Селекция гибридных форм как стимул развития молекулярно-генетических исследований у ржи

Селекция ржи ведет свою историю начиная с 1850 г. с направленной селекции в семеноводческом хозяйстве Probsteier (Германия). Более чем 150-летний период селекции дал колоссальные результаты. Благодаря малому числу и небольшим размерам хромосом рожь долгое время была объектом цитологических исследований. Тем не менее вплоть до начала 1980-х годов информации в области генетических исследований ржи было не так уж много. Большие успехи были достигнуты только с развитием новых методов, таких как дифференциальное C-окрашивание, гибридизация in situ, белковые и молекулярные маркеры. Молекулярно-генетические исследования на ржи получили мощный импульс в значительной степени благодаря селекции гибридных форм ржи и успешному внедрению гибридных сортов в производство. Фундаментальные генетические знания, основанные на анализе внутри- и межвидового разнообразия и филогенетических отношений в роде Secale, в том числе с помощью ядерных и цитоплазматических ДНК-маркеров, способствовали успешному подбору родительских форм для скрещивания и тем самым внесли вклад в достижение высокого эффекта гетерозиса. Обсуждаются основные достижения гибридной селекции у ржи и генетические механизмы, используемые для реализации различных стратегий гибридной селекции. Перспективной стратегией маркер-контро­лируемого получения гибридных форм является пере­нос генов от местных стародавних сортов и диких видов ржи с помощью метода, сочетающего беккроссную селекцию с QTL-анализом и отбором по генотипу, или путем создания и использования так называемых библиотек интрогрессий. Маркер-контролируемый отбор и геномная селекция, основанные на полногеномных данных по маркерам, служат также для улучшения прогнозирования показателей получаемых гибридных форм. Результаты генетических исследований (в том числе картирования, филогенетических и популяционных исследований) рассматриваются в свете целей и задач гибридной селекции. К настоящему моменту в геноме картировано около 450 генов, контролирующих признаки и/или кодирующих известные белки, а также около 5000 ДНК-маркеров. Они не только соотнесены с определенной хромосомой или участком генома, но и успешно используются для сравнительного картирования в эволюционных исследованиях, контролируемой передачи интрогрессий, маркирования QTL и маркер-ориентированной селекции.

Перевод с английского В.В. Гулевича

1. Кобылянский В.Д. Цитоплазматическая мужская стерильность у диплоидной ржи. Вестн. с.-х. науки. 1969;6:18-22.

2. Кобылянский В.Д., Катерова А.Г. Наследование цитоплазматической и ядерной мужской стерильности у озимой диплоидной ржи. Генетика. 1973;9:5-11.

3. Лукьяненко П.П. Селекция и семеноводство озимой пшеницы. Избр. тр. М.: Колос, СССР, 1973.

4. Adolf K., Neumann H. Probleme bei der Entwicklung und Nutzung eines Funktionssystems für die Hybridzüchtung beim Roggen Tag. Ber. AdL, Berlin (Germany). 1981;191:61-72.

5. Bartos P., Bares I. Leaf and stem rust resistance of hexaploid wheat cultivars Salzmünder Bartweizen and Weique. Euphytica. 1971;20: 435-

6. Berkner F., Meyer K. Morphologische Studien an Roggenähren aus Anatolien Z. Pflanzenzücht. Bolibok-Brągoszewska H., Heller-Uszyńska K., Wenzl P., Uszyński G., Kilian A., Rakoczy-Trojanowska M. DArT markers for the rye genome – genetic diversity and mapping. BMC Genomics. 2009;10: 578-586.

7. Börner A., Korzun V., Voylokov A.V., Worland A.J., Weber W.E. Genetic mapping of quantitative trait loci in rye (Secale cereale L.). Euphytica. 2000;116:203-209.

