Новые генетические ресурсы в селекции пшеницы на увеличение содержания белка в зерне


https://doi.org/10.18699/VJ16.177

Полный текст:


Аннотация

В обзоре приведены сведения о генетических исследованиях содержания белка в зерне у разных видов Triticum L. и Aegilops L. Рассмотрены закономерности географической изменчивости этого важного селекционного признака и результаты многолетней оценки по нему образцов коллекции ВИР. На основе этих оценок сформирована стержневая коллекция высокобелковых генетиче­ских источников. В нее включены диплоидные виды эгилопс – доноры геномов B, G и D аллополиплоидных пшениц и образцы ди-, тетра- и гексаплоидных видов пшеницы. В 1970–1980-е гг. использование высокобелковых источников в селекции США и Канады привело к увеличению содержания белка в зерне мягкой пшеницы на 0,5–3,0 %, однако дальнейшего целенаправленного его повышения с помощью традиционных методов селекции достичь не удалось. Прорыв в увеличении содержания суммар­ного белка в зерне наметился с развитием методов молекуляр­ ной генетики и разработки молекулярных маркеров. Впервые у T. dicoccoides был идентифицирован функциональный локус, или ген Gpc-B1 (хромосома 6BS), влияющий на накопление белка, цинка и железа в зерне, который клонирован и детально изучен. С использованием молекулярных маркеров активный аллель этого гена был обнаружен у некоторых местных и старых селек­ционных сортов T. dicoccum, T. durum, T. spelta и T. aestivum. Более того, у мягкой пшеницы были выявлены гены Gpc-A1, Gpc-D1 и Gpc-2 на хромосомах 6A, 6D и второй гомеологичной группы соответственно. Все эти гены были идентифицированы как NAC-факторы транскрипции, играющие важную роль в ускорен­ ном старении растений и ремобилизации питательных веществ из листьев в зерно. Гены, родственные Gpc-B1 T. dicoccoides, обна­ ружены в G геноме T. timopheevii и в B (=S) геноме у различных видов Aegilops sect. sitopsis. Функциональные аллели Gpc-B1 введе­ ны в коммерческие сорта тетра- и гексаплоидной пшеницы, и как результат, в разных странах мира созданы новые высокобелковые и высокоурожайные сорта и серии почти изогенных линий, перс­пективные для научных исследований и селекции пшеницы.

Об авторах

О. П. Митрофанова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»
Россия
Санкт-Петербург


А. Г. Хакимова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»
Россия
Санкт-Петербург


Список литературы

1. Вавилов Н.И. Научные основы селекции пшеницы. М.; Л.: Сельхозгиз, 1935.

2. Дорофеев В.Ф., Удачин Р.А., Семенова Л.В., Новикова М.В., Градчанинова О.Д., Шитова И.П., Мережко А.Ф., Филатенко А.А. Пшеницы мира. Л.: ВО «Агропромиздат». Ленингр. oтд-ние, 1987.

3. Дорофеев В.Ф., Якубцинер М.М., Семенова Л.В., Руденко М.И., Новикова М.В., Степанова Г.И., Охотникова Т.В., Шитова И.П. Высококачественные пшеницы. Каталог. Л., 1972;86.

4. Иванов Н.Н. Химический состав пшениц СССР. Результаты географических опытов 1923–1926. Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1928-1929;XXI(4):47-320.

5. Иванов Н.Н. Проблема белка в растениеводстве. М.; Л.: ОГИЗ-Сельхозгиз, Гос. изд-во с.-х. лит-ры, 1947:21-30.

6. Иванов Н.Н., Княгиничев М.И. Биохимия пшеницы. Биохимия культурных растений. М.; Л.: Сельхозгиз, 1936;5-86.

7. Каталог образцов мировой коллекции ВИР с характеристикой содержания белка и аминокислот. Л., 1972;100.

8. Каталог мировой коллекции ВИР. Пшеницы с высоким и повышенным содержанием белка в зерне. Л., 1976;182.

