Разнообразие отечественных сортов твердой пшеницы по генам синтеза и деградации каротиноидов в зерне

Индекс желтизны – важный параметр качества сортов твердой пшеницы, связанный с содержанием каротиноидов в зерне и уровнем их деградации в процессе его переработки и определяющий желтый цвет продуктов, получаемых из твердой пшеницы. Применение молекулярно-генетических маркеров генов, влияющих на содержание каротиноидов, позволяет быстро идентифицировать ценные для селекции генотипы для ускоренного создания новых высококачественных отечественных сортов твердой  пшеницы. Целью работы стало изучение отечественного генофонда твердой пшеницы с помощью молекулярных маркеров генов синтеза (Psy-A1) и деградации (Lpx-B1) желтых пигментов в зерне. С использованием двух маркеров гена фитоенсинтазы Psy-A1 (PSY1-A1_STS и YP7A-2) и трех маркеров локуса липоксигеназы Lpx-B1 (Lpx-B1.1a/1b, Lpx-B1.1с и Lpx-B1.2/1.3) впервые были исследованы 54 сорта твердой пшеницы, 38 из которых охарактеризованы по уровню содержания желтых пигментов в зерне. Аллельное разнообразие изученных отечественных сортов твердой пшеницы по генам фитоенсинтазы Psy-A1 и липоксигеназы Lpx-B1 оказалось достаточно низким. Наиболее распространенными в выборке были аллельные варианты Psy-A1l по маркеру PSY1-A1_STS и Psy-A1d по маркеру YP7A-2, выявленные у 51 образца и ассоциированные с высокими значениями индекса желтизны. По маркерам локуса Lpx-B1 в выборке преобладал гаплотип II, связанный со средней активностью липоксигеназы, который был идентифицирован у 43 образцов. Гаплотип III, ассоциированный с низкой активностью фермента, выявлен только у трех озимых сортов (Дончанка, Гелиос и Леукурум 21). Несмотря на преобладание аллельных вариантов, связанных с повышенным содержанием каротиноидов и средней активностью липоксигеназы, исследуемые образцы имели различный уровень содержания желтых пигментов – от низкого до высокого.

1. Blanco A., Colasuonno P., Gadaleta A., Mangini G., Schiavulli A., Simeone R., Digesu A.M., De Vita P., Mastrangelo A.M., Cattivelli L. Quantitative trait loci for yellow pigment concentration and individual carotenoid compounds in durum wheat. J Cereal Sci. 2011;54(2):255-264. doi 10.1016/j.jcs.2011.07.002

2. Campos K.M., Royo C., Schulthess A., Villegas D., Matus I., Ammar K., Schwember A.R. Association of phytoene synthase Psy1- A1 and Psy1-B1 allelic variants with semolina yellowness in durum wheat (Triticum turgidum L. var. durum). Euphytica. 2016;207:109117. doi 10.1007/s10681-015-1541-x

3. Carrera A., Echenique V., Zhang W., Helguera M., Manthey F., Schrager A., Picca A., Cervigni G., Dubcovsky J. A deletion at the Lpx-B1 locus is associated with low lipoxygenase activity and improved pasta color in durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum). J Cereal Sci. 2007;45(1):67-77. doi 10.1016/j.jcs.2006.07.001

4. Colasuonno P., Marcotuli I., Blanco A., Maccaferri M., Condorelli G.E., Tuberosa R., Parada R., de Camargo A.C., Schwember A.R., Gadaleta A. Carotenoid pigment content in durum wheat (Triticum turgidum L. var. durum): an overview of quantitative trait loci and candidate genes. Front Plant Sci. 2019;10:1347. doi 10.3389/fpls.2019.01347

5. Digesu A.M., Platani C., Cattivelli G., Blanco A. Genetic variability in yellow pigment components in cultivated and wild tetraploid wheats. J Cereal Sci. 2009;50(2):210-218. doi 10.1016/j.jcs.2009.05.002

6. Doyle J.J., Doyle J.L. Isolation of plant DNA from fresh tissue. Focus. 1990;12(1):13-15

7. Ficco D.B.M., Mastrangelo A.M., Trono D., Borrelli G.M., De Vita P., Fares C., Beleggia R., Platani C., Papa R. The colours of durum wheat: a review. Crop Pasture Sci. 2014;65(1):1-15. doi 10.1071/CP13293

8. Gallagher C.E., Matthews P.D., Li F., Wurtzel E.T. Gene duplication in the carotenoid biosynthetic pathway preceded evolution of the grasses. Plant Physiol. 2004;135(3):1776-1783. doi 10.1104/pp.104.039818

9. He X.Y., Zhang Y.L., He Z.H., Wu Y.P., Xiao Y.G., Ma C.X., Xia X.C. Characterization of phytoene synthase 1 gene (Psy1) located on common wheat chromosome 7A and development of a functional marker. Theor Appl Genet. 2008;116(2):213-221. doi 10.1007/s00122-007-0660-8

