Biochemical properties of tetraploid maize grain

Tetraploid maize attracts breeders because of its large kernel and cob sizes, high nutrient content, and higher yield of herbage mass than diploid maize. Hence, it is important to study its biochemical composition and nutritional value in order to develop original source material for breeding. Accessions of tetraploid sweet corn from VIR’s genebank were used to analyze biochemical composition of the grain. The main task of the work was to identify differences among the accessions at the level of the metabolite spectra. A comparison of the values in the content of total sugars in kernels homozygous for the su2 gene did not reveal significant differences between diploid and tetraploid genotypes, while the fractions of sugars revealed some differences. Studies have shown that in diploid grains deviations from the reference for the total sugars content are -8.2 mg/100g, and in tetraploid ones, -2.9 mg/100g, although the overall ratio of dominant and recessive alleles (1AA:2AA) remains the same in both genotypes. Tetraploid sweet corn showed greater variability of the coefficient of variation (CV) in the grain protein content (CV = 6.80%), starch (CV = 8.27%) and oil (CV = 13.3%) compared with the diploid one. Potential donors of high protein, starch and oil contents in the kernel of tetraploid sweet corn were identified. A new cultivar of tetraploid sweet corn, ‘Baksanskaya Sakharnaya’, was developed, with a yield up to 16 t/ha of cobs in a marketable milky ripeness state and representing predominantly the double-cob type. This cultivar has high flavor qualities due to the fact that its kernels contain 16.3% of protein, 63.2% of starch, and 7.5% of oil. Moreover, the cultivar is resistant to biotic environmental factors. The tetraploid genome provides greater variability of the kernel’s biochemical composition and other economically valuable traits due to its greater genetic capacity, compared with the diploid genome. Development of new high-yielding hybrids of sweet corn based on VIR’s holdings will allow breeders to significantly broaden the genetic polymorphism and assortment of modern breeding achievements, and contribute to providing high-quality raw materials for food and canning industry.

1. Balmer D, Flors V, Glauser G, Mauch-Mani B. (2013) Metabolomics of cereals under biotic stress: current knowledge and techniques. Frontiers in Plant Science; 4: 82. DOI: 10.3389/fpls.2013.00082

2. Chumakov AE. (1974) The main methods of phytopathological research (Osnovnyye metody fitopatologicheskikh issledovaniy). Moscow. Kolos: 192 [in Russian] (Чумаков А.Е. Основные методы фитопатологических исследований. М.: Колос, 1974. 192 с.).

3. Darlington CD. (1937) Recent advances in cytology. J&A Churchill LTD, London: 671 p.

4. Dospekhov BA (1985) Field experience (Metodikapolevogo opyta). Moscow.

5. Agropromizdat: 112-146. [in Russian] (ДоспеховБ. А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. С. 112-146).

6. Ermakov A1 (1972) (Ed.) Methods of biochemical studies of plants. (Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy) Ed. 2nd, revised and enlarged — Izd. 2-ye, pererab. i dop. Leningrad: Kolos, 456 [in Russian] (Ермаков А. И. Методы биохимического исследования растений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Ленинград: Колос. Ленингр. отд-ние, 1972. 456 с.).

7. Galeyev GS, Kissel N1, Taova 1A, Syritsa AK (1971) Selection of high- lysine corn (Selektsiya vysokolizinovoy kukuruzy). Vestn. s.-kh. nauki-Bulletin of agricultural science; 12: 59-64 [in Russian] (ГалеевГ. С., КиссельН. И., ТаоваA., СирицаА.К. Селекция высоколизиновой кукурузы // Вестн. с.-х. науки. 1971. Вып. 12. C. 59-64).

8. Grigoriev ON (1948) Modern methods of studying the physicochemical properties of soils (Sovremennyye metody issledovaniya fiziko-khimicheskikh svoystv pochv) Ed. Academy of Sciences of the USSR — Izd. AN SSSR3: 185 [in Russian] (Григорьев О. Н. Современные методы исследования физико¬химических свойств почв. Вып. 3. Изд. АН СССР. 1948. 185 с.).