9. Каталог мировой коллекции ВИР. Твердая пшеница (новейшие поступления с характеристикой технологических свойств зерна). Л., 1977а;203.

10. Каталог мировой коллекции ВИР. Высокобелковые пшеницы. Л., 1977б;215.

11. Каталог мировой коллекции ВИР. Виды рода Triticum L. (Характеристика образцов по содержанию белка и лизина в зерне). Л., 1983;364.

12. Каталог мировой коллекции ВИР. Пшеница. Комплексная оценка перспективных по качеству зерна образцов яровой мягкой пшеницы в условиях Центрально-Черноземного района России. Санкт-Петербург, 1999;698.

13. Каталог мировой коллекции ВИР. Пшеница. Технологические и агробиологические характеристики образцов яровой мягкой пшеницы в условиях различных регионов России. Санкт-Петербург, 2003;744.

14. Княгиничев М.И. Биохимия пшеницы. Л.: Сельхозгиз, 1951.

15. Конарев В.Г. Молекулярно-генетические аспекты оценки исходного материала на белок. Тр. по прикл. ботан., генет., селекции. 1975;54(1):163-172.

16. Конарев В.Г. Белки пшеницы. М.: Колос, 1980:193-214.

17. Конарев В.Г., Чмелева З.В. Характеристика мировых ресурсов пшеницы по содержанию в зерне белка и лизина и фонд высокобелковых пшениц. Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1977;59(3):31-38.

18. Конарев В.Г., Чмелева З.В., Мойса И.И. Состав, структура и свойства клейковины разного происхождения. Бюлл. ВИР. 1979;92:69-75.

19. Крупнов В.А., Крупнова О.В. Генетическая архитектура содержания белка в зерне пшеницы. Генетика. 2012;48(2):140-159.

20. Покровская Н.Ф. Количественный и качественный состав белка и крахмала мягких пшениц в зависимости от районов выращивания. Вестн. с.-х. науки. 1967:6:37-44.

21. Покровская Н.Ф., Хорева В.И. Содержание лизина и триптофана в зерне пшениц разной плоидности. Докл. ВАСХНИЛ. 1971;11: 8-11.

22. Тютерев С.Л., Чмелева З.В., Мойса И.И., Дорофеев В.Ф. Изучение содержания белка и незаменимых аминокислот в зерне видов пшеницы и их диких сородичей. Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1973;1:222-241.

23. Фляксбергер К. Белок в зерне пшениц земного шара. Социалистическое растениеводство. 1932;1:15-31.

24. Якубцинер М.М., Покровская Н.Ф. Биохимическая характеристика зерна тетраплоидных пшениц. С.-х. биология. 1969;IV(3): 348-357.

25. Якубцинер М.М., Покровская Н.Ф. Биохимическая характеристика зерна гексаплоидных пшениц. С.-х. биология. 1971а;VI(1): 22-28.

26. Якубцинер М.М., Покровская Н.Ф. Биохимическая характеристика зерна диплоидных пшениц. С.-х. биология. 1971б;VI(5): 669-675.

27. Asplund L., Bergkvist G., Leino M.W., Westerbergh A., Weih M. Swedish spring wheat varieties with the rare high grain protein allele of NAM-B1 differ in leaf senescence and grain mineral content. PLoS ONE. 2013;8(3):e59704. DOI 10.1371/journal.pone.0059704.

28. Asplund L., Hagenblad J., Leino M.W. Re-evaluating the history of the wheat domestication gene NAM-B1 using historical plant material. J. Archaeol. Sci. 2010;37:2303-2307. DOI 10.1016/j.jas.2010.04.003.

29. Avivi L. High protein content in wild tetraploid Triticum dicoccoides Korn. Proc. 5th Intern. Wheat Genetic Symp. Ed. S. Ramanujam. Indian Society of Genetics and Plant Breeding, New Delhi, India. 1978:372-380.

