Пребридинговые исследования почти изогенных линий яровой мягкой пшеницы, отличающихся по наличию/отсутствию хромосомного замещения 3R(3D) от сорта тритикале Satu

Одним из источников устойчивости к возбудителям листовой и стеблевой ржавчин для мягкой пшеницы является австралийский сорт ярового тритикале Satu, несущий высокоэффективные сцепленные гены SrSatu/LrSatu, локализованные в хромосоме 3R. Однако они мало используются в практической селекции Triticum aestivum L. из-за недостаточной изученности влияния этих генов на продуктивность и качество зерна. В настоящей работе представлены результаты сравнительного исследования агрономической ценности почти изогенных линий-сибсов яровой мягкой пшеницы Л16 и Л17, полученных с участием сорта Satu и различающихся наличием (Л16) или отсутствием (Л17 (3D3D)) замещения 3R/3D. Хромосомное замещение 3R(3D) у Л16 выявлено при цитогенетическом анализе, сочетающем GISH c меченой геномной ДНК Secale cereale и FISH с зондами pSc119.2, pAs1. Линия Л16 высокоустойчива к Puccinia triticina и P. graminis, включая линейку расы Ug99. ПЦР-анализом с ДНК-маркерами генов Sr установлена неидентичность гена устойчивости у Л16 генам Sr: Sr2, Sr24, Sr25, Sr28, Sr31, Sr32, Sr36, Sr38, Sr39, Sr47 и Sr57. Урожайность зерна у Л16 в оба года исследований была ниже, чем у Л17 и сорта-стандарта Саратовская 76. По массе 1000 зерен Л16 уступила как Л17, так и Саратовской 76. Анализ элементов продуктивности главного колоса показал, что замещение 3R(3D) у Л16 значимо уменьшило длину колоса, повысив его плотность, и практически не повлияло на количество колосков и зерен в колосе и массу зерна с колоса. По содержанию белка в зерне линия Л16 значимо не отличалась ни от своего сибса Л17, ни от сорта Саратовская 76. Схожим образом не обнаружились значимые различия по содержанию клейковины. Однако клейковина у Л16 была более слабой по сравнению как с Л17, так и с сортом Саратовская 76. По комплексному показателю SDS-седиментации Л16 уступила Л17, но незначимо различалась с сортом-стандартом. По показателям альвеографа у Л16 более низкие упругость теста и сила муки, но по сравнению с сортом-стандартом понижение силы муки незначимое. По объему хлеба Л16 с 3D(3R) имела большее значение, чем Саратовская 76, но незначимо отличалась от своего сибса Л17 с 3D3D. По пористости все три образца не отличались друг от друга. В целом по комплексу хозяйственно ценных признаков линия яровой мягкой пшеницы Л16 (3R(3D)) требует дальнейшей работы по улучшению ее селекционной ценности.

1. Adhikari K.N. Genetic studies of stem rust resistance in oat and triticale: Phd thesis. The University of Sydney, 1996 Adhikari K.N., McIntosh R.A. Inheritance of wheat stem rust resistance in triticale. Plant Breed. 1998:117(6):505-513. doi 10.1111/j.1439-0523.1998.tb02199.x

2. Badaeva E.D., Ruban A.S., Aliyeva-Schnorr L., Municio C., Hesse S., Houben A. In situ hybridization to plant chromosomes. In: Liehr T. (Ed.) Fluorescence In Situ Hybridization (FISH). Springer Protocols Handbooks. Springer, 2017;477-494. doi 10.1007/978-3-662-52959-1_49

3. Baranova O., Solyanikova V., Kyrova E., Kon’kova E., Gaponov S., Sergeev V., Shevchenko S., … Tarhov A., Vasilova N., Askhadullin D., Askhadullin D., Sibikeev S. Evaluation of resistance to stem rust and identification of Sr genes in Russian spring and winter wheat cultivars in the Volga region. Agriculture. 2023;13(3):635. doi 10.3390/agriculture13030635

4. Baranova O.A., Adonina I.G., Sibikeev S.N. Molecular cytogenetic characteristics of new spring bread wheat introgressive lines resistant to stem rust. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2024;28(4):377-386. doi 10.18699/vjgb-24-43

5. Bedbrook R.J., Jones J., O’Dell M., Thompson R.J., Flavell R.B. A molecular description of telomeric heterochromatin in secale species. Cell. 1980;19(2):545-560. doi 10.1016/0092-8674(80)90529-2

6. Dymchenko A.M., Nazarova L.N., Zhemchuzhina A.I. Promising and released varieties of winter wheat differing in resistance to brown rust. Selektsiya i Semenovodstvo = Breeding and Seed Industry. 1990;5:16-18 (in Russian)

7. Faris J.D., Xu S.S., Cai X., Friesen T.L., Jin Y. Molecular and cytogenetic characterization of a durum wheat – Aegilops speltoides chromosome translocation conferring resistance to stem rust. Chromosome Res. 2008;16(8):1097-1105. doi 10.1007/s10577-008-1261-3