9. Gurev BP, Kozubenko AB (1976) The results of research on the creation of early ripe corn hybrids with improved grain quality (Rezul'taty issledovaniy po sozdaniyu rannespelykh gibridov kukuruzy s uluchshennym kachestvom zerna). Collection of scientific papers — Sb. nauch. tr. KNIISKh, Krasnodar, issue II: 72¬81 [in Russian] (Гурьев Б. П., Козубенко A. B. Результаты исследований по созданию раннеспелых гибридов кукурузы с улучшенным качеством зерна // Сб. науч. тр. КНИИСХ, Краснодар. 1976. Вып. 2. С. 72-81).

10. FilevD.S., Tsikov V.S., Zolotov V1. et al. (1980) Methodical guidelines for conducting field experiments with corn (Metodicheskiye rekomendatsii po provedeniyu polevykh opytov s kukuruzoy). Dnepropetrovsk. All-Union Scientific Research Institute of Corn-Dnepropetrovsk VNII kukuruzy. 1980: 54 p. [in Russian] (Филев Д. С., Циков В. С., Золотов В. И. и др. Методические рекомендации по проведению полевых опытов с кукурузой. Днепропетровск: ВНИИ кукурузы, 1980. 54 с.).

11. Khadzhinov M1, Ryadchikov VG, Zima K1, Lebedev AB (1975) Issues of selection of high lysine corn. (Voprosy selektsii vysokolizinovoy kukuruzy). In: Vegetable proteins and their biosynthesis — Rastitel'nyye belki i ikh biosintez. Moscow. Nauka: 20-30 [in Russian] (Хаджинов М. И., Рядчиков В. Г., Зима К. И., Лебедев A.B. Вопросы селекции высоколизиновой кукурузы // В кн.: Растительные белки и их биосинтез. М.: Наука. 1975. С. 20-30).

12. Khatefov EB, Appaev SP, Shomakhov BR (2018a) The breeding value of redloid lines isolated from tetraploid maize populations (Selektsionnaya tsennost' rediploidnykh liniy vydelennykh iz tetraploidnykh populyatsiy kukuruzy). Corn and sorghum — Kukuruza i sorgo; 1: 27-35 [in Russian] (Хатефов Э.Б., Аппаев С. П., ШомаховБ. Р. Селекционная ценность редиплоидных линий выделенных из тетраплоидных популяций кукурузы // Кукуруза и сорго. 2018a. № 1. С. 27-35).

13. Khatefov EB, Khachidogov AV, Kagermazov AM, Shomakhov BR, Kushkhova RS. (2018b) Creation and study of the breeding value of restored maize lines from tetraploid populations in the conditions of Kabardino-Balkaria (Sozdaniye i izucheniye selektsionnoy tsennosti vosstanovlennykh liniy kukuruzy iz tetraploidnykh populyatsiy v usloviyakh Kabardino-Balkarii). Innovation and food security-Innovatsii i prodovol'stvennaya bezopasnost'. Novosibirsk; 2(20): 104-116 [in Russian] (Хатефов Э. Б. Хачидогов А. В., Кагермазов А. М., Шомахов Б. Р., Кушхова Р. С. Создание и изучение селекционной ценности восстановленных линий кукурузы из тетраплоидных популяций в условиях Кабардино-Балкарии. Инновации и продовольственная безопасность. Новосибирск, 2018. № 2(20). С. 104-116).

14. Khatefov EB, Shcherbak VS (2012) The copyright certificate № 53859 Corn sugar variety "Baksan sugar" (patent number 6335 from 01.02.2012) (Avtorskoye svidetel'stvo № 53859 Kukuruza sakharnaya sort «Baksanskaya sakharnaya») [in Russian] Хатефов Э.Б., Щербак В. С. Авторское свидетельство № 53859 Кукуруза сахарная сорт «Баксанская сахарная» (патент № 6335 от 01.02.2012).

