Получение голозерных гибридов Triticum durum с Triticum dicoccum c антоциановой окраской перикарпа зерновки

Одно из перспективных направлений селекции – получение гибридов полбы с повышенным содержанием антоцианов в зерновке для производства функциональных продуктов питания. Проведено фенотипирование и дана предварительная оценка по наследованию глиадинкодирующих генов наиболее перспективных фиолетовозерных полбяных гибридов, полученных нами ранее после сложного трехступенчатого скрещивания фиолетовозерной твердой пшеницы (T. durum Desf.) c двумя разными формами яровой полбы (Т. dicoccum Schrank): гибридным голозерным сортом Греммэ и безостой краснозерной мутантной линией к-25516 (коллекции ВИР). Генотипирование гибридов по генам (Gli) запасных белков зерновки пшеницы – глиадинам – позволило отобрать фиолетовозерную линию, целиком наследующую глиадинкодирующие гены от полбы двузернянки к-25516, и линию с наследованием этих генов от твердой пшеницы и полбы двузернянки к-25516. Для улучшения селекционного материала было проведено возвратное скрещивание фиолетовозерных пшенично-полбяных гибридов, содержащих доминантные аллели Pp-B1 и Pp3, с показавшим наилучшую урожайность белозерным голозерным сортом Греммэ. Произведен маркер-контролируемый отбор растений поколения F_2–4 по генам Pp (Purple pericarp), регулирующим биосинтез антоцианов в перикарпе зерновки. При отборе фиолетовозерных растений в потомствах F_2–3 использование микросателлитных маркеров, близко расположенных к генам антоциановой окраски, не показало надежного сцепления с целевыми генами, однако позволило проследить у гибридов сложное наследование генетического материала от разных родителей. Разработанные нами внутригенные полиморфные ПЦР-маркеры позволили точно отобрать образцы растений, несущие в ДНК одновременно доминантные аллели двух комплементарно взаимодействующих генов, Pp-В1 и Pp3. Растения отбирались по признаку легкой обмолачиваемости зерен в F₄. Таким образом, за два года при использовании малых площадей тепличного комплекса при помощи маркер-контролируемой селекции в поколении F₄ получена коллекция, состоящая из 25 голозерных и полуголозерных яровых фиолетовозерных линий пшенично-полбяных гибридов, константных по признаку антоциановой окраски перикарпа зерновок и различающихся по глиадинкодирующим генам.

1. Badaeva E.D., Keilwagen J., Knüpffer H., Waßermann L., Dedkova O.S., Mitrofanova O.P., Kovaleva O.N., Liapunova O.A., Pukhalskiy V.A., Özkan H., Graner A., Willcox G., Kilian B. Chromosomal passports provide new insights into diffusion of emmer wheat. PLoS One. 2015;10(5):e0128556. doi 10.1371/journal.pone.0128556

2. Biradar S.S., Yashavanthakumar K.J., Navathe S., Reddy U.G., Baviskar V.S., Gopalareddy K., Lamani K., Desai S.A. Dicoccum wheat: current status and future perspectives. In: New Horizons in Wheat and Barley Research. Singapore: Springer, 2022;531-563. doi 10.1007/978-981-16-4449-8_21

3. Cabas-Lühmann P., Arriagada O., Matus I., Marcotuli I., Gadaleta A., Schwember A.R. Comparison of durum with ancient tetraploid wheats from an agronomical, chemical, nutritional, and genetic standpoints: a review. Euphytica. 2023;219(6):61. doi 10.1007/s10681-023-03188-z

4. Dwivedi S.L., Mattoo A.K., Garg M., Dutt S., Singh B., Ortiz R. Deve- loping germplasm and promoting consumption of anthocyanin-rich grains for health benefits. Front Sustain Food Syst. 2022;6:867897. doi 10.3389/fsufs.2022.867897

