bioselБиотехнология и селекция растенийPlant Biotechnology and Breeding2658-62662658-6258VIR10.30901/2658-6266-2023-4-o4biosel-203Research ArticleРАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СЕЛЕКЦИИDEVELOPMENT OF MODERN BREEDING METHODSЛинии льна мутантные по хлорофильной окраске в генетической коллекции ВИРFlax lines mutant for chlorophyll coloration in the genetic collection of VIRhttps://orcid.org/0000-0002-8328-9684ПороховиноваЕ. А.PorokhovinovaE. A.

Елизавета Александровна Пороховинова, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Отдел генетических ресурсов масличных и прядильных культур, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Elizaveta A. Porokhovinova, Dr. Sci (Biology), Leading Researcher, Department of Oil and Fiber Crop Genetic Resources, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

e.porohovinova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2253-6263БрачН. Б.BrutchN. B.

Нина Борисовна Брач, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, заведующий, Отдел генетических ресурсов масличных и прядильных культур, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

 

Nina B. Brutch, Dr. Sci (Biology), Chief Researcher, Head, Department of Oil and Fiber Crop Genetic Resources, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

n.brutch@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2333-1980СлободкинаА. А.SlobodkinaA. A.

Анастасия Александровна Слободкина, аспирант, младший научный сотрудник, Отдел генетических ресурсов масличных и прядильных культур, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Anastasia A. Slobodkina, postgraduate, Department of Oil and Fiber Crop Genetic Resources, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

snas1999@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5098-4904ПавловА. В.PavlovA. V.

Андрей Валерьевич Павлов, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, Отдел генетических ресурсов масличных и прядильных культур, ВИР

190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Andrey V. Pavlov, Cand. Sci (Agriculture), Senior Researcher, Department of Oil and Fiber Crop Genetic Resources, VIR

42, 44, Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg, 190000 Russia

avpavlov77@yandex.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation202302032024641427Copyright © Пороховинова Е.А., Брач Н.Б., Слободкина А.А., Павлов А.В., 20232023Пороховинова Е.А., Брач Н.Б., Слободкина А.А., Павлов А.В.Porokhovinova E.A., Brutch N.B., Slobodkina A.A., Pavlov A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://biosel.elpub.ru/jour/article/view/203

Фотосинтез – один из главных биологических процессов, обеспечивающий жизнь на планете. Использование знаний о генетическом контроле биосинтеза хлорофиллов поможет повысить продуктивность льна. В работе были изучены гибриды от скрещивания пяти линий дефектных по хлорофильной окраске и пяти – с зеленой окраской растения, различающихся по другим морфологическим признакам.

Установлено наследование четырёх ядерных генов, контролирующих хлорофильную окраску растения. Независимые гены ygp1 (yellow green plant у линии гк-210) и ygp2 (у линии гк-473) – контролируют жёлто-зелёную окраску ювенильного растения (Xanthovirescens). Показано комплементарное взаимодействие этих генов, проявляющееся как жёлтая окраска ювенильного растения. Доказана аллельность ygp2 (у гк-473) и ygp2-2 (у гк-570), но не идентичность, так как мутации получены независимо. Гены zeb1 и zeb2 (оба у линии гк-281), взаимодействуя по типу некумулятивной полимерии, обуславливают повышенную светочувствительность, чередование белых и зелёных полос на листьях (Viridoalbostriata). Эти гены маскируют работу генов ygp1 и ygp2. Впервые в мире у льна установлен материнский тип наследования хлорофильной окраски растения, контролируемой хлоропластным геном ygp3 Носителем этого гена является линия гк-480. Установлено, что линия гк-570, помимо гена ygp2-2, гомозиготна по генам CSB1 (наличие ресничек на ложной перегородке коробочки) и YSED1 (доминантная жёлтосемянность), а линия гк-480, помимо гена ygp3, гомозиготна по генам CSB1 и dlb3 (светло голубой венчик). Доказана аллельность, но не равенство генов dlb3 у линий гк-480 и гк-210. Гены хлорофильной окраски ygp1 и ygp2 перспективны для маркирования сортов. Необходимо их более подробное изучение с целью возможного создания пластичных сортов, способных переносить неблагоприятные условия на ранних стадиях развития.