15. Khatefov EB, Shcherbak VS (2002) Cytogenetic studies of tetraploid maize. (Tsitogeneticheskie issledovaniya tetraploidnoi kukuruzy). Bulletin of KBSU — Vestnik KBGU. A series of biological sciences — Seriya biologicheskiye nauki; 5: 161-169 [in Russian] (Хатефов Э. Б., Щербак В. С. Цитогенетические исследования тетраплоидной кукурузы // Вестник КБГУ. Серия биологические науки. 2002. Вып. 5. С. 161-169).

16. Kukekov VG (1977) The wide unified classifier of the CMEA and the international classifier of the CMEA of the species Zea mays L. (Shirokiy unifitsirovannyy klassifikator SEV i mezhdunarodnyy klassifikator SEV vidov Zea mays L.). Leningrad. VIR1977: 82 p. [in Russian] (Кукеков В. Г. Широкий унифицированный классификатор СЭВ и международный классификатор СЭВ видов Zea mays L. Л.: ВИР, 1977. 82 с.).

17. Lebedev AB, Zima VG, Filipas TE (1979) Amino acid and fractional composition of proteins of endosperm mutants and high-protein maize lines (Aminokislotnyy i fraktsionnyy sostav belkov endospermovykh mutantov i vysokobelkovykh liniy kukuruzy). Collection of scientific works — Sbornik. nauchnyh trudov Krasnodar. KNIISKH; 19: 34-43 [in Russian] (Лебедев A. B., Зима В. Г., Филипас Т. Е. Аминокислотный и фракционный состав белков эндоспермовых мутантов и высокобелковых линий кукурузы // Сб. науч. тр. Краснодар: КНИИСХ, 1979. Вып. 19. С. 34-43).

18. Miku VE (1981) Genetic studies of corn (Geneticheskiye issledovaniya kukuruzy). Chisinau. Shtiintsa: 231 p. [in Russian] (Мику В. Е. Генетические исследования кукурузы. Кишинев: Штиинца, 1981. 231 с.).

19. Palii AF (1989) Genetic aspects of improving the quality of corn grain. (Geneticheskiye aspekty uluchsheniya kachestva zerna kukuruzy). Chisinau: Shtiintsa: 174 p. [in Russian] (Палий А. Ф. Генетические аспекты улучшения качества зерна кукурузы. Кишинев: Штиинца, 1989. 174 c.).

20. Shmaraev GE, Matveeva GV(1985) Methodical guidelines for studying and maintaining accessions of the corn collection (Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i podderzhaniyu obraztsov kollektsii kukuruzy). Leningrad, VIR: 50 p. [in Russian] (Шмараев Г.Е., Матвеева Г. В. Методические указания по изучению и поддержанию образцов коллекции кукурузы. Л.: ВИР, 1985. 50 с.).

21. Pausheva ZP (1970) Workshop on cytology (Praktikum po tsitologii). Moscow. Kolos: 255 p. [in Russian] (Паушева З. П. Практикум по цитологии. М.: Колос, 1970. 255 с.).

22. Pavlov NP (1968) The accumulation of protein in the grain of wheat and corn. (Nakopleniye belka v zerne pshenitsy i kukuruzy). Moscow: 136 p. [in Russian] (Павлов Н. П. Накопление белка в зерне пшеницы и кукурузы. М., 1968. 136 с.).

23. Shelenga TV, Solovyova AE, ShevardAL, KonarevAV(2014) The study of the metabolom of crops of the VIR collection (Issledovaniye metaboloma kul'tur kollektsii VIR im. N. I. Vavilova.). Plant genetic resources are the basis of food security and improving the quality of life. Abstracts of the international scientific conference dedicated to the 120th anniversary of VIR- «Geneticheskiye resursy rasteniy — osnova prodovol'stvennoy bezopasnosti i povysheniya kachestva zhizni». Tezisy dokladov mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii, posvyashchennoy 120- letiyu VIR: 98 p. [in Russian] (Шеленга Т.В., Соловьева А. Е, ШевардаА. Л., Конарев А.В. Исследование метаболома культур коллекции ВИР им. Н. И. Вавилова // В кн.: Генетические ресурсы растений — основа продовольственной безопасности и повышения качества жизни. Тезисы докладов международной научной конференции, посвященной 120-летию ВИР. СПб.: ВИР, 2014. С. 98).

24. Shpaar D (2008) Cereals (Cultivation, cleaning, refinement and use) (Zernovyye kul'tury (Vyrashchivaniye, uborka, dorabotka i ispol'zovaniye). Moscow. Publishing House LLC DLV AGRODELO. M.: ID OOO «DLV AGRODELO: 656 p. [in Russian] (Шпаар Д. и др. Зерновые культуры (Выращивание, уборка, доработка и использование). М.: ИД ООО «DLV АГРОДЕЛО», 2008. 656 с.).

25. Smolikova GN, Shavarda AL, Alekseychuk IV, Chantseva VV, Medvedev SS (2015) Metabolomic approach to the assessment of varietal specificity of seeds of Brassica napus L. (Metabolomnyy podkhod k otsenke sortovoy spetsifichnosti semyan Brassica napus L.). Vavilov Journal of Genetics and Breeding; 19(1): 121-127 [in Russian] (Смоликова Г.Н., Шаварда А. Л., АлексейчукИ. В., Чанцева В. В., Медведев С. С. Mетаболомный подход к оценке сортовой специфичности семян Brassica napus L. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015. Т. 19, № 1. С. 121-127).

26. Sokolov BP et al. (1975) Methodical guidelines for the production of hybrid and varietal seeds of corn (Metodicheskiye ukazaniya po proizvodstvu gibridnykh i sortovykh semyan kukuruzy). All¬Union Scientific Research Institute of Corn-Vsesoyuz. nauch.- issled. in-t kukuruzy. Moscow, Selkhozgiz: 206 p. [in Russian] (Методические указания по производству гибридных и сортовых семян кукурузы / соавт.: Б. П. Соколов и др.; ВНИИ кукурузы. М.: Сельхозгиз, 1975. 206 с).

27. Sotchenko VS, Novoselov SN (1995) Application of modified recurrent reciprocal selection in selection of sweet corn (Primeneniye modifitsirovannogo rekurrentnogo retsiproknogo otbora v selektsii sakharnoy kukuruzy). Corn and sorghum—Kukuruza i sorgo; 4: 2-5 [in Russian] (Сотченко В. С., Новоселов С. Н. Применение модифицированного рекуррентного реципрокного отбора в селекции сахарной кукурузы // Кукуруза и сорго. 1995. № 4. С. 2-5).

28. Udovenko GV (1988) Diagnostics of plant resistance to stress: a methodological guide (Diagnostika ustoychivosti rasteniy k stressovym vozdeystviyam: metodicheskoye rukovodstvo). L. VIR: 227 p. [in Russian] (Удовенко Г. В. Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям: методическое руководство. Л.: ВИР, 1988. 227 с.).

29. Ugenheimer RU (1979) Corn: improvement of varieties, seed production and use (Uluchsheniye sortov, proizvodstvo semyan, ispol'zovaniye). Moscow, Kolos: 519 p. [in Russian] (Югенхеймер Р. У. Кукуруза: Улучшение сортов, производство семян, использование. М.: Колос, 1979. 519 с.).

30. Wilson CM, Alexander DE (1967) Ribonuclease activity in normal an Opaque-2 mutant endosperm of maize. Science; 155(3769): 1575-1576. DOI: 10.1126/science.155.3769.1575