1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 59, № 10, 2023

Генетика, 2023, T. 59, № 10, стр. 1112-1119

Генетический ресурс пырея Thinopyrum elongatum (Host) D.R. Dewey в селекционном улучшении пшеницы

Т. В. Коростылева 1, *, А. Н. Шиян 1, Т. И. Одинцова 1

1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
119991 Москва, Россия

* E-mail: tatkor@vigg.ru

Поступила в редакцию 31.03.2023
После доработки 11.05.2023
Принята к публикации 16.05.2023

Аннотация

Thinopyrum elongatum (Host) D.R. Dewey является ценным генетическим ресурсом, используемым в целях улучшения пшеницы методами геномной инженерии и современными генетическими технологиями, как носитель генома Е, базового для рода Thinopyrum. Его представители успешно используются в отдаленной гибридизации и создании интрогрессивных линий для переноса генов хозяйственно ценных признаков в новые сорта пшеницы. В настоящем обзоре представлены основные генетически охарактеризованные признаки Th. elongatum, перенесенные или желательные для переноса в геном пшеницы: устойчивость к фузариозу, септориозу, к ржавчинным болезням, устойчивость к абиотическим факторам − переувлажнению, засолению почв, к низким температурам, а также гены, влияющие на качество хлебопекарной продукции. Рассмотрены последние результаты в области изучения генома Th. elongatum методами геномного и транскриптомного секвенирования.

Ключевые слова: Thinopyrum elongatum, устойчивость к фузариозу, устойчивость к ржавчинным болезням, устойчивость к септориозу, интрогрессивные линии, Lr-гены, геном, транскриптом.

Список литературы

  1. Fu Y.B., Peterson G.W., Horbach C. et al. Elevated mutation and selection in wild emmer wheat in response to 28 years of global warming // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2019. V. 116(40). P. 20002–20008. https://doi.org/10.1073/pnas.1909564116

  2. Hoffmann A.A., Sgrò C.M. Climate change and evolutionary adaptation // Nature. 2011. V. 470(7335). P. 479–485. https://doi.org/10.1038/nature09670

  3. Dempewolf H., Eastwood R.J., Guarino L. et al. Adapting agriculture to climate change: A global initiative to collect, conserve and use crop wild relatives // Agroecol. Sust. Food. 2014. V. 38. P. 369–377. https://doi.org/10.1080/21683565.2013.870629

  4. Ud Dowla M.A.N., Edwards I., O’Hara G. et al. Developing wheat for improved yield and adaptation under a changing climate: optimization of a few key genes // Engineering. 2018. V. 4. Is. 4. P. 514–522. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.06.005

  5. Cui L., Ren Y., Murra T.D. et al. Development of perennial wheat through hybridization between wheat and wheatgrasses: a review // Engineering. 2018. V. 4. Is. 4. P. 507–513. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.003

  6. Крупин П.Ю., Дивашук М.Г., Карлов Г.И. Использование генетического потенциала многолетних дикорастущих злаков в селекционном улучшении пшеницы // С.-хоз. биология, 2019. Т. 54. № 3. С. 409–425. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2019.3.409rus

  7. Потоцкая И.В., Шаманин В.П., Айдаров А.Н., Моргунов А.И. Использование пырея среднего (Thinopyrum intermedium) в селекции // Вавиловский журн. генет. и селекции. 2022. Т. 26(5) С. 413–421. https://doi.org/10.18699/VJGB-22-51

  8. Baum B.R., Johnson D.A. Lophopyrum Á. Löve (1980), Thinopyrum Á. Löve (1980), Trichopyrum Á. Löve (1986): One, two or three genera? A study based on the nuclear 5S DNA // Genet. Resources and Crop Evol. 2018. V. 65. P. 161–186. https://doi.org/10.1007/s10722-017-0519-z

  9. Huang W., Zhang L., Columbus J.T., Hu Y. et al. A well-supported nuclear phylogeny of Poaceae and implications for the evolution of C4 photosynthesis // Mol. Plant. 2022. V. 15. Is. 4. P. 755–777. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.01.015

  10. Wang R.R.-C. Genome relationships in the perennial Triticeae based on diploid hybrids and beyond // Hereditas. 1992. V. 116. P. 133–136. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1992.tb00812.x

