Биохимическая, генетическая и цифровая оценка зерна сортов озимой мягкой пшеницы с различным индексом прорастания

Cover Page
  • Authors: Федяева А.В.1,2, Афонникова С.Д.1,3,4, Афонников Д.А.1,3, Смирнова О.Г.1,3, Деева В.Н.5, Прянишников А.И.6, Салина Е.А.1,3
  • Affiliations:
    1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”
    2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук
    3. Курчатовский геномный центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
    4. Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
    5. Общество с ограниченной ответственностью “Научно-производственное объединение «Бетагран Семена»”
    6. Департамент селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур, Акционерное общество “Щелково Агрохим”
  • Issue: Vol 71, No 2 (2024)
  • Pages: 205-215
  • Section: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
  • URL: https://cardiosomatics.ru/0015-3303/article/view/648219
  • DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330324020072
  • EDN: https://elibrary.ru/OBFMEG
  • ID: 648219

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Устойчивость к прорастанию зерна на корню (ПЗНК) является хозяйственно важным признаком, который влияет на качество зерна и урожайность пшеницы. Данная устойчивость зависит как от факторов окружающей среды, так и от генотипических и фенотипических особенностей сортов пшеницы. Известно, что краснозерные сорта пшеницы являются более устойчивыми к ПЗНК, чем белозерные. Однако в настоящее время не существует подходов, позволяющих однозначно различать краснозерные сорта пшеницы по степени устойчивости к ПЗНК. Целью настоящей работы являлось сравнение различных подходов для эффективной дифференцировки сортов озимой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) по устойчивости к ПЗНК. У 164 сортов озимой мягкой пшеницы, среди которых 156 были краснозерными, были определены индекс прорастания (ИП), активность α-амилазы (ААА), проведена цифровая и генетическая оценка уровня красной окраски зерновки. Исследования проводили на стадиях молочно-восковой спелости (М/ВС) и полного созревания (ПС) зерна. Исходя из динамики изменения ИП на стадиях М/ВС и ПС зерна установлено, что наиболее целесообразно проводить оценку ИП на стадии М/ВС зерна. Анализ ААА был проведен с использованием метода Церальфа и определения числа падения (ЧП). Показано повышение уровня ААА в процессе созревания зерна у изученных сортов. Была выявлена отрицательная корреляционная связь между ИП и ЧП, ЧП и ААА. Использование цветовой модели Lab для оценки окраски оболочки зерна позволило выделить 3 типа окраски зерна. Изучены аллельные варианты гена Tamyb10, контролирующего красную окраску зерна. Анализ цифровой оценки окраски зерна и аллельного состава генов Tamyb10 не выявил дополнительного к ИП и ЧП критерия, который можно было бы использовать для разделения краснозерных сортов пшеницы по устойчивости к ПЗНК. В то же время показано, что наиболее многочисленная группа из изученных сортов, имеет от двух и более доминантных генов, контролирующих красную окраску зерна. В целом, сравнение краснозерных сортов по всем трем параметрам позволило выделить группу сортов, наиболее устойчивых к ПЗНК. В эту группу вошли 73 краснозерных сорта мягкой пшеницы из 156 изученных, при этом белозерных сортов, устойчивых к ПЗНК, выявлено не было.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. В. Федяева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Новосибирск; Иркутск

С. Д. Афонникова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Курчатовский геномный центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск; Новосибирск

Д. А. Афонников

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Курчатовский геномный центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

О. Г. Смирнова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Курчатовский геномный центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

В. Н. Деева

Общество с ограниченной ответственностью “Научно-производственное объединение «Бетагран Семена»”

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Москва

А. И. Прянишников

Департамент селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур, Акционерное общество “Щелково Агрохим”

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Щелково

Е. А. Салина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук”; Курчатовский геномный центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: fedyaeva.anna@mail.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

