Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Молекулярно-цитологический анализ интрогрессивных линий, полученных от скрещивания мягкой пшеницы Triticum aestivum с T. dicoccum и T. Dicoccoides

https://doi.org/10.18699/VJGB-23-67

Аннотация

Дикая и культурная полбы (ВВАА, 2n = 28) представляют значительный интерес для расширения генетического разнообразия мягкой пшеницы как источники генетических факторов, определяющих высокое содержание белка и микроэлементов в зерне и устойчивость ко многим биотическим и абиотическим факторам. Особое внимание к этим видам обусловлено их близким родством с Triticum aestivum, что облегчает межвидовую гибридизацию. Целью настоящей работы были анализ характера чужеродных интрогрессий у гибридных линий, полученных от скрещивания сортов мягкой пшеницы с T. dicoccoides и T. dicoccum, и оценка их влияния на цитологическую стабильность. Для установления локализации и протяженности фрагментов интрогрессии использовали С-бэндинг и генотипирование маркерами SNP и SSR. Оценку цитологической стабильности проводили на основе изучения поведения хромосом в микроспорогенезе. Молекулярно-цитогенетический анализ интрогрессивных линий пшеницы свидетельствует о том, что включение генетического материала дикой и культурной полб осуществляется преимущественно в виде целых плеч или крупных фрагментов в хромосомах генома В и менее протяженных вставок в геноме А. При этом наибольшая частота интрогрессий фрагментов генома полб наблюдалась в хромосомах 1А, 1В, 2В, 3В. Изучение заключительной стадии мейоза показало высокий уровень цитологической стабильности у большинства интрогрессивных линий пшеницы (мейотический индекс составил 83.0–99.0 %), что обеспечивает формирование у них функциональных гамет в количестве, достаточном для успешной репродукции. Данные линии представляют интерес для отбора перспективного материала с хозяйственно ценными признаками с последующим включением их в селекционный процесс.

Об авторах

О. А. Орловская
Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси
Беларусь

Минск



И. Н. Леонова
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный аграрный университет
Беларусь

Кафедра генетики и селекции ННГАУ

Новосибирск



Л. А. Соловей
Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси
Беларусь

Минск



Н. И. Дубовец
Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси
Беларусь

Минск



Список литературы

1. Adonina I.G., Shcherban A.B., Zorina M.V., Mehdiyeva S.P., Timonova E.M., Salina E.A. Genetic features of triticale-wheat hybrids with vaviloid-type spike branching. Plants. 2022;11(1):58. DOI: 10.3390/plants11010058.

2. Akhunov E.D., Akhunova A.R., Anderson O.D., Anderson J.A., Blake N., Clegg M.T., Coleman-Derr D., Conley E.J., Crossman C.C., Deal K.R., Dubcovsky J., Gill B.S., Gu Y.Q., Hadam J., Heo H., Huo N., Lazo G.R., Luo M.C., Ma Y.Q., Matthews D.E., McGuire P.E., Morrell P.L., Qualset C.O., Renfro J., Tabanao D., Talbert L.E., Tian C., Toleno D.M., Warburton M.L., You F.M., Zhang W., Dvorak J. Nucleotide diversity maps reveal variation in diversity among wheat genomes and chromosomes. BMC Genomics. 2010;11:702. DOI: 10.1186/1471-2164-11-702.

3. Akpinar B.A., Yuce M., Lucas S., Vrána J., Burešová V., Doležel J., Budak H. Molecular organization and comparative analysis of chromosome 5B of the wild wheat ancestor Triticum dicoccoides. Sci. Rep. 2015;5:10763. DOI: 10.1038/srep10763.

4. Badaeva E.D., Sozinova L.F., Badaev N.S., Muravenko O.V., Zelenin A.V. “Chromosomal passport” of Triticum aestivum L. em Thell. cv. Chinese Spring and standartization of chromosomal analysis of cereals. Cereal Res. Commun. 1990;18(4):273-281.

5. 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.

6. Badaeva E.D., Dedkova O.S., Gay G., Pukhalskyi V.A., Zelenin A.V., Bernard S., Bernard M. Chromosomal rearrangements in wheat: their types and distribution. Genome. 2007;50(10):907-926. DOI: 10.1139/g07-072.

7. Bariah I., Keidar-Friedman D., Kashkush K. Identification and characterization of large-scale genomic rearrangements during wheat evolution. PLoS One. 2020;15(4):e0231323. DOI: 10.1371/journal.pone.0231323.

8. Bhullar R., Nagarajan R., Bennypaul H., Sidhu G.K., Sidhu G., Rus tgi S., von Wettstein D., Gill K.S. Silencing of a metaphase I-specific gene results in a phenotype similar to that of the Pairing homeologous 1 (Ph1) gene mutations. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014; 111(39):14187-14192. DOI: 10.1073/pnas.1416241111.

9. Budak H., Kantar M., Kurtoglu K.Y. Drought tolerance in modern and wild wheat. Sci. World J. 2013;2013:548246. DOI: 10.1155/2013/548246.

10. Cakmak I., Torun A., Millet E., Feldman M., Fahima T., Korol A., Nevo E., Braun H.I., Özkan H. Triticum dicoccoides: an important genetic resource for increasing zinc and iron concentration in modern cultivated wheat. Soil Sci. Plant Nutr. 2004;50(7):1047-1054. DOI: 10.1080/00380768.2004.10408573.

11. Сhapman V., Riley R. Homoeologous meiotic chromosome pairing in Triticum aestivum in which chromosome 5B is replaced by an alien homoeologue. Nature. 1970;226(5243):376-377. DOI: 10.1038/226376a0.

12. Dedkova O.S., Badaeva E.D., Mitrofanova O.P., Bilinskaya E.N., Pukhalskiy V.A. Analysis of intraspecific diversity of cultivated emmer Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl. using C-banding technique. Russ. J. Genet. 2007;43(11):1271-1285. DOI: 10.1134/S1022795407110105.

13. Dedkova O.S., Badaeva E.D., Amosova A.V., Martynov S.P., Ruanet V.V., Mitrofanova O.P., Pukhal’skiy V.A. Diversity and the origin of the European population of Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl. as revealed by chromosome analysis. Russ. J. Genet. 2009; 45(9):1082-1091. DOI: 10.1134/S1022795409090099.

14. Dvorak J., Terlizzi P., Zhang H.B., Resta P. The evolution of poly ploidy wheats: identification of the A genome donor species. Genome. 1993;36(1):21-31. DOI: 10.1139/g93-004.

15. Eilam T., Anikster Y., Millet E., Manisterski J., Feldman M. Nuclear DNA amount and genome downsizing in natural and synthetic allopolyploids of the genera Aegilops and Triticum. Genome. 2008; 51(8):616-627. DOI: 10.1139/G08-043.

16. El-Rawy M.A., Hassan M.I. Assessment of genetic diversity in durum and bread wheat genotypes based on drought tolerance and SSR markers. Plant Breed. Biotech. 2021;9(2):89-103. DOI: 10.9787/PBB.2021.9.2.89.

17. Feldman M., Levy A. Genome evolution due to allopolyploidization in wheat. Genetics. 2012;192(3):763-774. DOI: 10.1534/genetics.112.146316.

18. García C., Guichoux E., Hampe A. A comparative analysis between SNPs and SSRs to investigate genetic variation in a juniper species (Juniperus phoenicea ssp. turbinata). Tree Genet. Genomes. 2018; 14:87. DOI: 10.1007/s11295-018-1301-x.