Photosynthesis is one of the main biological processes that ensure life on the planet. The use of knowledge about the genetic control of chlorophyll biosynthesis will help to increase the productivity of flax. The paper presents a study of hybrids from the crosses of five lines defective in chlorophyll coloration and five with green coloration of the plant, differing in other morphological characteristics.

Inheritance of 4 nuclear genes controlling the chlorophyll coloration of the plant has been established. The independent genes ygp1 (in the gc-210 line) and ygp2 (in the gc-473 line) control the yellow-green coloration of a young plant (Xanthovirescens). The complementary interaction of these genes, which causes the yellow color of a young plant, has been demonstrated. The genes ygp2 (in gc-473) and ygp2-2 (in gc-570) were proved to be allelic but not identical, since mutations were obtained independently. The non-cumulative polymeric gene interaction which has been established in the case of zeb1 and zeb2 genes (both in the gc-281 line), cause an increase in photosensitivity and alternation of white and green stripes of leaves (Viridoalbostriata). These genes mask the action of the ygp1 and ygp2 genes. For the first time in the world, the maternal type of inheritance of the chlorophyll coloration of the plant, controlled by the chloroplast gene ygp3 of the gc-480 line, has been established in flax. It was found that the gc-570 line, in addition to the ygp2-2 gene, is homozygous for the genes CSB1 (ciliation of the false septa of the boll) and YSED1 (dominant yellow seeds), while the gc-480 line, in addition to the ygp3 gene, is homozygous for the CSB1 and dlb3 genes (light blue corolla). The allelism but not equality of the dlb3 genes in the gc-480 and gc-210 lines has been proven. The genes ygp1 and ygp2, which are responsible for chlorophyll coloration may be promising for labeling varieties. It is necessary to study them in more detail for the possible creation of plastic varieties capable to endure unfavorable environmental conditions at early stages of development.