5. Esposito S., Palombieri S., Vitale P., Angione G., D’Attilia C., Taranto F., Sestili F., De Vita P. Identification and development of func- tional markers for purple grain genes in durum wheat (Triticum durum Desf.). Theor Appl Genet. 2024;137:256. doi 10.1007/s00122-024-04755-1

6. Ficco D.B., 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

7. Ficco D.B.M., Borrelli G.M., Giovanniello V., Platani C., De Vita P. Production of anthocyanin-enriched flours of durum and soft pigmented wheats by air-classification, as a potential ingredient for functional bread. J Cereal Sci. 2018;79:118-126. doi 10.1016/j.jcs.2017.09.007

8. Fisenko A.V., Kalmykova L.P., Kuznetsova N.L., Kuzmina N.P., Ermolenko O.I., Upelniek V.P. Selection of purple-grain common wheat and its technological properties. Agrarnaya Rossiya. 2020; 10:43-48. doi 10.30906/1999-5636-2020-10-43-48 (in Russian)

9. Geyik Ö.G., Tekin-Cakmak Z.H., Shamanin V.P., Karasu S., Pototskaya I.V., Shepelev S.S., Chursin A.S., Morgounov A.I., Yaman M., Sagdic O., Koksel H. Effects of phenolic compounds of colored wheats on colorectal cancer cell lines. Qual Assur Saf Crops Food. 2023;15(4):21-31. doi 10.15586/qas.v15i4.1354

10. Gilev S.D., Tsymbalenko I.N., Kopylov A.N., Filippova E.A., Kozlova T.A. Emmer wheat is a promising grain crop for organic agriculture. Zernovoye Khozyajstvo Rossii = Grain Economy of Russia. 2018;4:6-11. doi 10.31367/2079-8725-2018-58-4-6-11 (in Russian)

11. Gordeeva E.I., Shoeva O.Y., Khlestkina E.K. Marker-assisted development of bread wheat near-isogenic lines carrying various combinations of purple pericarp (Pp) alleles. Euphytica. 2015;203(2):469-476. doi 10.1007/s10681-014-1317-8

12. Gordeeva E., Shamanin V., Shoeva O., Kukoeva T., Morgounov A., Khlestkina E. The strategy for marker-assisted breeding of anthocyanin-rich spring bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in Western Siberia. Agronomy. 2020;10(10):1603. doi 10.3390/agronomy10101603

13. Gordeeva E.I., Shoeva O.Y., Shamanin V.P., Khlestkina E.K. The molecular markers applying in breeding of spring bread wheat (Triticum aestivum L.) lines with different anthocyanin coloration of the grains. Pisma v Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Lett Vavilov J Genet Breed. 2023;9(2):86-99. doi 10.18699/LettersVJ-2023-9-11 (in Russian)

14. Himi E., Taketa S. Isolation of candidate genes for the barley Ant1 and wheat Rc genes controlling anthocyanin pigmentation in different vegetative tissues. Mol Genet Genomics. 2015;290(4):1287-1298. doi 10.1007/s00438-015-0991-0

15. Jiang W., Liu T., Nan W., Jeewani D.C., Niu Y., Li C., Wang Y., Shi X., Wang C., Wang J., Li Y., Gao X., Wang Z. Two transcription factors TaPpm1 and TaPpb1 co-regulate anthocyanin biosynthesis in purple pericarps of wheat. J Exp Bot. 2018;69(10):2555-2567. doi 10.1093/jxb/ery101

16. Khlestkina E.K., Röder M.S., Salina E.A. Relationship between homoeologous regulatory and structural genes in allopolyploid genome – a case study in bread wheat. BMC Plant Biol. 2008;8(1):88. doi 10.1186/1471-2229-8-88

17. Khlestkina E.K., Roder M.S., Borner A. Mapping genes controlling anthocyanin pigmentation on the glume and pericarp in tetraploid wheat (Triticum durum L.). Euphytica. 2010;171(1):65-69. doi 10.1007/s10681-009-9994-4

