Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Новый ген опушения листа Hl1th, интрогрессированный в мягкую пшеницу от Thinopyrum ponticum, и его фенотипическое проявление при гомеологичных хромосомных замещениях

https://doi.org/10.18699/vjgb-24-67

Аннотация

На основе сорта яровой мягкой пшеницы Саратовская 29 (С29) были созданы голубозерные линии C29_4Th(4B) и C29_4Th(4D) с соответствующим замещением хромосом 4B и 4D хромосомой 4Th от пырея вида Thinopyrum ponticum. У этих линий опушение листа отличается от реципиента и различается между собой, в связи с чем нами проведено исследование эффекта замещений на проявление данного признака. Для количественной оценки опушения была применена программа LHDetect2, определяющая длину и число трихом на микрофотографиях. Опушение листа у сорта С29 определяется главным геном Hl1 в хромосоме 4B и еще одним геном со слабым эффектом с неизвестной хромосомной локализацией. Их взаимодействие приводит к формированию трихом длиной до 300 мкм. Замещение пары хромосом 4B на пару хромосом 4Th пырея модифицирует опушение листа у линии C29_4Th(4B). Характерное для сорта С29 опушение листа у линии C29_4Th(4B) становится реже, при этом образуются трихомы длиной до 600–700 мкм. Замещение гена Hl1 на Hl1th у линии C29_4Th(4B) также подтверждается аллельным состоянием сцепленного с геном Hl1 микросателлитного маркера Xgwm538. Нами была описана модификация опушения у замещенной линии C29_4Th(4D), где произошло замещение пары хромосом 4D, не содержащей гена опушения. Экспрессирующиеся совместно гены Hl1 и Hl1th у линии C29_4Th(4D) в хромосомах 4B и 4Th соответственно, формируют трихомы длиной более 400 мкм. Однако в таком генотипе снижается средняя длина трихом в сравнении с реципиентом. Таким образом, в результате проведенных исследований идентифицирован новый ген опушения листа, интрогрессированный из вида Th. ponticum в мягкую пшеницу, который мы обозначили как Hl1th. Для ведения отбора мы предлагаем использовать находящиеся в открытом доступе информативные микросателлитные маркеры Xgwm538 и Xgwm165, позволяющие различать хромосомы 4A, 4B, 4D и 4Th. 

Об авторах

А. В. Симонов
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Е. И. Гордеева
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



М. А. Генаев
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия

Новосибирск



В. Ли
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия

Новосибирск



И. О. Булатов
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный аграрный университет
Россия

Новосибирск



Т. А. Пшеничникова
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Новосибирск



Список литературы

1. Adonina I.G., Timonova E.M., Salina E.A. Introgressive hybridization of common wheat: results and prospects. Russ. J. Genet. 2021; 57(4):390-407. DOI 10.1134/S1022795421030029

2. Brooks S.A., See D., Brown-Guedira G. SNP-based improvement of a microsatellite marker associated with Karnal bunt resistance in wheat. Crop Sci. 2006;46(4):1467-1470. DOI 10.2135/cropsci2005.05-0065

3. Dobrovolskaya O.B., Pshenichnikova T.A., Arbuzova V.S., Lohwasser U., Röder M.S., Börner A. Molecular mapping of genes determining hairy leaf character in common wheat with respect to other species of the Triticeae. Euphytica. 2007;155:285-293. DOI 10.1007/s10681-006-9329-7

4. Doroshkov A.V., Arsenina S.I., Pshenichnikova T.A., Afonnikov D.A. The use of computer-based image processing to leaf hairiness analysis in wheat Triticum aestivum L. Informatsionniy Vestnik VOGiS = The Herald of Vavilov Society for Geneticists and Breeding Scientists. 2009;13(1):218-226 (in Russian)

5. Doroshkov A.V., Afonnikov D.A., Pshenichnikova T.A. Genetic analysis of leaf pubescence in isogenic lines of bread wheat Novosibirskaya 67. Russ. J. Genet. 2014;50:153-160. DOI 10.1134/S102279 5413120028

6. Doroshkov A.V., Afonnikov D.A., Dobrovolskaya O.B., Pshenichnikova T.A. Interactions between leaf pubescence genes in bread wheat as assessed by high throughput phenotyping. Euphytica. 2016;207: 491-500. DOI 10.1007/s10681-015-1520-2

7. Hamaoka N., Yasui H., Yamagata Y., Inoue Y., Furuya N., Araki T., Ueno O., Yoshimura A. A hairy-leaf gene, BLANKET LEAF, of wild Oryza nivara increases photosynthetic water use efficiency in rice. Rice. 2017;10(1):20. DOI 10.1186/s12284-017-0158-1

8. Genaev M.A., Doroshkov A.V., Morozova E.V., Pshenichnikova T.A., Afonnikov D.A. WheatPGE: A system for analysis of relationships among the phenotype, genotype, and environment in wheat. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2012a;2(3):262-269. DOI 10.1134/ S2079059712030045

9. Genaev M.A., Doroshkov A.V., Pshenichnikova T.A., Kolchanov N.A., Afonnikov D.A. Extracting quantitative characteristics of wheat leaf hairiness using image processing technique. Planta. 2012b;236: 1943-1954. DOI 10.1007/s00425-012-1751-6

10. Gonchar-Zaykin P.P., Chertov V.G. Nadstroyka k Excel dlya statisticheskoy ocenki i analiza rezul’tatov polevyh i laboratornyh opytov [Elektronnyy resurs]. Available at: URL: http://vniioh.ru/nadstrojkak-excel-dlya-statisticheskoj-ocenki-i-analiza-rezultatov-polevyx-ilaboratornyx-opytov (Accessed 26.09.2021) (in Russian)

11. Gordeeva E., Badaeva E., Yudina R., Shchukina L., Shoeva O., Khlestkina E. Marker-assisted development of a blue-grained substitution line carrying the Thinopyrum ponticum chromosome 4Th(4D) in the spring bread wheat Saratovskaya 29 background. Agronomy. 2019;9:723. DOI 10.3390/agronomy9110723

12. Gordeeva E., Shoeva O., Mursalimov S., Adonina I., Khlestkina E. Fine points of marker-assisted pyramiding of anthocyanin biosynthesis regulatory genes for the creation of black-grained bread wheat (Triticum aestivum L.) lines. Agronomy. 2022;12:2934. DOI 10.3390/agronomy12122934

13. Kaur J., Kariyat R. Role of trichomes in plant stress biology. In: NúñezFarfán J., Valverde P. (Eds.). Evolutionary Ecology of Plant-Herbivore Interaction. Springer, 2020;15-35. DOI 10.1007/978-3-030-46012-9_2

14. Korzun V., Malyshev S., Pickering R.A., Börner A. RFLP mapping of a gene for hairy leaf sheath using a recombinant line from Hordeum vulgare L.×Hordeum bulbosum L. cross. Genome. 1999;42(5):960- 963. DOI 10.1139/g99-021

15. Kroupin P.Yu., Divashuk M.G., Fesenko I.A., Karlov G.I. Adaptation of microsatellite SSR-markers of wheat for the genome analysis of wheatgrass, intermediate wheatgrass, and wheat-wheatgrass hybrids. Izvestiya Timiryazevskoy Sel’skohozjajstvennoy Akademii = Izvestiya of Timiryazev Agricultural Academy. 2011;3:49-57 (in Russian)

16. Kroupin P.Yu., Divashuk M.G., Karlov G.I. Gene resources of perennial wild cereals involved in breeding to improve wheat crop. Sel’skokhozyaistvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2019; 54(3):409-425. DOI 10.15389/agrobiology.2019.3.409eng

17. Leonova I.N., Röder M.S., Kalinina N.P., Budashkina E.B. Genetic analysis and localization of loci controlling leaf rust resistance of Triticum aestivum × Triticum timopheevii introgression lines. Russ. J. Genet. 2008;44:1431-1437. DOI 10.1134/S1022795408120077

18. Li H., Wang X. Thinopyrum ponticum and Th. intermedium: the promising source of resistance to fungal and viral diseases of wheat. J. Genet. Genomics. 2009;36(9):557-565. DOI 10.1016/S1673-8527(08)60147-2

19. Li H., Conner R.L., Chen Q., Li H., Laroche A., Graf R.J., Kuzyk A.D. The transfer and characterization of resistance to common root rot from Thinopyrum ponticum to wheat. Genome. 2004;47(1):215-223. DOI 10.1139/g03-095