30. Avni R., Zhao R., Pearce S., Jun Y., Uauy C., Tabbita F., Fahima T., Slade A., Dubcovsky J., Distelfeld A. Functional characterization of GPC-1 genes in hexaploid wheat. Planta. 2014;239:313-324. DOI 10.1007/s00425-013-1977-y.

31. Aykut Tonk F., Lker E., Tosun M. A study to incorporate high protein content from tetraploid wheat (T. turgidum dicoccoides) to hexaploid wheat (T. aestivum vulgare). Turk. J. Field Crops. 2010;15(1):69-72.

32. Balfourier F., Roussel V., Strelchenko P., Exbrayat-Vinson F., Sourdille P., Boutet G., Koenig J., Ravel C., Mitrofanova O., Beckert M., Charmet G. A worldwide bread wheat core collection arrayed in a 384-well plate. Theor. Appl. Genet. 2007;114:1265-1275. DOI 10.1007/s00122-007-0517-1.

33. Balyan H.S., Gupta P.K., Kumar S., Dhariwal R., Jaiswal V., Tyagi S., Agarwal P., Gahlaut V., Kumari S. Genetic improvement of grain protein and other health-related constituents of wheat grain. Plant Breeding. 2013. available at http://wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1111/pbr.12047.

34. Brevis J.C., Dubcovsky J. Effects of the chromosome region including the Gpc-B1 locus on wheat grain and protein yield. Crop Sci. 2010;50:93-104. DOI 10.2135/cropsci2009.02.0057.

35. Brevis J.C., Morris C.F., Manthey F., Dubcovsky J. Effect of the grain protein content locus Gpc-B1 on bread and pasta quality. J. Cereal Sci. 2010;51:357-365. DOI 10.1016/j.jcs.2010.02.004.

36. Cantrell R.G., Joppa L.R. Genetic analysis of quantitative traits in wild emmer (Triticum turgidum L. var. dicoccoides). Crop Sci. 1991;31(3):645-649.

37. Cantu D., Pearce S.P., Distelfeld A., Christiansen M.W., Uauy C., Akhunov E., Fahima T., Dubcovsky J. Effect of the down-regulation of the high Grain Protein Content (GPC) genes on the wheat transcriptome during monocarpic senescence. BMC Genomics. 2011;12: 492-509. DOI 10.1186/1471-2164-12-492.

38. Carter A.H., Santra D.K., Kidwell K.K. Assessment of the effects of the Gpc-B1 allele on senescence rate, grain protein concentration and mineral content in hard red spring wheat (Triticum aestivum L.) from the Pacific Northwest region of the USA. Plant Breeding. 2012; 131:62-68. DOI 10.1111/j.1439-0523.2011.01900.x.

39. Cormier F., Throude M., Ravel C., Le Gouis J., Leveugle M., Lafarge S., Exbrayat F., Duranton N., Praud S. Detection of NAM-A1 natural variants in bread wheat reveals differences in haplotype distribution between a worldwide core collection and European elite germplasm. Agronomy. 2015;5:143-151. DOI 10.3390/agronomy5020143.

40. DePauw R.M., Knox R.E., Humphreys D.G., Thomas J.B., Fox S.L., Brown P.D., Singh A.K., Pozniak C., Randhawa H.S., Fowler D.B., Graf R.J., Hucl P. New breeding tools impact Canadian commercial farmer fields. Czech. J. Genet. Plant. 2011;47:28-34.

41. DePauw R.M., Townley-Smith T.F., Humpreys G., Knox R.E., Clarke F.R., Clarke J.M. Lilian hard red spring wheat. 2004. available at http://www.pgdc.ca/pdfs/wrt/cultivardescriptions/Lillian.pdf.