8. Brewbaker H.E. Studies of self-fertilization in rye. Univ. Minn. Agric. Exp. State Tech. Bull. 1926;40:1-24.

9. Chikmawati T., Skovmand B., Gustafson J.P. Phylogenetic relationships among Secale species revealed by amplified fragment length polymorphisms. Genome. 2005;48:792-801.

10. Devos K.M., Gale M.D. Comparative genetics in the grasses. Plant Mol. Biol. 1997;35:3-15.

11. Dohmen G., Tudzynski P. A DNA-polymerase-related reading frame (pol-r) in the mtDNA of Secale cerealе Curr. Genet. 1994;25:59-65.

12. Dreyer F., Miedaner T., Geiger H.H. Chromosomale Lokalisation von Restorergenen aus argentinischen und iranische Roggen (Secale cereale L.) Vortr. Pflanzenzücht. 1996;32:49-51.

13. Dundas I.S., Frappell D.E., Crack D.M., Fisher J.M. Deletion mapping of a nematode resistance gene on rye chromosome 6R in wheat. Crop Sci. 2001;41:1771-1778.

14. Falke K.C., Susic Z., Hackauf B., Korzun V., Schondelmaier J., Wilde P., Wehling P. Establishment of introgression libraries in hybrid rye (Secale cereale L.) from an Iranian primitive accession as a new tool for rye breeding and genomics. Theor. Appl. Genet. 2008;117: 641-652.

15. Falke K.C., Susic Z., Wilde P., Wortmann H., Möhring J., Piepho H.-P., Geiger H.H., Miedaner T. Testcross performance of rye introgression lines developed by marker-assisted backcrossing using an Iranian accession as donor. Theor. Appl. Genet. 2009;118:1225-1238.

16. Frederiksen S., Peterson G. A taxonomic revision of Secale (Triticeae, Poaceae). Nordic J. Bot. 1998;18:399-Frimmel F., Baranek F. Beitrag zur Methodik der Roggenzüchtung und des Saatgutbaues Z. Zücht.

17. Geiger H.H., Miedaner T. Genetic basis and phenotypic stability of male fertility restoration in rye. Vortr. Pflanzenzücht. 1996;35:27-38.

18. Geiger H.H., Miedaner T. Hybrid rye and heterosis. Genetics and Exploitation of Heterosis in Crops. Eds J.G. Coors, S. Pandey. Crop Science Society, America, Madison, WI, 1999.

19. Geiger H.H., Miedaner T. Rye breeding. Handbook of Plant Breeding, Cereals. Ed. M.J. Carena. Springer Publishing, N.Y., 2009;3: 157-181.

20. Geiger H.H., Schnell F.W. Cytoplasmic male sterility in rye (Secale cereale L.). Crop Sci. 1970;10:590-593.

21. Geldermann H. Investigations on inheritance of quantitative characters in animals by gene markers. I. Methods. Theor. Appl. Genet. 1975;46:319-330.

22. Glass C., Miedaner T., Geiger H.H. Lokalisation von Restorergenen der Winterroggenlinie L18 mit RFLP-Markern Vortr. Pflanzenzü 1995;31:52-55.

23. Gustafson J.P., Butler E., McIntyre C.L. Physical mapping of a lowcopy DNA sequence in rye (Secale cereale L.). Prod. Nat. Acad. Sci. USA. 1990;87:1899-18902.

24. Gustafson J.P., Ma X.-F., Korzun V., Snape J.W. A consensus map of rye integrating mapping data from five mapping populations. Theor. Appl. Genet. 2009;118:793-800.

25. Hackauf B., Rudd S., Voort van der J.R., Miedaner T., Wehling P. Comparative mapping of DNA sequences in rye (Secale cereale L.) in relation to the rice genome. Theor. Appl. Genet. 2009;118:371-384.