  11. Wang R.R., Larson S.R., Jensen K.B. et al. Genome evolution of intermediate wheatgrass as revealed by EST-SSR markers developed from its three progenitor diploid species // Genome. 2015. V. 58(2). P. 63–70. https://doi.org/10.1139/gen-2014-0186

  12. Liu Z., Li D., Zhang X. Genetic relationships among five basic genomes St, E, A, B and D in triticeae revealed by genomic southern and in situ hybridization // J. Integr. Plant Biol. 2007. V. 4949. P. 1080–1086. https://doi.org/10.1111/j.1672-9072.2007.00462.x

  13. Gaál E., Valárik M., Molnár I. et al. Identification of COS markers for Thinopyrum elongatum chromosomes preliminary revealed high level of macrosyntenic relationship between the wheat and Th. elongatum genomes // PLoS One. 2018. V. 13. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208840

  14. Baker L., Grewal S., Yang C.Y. et al. Exploiting the genome of Thinopyrum elongatum to expand the gene pool of hexaploid wheat // Theor. Appl. Genet. 2020. V. 133(7). P. 2213–2226. https://doi.org/10.1007/s00122-020-03591-3

  15. https://powo.science.kew.org/taxon/urn:lsid:ipni.org:na-mes:942123-1#synonyms

  16. Guo J., Yu X., Yin H., Liu G. et al. Phylogenetic relationships of Thinopyrum and Triticum species revealed by SCoT and CDDP markers // Plant. Syst. Evol. 2016. V. 302. P. 1301–1309. https://doi.org/10.1007/s00606-016-1332-4

  17. Mao P., Huang Y., Wang X., Meng L. et al. Cytological evaluation and karyotype analysis in plant germplasms of Elytrigia Desv. // Agr. Sci. China. 2010. V. 9. P. 553–560. https://doi.org/10.1016/S1671-2927(09)60251-0

  18. Chen S., Huang Z., Dai Y. et al. The development of 7E chromosome-specific molecular markers for Thinopyrum elongatum based on SLAF-seq technology // PLoS One. 2013. V. 8(6). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065122

  19. https://www.iucnredlisTh.org/species/21343347/2141-3455#taxonomy

  20. Shepherd K.W., Islamic A.K.M.R. Fourth compendium of wheat-alien chromosome lines // Proc. of the 7th Int. Genetic Symp. Bath: Bath Press, 1988. P. 1373–1398.

  21. Li X., Jiang X., Chen X. et al. Molecular cytogenetic identification of a novel wheat-Agropyron elongatum chromosomes translocation line with powdery mildew resistance // PLoS One. 2017. V. 12(9). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184462

  22. http://www.agroatlas.ru/ru/content/related/Elytrigia_el-ongata/

  23. Linc G., Sepsi A., Molnár-Láng M. A FISH karyotype to study chromosome polymorphisms for the Elytrigia elongata E genome // Cytogenet. Genome Res. 2012. V. 136(2). P. 138–144. https://doi.org/10.1159/000334835

  24. Kruppa K., Molnár-Lang M. Simultaneous visualization of different genomes (J, JSt and St) in a Thinopyrum intermedium × Thinopyrum ponticum synthetic hybrid (Poaceae) and in its parental species by multicolour genomic in situ hybridization (mcGISH) // Comp. Cytogenet. 2016. V. 10. P. 283–293. https://doi.org/10.3897/CompCytogen.v10i2.7305

  25. Arterburn M., Kleinhofs A., Murray T., Jones S. Polymorphic nuclear gene sequences indicate a novel genome donor in the polyploid genus Thinopyrum // Hereditas. 2011. V. 148. P. 8–27. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.2010.02084.x

  26. Chen Q., Conner R.L., Laroche A., Thomas J.B. Genome analysis of Thinopyrum intermedium and Thinopyrum ponticum using genomic in situ hybridization // Genome. 1998. V. 41. P. 580–586.