19. Gong F., Qi T., Zhang T., Lu Y., Liu J., Zhong X., He J., Li Y., Zheng Y., Liu D., Huang L., Wu B. Comparison of the agronomic, cytological, grain protein characteristics, as well as transcriptomic profile of two wheat lines derived from wild emmer. Front. Genet. 2022;12: 804481. DOI: 10.3389/fgene.2021.804481.

20. Gordeeva E.I., Leonova I.N., Kalinina N.P., Salina E.A., Budashkina E.B. Comparative cytological and molecular analysis of common wheat introgression lines containing genetic material of Triticum timopheevii Zhuk. Russ. J. Genet. 2009;45(12):1428-1437. DOI: 10.1134/S1022795409120047.

21. International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome. Science. 2014;345(6194):1251788. DOI: 10.1126/science.1251788.

22. Jaradat A.A. Wheat landraces: a mini review. Emir. J. Food Agric. 2013;25(1):20-29. DOI: 10.9755/ejfa.v25i1.15376.

23. Jlassi I., Bnejdi F., Saadoun M., Hajji A., Mansouri D., Ben-Attia M., El-Gazzah M., El-Bok S. SSR markers and seed quality traits revealed genetic diversity in durum wheat (Triticum durum Desf.). Mol. Biol. Rep. 2021;48(4):3185-3193. DOI: 10.1007/s11033-02106385-y.

24. Jorgensen C., Luo M.-C., Ramasamy R., Dawson M., Gill B.S., Korol A.B., Distelfeld A., Dvorak J. A high-density genetic map of wild emmer wheat from the Karaca Dağ region provides new evidence on the structure and evolution of wheat chromosomes. Front. Plant Sci. 2017;8:1798. DOI: 10.3389/fpls.2017.01798.

25. Kashkush K., Feldman M., Levy A.A. Gene loss, silencing and activation in a newly synthesized wheat allotetraploid. Genetics. 2002; 160(4):1651-1659. DOI: 10.1093/genetics/160.4.1651.

26. Liu J., Huang L., Wang C., Liu Y., Yan Z., Wang Z., Xiang L., Zhong X., Gong F., Zheng Y., Liu D., Wu B. Genome-wide association study reveals novel genomic regions associated with high grain protein content in wheat lines derived from wild emmer wheat. Front. Plant Sci. 2019;10:464. DOI: 10.3389/fpls.2019.00464.

27. Liu J., Huang L., Li T., Liu Y., Yan Z., Tang G., Zheng Y., Liu D., Wu B. Genome-wide association study for grain micronutrient concentrations in wheat advanced lines derived from wild emmer. Front. Plant Sci. 2021;12:651283. DOI: 10.3389/fpls.2021.651283.

28. Maccaferri M., Ricci A., Salvi S., Milner S.G., Noli E., Martelli P.L., Casadio R., Akhunov E., Scalabrin S., Vendramin V., Ammar K., Blanco A., Desiderio F., Distelfeld A., Dubcovsky J., Fahima T., Faris J., Korol A., Massi A., Mastrangelo M.A., Morgante M., Pozniak C., N’Diaye A., Xu S., Tuberosa R. A high-density, SNP-based consensus map of tetraploid wheat as a bridge to integrate durum and bread wheat genomics and breeding. Plant Biotechnol. J. 2015; 13(5):648-663. DOI: 10.1111/pbi.12288.

29. Mattera M.G., Ávila C.M., Atienza S.G., Cabrera A. Cytological and molecular characterization of wheat-Hordeum chilense chromosome 7Hch introgression lines. Euphytica. 2015;203:165-176. DOI: 10.1007/s10681-014-1292-0.

30. Naranjo T. Finding the correct pathner: the meiotic courtship. Scientfica (Cairo). 2012;2012:509073. DOI: 10.6064/2012/509073.

31. Nevo E., Chen G. Drought and salt tolerances in wild relatives for wheat and barley improvement. Plant Cell Environ. 2010;33(4): 670-685. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2009.02107.x.

