Увеличение доли дальнего красного света сокращает вегетационный период тритикале в условиях спидбридинга

Работа по созданию нового перспективного сорта занимает в среднем 12–15 лет. Одним из возможных решений проблемы сокращения длительности селекционного процесса становится технология спидбридинг (speed breeding). Метод, направленный на сокращение вегетационного периода, позволяет получать до шести последовательных поколений яровых злаков за один год. К сожалению, в протоколах спидбридинга уделено мало внимания дальнему красному свету – широко известному индуктору быстрого перехода к цветению. В нашей работе мы оценили возможность использования дальнего красного света для оптимизации спидбридинга яровой тритикале. Экспериментальные растения выращивали в трех вариантах освещения, различающихся соотношением уровней излучения в области 660 нм (К – красный) и 730 нм (ДК – дальний красный): 1) К/ДК 3.75 (К > ДК); 2) К/ДК 0.8 (К = ДК) и 3) К/ДК 0.3 (К < ДК). В результате установлено, что начало цветения тритикале наступало значительно раньше при самом низком соотношении красного к дальнему красному свету (К/ДК 0.3). В среднем при К/ДК 0.3 растения, вегетирующие на минеральной вате и почвенной смеси, зацветали соответственно на 2.6 и 4.1 суток быстрее, чем при варианте К/ДК 3.75. Статистически значимой разницы по продолжительности периода от посева до цветения между вариантами К/ДК 3.75 и К/ДК 0.8 не выявлено. Показано негативное влияние увеличенной доли дальнего красного света на репродуктивную систему тритикале. У семян, сформировавшихся при К/ДК 0.3, наблюдалась значительно меньшая энергия прорастания и всхожесть. Различий в регенерационных способностях изолированных in vitro зародышей, полученных от тритикале, выросшей под светом с разным спектральным составом, не обнаружено. Полученные нами результаты демонстрируют, что для сокращения времени от посева до цветения тритикале важно не только наличие дальнего красного света, но и его соотношение с красным, а именно использование состава, близкого к соотношению К/ДК 0.3. Модифицированный по спектральному составу света протокол спидбридинга позволил инициировать цветение уже на 33.9 ± 1.2 сутки с момента посева. Аналогичный сорт тритикале в полевых условиях Краснодарского края и классических лабораторных условиях выращивания с фотопериодом 18/6 ч день/ночь зацветал на 25–29 суток позже, чем в условиях спидбридинга.

1. Alahmad S., Dinglasan E., Leung K.M., Riaz A., Derbal N., VossFels K.P., Able C.J., Bassi F.M., Christopher C.J., Hickey L.T. Speed breeding for multiple quantitative traits in durum wheat. Plant Methods. 2018;14:36. doi 10.1186/s13007-018-0302-y

2. Arseniuk E. Recent developments in triticale breeding research and production – an Overview. Ekin J Crop Breed Genet. 2019;5(2): 68-73

3. Cha J.K., Lee J.H., Lee S.M., Ko J.M., Shin D.J. Heading date and growth character of Korean wheat cultivars by controlling photoperiod for rapid generation advancement. Korean J Breed Sci. 2020; 52(1):20-24. doi 10.9787/KJBS.2020.52.1.20

4. Cha J.K., Park M.R., Shin D., Kwon Y., Lee S.M., Ko J.M., Kim K.M., Lee J.H. Growth characteristics of triticale under long-day photoperiod for rapid generation advancement. Korean J Breed Sci. 2021; 53(3):200-205. doi 10.9787/KJBS.2021.53.3.200

5. Cha J.K., O’Connor K., Alahmad S., Lee J.H., Dinglasan E., Park H., Lee S.M., … Kim K.M., Ko J.M., Hickey L.T., Shin D., Dixon L.E. Speed vernalization to accelerate generation advance in winter cereal crops. Mol Plant. 2022;15(8):1300-1309. doi 10.1016/j.molp.2022.06.012

