Возможности использования тетраплоидного межвидового гибрида Hordeum bulbosum L. × Hordeum vulgare L. в получении новых рекомбинантных линий ячменя

Актуальность. Hordeum bulbosum L. – единственный дикорастущий вид рода Hordeum, генофонд которого успешно используется в интрогрессивной гибридизации для расширения генетического разнообразия Hordeum vulgare L. При создании интрогрессивных форм на основе гибридов H. vulgare с H. bulbosum необходимо учитывать плоидность образцов родительских видов, их генетические особенности, определяющие интенсивность процесса элиминации хромосом H. bulbosum в эмбриогенезе. Цель исследования – выявление особенностей, связанных с элиминацией хромосом ячменя луковичного в зародышах, полученных в различных комбинациях скрещиваний с участием тетраплоидного гибрида H. bulbosum с H. vulgare для его эффективного использования при создании интрогрессивных линий ячменя H. vulgare. Материал и методы. Для анализа использовали 9-15-ти дневные зародыши, полученные в скрещиваниях тетраплоидного гибрида F₂ (H. bulbosum А17 (4х) × H. vulgare Borwina (4x)) (HbHbHvHv) с сортами H. vulgare ‘Igri’ (2х) и ‘Borwina’ (2х), с H. bulbosum А17 (4х), а также при самоопылении гибрида. Анализ хромосомного состава проводили на давленых препаратах разновозрастных зародышей методом геномной in situ гибридизации (GISH). Результаты. При самоопылении гибрида среди 11-15-ти дневных зародышей из числа изученных примерно половина – миксоплоидные, у остальных преобладают клетки, содержащие только геномный материал H. vulgare. При скрещивании гибрида с сортами ячменя ‘Igri’ (2х) и ‘Borwina’ (2х) процесс элиминации интенсивен, к 10-11-му дням после опыления во всех зародышах преобладают клетки, содержащие только геномный материал H. vulgare независимо от направления скрещивания и используемого сорта. В скрещиваниях тетраплоидного гибрида с H. bulbosum А17 (4х) получаются гибридные зародыши со стабильным хромосомным составом. Во всех вариантах скрещиваний выявлены зародыши с рекомбинантными хромосомами H. vulgare, несущие чужеродный генетический материал ячменя луковичного. Заключение. Для массового получения интрогрессивных линий культурного ячменя различных сортов на основе частично фертильного гибрида F₂ (H. bulbosum А17 (4х) × H. vulgare ‘Borwina’ (4x)) (HbHbHvHv) наиболее эффективным является скрещивание с сортами H. vulgare (2x). В потомстве от таких скрещиваний будут только растения культурного ячменя, среди которых можно выявить формы с интрогрессией H. bulbosum и уже в первом поколении от их самоопыления отобрать линии H. vulgare, несущие генетический материал ячменя луковичного в обоих гомологах.

1. Bothmer R. von, Jacobsen N., Baden C., Jørgensen R.B., Linde-Laursen I. An ecogeographical study of genus Hordeum. Rome: IPGR; 1991.

2. Devaux P. The Hordeum bulbosum (L.) method. In: M. Maluszynski, K.J. Kasha, B.P. Forster, I. Szarejko (eds.). Doubled haploid production in crop plants. Dordrecht: Springer; 2003. p.15-19. DOI: 10.1007/978-94-017-1293-4_3

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

4. Gilpin M.J., Pickering R.A., Fautrier A.G., McNeil D.L., Szigat G., Hill A.M., Kynast R.G. Morphological and molecular analysis of androgenetic, selfed and backcrossed plants produced from a Hordeum vulgare × H. bulbosum hybrid. Plant Breeding. 1997;116(6):505-510. DOI: 10.1111/j.1439-0523.1997.tb02181.x

5. Habekuß A., Schliephake E., Ehrig F. Hordeum bulbosum – a source for BYDV resistance. In: J. Spunar, J. Janicova (eds.) Proceedings of the 9th international barley genetics symposium; 2004 June 20-26; Brno, Czech Republic. Brno: Agricultural Research Institute Kromeriz; 2004. p.787-791.

6. Ho K.M., Kasha K.J. Genetic control of chromosome elimination during haploid formation in barley. Genetics. 1975;51(2):263-275. DOI: 10.1093/genetics/81.2.263

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. Johnston P.A., Niks R.E., Meiyalaghan V., Blanchet E., Pickering R. Rph22: mapping of a novel leaf rust resistance gene introgressed from the non-host Hordeum bulbosum L. into cultivated barley (Hordeum vulgare L.) Theoretical and Applied Genetics. 2013;126:1613-1625. DOI: 10.1007/s00122-013-2078-9

9. Johnston P.A., Timmerman-Vaughan G.M., Farnden K.J.F., Pickering R. Marker development and characterisation of Hordeum bulbosum introgression lines: a resource for barley improvement. Theoretical and Applied Genetics. 2009;118:1429-1437. DOI: 10.1007/s00122-009-0992-7