лен-долгунецлен-масличныйLinum usitatissimum L.генетическая коллекциягены хлорофильной окраскихлоропластные геныfiber flaxoilseed flaxLinum usitatissimum L.genetic collectionchlorophyll coloration geneschloroplast genesработа выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану ВИР по проекту FGEM-2022-0005 «Коллекция масличных и прядильных культур ВИР: поддержание, изучение, расширение генетического разнообразия».the research was performed within the framework of the State Assignment according to the Thematic Plan of VIR, Project No. FGEM-2022-0005 “The collection of oil and fiber crops at VIR: maintenance, study, and genetic diversity expansion”.ReferencesAndorf C.M., Cannon E.K., Portwood J.L., Gardiner J.M., Harper L.C., Schaeffer M.L., Braun B.L., Campbell D.A., Vinnakota A.G., Sribalusu V.V., Huerta M., Cho K.T., Wimalanathan K., Richter J.D., Mauch E.D., Rao B.S., Birkett S.M., Sen T.Z., Lawrence-Dill C.J. MaizeGDB update: new tools, data and interface for the maize model organism database. Nucleic Acids Research. 2016;44(D1):D1195-D1201. DOI: 10.1093/nar/gkv1007Andorf C.M., Cannon E.K., Portwood J.L., Gardiner J.M., Harper L.C., Schaeffer M.L., Braun B.L., Campbell D.A., Vinnakota A.G., Sribalusu V.V., Huerta M., Cho K.T., Wimalanathan K., Richter J.D., Mauch E.D., Rao B.S., Birkett S.M., Sen T.Z., Lawrence-Dill C.J. MaizeGDB update: new tools, data and interface for the maize model organism database. Nucleic Acids Research. 2016;44(D1):D1195-D1201. DOI: 10.1093/nar/gkv1007Bačelis K.P. Chlorofilinës mutacijos linø veislëse, paveiktose cheminiais mutagenais. In: Mutageniniø faktoriø veikimas ir genetiniø metodø taikymas selekcijoje. Vilnius; 1975. p.33-34. [in Lithuanian]Bačelis K.P. Chlorofilinës mutacijos linø veislëse, paveiktose cheminiais mutagenais. In: Mutageniniø faktoriø veikimas ir genetiniø metodø taikymas selekcijoje. Vilnius; 1975. p.33-34. [in Lithuanian]Beard B.H., Comstock V.E. Flax genetics and gene symbolism. Crop Science. 1965;5(2):151-155. DOI: 10.2135/cropsci1965.0011183X000500020015xBeard B.H., Comstock V.E. Flax genetics and gene symbolism. Crop Science. 1965;5(2):151-155. DOI: 10.2135/cropsci1965.0011183X000500020015xBelcher S., Williams-Carrier R., Stiffler N., Barkan A. Large-scale genetic analysis of chloroplast biogenesis in maize. Biochimica et Biophysica Acta. 2015;1847:1004-1016. DOI: 10.1016/j.bbabio.2015.02.014Belcher S., Williams-Carrier R., Stiffler N., Barkan A. Large-scale genetic analysis of chloroplast biogenesis in maize. Biochimica et Biophysica Acta. 2015;1847:1004-1016. DOI: 10.1016/j.bbabio.2015.02.014Brethagne-Sagnard B., Fouilloux G., Ghupeau Y. Induced albina mutations as a tool for genetic analysis and cell biology in flax (Linum usitatissimum). Journal of Experimental Botany. 1996;47(295):189-194. DOI: 10.1093/jxb/47.2.189Brethagne-Sagnard B., Fouilloux G., Ghupeau Y. Induced albina mutations as a tool for genetic analysis and cell biology in flax (Linum usitatissimum). Journal of Experimental Botany. 1996;47(295):189-194. DOI: 10.1093/jxb/47.2.189Comstock V.E., Ford J.H., Beard B.H. Association among seed and agronomic characteristics in isogenic lines of flax. Crop Science. 1963;3(2):171-172. DOI: 10.2135/cropsci1963.0011183X000300020024xComstock V.E., Ford J.H., Beard B.H. Association among seed and agronomic characteristics in isogenic lines of flax. Crop Science. 1963;3(2):171-172. DOI: 10.2135/cropsci1963.0011183X000300020024xДаниленко Н.Г., Давыденко О.Г. Миры геномов органелл. Минск: Тэхналогiя; 2003.Danilenko N.G., Davydenko O.G. Worlds of organelle genomes (Miry genomov organell). Minsk: Technalohija Publishers; 2003. [in Russian]Калам Ю., Орав Т. Хлорофильная мутация. Таллин: Валгус; 1974.Kalam Yu., Orav T. Chlorophyll mutation (Khlorofilnaya mutatsiya). Tallinn: Valgus; 1974. [in Russian]Keijzer P., Metz P.L.J. Breeding of flax for fibre production in Western Europe. In: H.S. Shekhar Sharma, C.F. van Sumere (eds.). The Biology and Processing of Flax. Belfast: M Publications; 1992. p.33-66.Keijzer P., Metz P.L.J. Breeding of flax for fibre production in Western Europe. In: H.S. Shekhar Sharma, C.F. van Sumere (eds.). The Biology and Processing of Flax. Belfast: M Publications; 1992. p.33-66.Лакин Г.Ф. Биометрия. Москва: Высшая Школа; 1990.Lakin G.F. Biometrics (Biometriya). Moscow: High School; 1990. [in Russian] (Лакин Г.Ф. Биометрия. Москва: Высшая Школа; 1990).Левчук А.Н., Полякова И.А., Войтович Е.Н., Лях В.А. Особенности морфологии пластидного аппарата хлорофилльных мутантов льна масличного. Фiзiологiя та бiохiмiя культурних рослин. 2012;44(3):232-239.Levchuk H. Polyakova, I. Voitovich H. Lyakh V. Peculiarities of plastid apparatus morphology in chlorophyll mutants of oil flax. Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants. 2012;44(3):232-239. [in Russian]Лисицын Е.М., Чуракова С.А., Баталова Г.А. Генотипическая вариабельность функционирования фотосистемы II листьев пленчатого и голозерного овса. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2022;183(3):17-26. DOI: 10.30901/2227-8834-2022-3-17-26Lisitsyn E.M., Churakova S.A., Batalova G.A. Genotypic variability in the functioning of photosystem II in leaves of covered and naked oats. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2022;183(3):17-26. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2022-3-17-26Lopes A.S., Pacheco T.G., Santos K.G., Vieira L.N., Guerra M.P., Nodari R.O., Souza E.M., Pedrosa F.O., Rogalski M. The Linum usitatissimum L. plastome reveals atypical structural evolution, new editing sites, and the phylogenetic position of Linaceae within Malpighiales. Plant Cell Reports. 2018;37(2):307-328. DOI: 10.1007/s00299-017-2231-zLopes A.S., Pacheco T.G., Santos K.G., Vieira L.N., Guerra M.P., Nodari R.O., Souza E.M., Pedrosa F.O., Rogalski M. The Linum usitatissimum L. plastome reveals atypical structural evolution, new editing sites, and the phylogenetic position of Linaceae within Malpighiales. Plant Cell Reports. 2018;37(2):307-328. DOI: 10.1007/s00299-017-2231-zЛях В.А., Мищенко Л.Ю., Полякова И.А. Генетическая коллекция вида Linum usitatissimum L. Запорожье: ИМК УААН; 2003.Lyakh V.A., Mishchenko L.Yu., Polyakova I.A. Genetic collection of the species Linum usitatissimum L. Zaporozhye: IMC UAAN; 2003. [in Russian]Nôžková J., Pavelek M., Bjelková M., Brutch N., Tejklová E., Porokhovinova E., Brindza J. Descriptor list for flax (Linum usitatissimum L.). Janka Nôžková (ed.). Nitra: Slovak University of Agriculture in Nitra; 2016. DOI: 10.15414/2016.9788055214849Nôžková J., Pavelek M., Bjelková M., Brutch N., Tejklová E., Porokhovinova E., Brindza J. Descriptor list for flax (Linum usitatissimum L.). Janka Nôžková (ed.). Nitra: Slovak University of Agriculture in Nitra; 2016. DOI: 10.15414/2016.9788055214849Полякова И.А. Мутация viridis индуцированная у льна масличного. Вiснiк Запоризького нацiонального унiверситету. 2008;2:163-165.Polyakova I.A. Mutation of viridis type, induced to oilseed flax. Bulletin of Zaporizhzhia National University. 2008;2:163-165. [in Russian]Полякова И.А. Наследование хлорофильной мутации xanthoviridis у льна масличного. Науково‐технічний бюлетень Інституту олійних культур УААН. 2009;14:52‐55.Polyakova I.A. Inheritance of chlorophyll mutation of xanthoviridis in oilseed flax. Scientific and Technical Bulletin of the Institute of Oilseed Crops NAAS. 2009;14:52‐55. [in Russian]Полякова И.А. Яранцева В.В. Левчук А.Н., Лях В.А. Фенотипическое проявление мутаций хлорофиллдефицитности на ранних этапах онтогенеза льна масличного. Актуальні питання біології, екології та хімії. 2013;5(1):49-51.Polyakova I.A., Yaranceva V.V., Levchuk A.N., Lyakh V.A. Phenotypical appearance of chlorophyll-deficient mutations at early stages of ontogenesis in oil flax. Current Issues of Biology, Ecology and Chemistry. 2013;1:49-51. [in Russian]Пороховинова Е.А. Генетический контроль морфологических признаков льна. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2011;167:159-184.Porokhovinova E.A. Genetic control of morphological characters of flax. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2011;167:159-184. [in Russian]Пороховинова Е.А. Генетическая коллекция льна (Linum usitatissimum L.): создание, анализ и перспективы использования: дис. ... д-ра биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 2019.Porokhovinova E.A. Genetic collection of flax (Linum usitatissimum L.): creation, analysis and prospects of use (Geneticheskaya kollektsiya l'na (Linum usitatissimum L.): sozdaniye, analiz i perspektivy ispol'zovaniya) [dissertation] St. Petersburg: VIR; 2019. [in Russian]Пороховинова Е.А., Павлов А.В., Кутузова С.Н., Брач Н.Б. Генетическая коллекция льна ВИР для теоретических исследований и селекции. В кн.: Генофонд и селекция растений: тезисы докладов II международной конференции, посвященной 80-летию СибНИИРС; 29-31 марта 2016 г.; Новосибирск, Россия. Новосибирск: СибНИИРС – филиал ИЦиГ СО РАН; 2016. С.54. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_30047216_57792947.pdf [дата обращения: 24.06.2023].Porokhovinova E.A., Pavlov A.V., Kutuzova S.N., Brach N.B. VIR flax genetic collection for theoretical research and breeding (Geneticheskaya kollekciya l`na VIR dlya teoreticheskix issledovanij i selekcii). In: Gene pool and plant breeding: Proceeding of the II international conference, dedicated to the 80th anniversary of SRI PCB (Genofond i selekciya rastenij: tezisy` dokladov II mezhdunarodnoj konferencii, posvyashhennoj 80-letiyu SibNIIRS); 2016 March 29-31; Novosibirsk, Russia. Novosibirsk: SRI PCB - Branch of IC&G SB RAS; 2016. p.54. [in Russian]. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_30047216_57792947.pdf [дата обращения: 24.06.2023].Porokhovinova E.A. Pavlov A.V., Kutuzova S.N., Brutch N.B. Interaction of genes controlling some morphological features of flax (Linum usitatissimum L.). Russian Journal of Genetics. 2019;55(11):1383-1397. DOI: 10.1134/S1022795419110103Porokhovinova E.A. Pavlov A.V., Kutuzova S.N., Brutch N.B. Interaction of genes controlling some morphological features of flax (Linum usitatissimum L.). Russian Journal of Genetics. 2019;55(11):1383-1397. DOI: 10.1134/S1022795419110103Rose R.J. Sustaining Life: Maintaining chloroplasts and mitochondria and their genomes in plants. Yale Journal of Biology and Medicine. 2019;92(3):499-510.Rose R.J. Sustaining Life: Maintaining chloroplasts and mitochondria and their genomes in plants. Yale Journal of Biology and Medicine. 2019;92(3):499-510.Sakamoto W., Miyagishima S.Y. Jarvis P. Chloroplast biogenesis: control of plastid development, protein import, division and inheritance. The Arabidopsis Book. 2008;6:e0110. DOI: 10.1199/tab.0110Sakamoto W., Miyagishima S.Y. Jarvis P. Chloroplast biogenesis: control of plastid development, protein import, division and inheritance. The Arabidopsis Book. 2008;6:e0110. DOI: 10.1199/tab.0110Шестаков С.В. Молекулярная генетика фотосинтеза. Соросовский образовательный журнал. 1998;8:22-27.Shestakov S.V. Molecular genetics of photosynthesis. Soros Educational Journal. 1998;8:22-27. [in Russian]Stern D.B., Hanson M.R., Barkan A. Genetics and genomics of chloroplast biogenesis: maize as a model system. Trends in Plant Science. 2004;9(6):293-301. DOI: 10.1016/j.tplants.2004.04.001Stern D.B., Hanson M.R., Barkan A. Genetics and genomics of chloroplast biogenesis: maize as a model system. Trends in Plant Science. 2004;9(6):293-301. DOI: 10.1016/j.tplants.2004.04.001Тихомирова М.М. Генетический анализ. Ленинград: Издательство Ленинградского университета; 1990.Tikhomirova M.M. Genetic analysis (Geneticheskiy analiz). Leningrad: Leningrad University Publishing House; 1990. [in Russian]Вайло В.В., Лях В.О. Вплив летальноi хлорофiльноi мутацii типу “albina” на ознаки проросткiв льону олiйного та ii успадкувания. Актуальні питання біології, екології та хімії. 2014;7(1):111-116.Vaylo V., Lyakh V. Influence of lethal chlorophyll mutation of “albina” type on seedling characters in oil flax and its inheritance. Current Issues of Biology, Ecology and Chemistry. 2014;7(1):111-116. [in Ukrainian]Яранцева В.В., Лях В.А. Морфология хлоропластов и пигментный состав листьев разного возраста хлорофилльных мутантов льна. Физиология растений и генетика. 2015;47(3):236-243.Yarantseva V.V., Lyakh V.A. Morphology of chloroplasts and pigment composition of leaves of different ages of chlorophyll mutants of flax. Plant Physiology and Genetics. 2015;47(3):236-243. [in Russian]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.