Получение и изучение линии с замещением хромосомы 4B пшеницы Triticum aestivumL. на хромосому 4H^mar дикого ячменя Hordeum marinum ssp. gussoneanum (4x)

Интрогрессивная гибридизация является основным методом расширения генетического разнообразия мягкой пшеницы. В качестве источника новых генов для мягкой пшеницы может служить дикий ячмень Hordeum marinum ssp. gussoneanum Hudson (2n = 4x = 28), который характеризуется высокой устойчивостью к стрессовым факторам. Настоящая работа посвящена изучению возможности использования неполного амфиплоида H. marinum ssp. gussoneanum (4x)–T. aestivum (Пиротрикс 28) (2n = 54), носителя цитоплазмы дикого ячменя, в качестве источника хромосом H. marinum для их интрогрессии в геном мягкой пшеницы. С этой целью получены гибриды между линией сорта мягкой пшеницы Пиротрикс 28 (далее П28) и неполным амфиплоидом, а затем среди потомков гибридов проведен отбор цитогенетически стабильных 42­хромосомных растений с высоким уровнем фертильности. С использованием GISH­анализа обнаружено наличие пары хромосом H. marinum в геноме этих растений. По результатам С­окрашивания хромосом установлено, что у этой гибридной линии произошло замещение хромосомы 4B мягкой пшеницы на хромосому дикого ячменя 4H^mar. С помощью хромосом­специфичных SSR­маркеров Xgwm368 и Xgwm6 подтверждено отсутствие хромосомы 4B мягкой пшеницы, а с применением EST­маркеров BAWU808 и BAW112 – наличие хромосомы 4H^mar в геноме выделенной дисомной пшенично­ячменной линии. Изучение этой линии показало, что замещение хромосомы 4B мягкой пшеницы на хромосому дикого ячменя 4Hmar привело к изменению ряда признаков: сильно выраженной антоциановой окраске колеоптиле, характерной для дикого ячменя H. marinum, а также отсутствию пурпурной окраски ушек у основания листьев, которая проявляется у линии сорта пшеницы П28. По высоте растений, числу стеблей и колосьев в растении, числу колосков и зерен в главном колосе, а также числу зерен в растении линия 4H^mar(4B) превосходит родительскую линию П28, а по массе 1000 зерен ей уступает. Цитогенетическая стабильность и фертильность линии 4H^mar(4B) указывают на высокую компенса ционную способность хромосомы 4H^mar ячменя по отношению к хромосоме 4B мягкой пшеницы и гомеологию между этими хромосомами.

1. Badaeva E.D., Badaev N.S., Gill B.S., Filatenko A.A. Intraspecific karyotype divergence in Triticum araraticum (Poaceae). Plant Syst. Evol. 1994;192:117-145. DOI: 10.1007/BF00985912.

2. Bothmer R.V., Jacobsen N., Baden C., Jorgensen R.B., Linde-Laursen I. An Ecogeographical Study of the Genus Hordeum. Rome: IBPGR, 1991.

3. Davoyan R.O., Bebyakina I.V., Davoyan O.R., Zinchenko A.N., Davoyan E.R., Kravchenko A.M., Zubanova Y.S. The use of synthetic forms in the preservation and exploitation of the gene pool of wild common wheat relatives. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2012;2:480-485. DOI: 10.1134/S2079059712060044.

4. Dospekhov B.A. Methodology of Field Experiments (With the Basics of Statistical Processing of Research Results. Moscow: Agropromizdat Publ., 1985. (in Russian)

5. Fang Y., Yuan J., Wang Z., Wang H., Xiao J., Yang Z. Development of T. aestivum L.–H. californicum alien chromosome lines and assignment of homoeologous groups of Hordeum californicum chromosomes. J. Genet. Genomics. 2014;41(8):439-477. DOI: 10.1016/j.jgg.2014.06.004.

6. Garthwaite A.J., von Bothmer R., Colmer T.D. Salt tolerance in wild Hordeum species is associated with restricted entry of Na+ and Cl–

7. into the shoots. J. Exp. Bot. 2005;56(419):2365-2378. DOI: 10.1093/jxb/eri229.

8. Hao M., Zhang L., Ning S., Huang L., Yuan Z., Wu B., Yan Z., Dai S., Jiang B., Zheng Y., Liu D. The resurgence of introgression breeding, as exemplified in wheat improvement. Front. Plant Sci. 2020;11: 252. DOI: 10.3389/fpls.2020.00252.

9. Islam S., Malik A.I., Islam A.K.M.R., Colmer T.D. Salt tolerance in a Hordeum marinum–Triticum aestivum amphiploid, and its parents. J. Exp. Bot. 2007;58(5):1219-1229. DOI: 10.1093/jxb/erl293.

10. Khlestkina E.K., Antonova E.V., Pershina L.A., Soloviev A.A., Badaeva E.D., Borner A.A., Salina E.A. Variability of Rc (red coleoptile) alleles in wheat and wheat-alien genetic stock collections. Cereal Res. Commun. 2011;39(4):465-474. DOI: 10.1556/CRC.39.2011.4.1.

11. Kobylyanskiy V.D. Biological characters of wild barley species in relation to aims of breeding. Biologicheskiy Zhurnal Armenii = Armenian Journal of Biology. 1967;20(10):41-51. (in Russian)

12. Kruse A. Hordeum × Triticum hybrids. Hereditas. 1973;73(1):157-161. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1973.tb01078.x.

13. Li A., Lui D., Yang W., Kishii M. Synthetic hexaploid wheat: yesterday, today, and tomorrow. Engineering. 2018;4(4):552-558. DOI: 10.1016/j.eng.2018.07.001.

14. Malik A.I., English J.P., Colmer T.D. Tolerance of Hordeum marinum accessions to O2 deficiency, salinity and these stresses combined. Ann. Bot. 2009;103(2):237-248. DOI: 10.1093/aob/mcn142.

15. Martín A. Tritordeum: a man-made cereal. In: 4th Conference of Cereal Biotechnology and Breeding Jointly Organized by EUCARPIA Cereal Section November 6–9, 2017, Budapest, Hungary. Budapest, 2017;5-6.

16. Martín A., Álvarez J.B., Martín L.M., Barro F., Ballesteros J. The development of tritordeum: a novel cereal for food processing. J. Cereal Sci. 1999;30(2):85-95. DOI: 10.1006/jcrs.1998.0235.

17. Melz G., Thiele V. Chromosome locations of genes controlling ‘purple leaf base’ in rye and wheat. Euphytica. 1990;49:155-159. DOI: 10.1007/BF00027265.

18. Molnár-Láng M., Linc G. Wheat-barley hybrids and introgression lines. In: Molnár-Láng M., Ceoloni C., Dolezel J. (Eds.). Alien Introgression in Wheat. Cytogenetics, Molecular Biology and Genomics. Cham: Springer, 2015;315-346. DOI: 10.1007/978-3-319-234946_12.

19. Molnár I., Linc G., Dulai S., Nagy E.D., Molnár-Láng M. Ability of chromosome 4H to compensate for 4D in response to drought stress in a newly developed and identified wheat-barley 4H(4D) disomic substitution line. Plant Breed. 2007;126(4):369-374. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2007.01300.

20. Molnár-Láng M., Linc G., Szakács É. Wheat-barley hybridization: the last 40 years. Euphytica. 2014;195:315-329. DOI: 10.1007/s10681013-1009-9.

21. Pershina L.A., Numerova O.M., Belova L.I., Devyatkina E.P., Rakovtseva T.S., Shumny V.K. Expression of fertility during morphogenesis in self-pollinated backcrossed progenies of barley-wheat amphiploids [Hordeum geniculatum All. (2n = 28) × Triticum aestivum L. (2n = 42)] (2n = 70). Russ. J. Genet. 2004;40:510-514. DOI: 10.1023/B:RUGE.0000029153.61243.c2.

22. Pershina L.A., Devyatkina E.P., Belova L.I., Trubacheeva N.V., Arbuzova V.S., Kravtsova L.A. Features of alloplasmic wheat–bar ley substitution and addition lines (Hordeum marinum subsp. gusso neanum)-Triticum aestivum. Russ. J. Genet. 2009;45(10):1223-1229. DOI: 10.1134/S102279540910010X.

23. Pershina L.A., Belova L.I., Trubacheeva N.V., Osadсhaya T.S., Shumny V.K., Belan I.A., Rosseeva L.P., Nemchenko V.V., Abakumov S.N. Alloplasmic recombinant lines (H. vulgare)-T. aestivum with 1RS.1BL translocation: initial genotypes for production of common wheat varieties. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(5):544-552. DOI: 10.18699/VJ18.393. (in Russian)

24. Rahman S., Islam S., Yu Z., She M., Nevo E., Ma W. Current progress in understanding and recovering the wheat genes lost in evolution and domestication. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(16):5836. DOI: 10.3390/ijms21165836.

25. Rey M.-D., Calderón M.-C., Rodrigo M.J., Zacarías L., Alós E., Prieto P. Novel bread wheat lines enriched in carotenoids carrying Hordeum chilense chromosome arms in the ph1b background. PLoS One. 2015;10(8):e0134598. DOI: 10.1371/journal.pone.0134598.

26. Röder M.S., Korzun V., Wendehake K., Plaschke J., Tixier M.H., Leroy P., Ganal M.W. A microsatellite map of wheat. Genetics. 1998; 149(4):2007-2023. DOI: 10.1093/genetics/149.4.2007.

27. Rubiales D., Moral A. Resistance of Hordeum chilense against loose smuts of wheat and barley (Ustilago tritici and U. nuda) and its expression in amphiploids with wheat. Plant Breed. 2011;130(1): 101-103. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2010.01818.x.

28. Said M., Cabrera A. A physical map of chromosome 4Hch from H. chilense containing SSR, STS and EST-SSR molecular markers. Euphytica. 2009;167:253-259. DOI: 10.1007/s10681-009-9895-6.

29. Shchapova A.I., Kravtsova L.A. Cytogenetics of Wheat-rye Hybrids. Novosibirsk: Nauka Publ., 1990. (in Russian) Taketa S., Takeda K. Production and characterization of a complete set of wheat-wild barley (Hordeum vulgare ssp. spontaneum) chromosome addition lines. Breed Sci. 2001;51(3):199-206. DOI: 10.1270/jsbbs.51.199.

30. Trubacheeva N.V., Badaeva E.D., Osadchaya T.S., Pershina L.A. Use of H. vulgare EST markers, GISH and C-banding to study bread wheat–H. marinum subsp. gussoneanum (2n = 28) introgression lines. Cereal Res. Commun. 2019;47(4):593-603. DOI: 10.1556/0806.47.2019.37.