  27. Brasileiro-Vidal A.C., Cuadrado A., Brammer S.P. et al. Chromosome characterization in Thinopyrum ponticum (Triticeae, Poacea) using in situ hybridization with different DNA sequences // Genet. Mol. Biol. 2003. V. 26. P. 505–510. https://doi.org/10.1590/S1415-47572003000400014

  28. Zhang X., Dong Y., Wang R.R.C. Characterisation of genomes and chromosomes in partial amphiploids of the hybrid Triticum aestivum × Thinopyrum ponticum by in situ hybridization, isozyme analysis, and RAPD // Genome. 1996. V. 39. P. 1062–1071. https://doi.org/10.1139/g96-133

  29. Friebe B., Jiang J., Raupp W.J. et al. Characterization of wheat-alien translocations conferring resistance to diseases and pests: current status // Euphytica. 1996. V. 91. P. 59–87. https://doi.org/10.1007/BF00035277

  30. Tsitsin N.V. Remote hybridization as a method of creating new species and varieties of plants // Euphytica. 1965. V. 14 (3). P. 326–330.

  31. Лапченко Г.Д. Применение метода отдаленной гибридизации в селекции озимой пшеницы // Селекция и семеноводство. 1967. Т. 2. С. 33–38.

  32. Sandukhadze B.I., Mamedov R.Z., Krakhmalyova M.S., Bugrova V.V. Scientific breeding of winter bread wheat in the Non-Chernozem zone of Russia: The history, methods and result // Vavilov. Zh. Genet. Selektsii. 2021. V. 25(4). P. 367–373. https://doi.org/10.18699/VJ21.53-o

  33. Мартынов С.П., Добротворская Т.В., Крупнов В.А. Генеалогический анализ использования двух видов пырея (Agropyron) в селекции мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) на устойчивость к болезням // Генетика. 2016. Т. 52. № 2. С. 179–188.

  34. Sharma H.C., Gill B.S. New hybrids between Agropyron and wheath. Production, morphology and cytogenetic analysis of F1 hybrids and backcross derivates // Theor. Appl. Genet. 1983. V. 66. № 2. P. 111–121.

  35. Rommel R., Jenkins B.C. Amphiploids in Triticinae produced at the University of Manitoba from March 1958 to December 1959 // Wheat Inf. Service. 1959. V. 9/10. P. 23.

  36. Dvorak J., Knotth D.R. Disomic and ditelosomic additions of diploid Agropyron elongatum chromosome to Triticum aestivum // Canad. J. Genet. and Cytol. 1974. V. 16(2). P. 399–417. https://doi.org/10.1139/g74-043

  37. Lammer D., Cai X., Arterburn M. et al. A single chromosome addition from Thinopyrum elongatum confers a polycarpic, perennial habit to annual wheat // J. Exp. Bot. 2004. V. 55(403). P. 1715–1720. https://doi.org/10.1093/jxb/erh209

  38. Упелниек В.П., Белов В.И., Иванова Л.П. и др. Наследие академика Н.В. Цицина – современное состояние и перспективы использования коллекции промежуточных пшенично-пырейных гибридов // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2012. Т. 16. № 3. С. 667–674.

  39. Щуклина О.А., Завгородний С.В., Аленичева А.Д. и др. Связь элементов структуры колоса с продуктивностью растений образцов × Trititrigia cziczinii Tzvel. // Изв. Тимирязевской с.-хоз. академии. 2022. № 5. С. 57–69. https://doi.org/10.26897/0021-342X-2022-5-57-69

  40. Погост А.А., Лошакова П.О., Клименков Ф.И. и др. Новые яровые пшенично-пырейные гибриды, созданные в отделе отдаленной гибридизации Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН // Междунар. научно-исследов. журн. 2021. № 12. С. 114. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.114.12.024

  41. Белов В.И., Завгородний С.В. Селекционное достижение: Трититригия Памяти Любимовой // Пат. № 11203. Российская Федерация: 22.07.2020. Заявитель и патентообладатель – Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН. Заявл. 14.01.2019. Опубл. 22.07.2020.

  42. Han F.P., Fedak G. Molecular characterization of partial amphiploids from Triticum durum × tetraploid Thinopyrum elongatum as novel source of resistance to wheat Fusarium head blight // Proc. 10th Int. Wheat Genet. Symp. Paestum. 2003. P. 1148–1150.