42. Distelfeld A., Cakmak I., Peleg Z., Ozturk L., Yazici A.M., Budak H., Saranga Y., Fahima T. Multiple QTL-effects of wheat Gpc-B1 locus on grain protein and micronutrient concentrations. Physiol. Plantarum. 2007;129:635-643. DOI 10.1111/j.1399-3054.2006.00841.x.

43. Distelfeld A., Pearce S.P., Avni R., Scherer B., Uauy C., Piston F., Slade A., Zhao R., Dubcovsky J. Divergent functions of orthologous NAC transcription factors in wheat and rice. Plant Mol. Biol. 2012; 78:515-524. DOI 10.1007/S11103-012-9881-6.

44. Distelfeld A., Uauy C., Fahima T., Dubcovsky J. Physical map of the wheat high-grain protein content gene Gpc-B1 and development of a high-throughput molecular marker. New Phytol. 2006;169:753-763. DOI 10.1111/j.1469-8137.2005.01627.x.

45. Distelfeld A., Uauy C., Olmos S., Schlatter A.R., Dubcovsky J., Fahima T. Microcolinearity between a 2-cM region encompassing the grain protein content locus Gpc-6B1 on wheat chromosome 6B and f 350-kb region on rice chromosome 2. Funct. Integr. Genomics. 2004;4:59-66. DOI 10.1007/S10142-003-0097-3.

46. Dubcovsky J., Fahima T., Uauy C., Distelfeld A. NAC from wheat for increasing grain protein content. United States Patent No.: US 7820882B2. Oct. 26, 2010. available at https://books.google.com.tr/patents/US7820882.

47. Eagles H.A., McLean R.B., Eastwood R.F., Appelbee M.-J., Cane K., Martin P.J., Wallwork H. High-yielding lines of wheat carring GpcB1 adapted to Mediterranean-type environments of the south and west of Australia. Crop Pasture Sci. 2014;65(9):854-861. http://dx.doi.org/10.1071/cp14106.

48. Fox S.L., Townley-Smith T.F., Humphreys D.G., McCallum B.D., Fetch T.G., Gaudet D.A., Gilbert J.A., Menzies J.G., Noll J.S., Howes N.K. Somerset hard red spring wheat. 2005. available at http://www.pgdc.ca/pdfs/wrt/cultivardescriptions/Somerset.pdf.

49. Fu D., Uauy C., Blechl A., Dubcovsky J. RNA interference for wheat functional gene analysis. Transgenic Res. 2007;16:689-701. DOI 10.1007/s11248-007-9150-7.

50. Hagenblad J., Aspland L., Balfourier F., Ravel C., Leino M.W. Strong presence of the high grain protein content allele NAM-B1 in Fennoscandian wheat. Theor. Appl. Genet. 2012;125:1677-1686. DOI 10.1007/s00122-012-1943-2.

51. Hale I., Zhang X., Fu D., Dubcovsky J. Registration of wheat lines carrying the partial stripe rusr resistance gene Yr36 without the GpcB1 allele for high grain protein content. J. Plant Regist. 2012;7(1): 108-112.

52. Hu X.-G., Wu B.-H., Liu D.-C., Wei Y.-M., Gao S.-B., Zheng Y.-L. Variation and their relationship of NAM-G1 gene and grain protein content in Triticum timopheevii Zhuk. J. Plant Physiol. 2013;170: 330-337. http://dx.doi.org/10.1016/j.jplph.2012.10.009.

53. Hu X.-G., Wu B.-H., Yan Z.-H., Dai S.-F., Zhang L.-Q., Liu D.-C., Zheng Y.-L. Characteristics and polymorphism of NAM gene from Aegilops section sitopsis species. Afr. J. Agric. Res. 2012;7(37): 5252-5258. DOI 10.5897/AJAR12.078.

54. Humphreys D.G., Townley-Smith T.F., Lukow O., McCallum B., Gaudet D., Gilbert J., Fetch T., Menzies J., Brown D., Czarnecki E. Burnside extra strong hard red spring wheat. 2009. Available at http://www.pgdc.ca/pdfs/wrt/cultivardescriptions/Burnside.pdf.