8. Helguera M., Khan I.A., Kolmer J., Lijavetzky D., Zhong-qi L., Dubcovsky J. PCR assays for the Lr37-Yr17-Sr38 cluster of rust resistance genes and their use to develop isogenic hard red spring wheat lines. Crop Sci. 2003;43(5):1839-1847. doi 10.2135/cropsci 2003.1839

9. Jin Y., Singh R.P., Ward R.W., Wanyera R., Kinyua M., Njau P., Fetch T., Pretorius Z.A., Yahuaoui A. Characterization of seedling infection types and adult plant infection responses of monogenic Sr gene lines to race TTKS of Puccinia graminis f. sp. tritici. Plant Dis. 2007;91(9):1096-1099. doi 10.1094/PDIS-91-9-1096

10. Klindworth D.L., Niu Z., Chao S., Friesen T.L., Jin Y., Faris J.D., Cai X., Xu S.S. Introgression and characterization of a goatgrass gene for a high level of resistance to Ug99 stem rust in tetraploid wheat. G3 (Bethesda). 2012;2(6):665-673. doi 10.1534/g3.112.002386

11. Kon’kova E.A. Characteristics of the virulence of the wheat stem rust pathogen in the conditions of the Saratov region. Agrarnyy Nauchnyy Zhurnal = The Agrarian Scientific Journal. 2021;8: 23-27. doi 10.28983/asj.y2021i8pp23-27 (in Russian)

12. Lagudah E.S., McFadden H., Singh R.P., Huerta-Espino J., Bariana H.S., Spielmeyer W. Molecular genetic characterization of the Lr34/Yr18 slow rusting resistance gene region in wheat. Theor Appl Genet. 2006;114(1):21-30. doi 10.1007/s00122-006-0406-z

13. Lelley T., Larter E.N. Meiotic regulation in triticale: interaction of the rye genotype and specific wheat chromosomes on meiotic pairing in the hybrid. Can J Jenet Cytol. 1980;22:1-6

14. Mago R., Bariana H.S., Dundas I.S., Spielmeyer W., Lawrence G.J., Pryor A.J., Ellis J.G. Development or PCR markers for the selection of wheat stem rust resistance genes Sr24 and Sr26 in diverse wheat germplasm. Theor Appl Genet. 2005;111(3):496-504. doi 10.1007/s00122-005-2039-z

15. Mago R., Zhang P., Bariana H.S., Verlin D.C., Bansal U.K., Ellis J.G., Dundas I.S. Development of wheat lines carrying stem rust resistance gene Sr39 with reduced Aegilops speltoides chromatin and simple PCR markers for marker assisted selection. Theor Appl Genet. 2009;119(8):1441-1450. doi 10.1007/s00122-009-1146-7

16. Mago R., Simkova H., Brown-Guedira H.G., Dreisigacker S., Breen J., Jin Y., Singh R., Appels R., Lagudah E.S., Ellis J., Dolezel J., Spielmeyer W. An accurate DNA marker assay for stem rust resistance gene Sr2 in wheat. Theor Appl Genet. 2011;122(4):735-744. doi 10.1007/s00122-010-1482-7

17. Mago R., Verlin D., Zhang P., Bansal U., Bariana H., Jin Y., Ellis J., Hoxha S., Dundas I. Development of wheat – Aegilops speltoides recombinants and simple PCR-based markers for Sr32 and a new stem rust resistance gene on the 2S#1 chromosome. Theor Appl Genet. 2013;126(12):2943-2955. doi 10.1007/s00122-013-2184-8

18. Martynov S.P. Statistical and Biometric Genetic Analysis in Crop Production and Breeding. AGROS Software Package, version 2.09. Tver, 1999 (in Russian)

19. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. (Eds) Wheat Rusts. An Atlas of Resistance Genes. CSIRO Australia, 1995. Available: https://bgri.cornell.edu/wp-content/uploads/2021/01/wheat_rust_atlas_full.pdf

20. McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers W.J., Morris C., Appels R., Xia X.C. Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 12th International Wheat Genetics Symposium. 8-13 September 2013. Yokohama, Japan, 2013. Available: https://shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/macgene/2013/GeneCatalogueIntroduction.pdf

21. McIntosh R.A., Dubcovsky J., Rogers W.J., Xia X.C., Raupp W.J. Catalogue of Gene Symbols for Wheat: 2018 Supplement. Annu Wheat Newsl. 2018;64:73-93

22. McIntosh R.A., Dubcovsky J., Rogers W.J., Xia X.C., Raupp W.J. Catalogue of Gene Symbols for Wheat: 2022 Supplement. Annu Wheat Newsl. 2022;68:68-81

23. Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Res. 1980;8(19):4321-4325. doi 10.1093/nar/8.19.4321

24. Naranjo T., Lacadena J.R., Giraldez R. Interaction between wheat and rye genomes on gomologous and gomoelogous pairing. Z. Pflanzenzuchtg. 1979;82:289-305

25. Orlovskaya О.А., Leonova I.N., Adonina I.G., Salina Е.А., Khotyle­ va L.V., Shumny V.К. Molecular-cytogenetic analysis of triticale and wheat lines with introgressions of the tribe Triticeae species genetic material. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2015;19(5):552-560. doi 10.18699/VJ15.072 (in Russian)