  43. Miller S.S., Watson E.M., Lazebnik J. et al. Characterization of an alien source of resistance to Fusarium head blight transferred to Chinese spring wheat // Botany. 2011. V. 89. P. 301–311. https://doi.org/10.1139/b11-017

  44. Ceoloni C., Forte P., Kuzmanović L. et al. Cytogenetic mapping of a major locus for resistance to Fusarium headblight and crown rot of wheat on Thinopyrum elongatum 7EL and its pyramiding with valuable genes from a Th. ponticum homoeologous arm onto bread wheat 7DL // Theor. Appl. Genet. 2017. V. 130. P. 2005–2024. https://doi.org/10.1007/s00122-017-2939-8

  45. Konkin D., Hsueh Y.C., Kirzinger M. et al. Genomic sequencing of Thinopyrum elongatum chromosome arm 7EL, carrying fusarium head blight resistance, and characterization of its impact on the transcriptome of the introgressed line CS-7EL // BMC Genomics. 2022. V. 23(1). P. 228. https://doi.org/10.1186/s12864-022-08433-8

  46. Jauhar P.P., Peterson TH.S., Xu S. Cytogenetic and molecular characterization of a durum alien disomic addition line with enhanced tolerance to Fusarium head blight // Genome. 2009. V. 52. P. 467–483. https://doi.org/10.1139/G09-014

  47. Ковалышина А.Н., Дмитренко Ю.М. Источники устойчивости к возбудителю бурой ржавчины и их использование в создании сортов пшеницы мягкой // Plant Varieties Studying and Protection. 2017. Т. 13. № 4. С. 369–386. https://doi.org/10.21498/2518-1017.13.4.2017.117742

  48. Knott D.R. The inheritance of rust resistance. VI. The transfer of stem rust resistance from Agropyron elongatum to common wheat // Can. J. Plant Sci. 1961. V. 41. P. 109–123.

  49. Gough F.J., Merkle O.G. Inheritance of stem and leaf rust resistance in Agent and Agrus cultivars of Triticum aestivum // Phytopathology. 1971. V. 61. P. 1501–1505.

  50. Li Z., Li B., Tong Y. The contribution of distant hybridization with decaploid Agropyron elongatum to wheat improvement in China // J. Genet. Genomics. 2008. V. 35. P. 451–456. https://doi.org/10.1016/S1673-8527(08)60062-4

  51. Гультяева Е.И. Устойчивость российских сортов мягкой пшеницы к бурой ржавчине // 125 лет прикладной ботаники в России. Сб. тезисов. СПб: ФИЦ ВИР им. Н.И. Вавилова, 2019. С. 217–218.

  52. Плотникова Л.Я., Айдосова А.Т., Рыспекова А.Н., Мясников А.Ю. Интрогрессивные линии мягкой пшеницы с генами пырея удлиненного Agropyron elongatum устойчивые к листовым болезням на юге Западной Сибири // Вестник Омского ГАУ. 2014. № 4(16). С. 3–7.

  53. Сагендыкова А.Т. Создание селекционного материала яровой мягкой пшеницы устойчивого к болезням и абиотическим факторам среды на основе Agropyron elongatum: Автореф. дисс. … канд. с.-хоз. наук. Тюмень: Гос. аграр. ун-т Сев. Зауралья, 2021. 18 с.

  54. Плотникова Л.Я., Сагендыкова А.Т., Бережкова Г.А. Перспективные интрогрессивные линии яровой пшеницы с генами Agropyron elongatum устойчивые к септориозу в Западной Сибири // Вестник Казанского ГАУ. 2017. № 3(45). С. 39–45.

  55. Taeb M., Koebner R.M., Forster B.P. Genetic variation for waterlogging tolerance in the Triticeae and the chromosomal location of genes conferring waterlogging tolerance in Thinopyrum elongatum // Genome. 1993. V. 36(5). P. 825–30. https://doi.org/10.1139/g93-110

  56. Omielan J.A., Epstein E., Dvořák J. Salt tolerance and ionic relations of wheat as affected by individual chromosomes of salt-tolerant Lophopyrum elongatum // Genome. 1991. V. 34. P. 961–974.

  57. Размахнин Е.П., Размахнина Т.М., Козлов В.Е. и др. Получение высокоморозостойких форм пшенично-пырейных гибридов // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2012. Т. 16. № 1. С. 240–249.