References

  1. Tai L., Wang H.J., Xu X.J., Sun W.H., Ju L., Liu W.T., Li W.Q., Sun J., Chen K.M. Pre‐harvest sprouting in cereals: genetic and biochemical mechanisms // J. Exp. Bot. 2021. V. 72. P. 2857. https://doi org/10.1093/jxb/erab024
  2. Ali A., Cao J., Jiang H., Chang C., Zhang H.P., Sheikh S.W., Shah L., Ma C. Unraveling molecular and genetic studies of wheat (Triticum aestivum L.) resistance against factors causing pre-harvest sprouting // Agronomy. 2019. V. 9. P. 117. https://doi.org/10.3390/agronomy9030117
  3. Sohn S.I., Pandian S., Kumar T.S., Zoclanclounon Y.A.B., Muthuramalingam P., Shilpha J., Satish L., Ramesh M. Seed dormancy and pre-harvest sprouting in rice – an updated overview // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. 11804. https://doi.org/10.3390/ijms222111804
  4. Kashiwakura Y., Kobayashi D., Jikumaru Y., Takebayashi Y., Nambara E., Seo M., Kamiya Y., Kushiro T., Kawakami N. Highly sprouting-tolerant wheat grain exhibits extreme dormancy and cold imbibition-resistant accumulation of abscisic acid // Plant Cell Physiol. 2016. V. 57. P. 715. https://doi.org/10.1093/pcp/pcw051
  5. Mieog C.J., Janecek S., Ral J.P. New insight in cereal starch degradation: identification and structural characterization of four α-amylases in bread wheat // Amylase. 2017. V. 1. P. 35. https://doi.org/10.1515/amylase-2017-0004
  6. Laethauwer S.D., Riek J.D., Stals I., Reheul D., Haesaert G. α-Amylase gene expression during kernel development in relation to pre-harvest sprouting in wheat and triticale // Acta Physiol. Plant. 2013. V. 35. P. 2927. https://doi.org/10.1007/s11738-013-1323-9
  7. Vetch J.M., Stougaard R.N., Martin J.M., Giroux M.J. Review: revealing the genetic mechanisms of pre-harvest sprouting in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) // Plant Sci. 2019. V. 281. P. 180. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.01.004
  8. Mares D.J., Mrva K. Wheat grain preharvest sprouting and late maturity alpha-amylase // Planta. 2014. V. 240. P. 1167. https://doi.org/10.1007/s00425-014-2172-5
  9. Kottearachchi N.S., Uchino N., Kato K., Miura H. Increased grain dormancy in white-grained wheat by introgression of preharvest sprouting tolerance QTLs // Euphytica. 2006. V. 152. P. 421. https://doi.org/10.1007/s10681-006-9231-3
  10. Федяева А.В., Салина Е.А., Шумный В.К. Факторы, влияющие на прорастание зерна на корню у мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.), и методы их оценки // Генетика. 2023. Т. 59. С. 5. https://doi. org/10.31857/S0016675823010058
  11. Хлесткина Е.К. Гены, детерминирующие окраску различных органов пшеницы // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012. Т. 16. С. 202.
  12. Groos C., Gay G., Perretant M.R., Gervais L., Bernard M., Dedryver F., Charmet G. Study of the relationship between pre-harvest sprouting and grain color by quantitative trait loci analysis in a whitexred grain bread-wheat cross // Theor. Appl. Genet. 2002. V. 104. P. 39. https://doi.org/10.1007/s001220200004
  13. Kumar M., Kumar S., Sandhu K.S., Kumar N., Saripalli G., Prakash R., Nambardar A., Sharma H., Gautam T., Balyan H.S., Gupta P.K. GWAS and genomic prediction for pre-harvest sprouting tolerance involving sprouting score and two other related traits in spring wheat // Mol. Breed. 2023. V. 43. Р. 14. https://doi.org/10.1007/s11032-023-01357-5
  14. Komyshev E., Genaev M., Afonnikov D. Evaluation of the SeedCounter, a mobile application for grain phenotyping // Front. Plant Sci. 2017. V. 7. Р. 1990. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01990
  15. Afonnikov D.A., Komyshev E.G., Efimov V.M., Genaev M.A., Koval V.S., Gierke P.U., Börner A. Relationship between the characteristics of bread wheat grains, storage time and germination // Plants. 2022. V. 11. P. 35. https://doi.org/10.3390/plants11010035
  16. Крупнов В.А., Крупнова О.В. Подходы по улучшению качества зерна пшеницы: селекция на число падения // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015. V. 19. P. 604. https://doi.org/10.18699/VJ15.07
  17. Shcherban A.B., Kuvaeva D.D., Mitrofanova O.P., Khverenets S.E., Pryanishnikov A.I., Salina E.A. Targeting the B1 gene and analysis of its polymorphism associated with awned/awnless trait in Russian germplasm collections of common wheat // Plants. 2021. V. 10. P. 2285. https://doi.org/10.3390/plants10112285
  18. Walker-Simmons M. Enhancement of ABA responsiveness in wheat embryos by high temperature // Plant Cell Environ. 1988. V. 11. P. 769.
  19. McCleary B.V., McNally M., Monaghan D., Mugford D.C. Measurement of α-amylase activity in white wheat flour, milled malt, and microbial enzyme preparations, using the Ceralpha assay: collaborative study // J. AOAC Int. 2002. V. 85. P. 1096.
  20. Бундина О.И., Герасина А.Ю. Введение новых межгосударственных стандартов на зерно, продукты его переработки и методы определения качества // Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд. 2019. С. 63.
  21. Сколотнева Е.С., Леонова И.Н., Букатич Е.Ю., Салина Е.А. Методические подходы к идентификации эффективных генов, определяющих устойчивость пшеницы к комплексу грибных заболеваний // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21. С. 862. https://doi.org/10.18699/VJ17.307
  22. Himi E., Maekawa M., Miura H., Noda K. Development of PCR markers for Tamyb10 related to R-1, red grain color gene in wheat // Theor. Appl. Genet. 2011. V. 122. P. 1561. https://doi.org/10.1007/s00122-011-1555-2
  23. Xu S., Chen M., Feng T., Zhan L., Zhou L., Yu G. Use ggbreak to effectively utilize plotting space to deal with large datasetts and outliers // Front. Genet. 2021. V. 12. P. 774846. https://doi.org/10.3389/fgene.2021.774846
  24. Derkx A.P., Mares D.J. Late-maturity α-amylase expression in wheat is influenced by genotype, temperature and stage of grain development // Planta. 2020. V. 251. P. 51. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03341-1
  25. Эррера В.Э. Эталоник – автоматическая система определения истинного значения числа падения // Хлебопродукты. 2018. № 10. С. 20.
  26. Wang Y., Wang X.L., Meng J.Y., Zhang Y.J., He Z.H., Yang Y. Characterization of Tamyb10 allelic variants and development of STS marker for pre-harvest sprouting resistance in Chinese bread wheat // Mol. Breed. 2016. V. 36. P. 148. https://doi.org/10.1007/s11032-016-0573-9
  27. Gao X., Hu C.H., Li H.Z. Yao Y.J., Meng M., Dong J., Zhao W.C., Chen Q.J., Li X.Y. Factors affecting pre-harvest sprouting resistance in wheat (Triticum aestivum L.): a review // J. Anim. Plant Sci. 2013. V. 23. P. 556.
  28. Mares D., Himi E. The role of TaMYB10-A1 of wheat (Triticum aestivum L.) in determining grain coat colour and dormancy phenotype // Euphytica. 2021. V. 217. P. 89. https://doi.org/10.1007/s10681-021-02826-8
  29. Nyachiro J.M., Clarke F.R., DePauw R.M., Knox R.E., Armstrong K.C. Temperature effects on seed germination and expression of seed dormancy in wheat // Euphytica. 2002. V. 126. P. 123.
  30. Fišerová H., Hartman I., Prokeš J. The effect of weather and the term of malting on malt quality // Plant Soil Environ. 2015. V. 61. P. 393. https://doi.org/10.17221/174/2015-PSE
  31. Rasul G., Humphreys G.D., Wu J., Brule-Babel A., Fofana B., Glover K.D. Evaluation of preharvest sprouting traits in a collection of spring wheat germplasm using genotype and genotype ´ environment interaction model // Plant Breed. 2012. V. 131. P. 244. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.2011.01931.x
  32. Yu N., Laurenz R., Siler L., Ng P.K.W., Souza E., Lewis J.M. Evaluation of α-amylase activity and falling number around maturity for soft white and soft red wheat varieties in Michigan // Cereal Res. Commun. 2015. V. 43. P. 672. https://doi org/10.1556/0806.43. 2015.026
  33. Simsek S., Ohm J.B., Lu H., Rugg M., Berzonsky W., Alamri M.S., Mergoum M. Effect of pre-harvest sprouting on physicochemical properties of starch in wheat // Foods. 2014. V. 3. P. 194. https://doi org/10.3390/foods3020194
  34. Kondhare K.R., Farrell A.D., Kettlewell P.S., Hedden P., Monaghan J.M. Pre-maturity α-amylase in wheat: the role of abscisic acid and gibberellins // J. Cereal Sci. 2015. V. 63. P. 95. https://doi org/10.1016/j.jcs.2015.03.004
  35. Kiszonas A.M., Engle D.A., Pierantoni L.A., Morris C.F. Relationships between falling number, alpha-amylase activity, milling, cookie, and sponge cake quality of soft white wheat // Cereal Chem. 2018. V. 95. P. 373. https://doi.org/10.1002/cche.10041
  36. Кузьмич М.А., Сандухадзе Б.И., Мамедов Р.З., Давыдова Н.В., Кузьмич Л.С. Устойчивость к прорастанию в колосе зерновых культур селекции ФИЦ “Немчиновка” // Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд / Под ред. Ю.И. Никитченко, К.Б. Гурьева, С.Л. Белецкого, Т.Б. Гусева, Д.Ю. Пономарева, А.Н. Рогова. Москва: Галлея-Принт, 2019. С. 93.
  37. Сухоруков А.Ф., Сухоруков А.А., Шаболкина Е.Н., Пронович Л.В. Селекционное улучшение озимой пшеницы по признаку “число падения” // Зерновое хозяйство России. 2017. С. 40.
  38. Оразаева И.В. Оценка сортов озимой мягкой пшеницы различных экотипов в условиях Юго-Западной части ЦЧР // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2018. С. 135.
  39. Крупнова О.В., Свистунов Ю.С. Устойчивость к предуборочному прорастанию и число падения у озимой мягкой пшеницы в Поволжье // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2014. № 5. С. 3.
  40. Wu J.M., Carver B.F. Sprout damage and preharvest sprout resistance in hard white winter wheat // Crop Sci. 1999. V. 39. P. 441.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Distribution of germination index values ​​for red- and white-grained varieties of winter soft wheat: a – milky/wax ripeness stage; b – full grain ripeness stage. The numbers opposite the columns indicate the number of white-grained varieties.

Download (147KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of α-amylase activity values ​​in red- and white-grained varieties of winter soft wheat: a – milky/wax ripeness stage; b – full grain ripeness stage. The numbers opposite the columns indicate the number of white-grained varieties.

Download (117KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distribution of falling number values ​​for red- and white-grained varieties of winter soft wheat. The numbers opposite the columns indicate the number of white-grained varieties.

Download (94KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scatter plot of the mean values ​​of the a and b components of the Lab color model in the space of digital images for grains of winter soft wheat varieties. The abscissa axis is the mean value of the a component (Lab_ma, redness); the ordinate axis is the mean value of the b component (Lab_mb, yellowness). Marker designations: rhombus – color type 0; triangle – color type 1; circle – color type 2. White-grained varieties are outlined with ovals.

Download (111KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Box plot of germination index distribution at milky/wax stage of grain ripening for winter soft wheat varieties containing different combinations of allelic variants of Tamyb10-A1, Tamyb10-B1, Tamyb10-D1 genes: Group 1 – two or more dominant genes, red-grained wheat varieties; Group 2 – one dominant gene, red-grained wheat varieties; Group 3 – no dominant genes, white-grained wheat varieties. The graph shows the median and 25–75 percentiles in rectangles and the range of non-outlier values. Black dots on the graph mark outliers. Asterisks “**” mark significant differences at P ≤ 0.01, Mann-Whitney U-test was used.

Download (96KB)
Indexing metadata
7. Additional materials
Download (516KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences