Спаривание гомеологичных хромосом в метафазе I мейоза у триплоидных гибридов Hordeum vulgare L. × H. Bulbosum L. (HvHbHb)

Актуальность. В скрещиванияx H. vulgare L.(2x) × H.bulbosum L.(2x) и H. vulgare(4x) × H. bulbosum(4x), при соотношении геномов в гибридном зародыше 1Hv : 1Hb, во многих случаях наблюдается элиминация хромосом ячменя луковичного. Это ограничивает возможности для привлечения в скрещивание значительного разнообразия родительских форм. При гибридизации диплоидных сортов H. vulgare с тетраплоидными образцами H. bulbosum (4x) результатом являются стабильные по хромосомному составу триплоидные гибриды (HvHbHb). На их основе могут быть получены интрогрессивные линии культурного ячменя. Целью нашего исследования было установить, с использованием GISH и FISH c хромосомоспецифичными маркерами, осуществляется ли гомеологичное спаривание хромосом родительских видов в метафазе I (МI) мейоза у триплоидных гибридов (HvHbHb) и каково участие в нем отдельных плеч хромосом культурного ячменя.

Материал и методы. В исследовании использовали семь триплоидных гибридов H. vulgare × H. bulbosum (HvHbHb), полученных в четырех комбинациях скрещиваний с участием трех диплоидных сортов культурного ячменя и двух тетраплоидных образцов ячменя луковичного. Особенности гомеологичного спаривания хромосом в МI изучали с использование метода флюоресцентной in situ гибридизации (GISH и FISH c хромосомоспецифичными маркерами).

Результаты. Для всех изученных гибридных растений характерен стабильный хромосомный состав в материнских клетках пыльцы (МКП) на стадии MI мейоза. Были выявлены мейотические конфигурации, образованные гомеологичными хромосомами родительских видов в количестве от 0,87 до 1,40 в среднем на клетку. Среди них преобладали vbb триваленты. Анализ спаривания в МI мейоза у триплоидных гибридов выявил участие в образовании гомеологичных Hv-Hb ассоциаций всех хромосомных плеч H. vulgare, кроме короткого плеча хромосомы 1H. У всех изученных триплоидных гибридов наблюдается тенденция к более высокой вовлеченности в гомеологичные ассоциации длинных плеч хромосом, эта особенность наиболее четко проявляется для хромосомы 5Н.

Выводы. В МI мейоза у триплоидных гибридов H. vulgare × H. bulbosum (HvHbHb) выявлены межгеномные ассоциации с участием всех плеч хромосом H. vulgare, кроме короткого плеча хромосомы 1H. Для хромосомы 5Н, как и для других хромосом культурного ячменя, характерно более частое вовлечение в гомеологичные ассоциации Hv-Hb длинных плеч хромосом по сравнению с короткими.

1. Bothmer R., Jacobsen N. Origin, taxonomy and related species. In: D. Rasmussen (ed.). Barley. Wisconsin; 1985. p.19-56.

2. Bothmer R., Jacobsen N., Baden C., Jørgensen, Linde-Laursen I. An ecogeographical study of genus Hordeum. Rome: IPGR; 1991. p.127.

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

4. de Bustos, A., Cuadrado A., Soler, C., Jouve N. Physical mapping of repetitive DNA sequences and 5S and 18S–26S rDNA in five wild species of the genus Hordeum. Chromosome Research. 1996;4:491-499. DOI: 10.1007/BF02261776

5. Devaux P. The Hordeum bulbosum (L.) method. In: M. Maluszynski et al. (eds.). Doubled haploid production in crop. 2003. p.15-19. Available from: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-017-1293-4_3 [accessed Nov. 23, 2020].

6. 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

7. Fukui K., Kakeda K. Quantitative karyotyping of barley chromosomes by image analysis methods. Genome. 1990;33:450-458. DOI: 10.1139/g90-067

8. Gottlob-McHugh S., Lvesque 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;33:486-494. DOI: 10.1139/g90-072

9. 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

10. Ho K.M., Kasha K.J. Genetic Control of Chromosome Elimination during Haploid Formation in Barley. Genetics. 1975;81(2):263-275.

11. 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

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

13. Künzel G., Korzun L., Meister A.. Cytologically integrated physical restriction fragment length polymorphism maps for the barley genome based on translocation breakpoints. Genetics. 2000;154:397-412. http://www.genetics.org/cgi/content/full/154/1/397/DC1/

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

15. 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

16. Leitch A.R., Schwarzacher T., Jackson D., Leitch I.J. In situ hybridization: а practical guide. Royal Microscopical Society, Microscopy Handbooks. 27. BIOS Scientific Publishers: Oxford.; 1994.

17. Linde-Laursen I., Bothmer R. von, Jacobsen N. Relationship in the genus Hordeum: Giemsa C-banded karyotypes. Hereditas. 1992;116:111-116. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1992.tb00213.x

18. 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, Technische Universität München; 1996. [in German]

19. Pendinen G.I., Chernov V.E., Scholz M. Biological characterization of introgressive barley lines obtained on the basis of the interspecific hybrid Hordeum vulgare L. × H. bulbosum L. (HvHbHb). Plant Biotechnology and Breeding. 2018;1(1):16-24. [in Russian] (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

20. 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.

21. Pickering R.A., Hudakova S., Houben A., Johnston P.A., 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;109:911-916. DOI: 10.1007/s00122-004-1725-6

22. 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;124:416-418. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2005.01122.x

23. 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;49:73-78. DOI: 10.1139/G05-071

24. 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 Applied Genetics. 2000;100(1):27-31. DOI: 10.1007/PL00002904

25. 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;125:576-579. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2006.01253.x

26. 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

27. 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;107:965-971. DOI: 10.1007/s00122-003-1339-4

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

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. Cytogenetics 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;119:837-849. DOI: 10.1007/s00122-009-1093-3

31. 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: 259-267. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2007.01328.x

32. Singh R.J., Tsuchiya T. Identification and designation of telocentric chromosomes in barley by means of Giemsa N-banding technique. Theoretical and Applied Genetics 1982;64:13-24. DOI: 10.1007/BF00303644

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

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