Создание дигаплоидных линий кукурузы Zea mays L. методом ресинтеза из тетраплоидной популяции

Поиск новых, эффективных методов расширения генетического полиморфизма исходного селекционного материала остается одной из важных проблем селекции гибридной кукурузы. Мировая селекция коммерческих сортов и гибридов Zea mays L. ведется на диплоидных генотипах, тогда как тетраплоидные источники исходного материала кукурузы и её дикие сородичи слабо вовлекаются в селекционный процесс. Прямые гетероплоидные скрещивания между диплоидными и тетраплоидными генотипами приводят к формированию слабо фертильных либо полностью стерильных триплоидных гибридов, которые цитологически нестабильны в последующих репродукциях. Тетраплоидная кукуруза (2n=40), как и ее некоторые дикие сородичи с тетраплоидным геномом Zea perennis Hitchk. (2n=40) и Tripsacum dactiloides (L.) L. (2n=72), привлекательны для селекционеров как источники для улучшения хозяйственно ценных признаков. Привлекательность ресинтезированных диплоидных линий объясняется тем, что у тетраплоидов в результате неравного кроссинговера между гомологичными хромосомами, образующими поливалентные ассоциации хромосом, накапливается больше хромосомных перестроек, чем у диплоидных генотипов, хромосомы у которых образуют биваленты. Тетраплоидные синтетические популяции кукурузы и её тетраплоидные дикие сородичи обладают большим потенциалом изменчивости для улучшения диплоидной кукурузы. Авторами предложен прямой метод ресинтеза дигаплоидных линий с помощью гаплоиндукции и косвенный метод получения диплоидных линий путём гетероплоидного скрещивания и последующего расщепления гибридного потомства триплоидного гибрида. Метод ресинтеза диплоидного генома кукурузы из тетраплоидного служит идеальной моделью для изучения процессов кроссинговера между гомологичными хромосомами при их мультивалентных ассоциациях в мейозе; он перспективен для получения диплоидных линий с повышенной частотой рекомбинации между гомологичными хромосомами разных геномов, объединенных в один общий, а также может служить источником получения серии анеуплоидов.

1. Bennett M.D., Leitch I.J. Plant DNA C-values database (release 2.0, Jan. 2003). Available from: www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html [accessed Jan. 10, 2023].

2. De Storme N., Mason A. Plant speciation through chromosome instability and ploidy change: Cellular mechanisms, molecular factors and evolutionary relevance. Current Plant Biology. 2014;1:10-33. DOI: 10.1016/j.cpb.2014.09.002

3. Deimling S., Röber F., Geiger H.H. Methodik und Genetik der in-vivo-Haploideninduktion bei Mais. Vorträge für Pflanzenzüchtung. 1997;38:203-204. [in German]

4. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO): [website]. URL: https://www.fao.org [accessed Jan. 10, 2023].

5. Kellogg E.A., Bennetzen J.L. The evolution of nuclear genome structure in seed plants. American Journal of Botany. 2004;91(10):1709-1725. DOI: jstor.org/stable/4123862

6. Хаджинов М.И., Чумак М.В. Создание новых маркеров для выделения гаплоидов кукурузы. В кн.: Апомиксис и цитоэмбриология растений. Саратов: Изд-во Саратовского университета; 1978. Вып. 4. С.117-118.

7. Хатефов Э.Б. Семенная продуктивность тетраплоидной кукурузы и пути ее повышения в условиях Кабардино-Балкарии: дис. ... д-ра биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

8. Хатефов Э.Б. Метод создания редиплоидных линий из тетраплоидных популяций кукурузы. В кн.: Идеи Н.И. Вавилова в современном мире: Тезисы докладов IV Вавиловской международной конференции; 20-24 ноября 2017 г.; Санкт-Петербург, Россия. Санкт-Петербург: ВИР; 2017. С.326-327.

9. Хатефов Э.Б., Асадова Г.М. Создание дигаплоидных линий кукурузы: методические указания / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2020. DOI: 10.30901/978-5-907145-56-6

10. Хатефов Э.Б., Шацкая О.А. Применение гаплоиндукторов в гетероплоидных скрещиваниях для расширения разнообразия генетической основы кукурузы. В кн.: Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: Материалы II Вавиловской международной конференции; 26-30 ноября 2007; Санкт-Петербург, Россия. Санкт-Петербург: ВИР; 2007. С.367-369.