26. Haseneyer G., Schmutzer T., Seidel M., Zhou R., Mascher M., Schön C.C., Taudien S. From RNA-seq to large-scale genotyping – Genomics resources for rye (Secale cereale L.). BMC Plant Biol. 2011;11:131. DOI:10.1186/1471-2229-11-131

27. Heribert-Nilsson N. Morphologische Studien an Roggenähren aus Anatolien Z. Pflanzenzücht. Heslot N., Akdemir D., Sorrells M.E., Jannink J.-L. Integrating environmental covariates and crop modeling into the genomic selection framework to predict genotype by environment interactions. Theor. Appl. Genet. 2014;127:463-480.

28. Hull G.A., Sabelli P.A., Shewry P.R. Restriction fragment analysis of the secalin loci of rye. Biochem. Genet. 1992;30:85-97.

29. Jain S. K. Cytogenetics of rye (Secale ssp.). Bibliogr. Genet. 1960;19 1-86.

30. Kattermann G. Zur Cytologie halmbehaarter Stämme aus Weizenroggenbastardierung Züchter 1937;9:196-199.

31. Krasnyuk A.A. Secale cereale×Agropyron cristatum hybrids. Soc. Grain Farm. 1936;1:106-115.

32. Łapiński M. Cytoplasmic-genic type of male sterility in Secale montanum Guss. Wheat Inform. Serv. 1972;35:25-28.

33. Mahone G.S., Frisch M., Miedaner T., Wilde P., Wortmann H., Falke K.C. Identification of quantitative trait loci in rye introgression lines carrying multiple donor chromosome segments. Theor. Appl. Genet. 2013;126:49-58.

34. Martis M.M., Zhou R., Haseneyer G., Schmutzer T., Vrána J., Kubaláková M., König S., Kugler K.G., Scholz U., Hackauf B., Korzun V., Schön C.-C., Doležel J., Bauer B., Klaus F.X., Mayer K.F.X., Stein N. Reticulate evolution of the rye genome. Plant Cell. 2013;25: 3685-3698.

35. Melz G., Melz G., Hartmann F. Genetics of a male-sterile rye of «Gtype» with results of the first F1-hybrids. Proc. 7th EUCARPIA Conf. July 4–7. Radzikow, Poland, 2001.

36. Melz G., Melz G., Hartmann F. Genetics of a male-sterile rye of «Gtype» with results of the first F1-hybrids. Plant Breed. Seed Sci. 2003;47:47-55.

37. Miedaner T., Glass C., Dreyer F., Wilde P, Wortmann H., Geiger H.H. Mapping of genes for male-fertility restoration in «Pampa A» CMS winter rye (Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 2000;101: 1226-1233.

38. Miedaner T., Schwegler D.D., Wilde P., Reif J. C. Association between line per se and testcross performance for eight agronomic and quality traits in winter rye. Theor. Appl. Genet. 2014;127:33-41.

39. Milczarski P., Bolibok-Brągoszewska H., Myśków B., Stojałowski S., Heller-Uszyńska K., Góralska M., Brągoszewski P., Uszyński G., Kilian A., Rakoczy-Trojanowska M. A high density consensus map of rye (Secale cereale L.) based on DArT markers. PLoS ONE. 2011;6:e28495.

40. Mohan A., Goyal A., Singh R., Balyan H.S., Gupta P.K. Physical mapping of wheat and rye expressed sequence tag–simple sequence repeats on wheat chromosomes. Crop Sci. 2007;47:3-13.

41. Myśków B., Stojałowski S., Łań A.,Bolibok-Brągoszewska H.,Rakoczy-Trojanowska M., Kilian A. Detection of the quantitative trait loci for α-amylase activity on a high-density genetic map of rye and comparison of their localization to loci controlling preharvest sprouting and earliness. Mol. Breed. 2012;30:367-

42. Nilsson-Ehle H. Einige Beobachtungen über erbliche Variationen der Chlorophylleigenschaft bei den Getreidearten Z. Ind. Abst. Vererbungsl. 1913;9:289-300.