18. Kudryavtsev A.M., Dedova L.V., Melnik V.A., Shishkina A.A., Upelniek V.P., Novoselskaya-Dragovich A.Yu. Genetic diversity of mo- dern Russian durum wheat cultivars at the gliadin-coding loci. Russ J Genet. 2014;50(5):483-488. doi 10.1134/S1022795414050093

19. Kuznetsova E.A., Uchasov D.S., Shayapova L.V., Kuznetsova E.A. Study of the composition and properties of Triticum dicoccum (Schrank) grain. Vsyo o Myase. 2020;(S5):188-190. doi 10.21323/2071-2499-2020-5S-188-190 (in Russian)

20. Laboratory Analysis of Wheat Seed Proteins: instruction manual. Moscow: Vash Format Publ., 2013 (in Russian)

21. Liu J., Zhou H., Song L., Yang Z., Qiu M., Wang J., Shi S. Anthocyanins: promising natural products with diverse pharmacological activities. Molecules. 2021;26(13):3807. doi 10.3390/molecules26133807

22. Melnikova N.V., Kudryavtseva A.V., Kudryavtsev A.M. Catalogue of alleles of gliadincoding loci in durum wheat (Triticum durum Desf.). Biochimie. 2012;94(2):551-557. doi 10.1016/j.biochi.2011.09.004

23. Metakovsky E., Melnik V.A., Pascual L., Wrigley C.W. Gliadin genotypes worldwide for spring wheats (Triticum aestivum L.) 2. Strong differentiation of polymorphism between countries and regions of origin. J Cereal Sci. 2019;87(6):311-317. doi 10.1016/j.jcs.2019.04.015

24. Mohammadi N., Farrell M., O’Sullivan L., Langan A., Franchin M., Azevedo L., Granato D. Effectiveness of anthocyanin-containing foods and nutraceuticals in mitigating oxidative stress, inflammation, and cardiovascular health-related biomarkers: a systematic review of animal and human interventions. Food Funct. 2024;15(7):3274- 3299. doi 10.1039/D3FO04579J

25. Novoselskaya-Dragovich A.Y. Genetics and genomics of wheat: storage proteins, ecological plasticity, and immunity. Russ J Genet. 2015;51(5):476-490. doi 10.1134/S102279541505004X

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;91:1001-1007. doi 10.1007/BF00223912

27. Röder M.S., Korzun V., Wendehake K., Plaschke J., Tixier M.H., Leroy P., Ganal M.W. A microsatellite map of wheat. Genetics. 1998; 149:2007-2023. doi 10.1093/genetics/149.4.2007

28. Rubets V.S., Voronchikhina I.N., Igonin V.N., Sidorenko V.S., Voronchikhin V.V. Characteristics of violet-green variety of spring soft wheat in the conditions of the central region of the Non-Chernozem Zone of Russia. Mezhdunarodnyi Sel’skokhozyaistvennyi Zhurnal. 2022;5:525-529. doi 10.55186/25876740_2022_65_5_525 (in Russian)

29. Şahin Y., Karakas F.P. Chemical composition of einkorn (Triticum monococcum ssp. monococcum), emmer (Triticum dicoccum), and spelt (Triticum spelta). In: Ancient Wheats. Cham: Springer, 2022; 119-145. doi 10.1007/978-3-031-07285-7_6

30. Shamanin V.P., Pototskaya I.V., Chursin A.S., Shepelev S.S., Nardin D.S., Pozherukova V.E., Köksel H., Morgounov A.I. Breeding spring bread wheat (Triticum aestivum L.) varieties with functional properties of grain for environmentally friendly growing in Western Siberia. Sel’skokhozyaistvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2024;59(3):492-506. doi 10.15389/agrobiology.2024.3.492eng

31. Shoeva O.Yu., Gordeeva E.I., Khlestkina E.K. Intragenic DNA marker for the selection of wheat with a high content of anthocyanins in the grain pericarp. Patent RU2774444C1. 2022 (in Russian)