11. Хатефов Э.Б., Шомахов Б.Р., Кушхова Р.С., Кудаев Р.А., Хаширова З.Т., Гяургиев А.Х. Характеристика редиплоидных линий кукурузы селекции ВИР по комбинационной способности и реакции на ЦМС. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(4):15-23. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-4-o2

12. Lin B.-Y. Ploidy barrier to endosperm development in maize. Genetics. 1984;107(1):103-115. DOI: 10.1093/genetics/107.1.103

13. Минсельхоз РФ. ФГБУ «Центр агроаналитики». Дайджест ключевых публикаций в СМИ. 2020. Вып. 14. URL: https://specagro.ru/sites/default/files/2020-09/daydzhest-zernovye_no14.pdf [дата обращения 10.01.2023]

14. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. Москва: Агропромиздат;1988.

15. Panchy N., Lehti-Shiu M., Shiu S.H. Evolution of gene duplication in plants. Plant Physiology. 2016;171(4):2294-2316. DOI: 10.1104/pp.16.00523

16. Щербак B.C. Расширение генетической основы исходного материала в селекции кукурузы. Селекция кукурузы: сборник научных трудов КНИИСХ. 1984;27:104-117.

17. Щербак В.С., Хатефов Э.Б. Изучение плодовитости тетраплоидной кукурузы. В кн.: Сборник научных трудов, посвященный 100-летию В.А. Невинных. Краснодар; 2000. С.180-186.

18. Schnable P.S., Ware D., Fulton R.S., Stein J.C., Wei F., Pasternak S., Liang C., Zhang J., Fulton L., Graves T.A., Minx P., Reily A.D., Courtney L., Kruchowski S.S., Tomlinson C., Strong C., Delehaunty K., Fronick C., Courtney B., Rock S.M., Belter E., Du F., Kim K., Abbott R.M., Cotton M., Levy A., Marchetto P., Ochoa K., Jackson S..M, Gillam B., Chen W., Yan L., Higginbotham J., Cardenas M., Waligorski J., Applebaum E., Phelps L., Falcone J., Kanchi K., Thane T., Scimone A., Thane N., Henke J., Wang T., Ruppert J., Shah N., Rotter K., Hodges J., Ingenthron E., Cordes M., Kohlberg S., Sgro J., Delgado B., Mead K., Chinwalla ., Leonard S., Crouse K., Collura K., Kudrna D., Currie J., He R., Angelova A., Rajasekar S., Mueller T., Lomeli R., Scara G., Ko A., Delaney K., Wissotski M., Lopez G., Campos D., Braidotti M., Ashley E., Golser W., Kim H., Lee S., Lin J., Dujmic Z., Kim W., Talag J., Zuccolo A., Fan C., Sebastian A., Kramer M., Spiegel L., Nascimento L., Zutavern T., Miller B., Ambroise C., Muller S., Spooner W., Narechania A., Ren L., Wei S., Kumari S., Faga B., Levy M.J., McMahan L., Van Buren P., Vaughn M.W., Ying K., Yeh C.T., Emrich S.J., Jia Y., Kalyanaraman A., Hsia A.P., Barbazuk W.B., Baucom R.S., Brutnell T.P., Carpita N.C., Chaparro C., Chia J.M., Deragon J.M., Estill J.C., Fu Y., Jeddeloh J.A., Han Y., Lee H, Li P., Lisch D.R., Liu S., Liu Z., Nagel D.H., McCann M.C., SanMiguel P., Myers A.M., Nettleton D., Nguyen J., Penning B.W., Ponnala L., Schneider K.L., Schwartz D.C., Sharma A., Soderlund C., Springer N.M., Sun Q., Wang H., Waterman M., Westerman R., Wolfgruber T.K., Yang L., Yu Y., Zhang L., Zhou S., Zhu Q., Bennetzen J.L., Dawe R.K., Jiang J., Jiang N., Presting G.G., Wessler S.R., Aluru S., Martienssen R.A., Clifton S.W., McCombie W.R., Wing R.A., Wilson R.K.. The B73 maize genome: complexity, diversity, and dynamics. Science. 2009;326(5956):1112-1115. DOI: 10.1126/science.1178534

19. te Beest M., Le Roux J.J., Richardson D.M., Brysting A.K., Suda J., Kubesová M., Pysek P. The more the better? The role of polyploidy in facilitating plant invasions. Annals of Botany. 2012;109(1):19-45. DOI: 10.1093/aob/mcr277

20. Troyer A.F. Background of U.S. hybrid corn. Crop Science. 1999;39:601-626. DOI: 10.2135/cropsci1999.0011183X003900020001xa

21. Yao H., Srivastava S., Swyers N., Han F., Doerge R.W., Birchler J.A. Inbreeding depression in genotypically matched diploid and tetraploid maize. Frontiers in Genetics. 2020;11:564928. DOI: 10.3389/fgene.2020.564928