danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2022-66-5-517-524dan-1091Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYПоказатели продуктивности и питательной ценности зерна у генотипов пшеницы с различными аллелями гена NAM-В1Productivity and grain nutritional value traits in wheat genotypes with different NAM-B1 gene allelic variationshttps://orcid.org/0000-0002-1187-1317ОрловскаяО. А.OrlovskayaO. A.

Орловская Ольга Александровна – канд. биол. наук,доцент, заместитель заведующего лабораторией

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Orlovskaya Olga A. – Ph. D. (Biology), Associate Professor, Deputy Head of the Laboratory.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

O.Orlovskaya@igc.byhttps://orcid.org/0000-0002-2242-7107ВакулаС. И.VakulaS. I.

Вакула Светлана Ивановна – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Vakula Svetlana I. – Ph. D. (Biology), Senior Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

svettera@yandex.ruЯцевичК. К.YatsevichK. K.

Яцевич Констанция Константиновна – науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Yatsevich Kanstantsyia K. – Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

K.Yatsevich@igc.byhttps://orcid.org/0000-0003-0295-5022ХотылеваЛ. В.KhotylevaL. V.

Хотылева Любовь Владимировна – академик, д-р биол. наук, профессор, гл. науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Khotyleva Lubov V. – Academician, D. Sc. (Biology), Professor, Chief Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

lvkhotyleva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0175-9786КильчевскийА. В.KilchevskyA. V.

Кильчевский Александр Владимирович – академик, д-р биол. наук, профессор, заместитель Председателя Президиума НАН Беларуси

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Kilchevsky Alexander V. – Academician, D. Sc. (Biology), Professor, Deputy Chairman of the Presidium of the National Academy of Sciences of Belarus

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

kilchev@presidium.bas-net.byИнститут генетики и цитологии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus202203112022665517524Copyright © Орловская О.А., Вакула С.И., Яцевич К.К., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В., 20222022Орловская О.А., Вакула С.И., Яцевич К.К., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В.Orlovskaya O.A., Vakula S.I., Yatsevich K.K., Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1091

Обнаружение у сородичей пшеницы функционального (дикого) аллеля гена NAM-В1, ассоциированного с высоким содержанием белка и ключевых микроэлементов в зерне, увеличило значимость отдаленной гибридизации для повышения питательной ценности зерна T. aestivum L. Изучен аллельный состав гена NAM-B1 у 22 линий мягкой пшеницы с генетическим материалом T. dicoccoides, T. dicoccum, T. spelta, T. kiharаe и их родительских форм и оценен эффект различных аллелей гена NAM-B1 на содержание белка, основных микроэлементов в зерне и признаки продуктивности (вегетационные периоды 2017–2021 гг.). Среди родительских форм функциональный аллель гена NAM-B1 обнаружен только у образцов видов-сородичей. Все родительские сорта и большая часть интрогрессивных линий (77,3 %) имели мутантный (нефункциональный) аллель. Анализ средних многолетних значений основных количественных признаков выявил, что генотипы с функциональным аллелем NAM-В1 характеризовались большей высотой растения и продуктивной кустистостью, но более низкими показателями продуктивности колоса по сравнению с генотипами, несущими нефункциональный аллель. Установлено, что наличие аллеля дикого типа обеспечивает высокий уровень накопления белка и цинка в зерне независимо от погодных условий, и при этом не приводит к существенному снижению массы 1000 зерен. Показана эффективность интрогрессии функционального аллеля NAM-В1 от видов-сородичей для повышения питательной ценности зерна мягкой пшеницы.

The identification of a functional NAM-B1 allele associated with a high content of grain protein and essential microelements in wheat relatives increased the distant hybridization significance for bread wheat nutritional value. The allelic polymorphism of the NAM-B1 gene in 22 wheat lines with a genetic material of T. dicoccoides, T. dicoccum, T. spelta, T. kiharаe and their parental forms and the effects of NAM-B1 gene allelic variations on the content of grain protein and essential microelements and productivity traits (vegetation period 2017–2021) were evaluated. The functional NAM-B1 allele was identified only in the samples of wheat relatives among the parental forms. All parental varieties and most of introgressive lines (77.3 %) had a non-functional allele. The genotypes with the functional NAM-B1 allele were characterized by a higher plant height and tillering, but by lower spike productivity compared to the non-functional allele genotypes. The presence of the functional NAM-B1 allele provided a high level of grain protein and zinc content and never decreased significantly a thousand-kernel weight across all studied environments. The functional NAM-B1 allele introgression could be a resource for improving the grain wheat nutritional value.