6. Choi H., Back S., Kim G.W., Lee K., Venkatesh J., Lee H.B., Kwon J.K., Kang B.C. Development of a speed breeding protocol with flowering gene investigation in pepper (Capsicum annuum). Front Plant Sci. 2023;14:1151765. doi 10.3389/fpls.2023.1151765

7. Davis M.H., Simmons S.R. Far-red light reflected from neighbouring vegetation promotes shoot elongation and accelerates flowering in spring barley plants. Plant Cell Environ. 1994;17(7):829-836. doi 10.1111/j.1365-3040.1994.tb00177.x

8. Deitzer G.F., Hayes R., Jabben M. Kinetics and time dependence of the effect of far-red light on the photoperiodic induction of flowering in Wintex barley. Plant Physiol. 1979;64(6):1015-1021. doi 10.1104/pp.64.6.1015

9. Demotes-Mainard S., Peron T., Corot A., Bertheloot J., Gourrierec J.L., Pelleschi-Travier S., Crespel L., Morel P., Huche-Thelier L., Boumaza R., Vian A., Guerin V., Leduc N., Sakr S. Plant responses to red and far-red lights, applications in horticulture. Envir Exp Bot. 2016; 121:4-21. doi 10.1016/j.envexpbot.2015.05.010

10. Dreccer M.F., Zwart A.B., Schmidt R.C., Condon A.G., Awasi M.A., Grant T.J., Galle A., Bourot S., Frohberg C. Wheat yield potential can be maximized by increasing red to far-red light conditions at critical developmental stages. Plant Cell Environ. 2022;45(9):2652- 2670. doi 10.1111/pce.14390

11. Faccini N., Morcia C., Terzi V., Rizza F., Badeck F.W. Triticale in Italy. Biology. 2023;2(10):1308. doi 10.3390/biology12101308

12. Fedyaeva A.V., Salina E.A., Shumny V.K. Pre-harvest sprouting in soft winter wheat (Triticum aestivum L.) and evaluation methods. Russ J Genet. 2023;59(1):1-11. doi 10.1134/S1022795423010052

13. Ficht A., Bruch A., Rajcan I., Pozniak C., Lyons E.M. Evaluation of the impact of photoperiod and light intensity on decreasing days to maturity in winter wheat. Crop Sci. 2023;63(2):812-821. doi 10.1002/csc2.20886

14. Ghosh S., Watson A., Gonzalez-Navarro O.E., Ramirez-Gonzalez R.H., Yanes L., Mendoza-Suárez M., Simmonds J., … Domoney C., Uauy C., Hazard B., Wulff B.B.H., Hickey L.T. Speed breeding in growth chambers and glasshouses for crop breeding and model plant research. Nat Protoc. 2018;13(12):2944-2963. doi 10.1038/s41596-018-0072-z

15. Hickey L.T., German S.E., Pereyra S.A., Diaz J.E., Ziems L.A., Fow­ ler R.A., Platz G.J., Franckowiak J.D., Dieters M.J. Speed breeding for multiple disease resistance in barley. Euphytica. 2017;213:64. doi 10.1007/s10681-016-1803-2

16. Huber M., de Boer H.J., Romanowski A., van Veen H., Buti S., Kah­ lon P.S., van der Meijden J., Koch J., Pierik R. Far-red light enrichment affects gene expression and architecture as well as growth and photosynthesis in rice. Plant Cell Environ. 2024;47(8):2936-2953. doi 10.1111/pce.14909

17. Jähne F., Hahn V., Würschum T., Leiser W.L. Speed breeding short-day crops by LED-controlled light schemes. Theor Appl Genet. 2020; 133(8):2335-2342. doi 10.1007/s00122-020-03601-4

18. Kalituho L.N., Chaika M.T., Kabashnikova L.F., Makarov V.N., Khirpach V.A. On the phytochrome mediated action of brassinosteroids. Proc Plant Growth Regul Soc Am. 1997;24:140-145