32. Ohm J.B., Klindworth D.L., Hareland G.A., Faris J.D., Elias E.M., Xu S.S. Variation in kernel characteristics and protein molecular weight distribution of Langdon durum wild emmer wheat chromosome substitution lines. J. Cereal Sci. 2010;52(2):207-214. DOI: 10.1016/j.jcs.2010.05.007.

33. Orlovskaya O.A., Koren L.V., Khotyleva L.V. Cytological characteristic of wheat hybrids produced by remote hybridization of the Triticeae tribe. Izvestiya Natsionalnoy Akademii Nauk Belarusi. Seriya Biologicheskikh Nauk = Proceedings of the National Aca demy of Sciences of Belarus. Biological Series. 2010;4:50-54. (in Russian)

34. Orlovskaya О., 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.

35. Ozkan H., Levy A., Feldman M. Allopolyploidy-induced rapid genome evolution in the wheat (Aegilops–Triticum) group. Plant Cell. 2001;13(8):1735-1747. DOI: 10.1105/TPC.010082.

36. Peleg Z., Fahima T., Abbo S., Krugman T., Nevo E., Yakir D., Saranga Y. Genetic diversity for drought resistance in wild wheat and its ecogeographical association. Plant Cell Environ. 2005;28(2):176191. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2005.01259.x.

37. Peng J.H., Fahima T., Röder M.S., Huang Q.Y., Dahan A., Li Y.C., Grama A., Nevo E. High-density molecular map of chromosome region harboring stripe-rust resistance genes YrH52 and Yr15 derived from wild emmer wheat, Triticum dicoccoides. Genetica. 2000; 109(3):199-210. DOI: 10.1023/a:1017573726512.

38. Peng J.H., Sun D.H., Nevo D. Domestication evolution, genetics and genomics in wheat. Mol. Breed. 2011;28:281-301. DOI: 10.1007/s11032-011-9608-4.

39. Pestsova E., Ganal M.W., Röder M.S. Isolation and mapping of microsatellite markers specific for the D genome of bread wheat. Genome. 2000;43(4):689-697. DOI: 10.1139/gen-43-4-689.

40. Petersen G., Seberg O., Yde M., Berthelsen K. Phylogenetic relationships of Triticum and Aegilops and evidence for the origin of the A, B, and D genomes of common wheat (Triticum aestivum). Mol. Phylogenet. Evol. 2006;39(1):70-82. DOI: 10.1016/j.ympev.2006.01.023.

41. Pour-Aboughadareh A., Poczai P., Etminan A., Jadidi O., Kianersi F., Shooshtari L. An analysis of genetic variability and population structure in wheat germplasm using microsatellite and gene-based markers. Plants. 2022;11(9):1205. DOI: 10.3390/plants11091205.

42. Riley R., Chapman V. Genetic control of cytologically diploid behavior of hexaploid wheat. Nature. 1958;182:713-715. DOI: 10.1038/182713a0.

43. 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.

44. Salina E.A., Leonova I.N., Efremova T.T., Röder M.S. Wheat genome structure: translocations during the course of polyploidization. Funct. Integr. Genomics. 2006;6(1):71-80. DOI: 10.1007/s10142005-0001-4.

45. Silkova O.G., Dobrovolskaya O.B., Dubovets N.I., Adonina I.G., Kravtsova L.A., Roeder M.S., Salina E.A., Shchapova A.I., Shumny V.K. Production of wheat-rye substitution lines and identification of chromosome composition of karyotypes using C-banding, GISH, and SSR markers. Russ. J. Genet. 2006;42(6):645-653. DOI: 10.1134/S1022795406060093.

46. Singh N., Choudhury D.R., Singh A.K., Kumar S., Srinivasan K., Tyagi R.K., Singh N.K., Singh R. Comparison of SSR and SNP markers in estimation of genetic diversity and population structure of Indian rice varieties. PLoS One. 2013;8(12):e84136. DOI: 10.1371/journal.pone.0084136.

47. Skolotneva E.S., Leonova I.N., Bukatich E.Yu., Salina E.A. Methodical approaches to identification of effective wheat genes pro viding broad-spectrum resistance against fungal diseases. Vavilov skii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2017;21(7):862-869. DOI: 10.18699/VJ17.307. (in Russian)

48. Somers D.J., Isaac P., Edwards K. A high-density microsatellite consensus map for bread wheat (Triticum aestivum L.). Theor. Appl. Genet. 2004;109(6):1105-1114. DOI: 10.1007/s00122-004-1740-7.

49. Sosnikhina S.P., Mikhailova E.I., Tikholiz O.A., Tsvetkova N.V., Lovtsyus A.V., Sapronova O.S., Fedotova Yu.S., Kolomiets O.L., Bogdanov Yu.F. Expression and inheritance of a desynaptic phenotype with impaired homologous synapsis in rye. Russ. J. Genet. 2007; 43(10):1193-1200. DOI: 10.1134/S1022795407100146.

50. Surzhikov S.A., Knüpffer H., Kilian B. Chromosomal rearrangements in wheat: their types and distribution. Genome. 2007;50(10):907926. DOI: 10.1139/G07-072.

51. Tereba A., Konecka A. Comparison of microsatellites and SNP markers in genetic diversity level of two scots pine stands. Environ. Sci. Proc. 2021;3(1):4. DOI: 10.3390/IECF2020-07776.

52. 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.

53. Wang S., Wong D., Forrest K., Allen A., Chao S., Huang B.E., Maccaferri M., … Tuberosa R., Lawley C., Mikoulitch I., Cavanagh C., Edwards K.J., Hayden M., Akhunov E. Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density 90,000 single nucleotide polymorphism array. Plant Biotechnol. J. 2014;12(6):787-796. DOI: 10.1111/pbi.12183.

54. Wang Z., Huang L., Wu B., Hu J., Jiang Z., Hu J., Qi P., Zheng Y., Liu D. Characterization of an integrated active Glu­1Ay allele in common wheat from wild emmer and its potential role in flour improvement. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(4):923. DOI: 10.3390/ijms19040923.

55. Xie W., Nevo E. Wild emmer: genetic resources, gene mapping and potential for wheat improvement. Euphytica. 2008;164:603-614. DOI: 10.1007/s10681-008-9703-8.

56. Xue F., Ji W., Wang C., Zhang H., Yang B. High-density mapping and marker development for the powdery mildew resistance gene PmAS846 derived from wild emmer wheat (Triticum turgidum var. dicoccoides). Theor. Appl. Genet. 2012;124(8):1549-1560. DOI: 10.1007/s00122-012-1809-7.

57. Zeng J., Cao W., Hucl P., Yang Y., Xue A., Chi D., Fedak G. Molecular cytogenetic analysis of wheat – Elymus repens introgression lines with resistance to Fusarium head blight. Genome. 2013;56(1):75-82. DOI: 10.1139/gen-2012-0130.

58. Zhang H., Guan H., Li J., Zhu J., Xie C., Zhou Y., Duan X., Yang T., Sun Q., Liu Z. Genetic and comparative genomics mapping reveals that a powdery mildew resistance gene Ml3D232 originating from wild emmer co-segregates with an NBS-LRR analog in common wheat (Triticum aestivum L.). Theor. Appl. Genet. 2010;121(8):16131621. DOI: 10.1007/s00122-010-1414-6.

59. Zhou W., Jiang Y., Zhang W., Xu G., Rong J. Characterization of large chromosome segment introgressions from Triticum turgidum subsp. dicoccoides into bread wheat with simple sequence repeat markers. Crop Sci. 2013;53(4):1555-1565. DOI: 10.2135/cropsci2012.05.0287.


Рецензия

Просмотров: 369


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


ISSN 2500-3259 (Online)