Symbiotic nitrogen fixation in legumes as a genetic and selection trait
https://doi.org/10.18699/VJ15.005
Abstract
The results of long-term studies on legume symbiogenetics and breeding are summarized by the example of pea Pisum sativum L. A collection of symbiotic mutants was developed by chemical and radiational mutagenesis of pea varieties and genetically characterized. Various sym genes were recognized. From the large set, supernodulating (proved to be recessive) and dominant hypernodulating types of symbiotic mutants were chosen for breeding programs. Varieties differed dramatically in hypernodulation degree. Aiming at nitrogen fixation intensification, accessions bearing recessive genes for supernodulation (nod4) and dominant genes for hypernodulation (Nod5) were selected. The recurrent method of symbiotic mutants utilization in pea breeding for nitrogen fixation intensification was developed. The best results were obtained by combining two sym genes in one pea genotype: the dominant hypernodulation gene Nod5 and the recessive supernodulation gene nod4. A set of recurrent lines tagged with both these genes was raised to use in breeding programs as donors of intense nitrogen fixation combined with good performance. In addition, they are good preceding crops. After their harvesting, soil accumulates large amounts of nitrogen-rich root and bacterial biomass. The nitrogen is preserved for years, whereas mineral nitrogen is rapidly washed out with precipitation. Endemic pea accessions originated from various regions can be successful starting material in breeding for nitrogen fixation intensification, accessions from Egypt and Syria having provided best results. Nodulation and nitrogen fixation intensities were assessed in seven cultivars derived from three promising pea lines raised at the Siberian Research Institute of Plant Breeding and Selection.
About the Authors
K. K. Sidorova
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia;
Russian Federation
Russian Federation
M. N. Glyanenko
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia;
Russian Federation
Russian Federation
T. M. Mishchenko
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia;
Russian Federation
Russian Federation
E. Yu. Vlasova
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia;
Russian Federation
Russian Federation
V. K. Shumny
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia;
Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Биологическая фиксация азота (Отв. ред. В.К. Шумный, К.К. Сидорова). Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние СССР, 1991.
2. Борисов А.Ю., Штарк О.Ю., Жуков В.А., Неманкин Т.А., Наумкина Т.С., Пинаев А.Г., Ахтемова Г.А., Ворошилова В.А., Овчинникова Е.С., Рычагова Т.С., Цыганов В.Е., Жернаков А.И., Кузнецова Е.В., Гришина О.А., Сулима А.С., Федорина Я.В., Чеботарь В.К., Бисселинг Т., Лемансо Ф., Джианиназзи-Пирсон В., Ратэ П., Санхуан Х., Стоугаард Й., Берг Г., Макфи К., Эллис Н., Тихонович И.А. Взаимодействие бобовых с полезными почвенными микроорганизмами: от генов растений к сортам. С.-х. биология. 2011;3:41-47.
3. Омельянюк Л.В., Сидорова К.К., Шумный В.К. Изучение симбиотических признаков – нодуляции и азотфиксации – у районированных сортов и перспективных линий гороха (Pisum sativum L.) при выращивании растений на двух фонах питания азотом. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(3): 202-207.
4. Сидорова К.К., Гончарова А.В., Гончаров П.Л., Шумный В.К. Селекция кормового гороха (Pisum sativum L.) на повышение азотфиксации с использованием симбиотических мутантов. С.-х. биология. 2012;1:105-109.
5. Сидорова К.К., Назарюк В.М., Шумный В.К., Кленова М.И. Новая модель для определения эффективности бобово-ризобиального симбиоза. Докл. АН. 2001;380(2):283-285.
6. Сидорова К.К., Столярова С.Н., Катышева В.Б. Азотфиксирующая активность у мутантов гороха. Генетика. 1987;23(7): 1218-1221.
7. Сидорова К.К., Ужинцева Л.П. Локализация мутантного гена nod4, контролирующего супернодуляцию у гороха. Докл. АН. 1994;336(6):847-849.