19. Kegge W., Ninkovic V., Glinwood R., Welschen R.A.M., Voese­ nek L.A.C.J., Pierik R. Red: far-red light conditions affect the emission of volatile organic compounds from barley (Hordeum vulgare), leading to altered biomass allocation in neighbouring plants. Ann Bot. 2015;115(6):961-970. doi 10.1093/aob/mcv036

20. Kigoni M., Choi M., Arbelaez J.D. ‘Single-Seed-SpeedBulks’: a protocol that combines ‘speed breeding’ with a cost-efficient modified single-seed descent method for rapid-generation-advancement in oat (Avena sativa L.). Plant Methods. 2023;19(1):92. doi 10.1186/s13007-023-01067-1

21. Kippes N., VanGessel C., Hamilton J., Akpinar A., Budak H., Dubcovsky J., Pearce S. Effect of phyB and phyC loss-of-function mutations on the wheat transcriptome under short and long day photoperiods. BMC Plant Biol. 2020;20:297. doi 10.1186/s12870-020-02506-0

22. Lebedeva M.A., Dodueva I.E., Gancheva M.S., Tvorogova V.E., Kuz­ netsova K.A., Lutova L.A. The evolutionary aspects of flowering control: Florigens and Anti-florigens. Russ J Genet. 2020;56(11): 1323-1344. doi 10.1134/S102279542011006X

23. Lei K., Tan Q., Zhu L., Xu L., Yang S., Hu J., Gao L., Hou P., Shao Yu., Jiang D., Cao W., Dai T., Tian Z. Low red/far-red ratio can induce cytokinin degradation resulting in the inhibition of tillering in wheat (Triticum aestivum L.). Front Plant Sci. 2022;13:971003. doi 10.3389/fpls.2022.971003

24. Lei K., Hu H., Chang M., Sun C., Ullah A., Yu J., Dong C., Gao Q., Jiang D., Cao W., Tian Z., Dai T. A low red/far-red ratio restricts nitrogen assimilation by inhibiting nitrate reductase associated with downregulated TaNR1.2 and upregulated TaPIL5 in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Physiol Biochem. 2024;206:107850. doi 10.1016/j.plaphy.2023.107850

25. Lekontzeva T.A., Yufereva N. I., Statzenko E.S. Assessment of initial material (base line) for creation of spring triticale varieties in the climate of Volgo-Vyatka region. Dal’nevostochnyy Agrarnyy Vestnik = The Far East Agrarian Herald. 2019;2(50):45-52. doi 10.24411/1999-6837-2019-2-45-52 (in Russian)

26. Li H., Zhou Y., Xin W., Wei Y., Zhang J., Guo L. Wheat breeding in northern China: achievements and technical advances. Crop J. 2019; 7(6):718-729. doi 10.1016/j.cj.2019.09.003

27. Liu H., Zwer P., Wang H., Liu C., Lu Z., Wang Y., Yan G. A fast gene­ ration cycling system for oat and triticale breeding. Plant Breed. 2016;135(5):574-579. doi 10.1111/pbr.12408

28. Losert D., Maurer H.P., Marulanda J.J., Würschum T. Phenotypic and genotypic analyses of diversity and breeding progress in European triticale (× Triticosecale Wittmack). Plant Breed. 2017;136(1): 18-27. doi 10.1111/pbr.12433

29. Marenkova A.G., Blinkov A.O., Radzeniece S., Kocheshkova A.A., Karlov G.I., Divashuk M.G. Testing and modification of the protocol for accelerated growth of malting barley under speed breeding conditions. Nanobiotechnol Rep. 2024;19(5):808-814. doi 10.1134/S2635167624601955

30. Markham M.Y., Stoltenberg D.E. Corn morphology, mass, and grain yield as affected by early-season red: Far-red light environments. Crop Sci. 2010;50(1):273-280. doi 10.2135/cropsci2008. 10.0614