55. Hussein H.A., Ebtissam H.A.H., El-Sayed O.E., Al-Ansary A.M.F., Khatab S.A., Sally A.A.R. Inter specific crosses and marker assisted selection for improving the nutritional value of Egyptian wheat cultivars. Int. J. Agric. Res. 2014;9(3):119-135. DOI 10.3923/ijar.2014.113.135.

56. Johnson V.A. Wheat Protein. Basic Life Sci. 1976; Mar 1-7;8:371-385.

57. Johnson V.A., Mattern P.J., Peterson C.J., Kuhr S.L. Improvement of wheat protein by traditional breeding and genetic techniques. Cereal Chem. 1985;62(5):350-355.

58. Joppa L.R., Cantrell R.G. Chromosomal location of genes for grain protein content of wild tetraploid wheat. Crop Sci. 1990;30:1059-1064. DOI 10.2135/cropsci1990.0011183X003000050021x.

59. Joppa L.R., Du C., Hart G.E., Hareland G.A. Mapping gene(s) for grain protein in tetraploid wheat (Triticum turgidum L.) using a population of recombinant inbred chromosome lines. Crop Sci. 1997;37:1586-1589. DOI 10.2135/cropsci1997.0011183X003700050030x.

60. Kade M.A., Barneix J., Olmos S., Dubcovsky J. Nitrogen uptake and remobilization in tetraploid Langdon durum wheat and a recombinant substitution line with the high grain protein gene Gpc-B1. Plant Breeding. 2005;124:343-349. DOI 10.1111/j.1439-0523.2005.01110.x.

61. Khan I.A., Procunier J.D., Humphreys D.G., Tranquilli G., Schlatter A.R., Marcucci-Poltri S., Frohberg R., Dubcovsky J. Development of PCR-based markers for a high grain protein content gene from Triticum turgidum ssp. dicoccoides transferred to bread wheat. Crop Sci. 2000;40:518-524.

62. Klindworth D.L., Hareland G.A., Elias E.M., Faris J.D., Chao S., Xu S.S. Agronomic and quality characteristics of two new sets of Langdon durum-wild emmer wheat chromosome substitution lines. J. Cereal Sci. 2009;50:29-35. DOI 10.1016/j.jcs.2009.02.003.

63. Kumar J., Jaiswal V., Kumar A., Kumar N., Mir R.R., Kumar S., Dhariwal R., Tyagi S., Khandelwal M., Prabhu K.V., Prasad R., Balyan H.S., Gupta P.K. Introgression of a major gene for high grain protein content in some Indian bread wheat cultivars. Field Crop. Res. 2011;123:226-233. DOI 10.1016/j.fcr.2011.05.013.

64. Maphosa L., Collins N.C., Taylor J., Mather D.E. Post-anthesis heat and Gpc-B1 introgression have similar but non-additive effects in bread wheat. Funct. Plant Biol. 2014;41:1002-1008. http://dx.doi.org/10.1071/FP14060.

65. McIntosh R.A., Dubcovsky J., Rogers W.J., Rogers W.J., Morris C., Appels R., Xia X.C. Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 12th Intern. Wheat Genetics Symp. 8-13 September 2013;Yokohama, Japan. available at http://shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/download.jsp.

66. Mesfin A., Frohberg R., Anderson J.A. RFLP markers associated with high grain protein from Triticum turgidum L. var. dicoccoides introgressed into hard red spring wheat. Crop Sci. 1999;39(2): 508-513.

67. Mishra V.K., Gupta P.K., Arun B., Chand R., Vasistha N.K., Vishwakarma M.K., Yadav P.S., Joshi A.K. Introgression of a gene for high grain protein content (Gpc-B1) into two leading cultivars of wheat in Eastern Gangetic Plains of India through marker assisted backcross breeding. J. Plant Breed. Crop Sci. 2015;7(8):292-300. DOI 10.5897/JPBCS2015.0514.