26. Peterson R.F., Campbell A.B., Hannah A.E. A diagrammatic scale for estimating rust intensity on leaves and stems of cereals. Can J Res. 1948;26(5):496-500. doi 10.1139/cjr48c-033

27. Prins R., Groenewald J.Z., Marais G.F., Snape J.W., Koebner R.M.D. AFLP and STS tagging of Lr19, a gene conferring resistance to leaf rust in wheat. Theor Appl Genet. 2001;103(4):618-624. doi 10.1007/PL00002918

28. Rahmatov M., Rouse M.N., Steffenson B.J., Anderson S.C., Wanyera R., Pretorius Z.A., Houben A., Kumarse N., Bhavani S., Johanson E. Sources of stem rust resistance in wheat-alien introgression lines. Plant Dis. 2016;100(6):1101-1109. doi 10.1094/PDIS-12-15-1448-RE

29. Rayburn A.L., Gill B.S. Isolation of a D-genome specific repeated DNA sequence from Aegilops squarrosa. Plant Mol Biol Rep. 1986; 4:104-109. doi 10.1007/BF02732107

30. Rouse M.N., Nava I.C., Chao S., Anderson J.A., Jin Y. Identification of markers linked to the race Ug99 effective stem rust resistance gene Sr28 in wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet. 2012; 125(5):877-885. doi 10.1007/s00122-012-1879-6

31. Salina E., Borner A., Leonova I., Korzun V., Laikova L., Maystrenko O., Roder M.S. Microsatellite mapping of the induced sphaerococcoid mutation genes in Triticum aestivum. Theor Appl Genet. 2000; 100:686-689. doi 10.1007/s001220051340

32. Salina E.A., Lim Y.K., Badaeva E.D., Scherban A.B., Adonina I.G., Amosova A.V., Samatadze T.E., Vatolina T.Y., Zoshchuk S.A., Leitch A. Phylogenetic reconstruction of Aegilops section Sitopsis and the evolution of tandem repeats in the diploids and derived wheat polyploids. Genome. 2006;49(8):1023-1035. doi 10.1139/g06-050

33. Schneider A., Linc G., Molnar-Lang M., Graner A.Fluorescence in situ hybridization polymorphism using two repetitive DNA clones in different cultivars of wheat. Plant Breed. 2003;122(5):396-400. doi 10.1046/j.1439-0523.2003.00891.x

34. Schubert I., Shi F., Fuchs J., Endo T.R. An efficient screening for terminal deletions and translocations of barley chromosomes added to common wheat. Plant J. 1998;14(4):489-495. doi 10.1046/j.1365-313X.1998.00125.x

35. Sibikeev S.N., Druzhin A.E. Prebreeding research of near-isogenic lines of spring bread wheat with a combination of translocations from Agropyron elongatum (Host.) Р.В. and Aegilops ventricosa Tausch. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2015;19(3):310-315. doi 10.18699/VJ15.040 (in Russian)

36. Sibikeev S.N., Krupnov V.A. Evolution of leaf rust and protection from it in the Volga region. Vestnik Saratovskogo Gosuniversiteta im. N.I. Vavilova = The Bulletin Saratov State Agrarian University in Honor of N.I. Vavilov. 2007;S:92-94 (in Russian)

37. Sibikeev S.N., Druzhin A.E., Gultyaeva E.I., Andreeva L.V. Analysing effects of 4AS.4AL-7S#2S translocations upon yields and grain quality of spring milling wheat. Uspekhi Sovremennogo Estestvoznaniya = Advances in Current Natural Sciences. 2019;8:34-38. doi 10.17513/use.37179 (in Russian)

38. Singh S.J., McIntosh R.A. Allelism of two genes for stem rust resistance in triticale. Euphytica. 1988;38:185-189. doi 10.1007/BF00040190

39. Stakman E.C., Stewart D.M., Loegering W.Q. Identification of Physiologic Races of Puccinia graminis var. tritici. Washington, DC, USA: United States Department of Agriculture – Agricultural Research Service, 1962. Available: https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/50620500/Cerealrusts/Pgt/Stakman_code_Pgt.pdf

40. Tsilo T.J., Jin Y., Anderson J.A. Diagnostic microsatellite markers for detection of stem rust resistance gene Sr36 in diverse genetic backgrounds of wheat. Crop Sci. 2008;48(1):253-261. doi 10.2135/cropsci2007.04.0204

41. Wan H., Yang M., Li J., Wang Q., Liu Z., Zhang J., Li S., Yang N., Yang W. Cytological and genetic effects of rye chromosomes 1RS and 3R on the wheat-breeding founder parent Chuanmai 42 from southwestern China. Mol Breed. 2023;43(5):40. doi 10.1007s11032-023-01386-0

42. Weng Y., Azhaguvel P., Devkota R.N., Rudd J.C. PCR-based markers for detection of different sources of 1AL.1RS and 1BL.1RS wheatrye translocations in wheat background. Plant Breed. 2007;126(5): 482-486. doi 10.1111/j.1439-0523.2007.01331.x