Разработка и валидация CAPS-маркера, ассоциированного с геном Rf2 у сорго (Sorghum bicolor (L.) Moench)

Актуальность. Создание гетерозисных гибридов на основе цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) является ведущей стратегией селекции сорго (Sorghum bicolor (L.) Moench). В контроле признака восстановления фертильности пыльцы форм с ЦМС А1 (milo), наиболее широко используемым в селекции, принимают участие не менее двух доминантных комплементарных генов, Rf1 и Rf2, а также ген Rf5. Разработка доступных молекулярных маркеров Rf генов сорго весьма актуальна для гибридной селекции, так как с их помощью можно значительно ускорить процесс создания материнских стерильных линий (А), линий – закрепителей стерильности (В) и восстановителей фертильности пыльцы (R) при создании гетерозисных гибридов F₁.

Материал и методы. Материалом исследования служили 36 образцов сорго из коллекции ВИР, различающихся по способности к восстановлению фертильности пыльцы при ЦМС А1-типа. Изучали нуклеотидный полиморфизм фрагментов длиной 935 пн PPR-генов Sobic.002G057050, Sobic.002G054100, Sobic.002G054200, расположенных на хромосоме 2.

Результаты. Полученные с помощью праймеров 2459403fw и 2459403 фрагменты длиной 935 пн включали участки трех генов: Sobic.002G057050, Sobic.002G054100, Sobic.002G054200. Для идентификации вариантной последовательности Sobic.002G057050-1090, ассоциированной с геном Rf2, была подобрана рестриктаза Tru9 I, позволяющая получить в суммарном спектре уникальный для исследованных R-линий фрагмент длиной 572 пн. В коллекции генетических ресурсов ВИР такой маркер был найден у 10 линий сорго из западного Китая и Киргизии, используемых селекционерами в качестве восстановителей. Ни у одной из трех линий со стерильной цитоплазмой и их фертильных аналогов, а также у 7 образцов кафрского сорго, не имеющих функциональных аллелей генов Rf, фрагмент не обнаружен.

Заключение. Показано, что маркер может быть использован для отбора и проверки чистоты R и В/А линий, а также применим в гибридной селекции при проверке гибридности семян F₁ и анализа гибридных популяций, полученных от скрещивания исследованных R-линий 924-4, 928-1, 929-3, 931-1, 933-1/6, 1237-3, 1243-2, 1251, 1150-1, F₁₀BC₂ и А линий Низкорослое 81с, А-83 и А-10598. Можно предположить, что у R-линий, не имеющих маркера CAPS-572, способность восстанавливать фертильность пыльцы определяется другим Rf геном. У исследованных R и А/В линий изученный фрагмент Sobic.002G057050 имеет 22 SNP на участке длиной 935 пн, следовательно, разработка CAPS-маркеров для их идентификации и дифференциации может быть перспективной.

1. Алабушев А.В., Шишова Е.А., Романюкин А.Е., Ермолина Г.М., Горпиченко С.И. Происхождение сорго и развитие его селекции. Научный журнал КубГАУ. 2017;127(03):281-294. DOI: 10.21515/1990-4665-127-017

2. Алпатьева Н.В., Антонова О.Ю., Радченко Е.Е., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Анисимова И.Н. ПЦР-диагностика вредных организмов гуара: (методические указания) / под ред. Е.К. Потокиной. Санкт-Петербург: ВИР; 2019. DOI: 10.30901/978-5-907145-44-3

3. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8

4. Анисимова И.Н., Рябова Д.Н., Малиновская Е.В., Алпатьева Н.В., Карабицина Ю.И., Радченко Е.Е. Полиморфизм по признакам, ассоциированным с генетической системой ЦМС-Rf, у зернового сорго из коллекции ВИР. Сельскохозяйственная биология. 2017;52(5):952-963. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.952rus

5. Blast (Basic Local Alignment Search Tool): [website]. URL : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide/ [дата обращения: 10.12.2020].

6. Boatwright J.L., Brenton Z.W., Boyles R.E., Sapkota S., Myers M.T., Jordan K.E., Dale S.M., Shakoor N., Cooper E.A., Morris G.P., Kresovich S. Genetic characterization of a Sorghum bicolor multiparent mapping population emphasizing carbon-partitioning dynamics. G3: Genes, Genomes, Genetics. 2021;11(4):jkab060. DOI: 10.1093/g3journal/jkab060

7. Дорохов Д.Б., Клоке Э. Быстрая и экономичная технология RAPD анализа растительных геномов. Генетика. 1997;33(4):443-450.

8. Evrogen: [website]. URL : http://evrogen.ru/kit-user-manuals/pAL-TA.pdf [дата обращения: 05.03.2020].

9. Хаджинов М.И. Стерильность у межрасовых гибридов сорго. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. Сер. 2, Генетика, селекция и цитология растений. 1937;(7):417-446.

10. Jordan D.R., Mace E.S., Henzell R.G., Klein P.E., Klein R.R. Molecular mapping and candidate gene identification of the Rf2 gene for pollen fertility restoration in sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]. Theoretical and Applied Genetics. 2010;120:1279-1287. DOI: 10.1007/s00122-009-1255-3

11. Jordan D.R., Klein R.R., Sakrewski K.G., Henzell R.G., Klein P.E., Mace E.S. Mapping and characterization of Rfs a new gene conditioning pollen fertility restoration in A1 and A2 cytoplasm in sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Theoretical and Applied Genetics. 2011;123(3):383-396. DOI: 10.1007/s00122-011-1591-y

12. Kante M., Rattunde H.F.W., Nébié B., Weltzien E., Haussmann B.I.G., Leiser W.L. QTL mapping and validation of fertility restoration in West African sorghum A1 cytoplasm and identification of a potential causative mutation for Rf2. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131:2397-2412. DOI: 10.1007/s00122-018-3161-z

13. Klein R.R., Klein P.E., Chhabra A.K., Dong J., Pammi S., Childs K.L., Mullet J.E., Rooney W.L., Schertz K.F. Molecular mapping of the Rf1 gene for pollen fertility restoration in sorghum (Sorghum bicolor L.). Theoretical and Applied Genetics. 2001;102:1206-1212. DOI: 10.1007/s001220100575

14. Klein R.R., Klein P.E., Mullet J.E. Minx P., Rooney W.L., Schertz K.F. Fertility restorer locus Rf1 of sorghum (Sorghum bicolor L.) encodes a pentatricopeptide repeat protein not present in the colinear region of rice chromosome 12. Theoretical and Applied Genetics. 2005;111:994-1012. DOI: 10.1007/s00122-005-2011-y

15. Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets. Molecular Biology and Evolution. 2016;33:1870-1874. DOI: 10.1093/molbev/msw054

16. Madugula P., Uttam A.G., Tonapi V.A., Ragimasalawada M. Fine mapping of Rf2, a major locus controlling pollen fertility restoration in sorghum A1 cytoplasm, encodes a PPR gene and its validation through expression analysis. Plant Breeding. 2018;137:148-161. DOI: 10.1111/pbr.12569

17. McCormick R.F., Truong S.K., Sreedasyam A., Jenkins J., Shu S., Sims D., Kennedy M., Amirebrahimi M., Weers B.D., McKinley B., Mattison A., Morishige D.T., Grimwood J., Schmutz J., Mullet J.E. The Sorghum bicolor reference genome: improved assembly, gene annotations, a transcriptome atlas, and signatures of genome organization. The Plant Journal. 2017;93:338-354. DOI: 10.1111/tpj.13781

18. Paterson A.H., Bowers J.E., Bruggmann R., Dubchak I., Grimwood J., Gundlach H., Haberer G., Hellsten U., Mitros T., Poliakov A., Schmutz J., Spannagl M., Tang H., Wang X., Wicker T., Bharti A.K., Chapman J., Feltus F.A., Gowik U., Grigoriev I.V., Lyons E., Maher C.A., Martis M., Narechania A., Otillar R.P., Penning B.W., Salamov A.A., Wang Y., Zhang L., Carpita N.C., Freeling M., Gingle A.R., Hash C.T., Keller B., Klein P., Kresovich S., McCann M.C., Ming R., Peterson D.G., Mehboob-Ur-Rahman M., Ware D., Westhoff P., Mayer K.F., Messing J., Rokhsar D.S. The Sorghum bicolor genome and the diversification of grasses. Nature. 2009;457(7229):551-556. DOI: 10.1038/nature07723

19. Plaza: [website]. URL : https://bioinformatics.psb.ugent.be/plaza/versions/plaza [дата обращения: 10.12.2020].

20. Radchenko E.E. Identification of genes for resistance to greenbug in sorghum. Russian Journal of Genetics. 2000;36(4):510-519.

21. Radchenko E.E. Inheritance of greenbug resistance in several forms of grain sorghum and sudangrass. Russian Journal of Genetics. 2006;42(1):55-59. DOI: 10.1134/S1022795406010078

22. Stephens J.C., Quinby J.R. Anthesis, pollination, and fertilization in sorghum. Journal of Agricultural Research. 1934;49(2):123-136.

23. Stephens J.C., Holland R.F. Cytoplasmic male sterility for hybrid sorghum seed production. Agronomy Journal. 1954;46:20-23. DOI: 10.2134/agronj1954.00021962004600010006x

24. Vozhzhova N.; Ionova E.; Popov A.; Kovtunov V. Identification of fertility gene Rf1 in collection samples of Sorghum bicolor (L.) Moench in Southern Russia. Biology and Life Sciences Forum. 2021;4:81. DOI 10.3390/IECPS2020-08710