8. Сидорова К.К., Шумный В.К. Новый ген гороха (Pisum sativum L.) Nod5-nod5, контролирующий нодуляцию. Докл. АН. 1997; 353(5):703-704.
9. Сидорова К.К., Шумный В.К. Генетика симбиотической азотфиксации и основы селекции для самоопыляющихся бобовых культур (на примере Pisum sativum L.). Генетика. 1999;35(11):1550-1557.
10. Сидорова К.К., Шумный В.К., Мищенко Т.М. Хромосомная локализация гена Nod5, контролирующего нодуляцию у гороха. Докл. АН. 1999;367(6):851-852.
11. Сидорова К.К., Шумный В.К. Создание и генетическое изучение коллекции симбиотических мутантов гороха (Pisum sativum L.). Генетика. 2003;39(4):501-509.
12. Сидорова К.К., Шумный В.К. Симбиотические мутанты гороха (Pisum sativum L.) – важный генетический источник для селекции на повышение азотфиксации. Докл. АН. 2014;454(5): 612-614.
13. Сидорова К.К., Шумный В.К., Власова Е.Ю., Гляненко М.Н, Мищенко Т.М., Майстренко Г.Г. Симбиогенетика и селекция макросимбионта на повышение азотфиксации на примере гороха (Pisum sativum L.). Информационный вестник ВОГиС. 2010б;14(2):357-374.
14. Сидорова К.К., Шумный В.К., Гляненко М.Н., Власова Е.Ю., Мищенко Т.М. Генетический потенциал местных эндемичных форм гороха Pisum sativum L. по признакам азотфиксации и продуктивности. Генетика. 2014;50(1):35-43.
15. Сидорова К.К., Шумный В.К., Гончарова А.В., Гончаров П.Л. Использование симбиотических мутантов гороха для повышения нодуляции и азотфиксации. Докл. АН. 2010а;434(3): 427-429.
16. Тихонович И.А., Алисова С.М., Четкова С.А., Берестецкий О.А. Повышение эффективности азотфиксации путем отбора линий гороха по активности нитрогеназы. С.-х. биология. 1987;2:29-34.
17. Тихонович И.А., Проворов Н.А. Сельскохозяйственная микробиология как основа экологически устойчивого агропроизводства: фундаментальные и прикладные аспекты. С.-х. биология. 2011;3:3-9.
18. Холодарь А.В., Сидорова К.К., Шумный В.К. Уровень индолил-3-уксусной кислоты и гиббереллинов в корнях симбиотических мутантов гороха (Pisum sativum L.). Генетика. 2001;37(11):1517-1521.
19. Штарк О.Ю., Данилова Т.Н., Наумкина Т.С., Васильчиков А.Г., Чеботарь В.К., Казаков А.Е., Жернаков А.И., Неманкин Т.А., Прилепская Н.А., Борисов А.Ю., Тихонович И.А. Анализ исходного материала гороха посевного (Pisum sativum L.) для селекции сортов с высоким симбиотическим потенциалом и выбор параметров его оценки. Экол. генетика. 2006;4(2):22-28.
20. Duc G., Messager A. Mutagenesis of pea (Pisum sativum L.) and the isolation of mutants for nodulation and nitrogen fixation. Plant Sci. 1989;60:207-213.
21. Gresshoff P.M. Molecular genetic analyses of nodulation genes in soybean. Plant Breed. Rev. 1993;11:275-318.
22. Jacobsen E., Nijdam H.A. A mutant showing efficient nodulation in the presence of nitrate. Pisum Newslett. 1983;15:31-32.
23. Kneen B.E., LaRue T.A. Induced symbiosis mutants of pea (Pisum sativum) and sweet clover (Melilotus alba annual). Plant Sci. 1988;58:177–182.
24. Sidorova K.K. Use of supernodulating mutants in pea breeding. Pisum Genetics. 2011;43:17-19.
25. Sidorova K.K., Shumny V.K., Mischenko T.M., Vlasova E.Yu. A new gene for supernodulation in pea: nod6. Pisum Genet. 2003;35: 28-29.
Review
Views:
919
Email this article 