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

11. Kasha K.J., Kao K.N. High frequency haploid production in barley (Hordeum vulgare L.). Nature. 1970;225(5235):874-876. DOI: 10.1038/225874a0

12. Lange W. Crosses between Hordeum vulgare L. and Hordeum bulbosum L. l. Production, Morphology and meiosis of hybrids, haploids and dihaploids. Euphytica. 1971a;20(1):14-29. DOI: 10.1007/BF00146769

13. Lange W. Crosses between Hordeum vulgare L. and Hordeum bulbosum L. 2. Elimination of Chromosomes in Hybrid Tissues. Euphytica. 1971b;20(2):181-194. DOI: 10.1007/BF00056078

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, [dissertation]. München: Technische Universität München; 1996. [in German]

15. Пендинен Г.И., Чернов В.Е., Шольц М. Характеристика интрогрессивных линий ячменя, полученных на основе межвидового гибрида Hordeum vulgare L. × H. bulbosum L. 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 мейоза 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. Пендинен Г.И., Шольц М., Шрадер О., Хабекус А. Использование ячменя луковичного Hordeum bulbosum L. для расширения генетического разнообразия Hordeum vulgare L. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013;171:123-126.

18. 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 Applied Genetics. 1994;88(3-4):460-464 . DOI: 10.1007/BF00223661

19. Pickering R.A. The production of fertile triploid hybrids from crosses between Hordeum vulgare L. (2n=4x=28) and H. bulbosum L. (2n=2x=14). Hereditas. 1991;114(3):227-236. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1991.tb00329.x

20. Pickering R.A., Klatte S., Butler R.C. Identification of all chromosome arms and their involvement in meiotic homoeologous associations at metaphase I in 2 Hordeum vulgare L. × Hordeum bulbosum L. hybrids. Genome. 2006a;49(1):73-78. DOI: 10.1139/g05-071

21. Pickering R.A., Hudakova S., Houben A., Jouhnson P., Butler R.C. Reduced metaphase I associations 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

22. Pickering R., 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 Applied Genetics. 2000;100(1):27-31. DOI: 10.1007/PL00002904

23. 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. 2006b;125(6):576-579. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2006.01253.x

24. Pidon H., Ruge-Wehling B., Will T., Habekuß A., Wendler N., Oldach K., Maasberg-Prelle A., Korzun V., Stein N. High-resolution mapping of Ryd4Hb, a major resistance gene to barley yellow dwarf virus from Hordeum bulbosum. bioRxiv preprint. 2023. DOI: 10.1101/2023.09.19.558385

25. 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 Applied Genetics. 2021;134(3):823-833. DOI: 10.1007/s00122-020-03733-7

26. 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 Applied Genetics. 2003;107(6):965-971. DOI: 10.1007/s00122-003-1339-4

27. 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 Applied Genetics. 2006;113(5):867-873. DOI: 10.1007/s00122-006-0345-8

28. Schliephake Е., Habekuss A., Scholz M., Ordon F. Barley yellow dwarf virus transmission and feeding behaviour of Rhopalosiphum padi on Hordeum bulbosum clones. Entomologia Exsperimentalis et Applicata. 2013;146(3):347-356. DOI: 10.1111/eea.12033

29. 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

30. 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 Applied Genetics. 2009;119(5):837-849. DOI: 10.1007/s00122-009-1093-3

31. Shtaya M.J.Y., Sillero J.C., Flath K., Pickering R., Rubiales 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

32. Szigat G., Pohler W. Hordeum bulbosum × H. vulgare hybrids and their backcrosses with cultivated barley. Cereal Research Communications. 1982;10(1/2):73-78.

33. 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

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

35. Yu X., Kong H.Y., Meiyalaghan V., Casonato S., Chng S., Jones E.E.,·Butler R.C., Pickering R., Johnston P.A. Genetic mapping of a barley leaf rust resistance gene Rph26 introgressed from Hordeum bulbosum. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131:2567-2580. DOI: 10.1007/s0012 2-018-3173-8

36. Yu X., Casonato S., Jones E., Butler R.C., Johnston P.A., Chng S. Phenotypic characterization of the Hordeum bulbosum derived leaf rust resistance genes Rph22 and Rph26 in barley. Journal of Applied Microbiology. 2022;133:2083-2094. DOI: 10.1111/jam.15710

37. Zhang L, Pickering R, Murray B.G. Direct measurement of recombination frequency in interspecific hybrids between Hordeum vulgare and H. bulbosum, using genomic in situ hybridization. Heredity. 1999;83(3):304-309. DOI: 10.1038/sj.hdy.6885710

38. Zhang L, Pickering R, Murray B.G. Hordeum vulgare × H. bulbosum tetraploid hybrid provides useful agronomic introgression lines for breeders. New Zealand Journal of Crop and Horticulture Science. 2001;29(4):239-246. DOI: 10.1080/01140671.2001.9514185