doi: 10.15389/agrobiology.2024.5.955rus
УДК 633.11:631.522/.524:577.2
Гены, кодирующие Myc-подобные факторы (Pp3, Ba1, ThMyc4E) исследованы О.Ю. Шоевой, Е.И. Гордеевой, Е.К. Хлесткиной в рамках проекта РНФ (№ 21-66-00012). Фенотипическая оценка образцов редких видов проведена М.Э. Гашимовым и К.У. Куркиевым в рамках исследовательской программы «Хлеба России».
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕДКИХ ВИДОВ ПШЕНИЦ КАК ДОНОРОВ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ НА СОДЕРЖАНИЕ АНТОЦИАНОВ В ЗЕРНЕ
О.Ю. ШОЕВА1, 2 ✉, Е.И. ГОРДЕЕВА1, 2, Е.К. ХЛЕСТКИНА1, 2,
М.Э. ГАШИМОВ3, К.У. КУРКИЕВ3
Мягкая пшеница (Triticum aestivum L.), накапливающая антоцианы в зерне, — перспективное сырье для производства продукции для функционального питания. При создании богатых антоцианами сортов зерновых культур актуален выбор подходящих доноров. В настоящей работе впервые с помощью комплексного анализа паттернов антоциановой пигментации вегетативных органов и зерна у редких видов пшениц из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) были выявлены доноры доминантных аллелей генов Ba, Pp-1 и Pp3, контролирующих синтез антоцианов, а также проведена оценка их устойчивости к грибным болезням. Целью работы было исследование редких видов пшеницы на наличие антоциановой окраски зерна и вегетативных органов, выявление доноров доминантных аллелей генов Ba, Pp-1 и Pp3, а также оценка потенциальных доноров на устойчивость к грибным болезням. Проявления антоциановой окраски зерна и вегетативных органов исследовали у 16 редких видов пшеницы из коллекции ВИР: однозернянок T. urartu Thum. ex Gandil (n = 68), T. boeoticum Boiss. (n = 99), T. monococcum L. (n = 113); полб T. dicoccoides (Körn. ex Aschers. et Graebn.) Schweinf. (n = 256), T. dicoccum (Schrank) Schuebl. (n = 502), T. araraticum Jakubz. (n = 42), T. timopheevii Zhuk. (n = 45); голозерных тетраплоидов T. aethiopicum Jakubz. (n = 246), T. persicum Vav. (n = 140), T. polonicum L. (n = 61), T. turanicum Jakubz. (n = 38), T. turgidum L. (n = 421); спельт T. spelta L. (n = 231), T. macha Dekapr. et Menabde (n = 37); голозерных гексаплоидов T. compactum Host. (n = 616), T. sphaerococcum Perciv. (n = 54). Всего было проанализировано 2969 образцов. Наличие антоциановой окраски колеоптиля оценивали у 5-7-суточных проростков, полученных на чашках Петри в условиях комнатной температуры и естественного освещения. Окраску листового влагалища, узла соломины и ушек листовой пластинки оценивали на Дагестанской опытной станции ВИР (41,98° N, 48,33° E) в 2019-2021 годах. Цвет листового влагалища определяли в межфазный период выход в трубку-колошение, окраску влагалищ оценивали у трех нижних листьев, цвет ушек и стеблевых узлов отмечали в фазу колошения, просматривая минимум 10 растений. Для генотипирования из изучаемой коллекции пшеницы были отобраны 65 образцов, среди которых 22 образца T. boeoticum (17 образцов с голубой и 5 — с красной окраской зерна), 3 образца T. durum (с фиолетовой, белой и красной окраской зерна), 8 образцов T. spelta (2 образца с голубой, 3 — с белой и 3 — с красной окраской зерна) и 32 образца T. aethiopicum (23 образца с фиолетовой, 1 — с белой и 8 — с красной окраской зерна). ДНК выделяли из молодых листьев пяти растений каждого образца. Выделенную ДНК анализировали с помощью ПЦР с использованием внутригенных маркеров Pp3-diagnostic и ThMyc4E-specific, разработанных для генов биосинтеза антоцианов соответственно Pp3 и Ba1. Фенологические наблюдения и оценку устойчивости образцов к грибным болезням на естественном инфекционном фоне проводили на Дагестанской опытной станции ВИР в 2017-2018 годах. Устойчивость оценивали по 9-балльной шкале. В коллекции были выявлены 13 и 2 голубозерных образца соответственно T. boeoticum и T. spelta, несущие доминантные аллели генов Ba, контролирующих синтез антоцианов в алейроновом слое зерновки, и 22 фиолетовозерных образца T. aethiopicum, несущие доминантные аллели гена Pp3, контролирующего совместно с генами Pp-1 синтез антоцианов в перикарпе зерновки. Присутствие доминантных аллелей генов Ba и Pp3 в геноме у выявленных образцов было подтверждено с помощью генотипирования ДНК молекулярными маркерами. Все образцы T. timopheevii и большинство образцов T. turanicum были белозерными, что указывает на наличие мутаций в генах, контролирующих синтез проантоцианидинов. Анализ окраски вегетативных органов показал, что разные виды пшеницы характеризуются различными паттернами пигментации, что подразумевает вовлечение в формирование окраски различных частей растения, помимо известных генов Pp-1, контролирующих окраску вегетативных органов, дополнительных генов. У большинства проанализированных видов окраска колеоптиля зачастую проявлялась совместно с окраской листовых влагалищ и ушек, за исключением T. timopheevii и T. araraticum, у которых при наличии окраски колеоптиля и ушек отсутствовала окраска листовых влагалищ. Окраска узлов стебля зачастую не зависела от наличия антоцианового пигмента на других вегетативных органах и, по-видимому, наследуется независимо. Выявленные образцы с антоциановой пигментацией служат перспективными донорами для селекции с целью получения продукции, предназначенной для рациона функционального питания, а неокрашенные образцы представляют интерес в качестве идентифицированного генофонда для сравнительных генетических исследований молекулярно-генетических механизмов формирования признаков окраски у разных видов пшеницы.
