Генотипирование образцов твердой пшеницы Triticum durum Desf. по локусам генов, определяющих скорость развития и чувствительность к фотопериоду (Vrn, Ppd)

Актуальность. Перспективным направлением селекции твердой пшеницы Triticum durum Desf. является создание скороспелых, не чувствительных к длине дня сортов. Источником генов важных для селекции признаков может служить коллекция генетических ресурсов пшеницы ВИР, потенциал которой по адаптивно ценным признакам мало изучен, а аллельное разнообразие по локусам генов скорости развития неизвестно. Скрининг коллекции с помощью аллель-специфичных молекулярных маркеров генов отзывчивости на яровизацию (Vrn) и чувствительности к фотопериоду (Ppd) актуален. Материал и методы. Выборка для генотипирования по локусам высокой скорости развития растений включала 48 образцов T. durum, охарактеризованных нами ранее по физиологическим свойствам и компонентам продуктивности. В молекулярном скрининге использовали восемь опубликованных в литературных источниках аллель-специфичных ПЦР-маркеров. В вегетационном опыте в условиях естественного и короткого 12-часового дня определяли коэффициент фотопериодической чувствительности. Результаты. С помощью диагностических маркеров у 24 образцов выявлены доминантные аллели Vrn, ассоциированные с яровым типом развития: 23 образца являются носителями аллеля Vrn-A1, определяющего яровой тип развития; у 24 образцов выявлен доминантный аллель Vrn-B1, тогда как аллель Vrn-B3a обнаружен лишь у образца Ambo 7. У 21 образца выявлены доминантные аллели Ppd-A1 и Ppd-B1 генов, определяющих нечувствительность к фотопериоду. В вегетационном опыте по валидации генотипов образцов с идентифицированными генами скороспелости и фотопериодической чувствительности подтверждена слабая реакция на длину дня восьми мексиканских линий с маркерами доминантных аллелей генов Vrn и Ppd. Заключение. По результатам фенотипического анализа и молекулярного генотипирования выделены 24 источника генов скороспелости твердой пшеницы.

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

2. Arjona J.M., Royo C., Dreisigacker S., Ammar K., Villegas D. Effect of Ppd-A1 and Ppd-B1 allelic variants on grain number and thousand kernel weight of durum wheat and their impact on final grain yield. Frontiers in Plant Science. 2018;29:888. DOI: 10.3389/fpls.2018.00888

3. Beales J., Turner А., Griffiths S., Snape J.W., Laurie D.A. А Pseudo-Response Regulator is misexpressed in the photoperiod insensitive Ppd-Dla mutant of wheat Triticum aestivum L. Theoretical and Applied Genetics. 2007;115(5):721-733. DOI: 10.1007/s00122-007-0603-4

4. Cockram J., Jones H., Leigh F.J. O'Sullivan D, Powell W., Laurie D.A., Greenland A.J. Control of flowering time in temperate cereals: genes, domestication, and sustainable productivity. Journal of Experimental Botany. 2007;58:1231-1244. DOI: 10.1093/jxb/erm042

5. Diaz A., Zikhali M., Turner A.S. Isaac P., Laurie D.A. Copy number variation affecting the Photoperiod-B1 and Vernalization-A1 genes is associated with altered flowering time in wheat (Triticum aestivum). PLOS One. 2012;7:e33234. DOI: 10.1371/journal.pone.0033234

6. Distelfeld A., Tranquilli G., Li C., Yan L., Dubcovsky J. Genetic and molecular variation of the VRN2 loci in tetraploid wheat. Plant Physiology. 2009a;149:245-257. DOI: 10.1104/pp.108.129353

7. Distelfeld A., Li C., Dubcovsky J. Regulation of flowering in temperate cereals. Current Opinion in Plant Biology. 2009b;12:178-184. DOI: 10.1016/j.pbi.2008.12.010

8. Distelfeld A., Dubcovsky J. Characterization of the maintained vegetative phase deletions from diploid wheat and their effect on VRN2 and FT transcript levels. Molecular Genetics and Genomics. 2010;283:223-232. DOI: 10.1007/s00438-009-0510-2

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

10. Dragovich A., Fisenko A.V., Yankovskaya A.A. Vernalization (VRN) and photoperiod (PPD) genes in Spring hexaploid wheat landraces. Russian Journal of Genetics. 2021;57(3):329-340. DOI: 10.1134/S1022795421030066

11. Fu D., Szucs Р., Yan L, Helguera М., Skinner J.S., von Zitzewitz J., Hayes P.M., Dubcovsky Ј. Large deletions within the first intron in VRN-1 are associated with spring growth habit in barley and wheat. Molecular Genetics and Genomics. 2005;273(1):54-65. DOI: 10.1007/s00438-004-1095-4

12. Gupta P.K., Varshney R.K., Sharma P.C., Ramesh B. Molecular markers and their applications in wheat breeding. Plant Breeding. 1999;118(5):369-390.