  58. Subedi M., Ghimire B., Bagwell J.W. et al. Wheat end-use quality: State of art, genetics, genomics-assisted improvement, future challenges, and opportunities // Front. Genet. 2023. V. 13. https://doi.org/10.3389/fgene.2022.1032601

  59. Maruyama-Funatsuki W., Takata K., Funatsuki H. et al. Identification and characterization of a novel LMW-s glutenin gene of a Canadian Western Extra-Strong wheat // J. of Cereal Sci. 2005. V. 41. Is. 1. P. 47–57. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2004.07.003

  60. Fan S.H., Guo A.G. A study on the origin of HMW glutenin subunit 14 and 15 in Xiao Yan 6 // Acta Univ. Agric. Boreali-Occidentalia. 2000. V. 28(6). P. 1–5.

  61. Feng D.S., Xia G.M., Zhao S.Y., Chen F.G. Two quality-associated HMW glutenin subunits in a somatic hybrid line between Triticum aestivum and Agropyron elongatum // Theor. Appl. Genet. 2004. V. 110. P. 136–144. https://doi.org/10.1007/s00122-004-1810-x

  62. Luo Z., Chen F., Feng D., Xia G. LMW-GS genes in Agropyron elongatum and their potential value in wheat breeding // Theor. and Applied Genet. 2005. V. 111(2). P. 272–280. https://doi.org/10.1007/s00122-005-2021-9

  63. Ge W., Gao Y., Xu S. et al. Genome-wide identification, characteristics and expression of the prolamin genes in Thinopyrum elongatum // BMC Genomics. 2021. V. 22(1). P. 864. https://doi.org/10.1186/s12864-021-08088-x

  64. Крупин П.Ю., Дивашук М.Г., Фесенко И.А., Карлов Г.И. Адаптация микросателлитных SSR-маркеров пшеницы для анализа геномов пырея среднего, пырея удлиненного и пшенично-пырейных гибридов // Изв. Тимирязев. с.-хоз. академии. 2011. Т. 3. С. 49–57.

  65. Hu L.-J., Liu C., Zeng Z.-X. et al. Genomic rearrangement between wheat and Thinopyrum elongatum revealed by mapped functional markers // Genes Genom. 2012. V. 34. P. 67–75. https://doi.org/10.1007/s13258-011-0153-7

  66. Chen S., Gao Y., Zhu X. et al. Development of E-chromosome specific molecular markers for Thinopyrum elongatum in a wheat background // Crop Sci. 2015. V. 55. P. 2777–2785. https://doi.org/10.2135/cropsci2014.08.0539

  67. Dong L., Zhang K., Wang D. et al. High-throughput mining of E-genome-specific SNPs for characterizing Thinopyrum elongatum introgressions in common wheat // Mol. Ecol. Res. 2017. V. 17. P. 1318–1329. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12659

  68. Lou H., Dong L., Zhang K. et al. High-throughput mining of E-genome-specific SNPs for characterizing Thinopyrum elongatum introgressions in common wheat // Mol. Ecol. Res. 2017. V. 17(6). P. 1318–1329. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12659

  69. Chen S., Huang Z., Dai Y. et al. The development of 7E chromosome-specific molecular markers for Thinopyrum elongatum based on SLAF-seq technology // PLoS One. 2013. V. 8(6). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065122

  70. Wang H., Sun S., Ge W. et al. Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies fusarium head blight resistance in wheat // Science. 2020. V. 368(6493). https://doi.org/10.1126/science.aba5435

  71. Haldar A., Tekieh F., Balcerzak M. et al. Introgression of Thinopyrum elongatum DNA fragments carrying resistance to fusarium head blight into Triticum aestivum cultivar Chinese Spring is associated with alteration of gene expression // Genome. 2021. V. 64(11). P. 1009–1020. https://doi.org/10.1139/gen-2020-0152

  72. Li Q., Niu Z., Bao Y. et al. Transcriptome analysis of genes related to resistance against powdery mildew in wheat – Thinopyrum alien addition disomic line germplasm SN6306 // Gene. 2016. V. 590(1). P. 5–17. https://doi.org/10.1016/j.gene.2016.06.005

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал