danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-1-52-58dan-945Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYМолекулярно-генетическая характеристика образцов озимой мягкой пшеницы в связи с селекцией на устойчивость к полеганиюMolecular genetic characteristic of soft winter wheat samples in connection with breeding for lodging resistanceСычёваЕ. А.SychevaЕ. A.

Сычёва Елена Анатольевна – канд. биол. наук, доцент, заместитель директора

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Sycheva Elena A. – Ph. D. (Biology), Associate рrofessor, Deputy Director

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

E.Sycheva@igc.byБондаревичЕ. Б.BondarevichE. B.

Бондаревич Елена Борисовна – науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Bondarevich Elena B. – Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

СоловейЛ. А.SoloveyL. A.

Соловей Лилия Алексеевна – науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Solovey Lilia A. – Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

ШимкоВ. Е.ShimkoV. E.

Шимко Виктория Евгеньевна – науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Shimko Victoria E. – Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

ГордейС. И.HardzeiS. I.

Гордей Станислав Иванович – канд. биол. наук, заведующий отделом

ул. Тимирязева, 1, 222160, Жодино

Hardzei Stanislau I. – Ph. D. (Biology), Head of the Department

1, Timiryazev Str., 222160, Zhodino

СацюкИ. В.SatsyukI. V.

Сацюк Игорь Васильевич – канд. с.-х. наук, вед. науч. сотрудник

ул. Тимирязева, 1, 222160, Жодино

Satsyuk Igar V. – Ph. D. (Agrarian), Leading researcher

1, Timiryazev Str., 222160, Zhodino

ДубовецН. И.DubovetsN. I.

Дубовец Надежда Ивановна – член-корреспондент, д-р биол. наук, доцент, заместитель заведующего лабораторией

ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Dubovets Nadezhda I. – Corresponding Member, D. Sc. (Biology), Associate рrofessor, Deputy Head of the Laboratory

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

Институт генетики и цитологии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of BelarusНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по земледелиюResearch and Practical Center of the National Academy of Sciences of Belarus for Arable Farming2021230220216515258Copyright © Сычёва Е.А., Бондаревич Е.Б., Соловей Л.А., Шимко В.Е., Гордей С.И., Сацюк И.В., Дубовец Н.И., 20212021Сычёва Е.А., Бондаревич Е.Б., Соловей Л.А., Шимко В.Е., Гордей С.И., Сацюк И.В., Дубовец Н.И.Sycheva Е.A., Bondarevich E.B., Solovey L.A., Shimko V.E., Hardzei S.I., Satsyuk I.V., Dubovets N.I.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/945

Цель – анализ геномной структуры и аллельного состава генов короткостебельности Rht-B1, Rht-D1 и Rht8 у 37 сортов и селекционных образцов озимой мягкой пшеницы в связи с селекцией на устойчивость к полеганию в Республике Беларусь. Методы. Молекулярно-цитогенетическое маркирование (С-бэндинг) и ДНК-типирование генотипов. Результаты. В ходе анализа хромосомного состава селекционного материала установлено, что 21 образец озимой пшеницы характеризуется стандартным кариотипом с геномной структурой AABBDD (2n = 42). В кариотипах остальных образцов выявлено пять вариантов транслокаций, затрагивающих хромосомы 1В, 3В, 5В, 6В и 7В. Установлено, что хромосомы 2-й и 4-й гомеологичных групп, в которых локализованы основные гены короткостебельности Rht-B1, Rht-D1 и Rht8, не подверглись структурным изменениям. В результате генотипирования показано, что 45,9 % образцов содержат в генотипе один из аллелей короткостебельности (Rht-B1b, Rht-D1b, Rht8с). Сочетание в генотипе двух коммерчески значимых аллелей короткостебельности Rht-B1b и Rht8с выявлено у одного образца озимой пшеницы. С наибольшей частотой (37,8 %) в проанализированном селекционном материале встречался генотип с комбинацией аллелей Rht-B1а, Rht-D1а и Rht8b. С частотой 16,2 % присутствовали генотипы Rht-B1b, Rht-D1а, Rht8b; Rht-B1а, Rht-D1а, Rht8а. Генотипы Rht-B1а, Rht-D1а, Rht8с; Rht-B1а, Rht-D1b, Rht8b; Rht-B1а, Rht-D1b, Rht8j выявлены у 5,4 % образцов, генотип Rht-B1а, Rht-D1b, Rht8а – у 8,1 % образцов. Заключение. Анализ высоты растения с учетом данных кариотипирования и генотипирования показал важность целенаправленного подбора наиболее эффективных для региона возделывания сочетаний аллелей генов короткостебельности. Проведенные исследования позволили предположить, что отбор по уровню перезимовки может способствовать закреплению в селекционном материале аллеля Rht8b, ассоциированного, по-видимому, с лучшей зимостойкостью в условиях Беларуси.

The objective of the study was to analyze the genomic structure and allelic composition of the dwarfing Rht-B1, Rht-D1 and Rht8 genes in 37 varieties and breeding samples of soft winter wheat in connection with breeding for lodging resistance in the Republic of Belarus. The molecular cytogenetic marking (C-banding) and DNA typing of genotypes were used. As a result, the analysis of the chromosomal composition of the breeding material showed that 21 winter wheat samples are characterized by the standard karyotype with the genomic structure AABBDD (2n = 42). Five variants of translocations affecting the chromosomes 1B, 3B, 5B, 6B, and 7B were revealed in the karyotypes of the remaining samples. It was found that the chromosomes of the 2nd and 4th homologous groups, in which the main dwarfing genes (Rht-B1, Rht-D1, and Rht8) are localized, did not undergo structural changes. Genotyping showed that 45.9 % of the samples contain one of the dwarfing alleles (Rht-B1b, Rht-D1b, Rht8c) in their genotype. A combination of two commercially significant alleles (Rht-B1b and Rht8c) in the genotype were identified in one of the winter wheat samples. The genotype with a combination of the Rht-B1a, Rht-D1a and Rht8b alleles occurred with the highest frequency (37.8 %) in the analysed breeding material. The Rht-B1b, Rht-D1a, Rht8b; Rht-B1a, Rht-D1a, Rht8a genotypes showed the frequency of 16.2 %. The Rht-B1a, Rht-D1a, Rht8c; Rht-B1a, Rht-D1b, Rht8b; Rht-B1a, Rht-D1b, Rht8j genotypes were identified in 5.4 % of the samples; the Rht-B1a, Rht-D1b, Rht8а genotypes – in 8.1 % of the samples. The analysis of the plant height, taking into account the karyotyping and genotyping data showed that the targeted selection of the most efficient allelic combinations of dwarfing genes is important for the cultivation region. The studies carried out allow us to suggest that the selection by the overwintering level can contribute to the fixation of the Rht8b allele in the breeding material, which is apparently associated with better winter hardiness in the conditions of Belarus.

озимая мягкая пшеница Triticum aestivum L.кариотиптранслокациигены короткостебельностиС-бэндингДНК-маркерыsoft winter wheat Triticum aestivum L.karyotypetranslocationsdwarfing genesC-bandingDNA markersReferencesAvoiding lodging in irrigated spring wheat. I. Stem and root structural requirements / F. J. Pinera-Chavez [et al.] // Field Crops Research. – 2016. – Vol. 196. – P. 325–336. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2016.06.009Pinera-Chavez F. J., Berry P. M., Foulkes M. J., Jesson M. A., Reynolds M. P. Avoiding lodging in irrigated spring wheat. I. Stem and root structural requirements. Field Crops Research, 2016. vol. 196, pp. 325–336. https://doi.org/10.1016/j. fcr.2016.06.009 58Catalogue of gene symbols for wheat: 2017 supplement / R. McIntosh [et al.] [Electronic resource]. – Mode of access: https://shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/ macgene/supplement2017.pdf. – Date of access: 18.05.2020.McIntosh R., Rogers J., Dubcovsky J., Morris C., Xia X. C. Catalogue of gene symbols for wheat: 2017 supplement, 2017. Available at: https://shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/ macgene/supplement2017.pdf (accessed 18 May 2020).‘Green Revolution’ Genes Encode Mutant Gibberellin Response Modulators / J. R. Peng [et al.] // Nature. – 1999. – Vol. 400, N 6741. – P. 256–261. https://doi.org/10.1038/22307Peng J. R., Richards D. E., Hartley N. M., Murphy G. P., Devos K. M., Flintham J. E., Beales J., Fish L. J., Worland A. J., Pelica F., Sudhakar D., Christou P., Snape J. W., Gale M. D., Harberd N. P. “Green Revolution” Genes Encode Mutant Gibberellin Response Modulators. Nature, 1999, vol. 400, no. 6741, pp. 256–261. https://doi.org/10.1038/22307Identity of the Rht-11 and Rht-B1e Reduced Plant Height Genes / M. G. Divashuk [et al.] // Russ. J. Genet. – 2012. – Vol. 48, N 7. – P. 761–763. https://doi.org/10.1134/s1022795412050055Divashuk M. G., Vasilyev A. V., Bespalova L. A., Karlov G. I. Identity of the Rht-11 and Rht-B1e Reduced Plant Height Genes. Russian Journal of Genetics, 2012, vol. 48, no. 7, pp. 761–763. https://doi.org/10.1134/s1022795412050055Molecular Characterization of Rht1 Dwarfing Genes in Hexaploid Wheat / S. Pearce [et al.] // Plant Physiology. – 2011. – Vol. 157, N 4. – P. 1820–1831. https://doi.org/10.1104/pp.111.183657Pearce S., Saville R., Vaughan S. P., Chandler P. M., Wilhelm E. P., Sparks C. A., Al-Kaff N., Korolev A., Boulton M. I., Phillips A. L., Hedden P., Nicholson P., Thomas S. G. Molecular Characterization of Rht1 Dwarfing Genes in Hexaploid Wheat. Plant Physiology, 2011, vol. 157, no. 4, pp. 1820–1831. https://doi.org/10.1104/pp.111.183657Genetic analysis of the dwarfing gene Rht8 in wheat. Part I. Molecular mapping of Rht8 on the short arm of chromosome 2D of bread wheat (Triticum aestivum L.) / V. Korzun [et al.] // Theor. Appl. Genet. – 1998. – Vol. 96, N 8. – P. 1104–1109. https://doi.org/10.1007/s001220050845Korzun V., Roder M. S., Ganal M. W., Worland A. J., Law C. N. Genetic analysis of the dwarfing gene Rht8 in wheat. Part I. Molecular mapping of Rht8 on the short arm of chromosome 2D of bread wheat (Triticum aestivum L.). Theoretical and Applied Genetics, 1998, vol. 96, no. 8, pp. 1104–1109. https://doi.org/10.1007/s001220050845Novel natural allelic variations at the Rht-1 loci in wheat / A. Li [et al.] // J. Integr. Plant Biol. – 2013. – Vol. 55, N 11. – P. 1026–1037. https://doi.org/10.1111/jipb.12103Li A., Yang W., Lou X., Liu D., Sun J., Guo X., Wang J., Li Y., Zhan K., Ling H.-Q., Zhang A. Novel natural allelic variations at the Rht-1 loci in wheat. Journal of Integrative Plant Biology, 2013, vol. 55, no. 11, pp. 1026–1037. https://doi. org/10.1111/jipb.12103Evans, L. T. Feeding the ten billion: plants and population growth / L. T. Evans. – Cambridge, 1998. – P. 133–150.Evans L. T. Feeding the ten billion: plants and population growth. Cambridge, 1998. 274 p.Occurrence of Three Dwarfing Rht Genes in German Winter Wheat Varieties / C. Knopf [et al.] // Cereal Res. Commun. – 2008. – Vol. 36, N 4. – P. 553–560. https://doi.org/10.1556/crc.36.2008.4.4Knopf C., Becker H., Ebmeyer E., Korzun V. Occurrence of Three Dwarfing Rht Genes in German Winter Wheat Varieties. Cereal Research Communications, 2008, vol. 36, no. 4, pp. 553–560. https://doi.org/10.1556/crc.36.2008.4.4Чеботарь, С. В. Аллельная характеристика генов короткостебельности в генетическом пуле сортов озимой мягкой пшеницы Украины / С. В. Чеботарь // Генетичнi ресурси рослин. – 2008. – № 6. – С. 96–103.Chebotar S. V. Allelic characterization of short-stem genes in the genetic pool of varieties of winter common wheat of Ukraine. Henetychni resursy roslyn = Genetic resources of plants, 2008, no. 6, pp. 96–103 (in Russian).Worland, A. J. Allelic variation at the dwarfing gene Rht8 locus and its significance in international breeding programmes / A. J. Worland, E. J. Sayers, V. Korzun // Euphytica. – 2001. – Vol. 119, N 1–2. – P. 157–161. https://doi. org/10.1023/a:1017582122775Worland A. J., Sayers E. J., Korzun V. Allelic variation at the dwarfing gene Rht8 locus and its significance in international breeding programmes. Euphytica, 2001, vol. 119, no. 1–2, pp. 157–161. https://doi.org/10.1023/a:1017582122775Intraspecific karyotype divergence in Triticum araraticum (Poaceae) / E. D. Badaeva [et al.] // Plant. Syst. Evol. – 1994. – Vol. 192, N 1–2. – P. 117–145. https://doi.org/10.1007/bf00985912Badaeva E. D., Badaev N. S., Gill D. S., Filatenko A. A. Intraspecific karyotype divergence in Triticum araraticum (Poaceae). Plant Systematics and Evolution, 1994, vol. 192, no. 1–2, pp. 117–145. https://doi.org/10.1007/bf00985912Distribution of the Rht-B1b, Rht-D1 and Rht8 reduced height genes in autumn-sown Chinese wheats detected by molecular markers / X. Zhang [et al.] // Euphytica. – 2006. – Vol. 152, N 1. – P. 109–116. https://doi.org/10.1007/s10681-006-9184-6Zhang X., Yang S., Zhou Y., He Z., Xia X. Distribution of the Rht-B1b, Rht-D1 and Rht8 reduced height genes in autumn-sown Chinese wheats detected by molecular markers. Euphytica, 2006, vol. 152, no. 1, pp. 109–116. https://doi. org/10.1007/s10681-006-9184-6Chromosomal rearrangements in wheat: their types and distribution / E. D. Badaeva [et al.] // