Влияние генов NAM-1 на содержание белка в зерне и показатели продуктивности у линий мягкой пшеницы с интрогрессиями чужеродного генетического материала в условиях Беларуси

Современные сорта мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.), селекция которых велась в основном на увеличение продуктивности, часто имеют невысокое качество зерна. Обнаружение у сородичей пшеницы аллелей генов NAM-1, ассоциированных с высоким содержанием белка, увеличило значимость отдаленной гибридизации для повышения питательной ценности зерна T. aestivum L. Целью настоящей работы были изучение аллельного состава генов NAM-А1 и NAM-B1 у интрогрессивных линий пшеницы и их родительских форм и оценка эффекта различных вариантов генов NAM-1 на содержание белка в зерне и признаки продуктивности пшеницы в полевых условиях Беларуси. Исследовали родительские сорта яровой мягкой пшеницы, образцы тетраплоидных и гексаплоидных видов рода Triticum, а также 22 интрогрессивные линии, полученные с их участием (вегетационный период 2017–2021 гг.). Впервые установлены и зарегистрированы в международной молекулярной базе данных GenBank полноразмерные нуклеотидные последовательности гена NAM-A1 образцов T. dicoccoides к-5199, T. dicoccum к-45926, T. kiharаe, T. spelta к-1731. В исследуемой выборке выявлено шесть комбинаций аллелей NAM-A1/B1, частоты встречаемости которых варьировали от 40 до 3 %. Совместный вклад генов NAM-A1 и NAM-B1 в изменчивость хозяйственно важных признаков пшеницы составил от 8–10 % (масса зерна с растения и масса 1000 зерен) до 72 % (накопление белка в зерне). Для большинства изученных признаков доля изменчивости, обусловленная погодными условиями, была невелика (1.57–18.48 %). Показано, что наличие функционального аллеля NAM-В1 обеспечивает высокий уровень накопления белка в зерне независимо от погодных условий и при этом не приводит к существенному снижению массы 1000 зерен. Высокие показатели продуктивности и уровня накопления белка в зерне установлены для генотипов, сочетающих гаплотип NAM-А1d и функциональный аллель NAM-B1. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности интрогрессии функционального аллеля гена NAM-В1 от видов-сородичей для повышения питательной ценности мягкой пшеницы.

1. Ahmed H.G.M., Sajjad M., Zeng Y., Iqbal M., Khan S.H., Ullah A., Akhtar M.N. Genome­wide association mapping through 90K SNP array for quality and yield attributes in bread wheat against water-deficit conditions. Agriculture. 2020;10(9):392. DOI 10.3390/agriculture10090392.

2. Alhabbar Z., Yang R., Juhasz A., She M., Anwar M., Sultana N., Diepe­ veen D., Ma W., Islam S. NAM gene allelic composition and its rela­ tion to grain-filling duration and nitrogen utilization efficiency of Australian wheat. PLoS One. 2018;13(10):e0205448. DOI 10.1371/journal.pone.0205448.

3. Avni R., Zhao R., Pearce S., Jun Y., Uauy C., Tabbita F., Fahima T., Slade A., Dubcovsky J., Distelfeld A. Functional characterization of GPC-1 genes in hexaploid wheat. Planta. 2014;239(2):313-324. DOI 10.1007/s00425-013-1977-y.

4. Brevis J.C., Morris C.F., Manthey F., Dubcovsky J. Effect of the grain protein content locus Gpc-B1 on bread and pasta quality. J. Cereal Sci. 2010;51:357-365. DOI 10.1016/j.jcs.2010.02.004.

5. Carter A.H., Santra D.K., Kidwell K.K. Assessment of the effects of the Gpc-B1 allele on senescence rate, grain protein concentration and mineral content in hard red spring wheat (Triticum aestivum L.) from the Pacific Northwest Region of the USA. Plant Breed. 2012; 131(1):62-68. DOI 10.1111/j.1439-0523.2011.01900.x.

6. Chen X., Song G., Zhang S., Li Yu., Gao J., Islam S., Ma W., Li G., Ji W. The allelic distribution and variation analysis of the NAM-B1 gene in Chinese wheat cultivars. J. Integr. Agric. 2017;16(6):1294­ 1303. DOI 10.1016/S2095-3119(16)61459-4.

7. Cormier F., Throude M., Ravel C., Le Gouis J., Leveugle M., La­ farge S., Exbrayat F., Duranton N., Praud S. Detection of NAM-A1 natural variants in bread wheat reveals differences in haplotype dis­ tribution between a worldwide core collection and European elite germplasm. Agronomy. 2015;5(2):143-151. DOI 10.3390/agronomy5020143.

8. GOST 10846­91. Interstate standard. Grain and products of its process­ ing. Method for determination of protein. Moscow: Standartinform Publ., 2009. (in Russian)

9. Hagenblad J., Aspland L., Balfourier F., Ravel C., Leino M.W. Strong presence of the high grain protein content allele NAM-B1 in Fen­ noscandian wheat. Theor. Appl. Genet. 2012;125(8):1677-1686. DOI 10.1007/s00122-012-1943-2.

10. Iqbal M., Moakhar N.P., Strenzke K., Haile T., Pozniak C., Hucl P., Spaner D. Genetic improvement in grain yield and other traits of wheat grown in Western Canada. Crop Sci. 2016;56(2):613-624. DOI 10.2135/cropsci2015.06.0348.

11. Kronenberg L., Yates S., Boer M.P., Kirchgessner N., Walter A., Hund A. Temperature response of wheat affects final height and the timing of stem elongation under field conditions. J. Exp. Bot. 2021; 72(2):700-717. DOI 10.1093/jxb/eraa471.

12. Kuhn J.C., Stubbs T.L., Carter A.H. Effect of the Gpc-B1 allele in hard red winter wheat in the US Pacific Northwest. Crop Sci. 2016;56(3): 1009­1017. DOI 10.2135/cropsci2015.08.0470.

13. Kumar A., Kapoor P., Chunduri V., Sharma S., Garg M. Potential of Aegilops sp. for improvement of grain processing and nutritional quality in wheat (Triticum aestivum). Front. Plant Sci. 2019;10:308. DOI 10.3389/fpls.2019.00308.

14. Lawlor D.W., Kontturi M., Young A.T. Photosynthesis by flag leaves of wheat in relation to protein, ribulose bisphosphate carboxylase activity and nitrogen supply. J. Exp. Bot. 1989;40(1):43-52. DOI 10.1093/jxb/40.1.43.

15. Mamontova L.I., Khromov S.P. Meteorological Dictionary. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1974. (in Russian)

16. Maphosa L., Collins N.C., Taylor J., Mather D.E. Post­anthesis heat and a Gpc-B1 introgression have similar but non-additive effects in bread wheat. Funct. Plant Biol. 2014;41(9):1002-1008. DOI 10.1071/FP14060.

17. Mishra V.K., Pushpendra K.G., Balasubramaniam A., Ramesh C., Neeraj K.V., Manish K.V., Punam S., Arun K.J. Introgression of a gene for high grain protein content (Gpc-B1) into two leading cultivars of wheat in Eastern Gangetic Plains of India through marker assisted backcross breeding. J. Plant Breed. Crop Sci. 2015;7(8): 292-300. DOI 10.5897/JPBCS2015.0514.

18. Orlovskaya O., Dubovets N., Solovey L., Leonova I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae. BMC Plant Biol. 2020;20(Suppl. 1):201. DOI 10.1186/s12870-020-02407-2.

19. Orlovskaya O.A., Leonova I.N., Adonina I.G., Salina E.A., Khotyleva L.V., Shumny V.K. Molecular сytogenetic analysis of triticale and wheat lines with introgressions of the genetic material of Triticeae tribe species. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2016;6(5):527-536. DOI 10.1134/S2079059716050087.

20. Peleg Z., Saranga Y., Yazici A., Fahima T., Ozturk L., Cakmak I. Grain zinc, iron and protein concentrations and zinc-efficiency in wild emmer wheat under contrasting irrigation regimes. Plant Soil. 2008; 306:57-67. DOI 10.1007/s11104-007-9417-z.

21. Puranik S., Sahu P.P., Srivastava P.S., Prasad M. NAC proteins: regulation and role in stress tolerance. Trends Plant Sci. 2012;17(6):369381. DOI 10.1016/j.tplants.2012.02.004.

22. Rokitsky P.F. Biological Statistics. Moscow: Vysshaya Shkola Publ., 1973. (in Russian)

23. Tabbita F., Lewis S., Vouilloz J.P., Ortega M.A., Kade M., Abbate P.E., Barneix A.J. Effects of the Gpc-B1 locus on high grain protein content introgressed into Argentinean wheat germplasm. Plant Breed. 2013;132(1):48-52. DOI 10.1111/pbr.12011.

24. Tabbita F., Pearce S., Barneix А.J. Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: ten years of the GPC-B1 gene. J. Cereal Sci. 2017;73:183-191. DOI 10.1016/jcs.2017.01.003.

25. Uauy C., Brevis J.C., Dubcovsky J. The high grain protein content gene Gpc-B1 accelerates senescence and has pleiotropic effects on protein content in wheat. J. Exp. Bot. 2006a;57(11):2785-2794. DOI 10.1093/jxb/erl047.

26. Uauy C., Distelfeld A., Fahima T., Blechl A., Dubkovsky J. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat. Science. 2006b;314(5803):1298-1301. DOI 10.1126/science.1133649.

27. Vishwakarma M.K., Arun B., Mishra V.K., Yadav P.S., Kumar H., Joshi A.K. Marker-assisted improvement of grain protein content and grain weight in Indian bread wheat. Euphytica. 2016;208(2): 313-321. DOI 10.1007/s10681-015-1598-6.

28. Wang X., Below F.E. Cytokinins in enhanced growth and tillering of wheat induced by mixed nitrogen source. Crop Sci. 1996;36(1): 121-126. DOI 10.2135/CROPSCI1996.0011183X003600010022x.

29. 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(15):4263-4274. DOI 10.1093/jxb/erp257.

30. Yang R., Juhasz A., Zhang Y., Chen X., Zhang Y., She M., Zhang J., Maddern R., Edwards I., Diepeveen D., Islam S., Ma W. Molecular characterisation of the NAM-1 genes in bread wheat in Australia. Crop Pasture Sci. 2018;69(12):1173-1181. DOI 10.1071/CP18273.

31. Zhao D., Derkx A.P., Liu D.C., Buchner P., Hawkesford M.J. Overexpression of a NAC transcription factor delays leaf senescence and increases grain nitrogen concentration in wheat. Plant Biol. 2015; 17(4):904-913. DOI 10.1111/plb.12296.