10. He X.Y., He Z.H., Ma W., Appels R., Xia X.C. Allelic variants of phytoene synthase 1 (Psy1) genes in Chinese and CIMMYT wheat cultivars and development of functional markers for flour colour. Mol Breed. 2009a;23:553-563. doi 10.1007/s11032-009-9255-1

11. He X., Wang J., Ammar K., Pena R.J., Xia X., He Z. Allelic variants at the Psy-A1 and Psy-B1 loci in durum wheat and their associations with grain yellowness. Crop Sci. 2009b;49(6):2058-2064. doi 10.2135/cropsci2008.11.0651

12. Hessler T.G., Thomson M.J., Benscher D., Nachit M.M., Sorrells M.E. Association of a lipoxygenase locus, Lpx-B1, with variation in lipoxygenase activity in durum wheat seeds. Crop Sci. 2002;42(5): 1695-1700. doi 10.2135/cropsci2002.1695

13. Kilchevsky A.V., Khotyleva L.V. Environment-oriented Plant Breeding. Minsk: Tekhnalogiya Publ., 1997 (in Russian) Malchikov P.N., Myasnikova M.G. The content of yellow pigments in durum wheat (Titicum durum Desf.) grains: biosynthesis, genetic control, marker selection. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2020;24(5):501-511. doi 10.18699/VJ20.642 (in Russian)

14. Methods for Assessing Technological Qualities of Grain. Moscow: Academic Council for Grain Quality, 1971 (in Russian)

15. Natoli V., Malchikov P., De Vita P., Shevchenko S., Dolaberidze S. Genetic improvement for gluten strength in Russian spring durum wheat genotypes. In: Antipova T. (Ed.) Comprehensible Science. ICCS 2020. Lecture Notes in Networks and Systems. Vol. 186. Springer, 2021;301-312. doi 10.1007/978-3-030-66093-2_29

16. Parada R., Royo C., Gadaleta A., Colasuonno P., Marcotuli I., Matus I., Castillo D., de Camargo A.C., Araya-Flores J., Villegas D., Schwember A.R. Phytoene synthase 1 (Psy-1) and lipoxygenase 1 (Lpx-1) genes influence on semolina yellowness in wheat Mediterranean germplasm. Int J Mol Sci. 2020;21(13):4669. doi 10.3390/ijms21134669

17. Patil R., Oak M., Deshpande A., Tamhankar S. Development of a robust marker for Psy-1 homoeologs and its application in improvement of yellow pigment content in durum wheat. Mol Breed. 2018; 38(11):136. doi 10.1007/s11032-018-0895-x

18. Requena-Ramirez M.D., Rodríguez-Suarez C., Flores F., HorneroMéndez D., Atienza S.G. Marker-trait associations for total carotenoid content and individual carotenoids in durum wheat identified by genome-wide association analysis. Plants. 2022;11(15):2065. doi 10.3390/plants11152065

19. Roncallo P.F., Cervigni G.L., Jensen C., Miranda R., Carrera A.D., Helguera M., Echenique V. QTL analysis of main and epistatic effects for flour color traits in durum wheat. Euphytica. 2012;185:77-92. doi 10.1007/s10681-012-0628-x

20. Schulthess A., Schwember A.R. Improving durum wheat (Triticum turgidum L. var durum) grain yellow pigment content through plant breeding. Cienc Inv Agr. 2013;40(3):475-490. doi 10.4067/S0718-16202013000300002

21. Shevchenko S.N., Malchikov P.N., Myasnikova M.G., Natoli V., De Vita P., Giuliani M. Genetic methods of improving wheat quality of durum cultivars adapted to climate conditions of Russia with special accent on commercial characteristics of grain. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2018; 20(2/2):220-230. doi 10.24411/1990-5378-2018-00064 (in Russian)

22. Singh A., Reimer S., Pozniak C.J., Clarke F.R., Clarke J.M., Knox R.E., Singh A.K. Allelic variation at Psy1-A1 and association with yellow pigment in durum wheat grain. Theor Appl Genet. 2009;118(8): 1539-1548. doi 10.1007/s00122-009-1001-x

23. State Register of Varieties and Hybrids of Agricultural Plants Admitted for Usage (National list): official publication. Moscow: Rosinformagrotech Publ., 2024;19-21 (in Russian)

24. Vasil’chuk N.S. Spring Durum Wheat Breeding. Saratov: Novaya Gazeta Publ., 2001 (in Russian)

25. Verlotta A., De Simone V., Mastrangelo A.M., Cattivelli L., Papa R., Trono D. Insight into durum wheat Lpx-B1: a small gene family coding for the lipoxygenase responsible for carotenoid bleaching in mature grains. BMC Plant Biol. 2010;10:263. doi 10.1186/14712229-10-263