20. Li M., Wang Y., Liu X., Li X., Wang H., Bao Y. Molecular cytogenetic identification of a novel wheat – Thinopyrum ponticum 1JS (1B) substitution line resistant to powdery mildew and leaf rust. Front. Plant Sci. 2021;12:727734. DOI 10.3389/fpls.2021.727734

21. Maistrenko O.I. Identification and localization of genes controlling the pubescence of the leaf of young soft wheat plants. Genetika (Moscow). 1976;12(1):5-15 (in Russian)

22. McIntosh R.A., Devos K.M., Dubcovsky J., Morris C.F., Rogers W.J. Catalogue of Gene Symbols for Wheat. Supplement. 2003. Available at: https://wheat.pw.usda.gov/ggpages/wgc/2003upd.html

23. Niu Z., Klindworth D.L., Yu G., Friesen T.L., Chao S., Jin Y., Cai X., Ohm J.-B., Rasmussen J.B., Xu S.S. Development and characterization of wheat lines carrying stem rust resistance gene Sr43 derived from Thinopyrum ponticum. Theor. Appl. Genet. 2014;127(4):969- 980. DOI 10.1007/s00122-014-2272-4

24. Osipova S.V., Rudikovskii A.V., Permyakov A.V., Rudikovskaya E.G., Permyakova M.D., Verkhoturov V.V., Pshenichnikova T.A. Physiological responses of wheat (Triticum aestivum L.) lines with genetically different leaf pubescence. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(8):813-820. DOI 10.18699/VJ20.678

25. Pershina L.A., Trubacheeva N.V., Shumny V.K., Badaeva E.D. Development and characterization of a line with substitution of chromosome 4B of wheat Triticum aestivum L. on chromosome 4Hmar of wild barley Hordeum marinum ssp. gussoneanum (4x). Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2023;27(6):545-552. DOI 10.18699/VJGB-23-66

26. Plaschke J., Ganal M.W., Röder M.S. Detection of genetic diversity in closely related bread wheat using microsatellite markers. Theor. Appl. Genet. 1995;91(6-7):1001-1007. DOI 10.1007/BF00223912

27. Pshenichnikova T.A., Lapochkina I.F., Shchukina L.V. The inheritance of morphological and biochemical traits introgressed into common wheat (Triticum aestivum L.) from Aegilops speltoides Tausch. Genet. Resour. Crop Evol. 2007;54(2):287-293. DOI 10.1007/s10722-005-4499-z

28. Pshenichnikova T.A., Khlestkina E.K., Shchukina L.V., Simonov A.V., Chistyakova A.K., Morozova E.V., Landjeva S., Karceva T., Börner A. Exploitation of Saratovskaya 29 (Janetzkis Probat 4D*7A) substitution and derivate lines for comprehensive phenotyping and molecular mapping of quantitative trait loci (QTL). In: EWAC Newsletter 2012, Proc. of the 15th International EWAC Conference, 7–11 November 2011, Novi Sad, Serbia. 2012;19-22

29. Pshenichnikova T.A., Doroshkov A.V., Simonov A.V., Afonnikov D.A., Börner A. Diversity of leaf pubescence in bread wheat and relative species. Genet. Resour. Crop Evol. 2017;64(7):1761-1773. DOI 10.1007/s10722-016-0471-3

30. Pshenichnikova T.A., Doroshkov A.V., Osipova S.V., Permyakov A.V., Permyakova M.D., Efimov V.M., Afonnikov D.A. Quantitative characteristics of pubescence in wheat (Triticum aestivum L.) are associated with photosynthetic parameters under conditions of normal and limited water supply. Planta. 2019;249(3):839-847. DOI 10.1007/s00425-018-3049-9

31. 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

32. Saade S., Kutlu B., Draba V., Förster K., Schumann E., Tester M., Pillen K., Maurer A. A donor-specific QTL, exhibiting allelic variation for leaf sheath hairiness in a nested association mapping population, is located on barley chromosome 4H. PloS One. 2017;12(12): e0189446. DOI 10.1371/journal.pone.0189446

33. Salem K.F.M., Mattar M.Z. Identification of microsatellite alleles for salt tolerance at seedling stage in wheat (Triticum aestivum L.). Life Sci. J. 2014;11(12s):1064-1073

