Новые интрогрессивные формы культурного ячменя, полученные на основе межвидовых гибридов Hordeum vulgare L. × Hordeum bulbosum L.

Актуальность. Привлечение чужеродного генетического материала ячменя луковичного Hordeum bulbosum L. для расширения разнообразия ячменя культурного Hordeum vulgare L. является важной задачей, поскольку вид H. bulbosum характеризуется рядом ценных признаков. Одним из путей использования генетического потенциала ячменя луковичного служит межвидовая гибридизация и получение на основе гибридов фертильных интрогрессивных линий H. vulgare. Цель исследования – получение новых интрогрессивных форм ярового ячменя с использованием межвидовых триплоидного (H^vH^bH^b) и тетраплоидного (H^bH^bH^vH^v) гибридов культурного ячменя с ячменем луковичным для расширения коллекции интрогрессивных линий H. vulgare. Материал и методы. Для создания новых интрогрессивных форм, диплоидный ячмень культурный H. vulgare (2x) сорта ‘Roland’ опыляли пыльцой межвидовых гибридов: 1) триплоидного, полученного при скрещивании диплоидного ячменя сорта ‘Roland’ (2x, H^vH^v) c тетраплоидным образцом ячменя луковичного H. bulbosum W851 (4x, H^bH^bH^bH^b): H.vulgare ‘Roland (2x) × H. bulbosum W851 (4x) (H^vH^bH^b); 2) тетраплоидного, полученного при использованиии в скрещивании тетраплоидного образцы H. bulbosum А17 (4x, H^bH^bH^bH^b) в качестве материнской формы и тетраплоидного культурного ячменя сорта ‘Borwina’ (4x, H^vH^vH^vH^v) в качестве опылителя: H. bulbosum A17 (4x) × H. vulgare ‘Borwina’ (4x) (H^bH^bH^vH^v). В потомстве от этих скрещиваний отбирали формы культурного ячменя с интрогрессией генетического материала ячменя луковичного, далее отбор продолжали в двух поколениях от самоопыления растений первого поколения, полученных в результате возвратных скрещиваний, то есть растений ВС1 с чужеродными интрогрессиями. Идентификацию и локализацию интрогрессий проводили с использованием метода флюоресцентной in situ гибридизации (GISH и FISH c хромосомоспецифичными маркерами). Результаты. При скрещивании культурного ячменя с триплоидным и тетраплоидным межвидовыми гибридами H. vulgare × H. bulbosum получены новые формы ячменя культурного с рекомбинантными хромосомами, среди которых выделено два растения с тремя терминальными интрогрессиями генетического материала ячменя луковичного. У первого растения, полученного на основе триплоидного гибрида, выявлены интрогресии в хромосомах 5HL; 1HL; 3HS. При сочетании в кариотипе двух гомологов с интрогрессией 5HL исходного размера у растений в потомстве наблюдается гибель проростков. У второго растения, полученного на основе тетраплоидного гибрида, выявлены интрогресии в хромосомах 5HL, 2HL, 7HS. В потомстве от самоопыления этой формы наличие интрогресии 2HL исходного размера в обоих гомологах приводит к стерильности растений. Выявлены формы с изменением размеров интрогрессий в 5HL и 3HS в потомстве первого растения и с изменением размеров интрогрессии в 2HL в потомстве второго растения, что свидетельствует о рекомбинации в мейозе в этих участках хромосом у растений ВС1. Заключение. При скрещивании культурного ячменя с триплоидным межвидовым гибридом H. vulgare × H. bulbosum в потомстве выявлено растение культурного ячменя с интрогрессиями в хромосомах 1HL, 5HL, 3HS. При скрещивании с тетраплоидным межвидовым гибридом выявлено растение культурного ячменя с интрогрессиями в хромосомах 2HL, 5HL, 7HS. На основе ярового сорта ячменя ‘Roland’ cозданы две серии новых интрогрессивных форм H. vulgare с различным сочетанием рекомбинантных хромосом.

1. Bothmer R., Jacobsen N., Baden C., Jorgensen R.B., Linde-Laursen I. An ecogeographical study of genus Hordeum. Rome: International Plant Genetic Resources Institute; 1991.

2. Bothmer R., Seberg O., Jacobsen N. Genetic resources in the Triticeae. Hereditas. 1992;(116):141-150. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1992.tb00814.x

3. Brown S.E., Stephens J.L., Lapitan N.L.V., Knudson D.L. FISH landmarks for barley chromosomes (Hordeum vulgare L.). Genome. 1999;42(2):274-281. DOI: 10.1139/g98-127

4. Devaux P. The Hordeum bulbosum (L.) method. In: Maluszynski M. et al. (eds.). Doubled Haploid Production in Crop. Dordrecht; Boston: IAEA; 2003. p.15-19. DOI: 10.1007/978-94-017-1293-4_3

5. Fukuyama T., Hosoya H. Genetic control and mechanism of chromosome eliminationin the hybrids between Hordeum bulbosum (4x) and H. vulgare (4x). The Japanese Journal of Genetics. 1983;58(3):241-250. DOI: 10.1266/jjg.58.241

6. Gottlob-McHugh S., Levesque M., MacKenzie K., Olson M., Yarosh O., Johnson D. Organization of the 5S rRNA genes in the soybean Glycine max (L.) Merrill and conservation of the 5SrDNA repeat structure in higher plants. Genome. 1990;33(4):486-494. DOI: 10.1139/g90-072

7. Hoseinzadeh P., Ruge-Wehling B., Schweizer P., Stein N., Pidon H. High resolution mapping of a Hordeum bulbosum-derived powdery mildew resistance locus in barley using distinct homologous introgression lines. Frontiers in Plant Science. 2020;11:225. DOI: 10.3389/fpls.2020.00225

8. Ho K.M., Kasha K.J. Genetic control of chromosome elimination during haploid formation in barley. Genetics. 1975;81(2):263-275.

9. Jones I.T., Pickering R.A. The mildew resistance of Hordeum bulbosum and its transference into H. vulgare genotypes. Annals of Applied Biology. 1978;88(2):295-298. DOI: 10.1111/j.1744-7348.1978.tb00709.x

10. Johnston P.A., Pickering R.A. PCR detection of Hordeum bulbosum introgression in a H. vulgare background using a retrotransposon-like sequence. Theoretical and Applied Genetics. 2002;104(4):720-726. DOI: 10.1007/s00122-001-0791-2

11. Lange W. Crosses between Hordeum vulgare L. and H. bulbosum L. I. Production, morphology and meiosis of hybrids, haploids and dihaploids. Euphytica 1971a:20:14-29. DOI: 10.1007/BF00146769

12. Lange W. Crosses between Hordeum vulgare L. and H. bulbosum L. II. Elimination of chromosomes in hybrid tissues. Euphytica. 1971b;20:181-194. DOI: 10.1007/BF00056078

13. Leitch A.R., Schwarzacher T., Jackson D., Leitch I.J. In situ hybridization: а practical guide. Royal Microscopical Society: Microscopy Handbooks, no. 27. Oxford: BIOS Scientific Publishers; 1994.

14. Michel M. Untersuchungen zur Übertragung von Resistenzgenen aus der Wildart Hordeum bulbosum L. in die Kulturgerste Hordeum vulgare L. PhD Thesis, Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung. München, Germany: Technische Universität; 1996. [in Deutsch]

15. Пендинен Г.И., Чернов В.Е., Шольц М. Характеристика интрогрессивных линий ячменя, полученных на основе межвидового гибрида Hordeum vulgare L. × H. bulbosum L. (HvHbHb). Биотехнология и селекция растений. 2018;1(1):16-24. DOI: 10.30901/2658-6266-2018-1-16-24

16. Пендинен Г.И., Шольц М. Спаривание гомеологичных хромосом в метафазе I у триплоидных гибридов Hordeum vulgare L. × H. bulbosum L. (HvHbHb). Биотехнология и селекция растений. 2020;3(2):6-15. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-2-o2

17. Pickering R., Ruge-Wehling B., Johnston P.A., Schweizer G., Ackermann P., Wehling P. The transfer of a gene conferring resistance to scald (Rhynchosporium secalis) from Hordeum bulbosum into H. vulgare chromosome 4HS. Plant Breeding. 2006;125:576-579. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2006.01253.x

18. Pickering R.A. The production of fertile triploid hybrids between Hordeum vulgare L. (2n=2x=14) and H. bulbosum L. (2n=4x=28). Barley Genetics Newsletter. 1988;18:25-29.

19. Pickering R.A., Hudakova S., Houben A., Johnston P., Butler R.C. Reduced metaphase Iassociations between the short arms of homoeologous chromosomes in a Hordeum vulgare L. × H. bulbosum L. diploid hybrid influences the frequency of recombinant progeny. Theoretical and Applied Genetics. 2004;109(5):911-916. DOI: 10.1007/s00122-004-1725-6

20. Pickering R.A., Klatte S., Butler R. Reduced chromosome association between the short arms of 5H homologues in Hordeum vulgare L. at metaphase I. Plant Breeding. 2005;124(4):416-418. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2005.01122.x

21. Pickering R.A., Klatte S., Butler R.C. Identification of all chromosome arms and their involvementin meiotic homoeologous associations at metaphase I in 2 Hordeum vulgare L. × Hordeum bulbosum L. hybrids. Genome. 2006;49(1):73-78. DOI: 10.1139/G05-071

22. Pickering R.A., Malyshev S., Künzel G., Johnston P.A., Korzun V., Menke M., Schubert I. Locating introgressions of Hordeum bulbosum chromatin within the H. vulgare genome. Theoretical and Appied Genetics. 2000;100(1):27-31. DOI: 10.1007/PL00002904

23. Pickering R.A., Timmerman G.M., Cromey M.G., Melz G. Characterisation of progeny from backcrosses of triploid hybrids between Hordeum vulgare L.(2x) and H. bulbosum L.(4x) to H.vulgare. Theoretical and Appied Genetics. 1994;88(3-4):460-464. DOI: 10.1007/BF00223661

24. Pidon H., Wendler N., Habekuß A., Maasberg A., Ruge-Wehling B., Perovic D., Ordon F., Stein N. High-resolution mapping of Rym14Hb, a wild relative resistance gene to barley yellow mosaic disease. Theoretical and Appied Genetics. 2021;134:823-833. DOI: 10.1007/s00122-020-03733-7

25. Ruge B., Linz A., Pickering R., Proeseler G., Greif P., Wehling P. Mapping of Rym14Hb, a gene introgressed from Hordeum bulbosum and conferring resistance to BaMMV and BaYMV in barley. Theoretical and Appied Genetics. 2003;107(6):965-971. DOI: 10.1007/s00122-003-1339-4

26. Ruge-Wehling B., Linz A., Habekuß A., Wehling P. Mapping of Rym16Hb, the second soil-born virus-resistance gene introgressed from Hordeum bulbosum. Theoretical and Appied Genetics. 2006;113(5):867-873. DOI: 10.1007/s00122-006-0345-8

27. Scholz M., Pendinen G. The Effect of Homoeologous Meiotic Pairing in Tetraploid Hordeum bulbosum L. × H. vulgare L. Hybrids on Alien Introgressions in Offspring. Cytogenetic and Genome Research. 2017;150(2):139-149. DOI: 10.1159/000455141

28. Scholz M., Ruge-Wehling B., Habekuß A., Schrader O., Pendinen G., Fischer K., Wehling P. Ryd4Hb: a novel resistance gene introgressed from Hordeum bulbosum into barley and conferring complete and dominant resistance to the barley yellow dwarf virus. Theoretical and Appied Genetics. 2009;119(5):837-849. DOI: 10.1007/s00122-009-1093-3

29. Shtaya M.J.Y., Sillero J.C., Flath K., Pickering R., Rubeales D. The resistance to leaf rust and powdery mildew of recombinant lines of barley (Hordeum vulgare L.) derived from H. vulgare × H. bulbosum crosses. Plant Breeding. 2007;126(3):259-267. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2007.01328.x

30. Wendler N., Mascher M., Himmelbach A., Bini F., Kumlehn J., Stein N. A high-density, sequence-enriched genetic map of Hordeum bulbosum and its collinefrity to H. vulgare. The Plant Genome. 2017;10(3):1-11 DOI: 10.3835/plantgenome2017.06.0049

31. Yakura K., Tanifuji S. Molecular cloning and restriction analysis of Eco RI-fragments of Vicia faba rDNA. Plant Cell Physioljgy 1983;24(7):1327-1330. DOI: 10.1093/oxfordjournals.pcp.a076650