43. Nilsson-Ehle H. Inzucht als Züchtungsmethode Züchtungskunde 1928;3:257-271.

44. O’Mara J.G. The substitution of a specific Secale cereale chromosome for a specific Triticum aestivum chromosome. Genetics. 1947;32: 99-100.

45. Pammer G. Über Veredelungszüchtungen mit einigen Landsorten des Roggens in Niederösterreich Z. Landw. Versuchswesen. 1905;8: 1015-1053.

46. Peterson R.F. Improvement of rye through in-breeding. Sci. Agric. 1934;14:651-668.

47. Quarrie S.A., Steed A., Semikhodsky A., Calestani C., Fish L., Galiba G., Sutka J., Snape J.W. Identifying quantitative trait loci (QTL) for stress response in cereals. Annu. Rep. of John Innes Centre & Sainsbury Laboratory, Norwich, 1994.

48. Rajaram S., Maan C.E., Ortiz-Ferrara A., Mujeeb-Kazi A. Adaptation, stability and high yield potential of certain 1B/1R CIMMYT wheats. Proc. 6th Int. Wheat Genet. Symp. Kyoto, Japan, 1983.

49. Ramage R.T. Balanced tertiary trisomics for use in hybrid seed production. Crop Sci. 1965;5:177-178.

50. Riley R., Chapman V., Miller T.E. Hairy necked Viking. Ann. Rep. Plant Breed. Inst. Cambridge, U.K. 1970.

51. Rimpau W. Züchtung auf dem Gebiete der landwirtschaftlichen Kulturpflanzen Mentzel & von Lengerke’s Landwirtschaftl. Kalender, 1883;II:33-92.

52. Rogowsky P.M., Shepherd K.W., Langridge P. Polymerase chain reaction based mapping of rye involving repeated DNA sequences. Genome. 1992;35:621-626.

53. Roemer T., Rudorf W. Handbuch der Pflanzenzüchtung. Bd. 2 Grundlagen der Pflanzenzüchtung. P. Parey Verlag, Berlin/Hamburg, Germany, 1950.

54. Rümker von K., Leidner R. Ein Beitrag zur Frage der Inzucht bei Roggen. Z. Pflanzenzücht. 1914;2:427-444.

55. Santos E., Matos M., Silva P., Figueiras A.M., Benito C., PintoCarnide O. Phylogenetic relationships of genus Secale revealed by RAPD and ISSR markers. Genet. Res. Crop Evol. 2015. in press.

56. Schlegel R. Dictionary of Plant Breeding, 2nd ed. Taylor & Francis, Inc., N.Y., 2009.

57. Schlegel R. Current list of wheats with rye and alien introgression. 2015;03-15:1-18. http://www.rye-gene-map.de/rye-introgression

58. Schlegel R., Korzun V. About the origin of 1RS.1BL wheat-rye chromosome translocations from Germany. Plant Breed. 1997;116:537-540.

59. Schlegel R., Korzun V. Genes, markers and linkage data of rye (Secale cereale L.). 10th uptaded inventory. 2015;03.15:1-115. http://www.rye-gene-map.de

60. Schlegel R., Meinel A. A quantitative trait locus (QTL) on chromosome arm 1RS of rye and its effect on yield performance of hexaploid wheat. Cereal Res. Commun. 1994;22:7-13.

61. Schlegel R., Weryszko E. Intergeneric chromosome pairing in different wheat-rye hybrids revealed by the Giemsa banding technique and some implications on karyotype evolution in the genus Secale. Biol.Zbl. 1979;98:399-407.

62. Schlegel R., Kynast R., Schwarzacher T., Römheld V., Walter A. Mapping of genes for copper efficiency in rye and the relationship between copper and iron efficiency. Plant Soil. 1993;154:61-65.

