Int. Sci. Conf. PlantGen2019 (June 24-29, 2019, Novosibirsk, Russia). Novosibirsk, 2019;5-18. https://doi.org/10.18699/ICG-PlantGen2019-02.
16. Krishnappa G., Singh A.M., Chaudhary S., Ahlawat A.K., Singh S.K., Shukla R.B., Jaiswa J.P., Singh G.P., Solanki I.S. Molecular mapping of the grain iron and zinc concentration, protein content and thousand kernel weight in wheat (Triticum aestivum L.). PLoS One. 2017;12(4):e0174972. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0174972.
17. Listman M., Guzman C., Palacios-Rojas N., Pfeiffer W.H., San Vicente F., Govindan V. Improving nutrition through biofortification: preharvest and postharvest technologies. Cereal Foods World. 2019; 64(3). https://doi.org/10.1094/CFW-64-3-0025.
18. Liu H., Wang Z.H., Li F., Li K., Yang N., Yang Y., Huang D., Liang D., Zhao H., Mao H., Liu J., Qiu W. Grain iron and zinc concentrations of wheat and their relationships to yield in major wheat production areas in China. Field Crops Res. 2014;156:151-160. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2013.11.011.
19. Methods of State Crop Variety Trial. Iss. 2: Сereals, legumes, maize, and fodder crops. Moscow, 1989. (in Russian)
20. Mitrofanova O.P., Khakimova A.G. New genetic resources in wheat breeding for an increased grain protein content. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2017;7:477-487. https://doi.org/10.1134/S2079059717040062.
21. Morgоunov A., Gomez-Becerra H.F., Abugalieva A. Iron and zinc concentration in grain of spring bread wheat from Kazakhstan and Siberia. Agromeridian. 2006;1(2):5-16.
22. Morgunov A.I., Gomez-Becerra H.F., Abugalieva A.I., Dzhunusova M., Yessimbekova M.A., Muminjanov H., Zelenskiy Y., Ozturk L., Cakmak Y. Iron and zinc grain density in common wheat grown in Central Asia. Euphytica. 2007;155:193-203. https://doi.org/10.1007/s10681-006-9321-2.
23. Murphy K.M., Reeves P.G., Jones S.S. Relationship between yield and mineral nutrient concentrations in historical and modern spring wheat cultivars. Euphytica. 2008;163:381-390. https://doi.org/10.1007/s10681-008-9681-x.
24. Peleg Z., Cakmack I., Ozturk L., Yazici A., Jun Y., Budak H., Korol A.B., Fahima T., Saranga Y. Quantitative trait loci conferring grain mineral nutrient concentrations in durum wheat × wild emmer wheat RIL population. Theor. Appl. Genet. 2009;119:353-369. https://doi.org/10.1007/s00122-009-1044-z.
25. Qi Y.T., Zhou S.N., Zhang Q., Yang L.X. The effect of foliar Zn application at grain filling stage on Zn bioavailability in grain fractions of modern winter wheat cultivars. J. Agro Environ. Sci. 2013;32: 1085-1091.
26. Saleh A.S.M., Wang P., Wang N., Yang S., Xiao Z. Technologies for enhancement of bioactive components and potential health benefits of cereal and cereal-based foods: research advances and application challenges. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2019;59(2):207-227. https://doi.org/10.1080/10408398.2017.1363711.
27. Savin T.V., Abugaliyeva A.I., Cakmak I., Kozhakhmetov K. Mineral composition of wild relatives and introgressive forms in wheat selection. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(1):88-96. https://doi.org/10.18699/VJ18.335. (in Russian)
28. Selyaninov G.T. Fundamentals of agroclimatic zoning of the USSR. In: Issues of Agroclimatic Zoning in the USSR. Моscow, 1958. (in Russian)
29. Singh B., Natesan S.K.A., Singh B.K., Usha K. Improving zinc efficiency of cereals under zinc deficiency. Curr. Sci. 2005;88:36-44.
30. Singh R.P., Velu G. Zinc-biofortified wheat: harnessing genetic diversity for improved nutritional quality. Sci. Brief: Biofort. 2017. Available at: http://www.harvestplus.org/sites/default/files/publications/ScienceBrief-Biofortification-1_ZincWheat_May2017.pdf
31. Uauy C., Distelfeld A., Fahima T., Blechl A., Dubcovsky J. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zinc, and iron content in wheat. Science. 2006;314(5803):1298-1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649.
32. Velu G., Crespo-Herrera L., Huert J., Payne T., Guzman C., Singh R.P. Assessing genetic diversity to breed competitive biofortified wheat with increased grain Zn and Fe concentrations. Front. Plant Sci. 2019;9:1971. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01971.
33. Velu G., Ortiz-Monasterio I., Cakmak I., Hao Y., Singh R.P. Biofortification strategies to increase grain zinc and iron concentrations in wheat. J. Cereal Sci. 2014;59:365-372.
34. Velu G., Singh R.P., Huerta-Espino J., Peña R.J. Breeding for enhanced zinc and iron concentration in CIMMYT spring wheat germplasm. Czech J. Genet. Plant Breed. 2011;47:S174-S177. https://doi.org/10.17221/3275-CJGPB.
35. Verma S.K., Kumar S., Sheikh I., Malik S., Mathpal P., Chugh V., Kumar S., Prasad R., Dhaliwal H.S. Transfer of useful variability of high grain iron and zinc from Aegilops kotschyi into wheat through seed irradiation approach. Int. J. Radiat. Biol. 2016;92(3):132-139. https://doi.org/10.3109/09553002.2016.1135263.
36. Volkov A.V. The efficiency of various application methods, forms, and dozes of zinc fertilizers for spring wheat grown on sod-podzolic soils. Dr. Sci. Diss. (Biol.). Moscow, 2015. (in Russian)
37. Wang J.W., Kong F., Liu R., Fan Q., Zhang X. Zinc in wheat grain, processing, and food. Front. Nutr. 2020;7:124. https://doi.org/10.3389/fnut.2020.00124.
38. Waters B.M., Uauy C., Dubcovsky J., Grusak M.A. Wheat (Triticum aestivum) NAM proteins regulate the translocation of iron, zinc, and nitrogen compounds from vegetative tissues to grain. J. Exp. Bot. 2009;60:4263-4274.
39. Welch R.M., Graham R.D. Breeding crops for enhanced micronutrient content. Plant Soil. 2002;245:205-214.
40. WHO. The World Health Report. Geneva: World Health Organization. Accessed June 1, 2017.
41. Xu Y., Diaoguo A., Dongcheng L., Aimin Z., Hongxing X., Bin L. Molecular mapping of QTLs for grain zinc, iron and protein concentration of wheat across two environments. Field Crops Res. 2012;138: 57-62.
42. Zou C., Du Y., Rashid A., Ram H., Savasli E., Pieterse P.J., Ortiz-Monasterio I., Yazici A., Kaur C., Mahmood K., Singh S., Le Roux M.R., Kuang W., Onder O., Kalayci M., Cakmak I. Simultaneous biofortification of wheat with zinc, iodine, selenium, and iron through foliar treatment of a micronutrient cocktail in six countries. J. Agric. Food Chem. 2019;67(29):8096-8106. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b01829.