68. Olmos S., Distelfeld A., Chicaiza O., Schlatter A.R., Fahima T., Echenique V., Dubkovsky J. Precise mapping of a locus affecting grain protein content in durum wheat. Theor. Appl. Genet. 2003;107: 1243-1251. DOI 10.1007/s00122-003-1377-y.

69. Olsen A.D., Ernst H.A., Leggio L.L., Skriver K. NAC transcription factors: structurally distinct, functionally diverse. Trends Plant Sci. 2005;10(2):79-87. DOI 10.1016/j.tplants.2004.12.010.

70. Pearce S., Tabbita F., Cantu D., Buffalo V., Avni R., Vazques-Gross H., Zhao R., Conley C.J., Distelfeld A., Dubcovsky J. Regulation of Zn and Fe transporters by the GPC1 gene during early wheat monocarpic senescence. Plant Biol. 2014;14:368-391. DOI 10.1186/s12870-014-0368-2.

71. Podzimska-Sroka D., O’Shea C., Gragersen P.L., Skriver K. NAC transcription factors in senescence: from molecular structure to function in crops. Planta. 2015;4:412-448. DOI 10.3390/plants4030412.

72. Puranik S., Sahu P.P., Srivastava P.S., Prasad M. NAC proteins: regulation and role in stress tolerance. Trends Plant Sci. 2012;17(6):369-381. DOI 10.1016/j.tplants.2012.02.004.

73. Rahaie M., Xue G-P., Schenk P.M. The role of transcription factors in wheat under different abiotic stresses. 2013; http://dx.doi.org/10.5772/54795.

74. Randhawa H.S., Asif M., Pozniak C., Clarke J.M., Graf R.J., Fox S.L., Humphreys C., Knox R.E., DePauw R.M., Singh A.K., Cuthbert R.D., Hucl P., Spaner D. Application of molecular markers to wheat breeding in Canada. Plant Breeding. 2013;132:458-471. DOI 10.1111/pbr.12057.

75. Shewry P.R. Improving the protein content and composition of cereal grain. J. Cereal Sci. 2007;46:239-250. DOI 10.1016/j.jcs.2007.06.006.

76. Tabbita F., Lewis S., Vouilloz J.P., Ortega M.A., Kade M., Abbate P.E., Barneix A.J. Effects of the Gpc-B1 locus on high grain protein content introgressed into Argentinean wheat germplasm. Plant Breeding. 2013;132:48-52. DOI 10.1111/pbr.12011.

77. Uauy C., Brevis J.C., Dubcovsky J. The high grain protein content gene Gpc-B1 accelerates senescence and has pleiotropic effects on protein content in wheat. J. Exp. Bot. 2006a;57(11):2785-2794. DOI 10.1093/jxb/erl047.

78. Uauy C., Distelfeld A., Fahima T., Blechl A., Dubkovsky J. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat. Science. 2006b;314:1298-1301.

79. Vishwakarma M.K., Mishra V.K., Gupta P.K., Yadav P.S., Kumar H., Joshi A.K. Introgression of the high grain protein gene Gpc-B1 in an elite wheat variety of Indo-Gangetic Plains through marker assisted backcross breeding. Curr. Plant Biol. 2014; http://dx.doi.org/10.1016/j.cpb.2014.09.003.

80. Waters B.M., Uauy C., Dubcovsky J., Grusak A. Wheat (Triticum aestivum) NAM proteins regulate the translocation of iron, zink, and nitrogen compounds from vegetative tissues to grain. J. Exp. Bot. 2009;60(15):4263-4274. DOI 10.1093/jxb/erp257.

81. Wheat Applied Genomics. MASWheat Quality traits. High grain protein content. Available at http://maswheat.ucdavis.edu/protocols/HGPC/index.htm.


Дополнительные файлы

Просмотров: 239

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)