31. Mergoum M., Singh P.K., Pena R.J., Lozano-del Río A.J., Cooper K.V., Salmon D.F., Gómez Macpherson H. Triticale: A “New” Crop with Old Challenges. In: Carena M. (Eds). Cereals. Handbook of Plant Breeding. Vol. 3. Springer, 2009;267-287. doi 10.1007/978-0-387-72297-9

32. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures. Physiol Plant. 1962;15(3):473- 497. doi 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x

33. Radivon V.A., Zhukovsky A.G. Analysis of the susceptibility of spring triticale varieties to diseases for 2012–2022. Zashchita Rasteniy = Plant Protection. 2023;1(47):128-135 (in Russian)

34. Rajcan I., Chandler K.J., Swanton C.J. Red-far-red ratio of reflected light: a hypothesis of why early-season weed control is important in corn. Weed Sci. 2004;52(5):774-778. doi 10.1614/WS-03-158R

35. Sheerin D.J., Hiltbrunner A. Molecular mechanisms and ecological function of far-red light signalling. Plant Cell Environ. 2017;40(11): 2509-2529. doi 10.1111/pce.12915

36. Smith H. Phytochromes and light signal perception by plants – an emerging synthesis. Nature. 2000;407(6804):585-591. doi 10.1038/35036500

37. Song Y., Duan X., Wang P., Li X., Yuan X., Wang Z., Li X., Yuan X., Wang Z., Wan L., Yang G., Hong D. Comprehensive speed breeding: a high‐throughput and rapid generation system for long‐day crops. Plant Biotechnol J. 2022;20(1):13-15. doi 10.1111/pbi.13726

38. Tanaka J., Hayashi T., Iwata H. A practical, rapid generation-advancement system for rice breeding using simplified biotron breeding system. Breed Sci. 2016;66(4):542-551. doi 10.1270/jsbbs.15038

39. Timonova E.M., Adonina I.G., Salina E.A. The influence of combinations of alien translocations on in vitro androgenesis in spring common wheat (Triticum aestivum L.). Trudy po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. 2022;183(1):127-134. doi 10.30901/2227-8834-2022-1- 127-134 (in Russian)

40. Toyota M., Tatewaki N., Morokuma M., Kusutani A. Tillering respon­ ses to high red/far-red ratio of four Japanese wheat cultivars. Plant Prod Sci. 2014;17(2):124-130. doi 10.1626/pps.17.124

41. Ugarte C.C., Trupkin S.A., Ghiglione H., Slafer G., Casal J.J. Low red/far-red ratios delay spike and stem growth in wheat. J Exp Bot. 2010;61(11):3151-3162. doi 10.1093/jxb/erq140

42. Vikas V.K., Sivasamy M., Jayaprakash P., Vinod K.K., Geetha M., Nisha R., Peter J. Customized speed breeding as a potential tool to advance generation in wheat. Indian J Genet Plant Breed. 2021; 81(2):199-207. doi 10.31742/IJGPB.81.2.3

43. Watson A., Ghosh S., Williams M.J., Cuddy W.S., Simmonds J., Rey M.D., Hatta M.A.M., … Uauy C., Boden S.A., Park R.F., Wulff B.B.H., Hickey L.T. Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat Plants. 2018;4(1):23-29. doi 10.1038/s41477-017-0083-8

44. Zadoks J.С., Chang T.T., Konzak C.F. A decimal code for the growth stages of cereals. Weed Res. 1974;14(6):415-421. doi 10.1111/j.1365-3180.1974.tb01084.x

45. Zakieh M., Gaikpa D.S., Leiva Sandoval F., Alamrani M., Henriksson T., Odilbekov F., Chawade A. Characterizing winter wheat germplasm for fusarium head blight resistance under accelerated growth conditions. Front Plant Sci. 2021;12:705006. doi 10.3389/fpls.2021.705006

46. Zheng Z., Gao S., Wang H., Liu C. Shortening generation times for winter cereals by vernalizing seedlings from young embryos at 10 degree Celsius. Plant Breed. 2023;142(2):202-210. doi 10.1111/pbr.13074