Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

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

https://doi.org/10.18699/VJ21.061

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. Шаманин
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Россия

Омск



П. Флис
Ноттингемский университет
Великобритания

Ноттингем



Т. В. Савин
Казахский научно-исследовательский институт земледелия и растениеводства
Казахстан

Алмалыбак, Алматинская область



С. С. Шепелев
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Россия

Омск



О. Г. Кузьмин
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Россия

Омск



А. С. Чурсин
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Россия

Омск



И. В. Потоцкая
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Россия

Омск



И. Е. Лихенко
Сибирский научно-исследовательский институт растениеводства и селекции – филиал Федерального научного центра Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



И. Ю. Кушниренко
Челябинский научно-исследовательский институт сельского хозяйства
Россия

Челябинск



А. А. Казак
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Россия

Тюмень



В. А. Чудинов
Карабалыкская сельскохозяйственная опытная станция
Казахстан

пос. Карабалык, Костанайская область



Т. В. Шелаева
Научно-производственный центр зернового хозяйства им. А.И. Бараева
Казахстан

пос. Шортанды, Акмолинская область



А. И. Моргунов
Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН
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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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). DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1021/acs.jafc.9b01829.


Рецензия

Просмотров: 837


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-3259 (Online)