13. Хлесткина Е.К. Молекулярные маркеры в генетических исследованиях и в селекции. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(4/2):1044-1054.

14. Koebner R., Summers R. The impact of molecular markers on the wheat breeding paradigm. Cellular & Molecular Biology Letters. 2002;7(2B):695-702.

15. Konopatskaia I., Vavilova V., Kondratenko E.Y., Blinov A., Goncharov N.P. VRN1 genes variability in tetraploid wheat species with a spring growth habit. BMC Plant Biology. 2016;(S3):93-106. DOI: 10.1186/s12870-016-0924-z

16. Кошкин В.А. Методические подходы диагностики фотопериодической чувствительности и скороспелости растений. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012;170:118-129.

17. Langer S.M., Longin C.F.H., Würschum T. Flowering time control in European winter wheat. Frontiers in Plant Science. 2014;5:537. DOI: 10.3389/fpls.2014.00537

18. Laurie D.A. Comparative genetics of flowering time. Plant Molecular Biology. 1997;35:167-177. DOI: 0.1007/978-94-011-5794-0_16

19. Lewis S., Faricelli M.E., Appendino M.L., Valárik M., Dubcovsky J. The chromosome region including the earliness per se locus Eps-Am1 affects the duration of early developmental phases and spikelet number in diploid wheat. Journal of Experimental Botany. 2008;59(13):3595-3607. DOI: 10.1093/jxb/ern209

20. Mammadov J., Aggarwal R., Buyyarapu R., Kumpatla S. SNP markers and their impact on plant breeding. International Journal of Plant Genomics. 2012:1-11. DOI: 10.1155/2012/728398

21. Mohan M., Nair S., Bhagwat A., Krishna T.G., Yano M., Bhatia C.R., Sasaki T. Genome mapping, molecular markers and marker-assisted selection in crop plants. Molecular Breeding. 1997;3(2):87-103. DOI: 10.1023/A:1009651919792

22. Muterko A.F, Balashova I.A, Fayt V.I, Sivolap Yu.M. Molecular-genetic mechanisms of regulation of growth habit in wheat. Cytology and Genetics. 2015;49(1):71-86. DOI: 10.3103/S0095452715010089

23. Muterko A., Kalendar R., Salina E. Allelic variation at the VERNALIZATION-A1, VRN-B1, VRN-B3, and PHOTOPERIOD-A1 genes in cultivars of Triticum durum Desf. Planta. 2016;244:1253-1263. DOI: 10.1007/s00425-016-2584-5

24. Muterko A, Salina E. Divergence of VRN-B3 alleles during the evolution of domesticated wheat. Molecular Genetics and Genomics. 2018;294(1):263-275. DOI: 10.1007/s00438-018-1506-6

25. Ochagavía H., Prieto P., Zikhali M., Griffiths S., Slafer G.A. Earliness per se by temperature interaction on wheat development. Scientific Reports. 2019;9:2584. DOI: 10.1038/s41598-019-39201-6

26. Pugsley A.T. A genetic analysis of the spring-winter habit of growth in wheat. Australian Journal of Agricultural and Resource. 1971;22(1):21-31. DOI: 10.1071/AR9710021

27. Rana B., Rana P., Manoj K.J., Kumar S. Marker assisted selection: a strategy for wheat improvement. Wheat Information Service WIS. 2009;11:19-30.

28. Randhawa H.S., Asif M., Pozniak C., Clarke J.M., Graf R.J., Fox S.L., Humphreys D.G., Knox R.E., DePauw R.M., Singh A.K., Cuthbert R.D., Hucl P., Spaner D. Application of molecular markers to wheat breeding in Canada. Plant Breeding. 2013;132(5):458-471. DOI: 10.1111/pbr.12057

29. Ригин Б.В., Шрейдер Е.Р., Матвиенко И.И., Андреева А.С., Зуев Е.В. Доноры ультраскороспелости в селекции яровой мягкой пшеницы. Биотехнология и селекция растений. 2022;5(3):5-14. DOI: 10.30901/2658-6266-2022-3-o3