63. Schnell F.W. Roggen. Dreißig Jahre Züchtungsforschung Ed. W. Rudorf G. Fischer Verl., Stuttgart (Germany), 1959.

64. Shang H.-Y., Wei Y.-M., Wang X-R., Zheng Y.-L. Genetic diversity and phylogenetic relationships in the rye genus Secale L. (rye) based on Secale cereale microsatellite markers. Genet. Mol. Biol. São Paulo. 2006;29:685-691.

65. Sirks M.J. Über einen Fall vererbbarer Lichtempfindlichkeit des Chlorophylls beim Roggen (Secale cereale) Genetica 1929;11:375-386.

66. Steglich R., Pieper H. Vererbungs- und Züchtungsversuche mit Roggen Fühlings Landw. Ztg. 1922;71:201-221.

67. Steinborn R., Schwabe W., Weihe A., Adolf K., Melz G., Börner T. A new type of cytoplasmic male sterility in rye (Secale cereale L.): analysis of mitochondrial DNA. Theor. Appl. Genet. 1993;85: 822-824.

68. Stojałowski S., Łapiński M., Szklarczyk M. Identification of sterilityinducing cytoplasms in rye using the plasmotype –genotype interaction test and newly developed SCAR markers. Theor. Appl. Genet. 2006;112:627-633.

69. Sybenga J. Critical appraisal of balanced chromosomal ms systems in hybrid rye breeding. EUCARPIA Meet. Cereal Sect., Rye, Svalöv (Sweden). 1985.

70. Tahmasebi S., Heidari B., Pakniyat H., Dadkhodaie A. Consequences of 1BL/1RS translocation on agronomic and physiological traits in wheat. Cereal Res. Commun. 2015. DOI: 10.1556/0806.43.2015.016

71. Tenhola-Roininen T., Kalendar R., Schulman A.H., Tanhuanpää P. A doubled haploid rye linkage map with a QTL affecting α-amylase activity. J. Appl. 2011;52:299-304.

72. Treboux O. Beobachtungen über Vererbung yon Kornfarbe und Anthocyan beim Roggen Z. Pflanzenzücht.

73. Tschermak E. Die Züchtung neuer Getreiderassen mittels künstlicher Kreuzung. II. Kreuzungsstudien an Roggen. Z. landw. Versuchsw. 1906;9:699-743.

74. de Vries J.N., Sybenga J. Chromosomal lo­cation of 17 monogenically inherited morphological markers in rye (Secale cereale L.) using the transloca­tion tester set. Z. Pflanzenzücht. 1984;92:117-139.

75. Vries de J.N., Sybenga J. Meiotic behaviour of telo-tertiary compensating trisomics of rye: Evaluation for use in hybrid varieties. Theor. Appl. Genet. 1989;78:889-896.

76. Wang Y., Mette M.F., Miedaner T., Gottwald M., Wilde P., Reif J.C., Zhao Y. The accuracy of prediction of genomic selection in elite hybrid rye populations surpasses the accuracy of marker-assisted selection and is equally augmented by multiple field evaluation locations

77. and test years. BMC Genomics. 2014;15:556. nih.gov/pmc/articles/PMC4101178/

78. Warzecha R., Salak-Warzecha K. A new source of male sterility in rye (Secale cereale L.). Plant Breed. Seed Sci. 2003;48:

79. Whittaker I.C., Thompson R., Denham M.C. Marker-assisted selection using ridge regression. Genet. Res. 2000;75:249-252.

80. Zeller F.J. 1B/1R wheat-rye substitutions and translocations. Proc. 4th Int. Wheat Genet. Symp. Columbia, USA, 1973.

81. Zeller F.J., Günzel G., Fischbeck G., Gertenkorn P., Weipert D. Ver-fänderungen der Backeigenschaften der Weizen-Roggen-Translokationssorten Getreide Mehl Brot 1982; 36: 141-143.

82. Zohary D. Origin of southwest Asiatic cereals: Wheats, barley, oats and rye. Plant Life of South-West Asia. Eds P.H. Davis et al. Aberdeen University Press, Aberdeen, 1971.