Ключевые слова: антоциановая пигментация, молекулярные маркеры, редкие виды пшениц, функциональное питание.
STUDY OF RARE SPECIES OF WHEAT AS DONORS FOR BREEDING FOR FUNCTIONAL NUTRITION
O.Yu. Shoeva1, 2 ✉, E.I. Gordeeva1, 2, E.K. Khlestkina1 ,2,
M.E. Gashimov3, K.U. Kurkiev3
Common wheat (Triticum aestivum L.), which accumulates anthocyanins in grain, is a promising raw material for the production of functional nutrition products. When creating anthocyanin-rich varieties of grain crops, the choice of suitable donors is important. In this work, for the first time, using a comprehensive analysis of anthocyanin pigmentation patterns of vegetative organs and grain in rare wheat species from the collection of the Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR), donors of dominant alleles of the Ba, Pp-1, and Pp3 genes that control anthocyanin synthesis were identified, and their resistance to fungal diseases was assessed. The aim of the work was to study rare wheat species for the presence of anthocyanin pigmentation of grain and vegetative organs, identify donors of dominant alleles of the Ba, Pp-1 and Pp3 genes, and evaluate potential donors for resistance to fungal diseases. Manifestations of anthocyanin coloration of grain and vegetative organs were studied in 16 rare wheat species from the VIR collection: einkorn T. urartu Thum. ex Gandil (n = 68), T. boeoticum Boiss. (n = 99), T. monococcum L. (n = 113); emmer T. dicoccoides (Körn. ex Aschers. et Graebn.) Schweinf. (n = 256), T. dicoccum (Schrank) Schuebl. (n = 502), T. araraticum Jakubz. (n = 42), T. timopheevii Zhuk. (n = 45); naked tetraploids T. aethiopicum Jakubz. (n = 246), T. persicum Vav. (n = 140), T. polonicum L. (n = 61), T. turanicum Jakubz. (n = 38), T. turgidum L. (n = 421); spelt T. spelta L. (n = 231), T. macha Dekapr. et Menabde (n = 37); naked hexaploids T. compactum Host. (n = 616), T. sphaerococcum Perciv. (n = 54). A total of 2969 samples were analyzed. The presence of anthocyanin pigmentation of the coleoptile was assessed in 5-7-day-old seedlings germinated on Petri dishes at room temperature and natural light. The color of the leaf sheath, culm node, and leaf blade auricles was assessed at the Dagestan Experimental Station of VIR (41.98° N, 48.33° E) in 2019-2021. The color of the leaf sheath was determined in the interphase period of tube elongation-earing, the color of the sheaths was assessed in the three lower leaves, the color of the auricles and stem nodes was noted in the earing phase, examining at least 10 plants. For DNA genotyping, 65 accessions were selected from the studied wheat collection, including 22 T. boeoticum accessions (17 accessions with blue and 5 accessions with red grain coloration), 3 T. durum accessions (with purple, white, and red grain coloration), 8 T. spelta accessions (2 accessions with blue, 3 with white, and 3 with red grain coloration), and 32 T. aethiopicum accessions (23 accessions with purple, 1 with white, and 8 with red grain coloration). DNA was isolated from young leaves of five plants of each accession. The isolated DNA was analyzed by PCR using the intragenic markers Pp3-diagnostic and ThMyc4E-specific, developed for the anthocyanin biosynthesis genes Pp3 and Ba1, respectively. Phenological observations and assessment of the resistance of samples to fungal diseases against a natural infectious background were carried out at the Dagestan Experimental Station of VIR in 2017-2018. Resistance was assessed on a 9-point scale. The collection included 13 and 2 blue-grained samples of T. boeoticum and T. spelta, respectively, carrying dominant alleles of the Ba genes controlling the synthesis of anthocyanins in the aleurone layer of the grain, and 22 purple-grained samples of T. aethiopicum carrying dominant alleles of the Pp3 gene, which, together with the Pp-1 genes, controls the synthesis of anthocyanins in the pericarp of the grain. The presence of dominant alleles of the Ba and Pp3 genes in the genome of the identified accessions was confirmed using DNA genotyping with molecular markers. In addition, all T. timopheevii and most T. turanicum accessions were white-grained, which implies the presence of mutations in the genes controlling the synthesis of proanthocyanidins. Analysis of the color of vegetative organs showed that different wheat species are characterized by different pigmentation patterns, which implies, in addition to the known Pp-1 genes controlling the color of vegetative organs, the involvement of additional genes in the formation of the color of different parts of the plant. In most of the analyzed species, the color of the coleoptile often manifested itself together with the color of the leaf sheaths and auricles, with the exception of T. timopheevii and T. araraticum, which had color of the coleoptile and auricles, but no color of the leaf sheaths. The pigmentation of stem nodes often did not depend on the presence of anthocyanin pigment on other vegetative organs and, apparently, is inherited independently. The identified samples with anthocyanin pigmentation are promising donors for selection in order to obtain products intended for the functional nutrition diet, and uncolored samples are of interest as an identified gene pool for comparative genetic studies of the molecular genetic mechanisms of the formation of color traits in different wheat species.
Keywords: anthocyanin pigmentation, molecular markers, rare wheat species, functional food.
1ФГБНУ ФИЦ Институт цитологии и генетики |
Поступила в редакцию |