30. Royo C., Dreisigacker S., Soriano J.M., Lopes M.S., Ammar K., Villegas D. Allelic variation at the vernalization response (Vrn-1) and photoperiod sensitivity (Ppd-1) genes and their association with the development of durum wheat landraces and modern cultivars. Frontiers in Plant Science. 2020;11:838. DOI: 10.3389/fpls.2020.00838

31. Seki М., Chono М., Matsunaka Н., Fujita М., Oda S, Kubo К., Kiribuchi-Otobe С., Kojima Н, Nishida Н, Kato К. Distribution of photoperiod-insensitive alleles Ppd-B1a and Ppd-D1a and their effect on heading time in Japanese wheat cultivars. Breeding Science. 2011;61(4):405-412. DOI: 10.1270/jsbbs.61.405

32. Shaw L.M., Turner A.S., Laurie D.A. The impact of photoperiod insensitive Ppd-1a mutations on the photoperiod pathway across the three genomes of hexaploid wheat (Triticum aestivum). Plant Journal. 2012;71(1):71-84. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2012.04971.x.

33. Shimada S., Ogawa T., Kitagawa S., Suzuki T., Ikari C., Shitsukawa N., Abe T., Kawahigashi H., Kikuchi R., Handa H., Murai K. A genetic network of flowering-time genes in wheat leaves, in which an APETALA1/FRUITFULL-like gene, VRN1, is upstream of FLOWERING LOCUS T. Plant Journal. 2009;58(4):668-681. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2009.03806.x

34. Stelmakh A.F. Genetic systems regulating flowering response in wheat. Euphytica. 1998;100:359-369. DOI: 10.1023/A:1018374116006

35. Takenaka S., Kawahara Т. Evolution and dispersal of emmer wheat (Triticum sp.) from novel haplotypes of Ppd-1 (photoperiod response) genes and their surrounding DNA sequences. Theoretical and Applied Genetics. 2012;125(5):999-1014. DOI: 10.1007/s00122-012-1890-y

36. Trevaskis B., Hemming M.N., Dennis E.S., Peacock W.J. The molecular basis of vernalization-induced flowering in cereals. Trends in Plant Science. 2007;12(8):352-357. DOI: 10.1016/j.tplants.2007.06.010

37. Turner A., Beales J., Faure S. Dunford R.P., Laurie D.A. The pseudo response regulator Ppd-H1 provides adaptation to photoperiod in barley. Science. 2005;310:1031-1033. DOI: 10.1126/science.1117619

38. Turner A.S., Faure S., Zhang Y., Laurie D.A. The effect of day neutral mutations in barley and wheat on the interaction between photoperiod and vernalization. Theoretical and Applied Genetics. 2013;126:2267-2277. DOI: 10.1007/s00122-013-2133-6

39. Wilhelm E.P., Turner A.S., Laurie D.A. Photoperiod insensitive Ppd-A1a mutations in tetraploid wheat (Triticum durum Desf.). Theoretical and Applied Genetics. 2009;118(2):285-294. DOI: 10.1007/s00122-008-0898-9

40. Worland A.J. The influence of flowering time genes on environmental adaptability in European wheats. Euphytica. 1996;89:49-57. DOI: 10.1007/BF00015718

41. Worland A.J., Börner A., Korzun V., Li M.W., Petrovíc S., Sayers E.J. The influence of photoperiod genes on the adaptability of European winter wheat. Euphytica. 1998;100:385-394. DOI: 10.1023/A:1018327700985

42. Yan L., Loukoianov A., Tranquilli G., Helguera M., Fahima T., Dubcovsky J. Positional cloning of the wheat vernalization gene VRN1. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2003;100(10):6263-6268. DOI: 10.1073/pnas.0937399100

43. Yan L., Helguera М., Kato К., Fukuyama S., Sherman J., Dubcovsky Ј. Allelic variation at the VRN1 promoter region in polyploid wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2004a;109(8):1677-1686. DOI: 10.1007/s00122-004-1796-4

44. Yan L., Loukoianov A., Blechl A., Tranquilli G., Ramakrishna W., SanMiguel P., Bennetzen J., Echenique V., Dubcovsky J. The wheat VRN2 gene is a flowering repressor down-regulated by vernalization. Science. 2004b;303(5664):1640-1644. DOI: 10.1126/science.1094305

45. Yan L., Fu D., Li C., Blechl A., Tranquilli G., Bonafede M., Sanchez A., Valarik M., Yasuda S., Dubcovsky J. The wheat and barley vernalization gene VRN3 is an orthologue of FT. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006;103(51):19581-19586. DOI: 10.1073/pnas.0607142103