32. Smekalova Т.N., Kobylyansky V.D. A new subspecies of wheat: Triticum dicoccon (Schrank) Schuebl. subsp. nudicoccon Kobyl. et Smekal. Trudy po Prikladnoi Botanike, Genetike i Selektsii = Proc Appl Bot Genet Breed. 2019;180(4):148-151. doi 10.30901/2227-8834-2019-4-148-151 (in Russian)

33. Stepochkin P.I., Gordeeva E.I., Khlestkina Е.К. Marker-assisted breeding of hybrid lines of Triticum dicoccon (Schrank) Schuebl. × Triticum aethiopicum Jakubz. with purple grain. Trudy po Prikladnoi Botanike, Genetike i Selektsii = Proc Appl Bot Genet Breed. 2023;184(2):139-148. doi 10.30901/2227-8834-2023-2-1-10 (in Russian)

34. Temirbekova S.K., Begeulov M.Sh., Afanas’eva Yu.V., Kulikov I.M., Ionova N.E. Adaptive capacity of einkorn huskless in the second, third and seventh Russian Federation regions. Vestnik Rossijskoi Sel’skokhozyajstvennoi Nauki = Vestn Russ Agric Sci. 2020; 1:34-38. doi 10.30850/vrsn/2020/1/34-38 (in Russian)

35. Temirbekova S.K., Begeulov M.Sh., Baida I.D., Zverev S.V., Politu- kha O.V. Technological properties of grain of new varieties of ancient wheat species. Agrarnaya Nauka = Agrarian Science. 2024; 11:157-163. doi 10.32634/0869-8155-2024-388-11-157-163 (in Russian)

36. Tereshchenko O.Y., Gordeeva E.I., Arbuzova V.S., Börner A., Khlestkina E. The D genome carries a gene determining purple grain colour in wheat. Cereal Res Commun. 2012;40(3):334-341. doi 10.1556/CRC.40.2012.3.2

37. Tikhonova M., Shoeva O., Tenditnik M., Ovsyukova M., Akopyan A., Dubrovina N., Amstislavskaya T.G., Khlestkina E. Evaluating the effects of grain of isogenic wheat lines differing in the content of anthocyanins in mouse models of neurodegenerative disorders. Nutrients. 2020;12:3877. doi 10.3390/nu12123877

38. Tikhonova M.A., Shoeva O.Y., Tenditnik M.V., Akopyan A.A., Litvino- va E.A., Popova N.A., Amstislavskaya T.G., Khlestkina E.K. Anti- tumor effects of an anthocyanin-rich grain diet in a mouse model of lewis lung carcinoma. Int J Mol Sci. 2024;25:5727. doi 10.3390/ijms25115727

39. Vasilova N.Z., Askhadullin D.F., Askhadullin D., Bagavieva E.Z., Tazutdinova M.R., Khusainova I.I. Violet-green variety of spring soft wheat Nadira. Zernobobovye i Krupyanye Kultury = Legumes and Groat Crops. 2021;4(40):66-75. doi 10.24412/2309-348X-2021-4-66-75 (in Russian)

40. Vinichenko N.A., Salina E.A. Gliadins: structure and toxic epitopes. Pisma v Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Lett Vavilov J Genet Breed. 2021;7(4):163-171. doi 10.18699/LettersVJ2021-7-21 (in Russian)

41. Zakharova I.I., Tolstova E.G. Features of quality control in the production of spelt dishes. Kontsept = The Concept. 2019;4:238-246. doi 10.24411/2304-120X-2019-14028 (in Russian)

42. Zeven A.C. Wheats with purple and blue grains: a review. Euphytica. 1991;56(3):243-258. doi 10.1007/bf00042371

43. Zverev S.V., Pankratieva I.A., Politukha O.V., Chirkova L.V., Vitol I.S., Starichenkov A.A. Study of emmer properties. Khleboprodukty = Grain Products. 2016;1:66-67 (in Russian)