34. Schreuder M.D.J., Brewer C.A., Heine C. Modelled influences of nonexchanging trichomes on leaf boundary layers and gas exchange. J. Theor. Biol. 2001;210:23-32. DOI 10.1006/jtbi.2001.2285

35. Shchukina L.V., Pshenichnikova T.A., Khlestkina E.K., Misheva S., Kartseva T., Abugalieva A., Börner A. Chromosomal location and mapping of quantitative trait locus determining technological parameters of grain and flour in strong-flour bread wheat cultivar Saratovskaya 29. Cereal Res. Commun. 2018;46(4):628-638. DOI 10.1556/0806.46.2018.047

36. Shchukina L.V., Simonov A.V., Demenkova M.A., Klykov A.G., Shamanin V.P., Pozherukova V.E., Lepekhov S.B., Chebatareva M.V., Petin V.A., Börner A., Pshenichnikova T.A. Increased grain protein and gluten contents of bread wheat caused by introgression of a T. timopheevii segment into chromosome 2A. Euphytica. 2022;218: 170. DOI.10.1007/s10681-022-03121-w

37. Shvachko N.A., Semilet T.V., Tikhonova N.G. Trichomes in higher plants: homological series in hereditary variability and molecular genetic mechanisms. Russ. J. Genet. 2020;56(11):1359-1370. DOI 10.1134/S1022795420110083

38. Simonov A.V., Smirnova O.G., Genaev M.A., Pshenichnikova T.A. The identification of a new gene for leaf pubescence introgressed into bread wheat from Triticum timopheevii Zhuk. and its manifestation in a different genotypic background. Plant Genet. Resour. 2021;19(3):238-244. DOI 10.1017/S1479262121000277

39. Singh A., Pallavi J.K., Gupta P., Prabhu K.V. Identification of microsatellite markers linked to leaf rust resistance gene Lr25 in wheat. J. Appl. Genet. 2012;53(1):19-25. DOI 10.1007/s13353- 011-0070-0

40. Sukhwinder-Singh, Brown-Guedira G.L., Grewal T.S.,·Dhaliwal H.S., Nelson J.C., Singh H., Gill B.S. Mapping of a resistance gene effective against Karnal bunt pathogen of wheat. Theor. Appl. Genet. 2003;106(2):287-292. DOI 10.1007/s00122-002-1112-0

41. Taketa S., Chang C.L., Ishii M., Takeda K. Chromosome arm location of the gene controlling leaf pubescence of a Chinese local wheat cultivar Hong-mang-mai. Euphytica. 2002;125(2):141-147. DOI 10.1023/A:1015812907111

42. Vavilov N.I. Scientific Foundations of Wheat Breeding. Moscow–Leningrad: Selkhozgiz Publ., 1935;70-87 (in Russian)

43. Wan H., Yang Y., Li J., Zhang Z., Yang W. Mapping a major QTL for hairy leaf sheath introgressed from Aegilops tauschii and its association with enhanced grain yield in bread wheat. Euphytica. 2015; 205:275-285. DOI 10.1007/s10681-015-1457-5

44. Wang S., Wang C., Wang Y., Wang Y., Chen C., Ji W. Molecular cytogenetic identification of two wheat – Thinopyrum ponticum substitution lines conferring stripe rust resistance. Mol. Breed. 2019;39:143. DOI 10.1007/s11032-019-1053-9

45. Yang G., Deng P., Ji W., Fu S., Li H., Li B., Li Zh., Zheng Q. Physical mapping of a new powdery mildew resistance locus from Thinopyrum ponticum chromosome 4AgS. Front. Plant Sci. 2023;14:1131205. DOI 10.3389/fpls.2023.1131205

46. Zeven A.C. Wheats with purple and blue grains: a review. Euphytica. 1991;56:243-258

47. Zheng Q., Li B., Mu S., Zhou H., Li Z. Physical mapping of the bluegrained gene(s) from Thinopyrum ponticum by GISH and FISH in a set of translocation lines with different seed colors in wheat. Genome. 2006;49(9):1109-1114. DOI 10.1139/g06-073


Рецензия

Просмотров: 276


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


ISSN 2500-3259 (Online)