мягкая пшеницасородичи пшеницыинтрогрессивные линии пшеницыген NAM-В1содержание белка и микроэлементов в зернепродуктивностьbread wheatwheat relativeswheat introgressive linesNAM-B1 genegrain protein and microelements contentproductivityReferencesBiofortification and bioavailability of Zn, Fe and Se in wheat: present status and future prospects / P. K. Gupta [et al.] // Theor. Appl. Genet. – 2021. – Vol. 134, N 1. – P. 1–35. https://doi.org/10.1007/s00122-020-03709-7Gupta P. K., Balyan H. S., Sharma S., Kumar R. Biofortification and bioavailability of Zn, Fe and Se in wheat: present status and future prospects. Theoretical and Applied Genetics, 2021, vol. 134, no. 1, pp. 1–35. https://doi.org/10.1007/s00122- 020-03709-7Brevis, J. C. Effects of the chromosome region including the Gpc-B1 locus on wheat grain and protein yield / J. C. Brevis, J. Dubcovsky // Crop Sci. – 2010. – Vol. 50, N 1. – Р. 93–104. https://doi.org/10.2135/cropsci2009.02.0057Brevis J. C., Dubcovsky J. Effects of the chromosome region including the Gpc-B1 locus on wheat grain and protein yield. Crop Science, 2010, vol. 50, no. 1, pp. 93–104. https://doi.org/10.2135/cropsci2009.02.0057A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat / C. Uauy [et al.] // Science. – 2006. – Vol. 314, N 5803. – P. 1298–1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649Uauy C., Distelfeld A., Fahima T., Blechl A., Dubcovsky J. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat. Science, 2006, vol. 314, no. 5803, pp. 1298–1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649Wheat (Triticum aestivum) NAM proteins regulate the translocation of iron, zinc, and nitrogen compounds from vegetative tissues to grain / B. M. Waters [et al.] // J. Exp. Bot. – 2009. – Vol. 60, N 15. – P. 4263–4274. https://doi.org/10.1093/jxb/erp257Waters B. M., Uauy C., Dubcovsky J., Grusak M. A. Wheat (Triticum aestivum) NAM proteins regulate the translocation of iron, zinc, and nitrogen compounds from vegetative tissues to grain. Journal of Experimental Botany, 2009, vol. 60, no. 15, pp. 4263–4274. https://doi.org/10.1093/jxb/erp257Molecular characterization of the NAM-1 genes in bread wheat in Australia / R. Yang [et al.] // Crop and Pasture Science. – 2018. – Vol. 69, N 12. – P. 1173–1181. https://doi.org/10.1071/cp18273Yang R., Juhasz A., Zhang Y., Chen X., Zhang Y., She M., Zhang J., Maddern R., Edwards I., Diepeveen D., Islam S., Ma W. Molecular characterisation of the NAM-1 genes in bread wheat in Australia. Crop and Pasture Science, 2018, vol. 69, no. 12, pp. 1173–1181. https://doi.org/10.1071/cp18273Genome-wide association mapping through 90K SNP array for quality and yield attributes in bread wheat against water-deficit conditions / H. G. M. Ahmed [et al.] // Agriculture. – 2020. – Vol. 10, N 9. – P. 392. https://doi.org/10.3390/agriculture10090392Ahmed H. G. M., Sajjad M., Zeng Y., Iqbal M., Khan S. H., Ullah A., Akhtar M. N. Genome-wide association mapping through 90K SNP array for quality and yield attributes in bread wheat against water-deficit conditions. Agriculture, 2020, vol. 10, no. 9, pp. 392. https://doi.org/10.3390/agriculture10090392Temperature response of wheat affects final height and the timing of stem elongation under field conditions / L. Kronenberg [et al.] // J. Exp. Bot. – 2021. – Vol. 72, N 2. – P. 700–717. https://doi.org/10.1093/jxb/eraa471Kronenberg L., Yates S., Boer M. P., Kirchgessner N., Walter A., Hund A. Temperature response of wheat affects final height and the timing of stem elongation under field conditions. Journal of Experimental Botany, 2021, vol. 72, no. 2, pp. 700–717. https://doi.org/10.1093/jxb/eraa471Assessment of the effects of the Gpc-B1 allele on senescence rate, grain protein concentration and mineral content in hard red spring wheat (Triticum aestivum L.) from the Pacific Northwest Region of the USA / A. H. Carter [et al.] // Plant Breeding. – 2012. – Vol. 131, N 1. – P. 62–68. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.2011.01900.xCarter A. H., Santra D. K., Kidwell K. K. Assessment of the effects of the Gpc-B1 allele on senescence rate, grain protein concentration and mineral content in hard red spring wheat (Triticum aestivum L.) from the Pacific Northwest Region of the USA. Plant Breeding, 2012, vol. 131, no. 1, pp. 62–68. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.2011.01900.xEffects of the Gpc-B1 locus on high grain protein content introgressed into Argentinean wheat germplasm / F. Tabbita [et al.] // Plant Breeding. – 2013. – Vol. 132, N 1. – P. 48–52. https://doi.org/10.1111/pbr.12011Tabbita F., Lewis S., Vouilloz J. P., Ortega M. A., Kade M., Abbate P. E., Barneix A. J. Effects of the Gpc-B1 locus on high grain protein content introgressed into Argentinean wheat germplasm. Plant Breeding, 2013, vol. 132, no. 1, pp. 48–52. https:// doi.org/10.1111/pbr.12011Marker-assisted improvement of grain protein content and grain weight in Indian bread wheat / M. K. Vishwakarma [et al.] // Euphytica. – 2016. – Vol. 208, N 2. – P. 313–321. https://doi.org/10.1007/s10681-015-1598-6Vishwakarma M. K., Arun B., Mishra V. K., Yadav P. S., Kumar H., Joshi A. K. Marker-assisted improvement of grain protein content and grain weight in Indian bread wheat. Euphytica, 2016, vol. 208, no. 2, pp. 313–321. https://doi.org/10.1007/ s10681-015-1598-6Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: ten years of the GPC-B1 gene / F. Tabbita [et al.] // J. Cereal Sci. – 2017. – Vol. 73. – P. 183–191. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2017.01.003Tabbita F., Pearce S., Barneix А. J. Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: ten years of the GPC-B1 gene. Journal of Cereal Science, 2017, vol. 73, pp. 183–191. https://doi.org/10.1016/jcs.2017.01.003Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin / F. J. Zhao [et al.] // J. Cereal. Sci. – 2009. – Vol. 49, N 2. – P. 290–295. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2008.11.007Zhao F. J., Su Y. H., Dunham S. J., Rakszegi M., Bedo Z., McGrath S. P., Shewry P. R. Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin. Journal of Cereal Science, 2009, vol. 49, no. 2, pp. 290–295. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2008.11.007Корреляции и структура вариации признаков качества зерна и продуктивности линий пшеницы с чужеродным генетическим материалом / О. А. Орловская [и др.] // Молекулярная и прикладная генетика. – 2021. – Т. 31. – С. 42–52. https://doi.org/10.47612/1999-9127-2021-31Orlovskaya O. A., Vakula S. I., Khotyleva L. V., Kilchevsky A. V. Correlations and variation structure of grain quality traits and yield of wheat lines with foreign genetic material. Molekulyarnaya i prikladnaya genetika = Molecular and Applied Genetics, 2021, vol. 31, pp. 42–52 (in Russian). https://doi.org/10.47612/1999-9127-2021-31Regulation of Zn and Fe transporters by the GPC1 gene during early wheat monocarpic senescence / S. Pearce [et al.] // BMC Plant Biol. – 2014. – Vol. 14, N 1. – P. 368. https://doi.org/10.1186/s12870-014-0368-2Pearce S., Tabbita F., Cantu D., Buffalo V., Avni R., Vazquez-Gross H., Zhao R., Conley C. J., Distelfeld A., Dubcovksy J. Regulation of Zn and Fe transporters by the GPC1 gene during early wheat monocarpic senescence. BMC Plant Biol, 2014, vol. 14, no. 1, p. 368. https://doi.org/10.1186/s12870-014-0368-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.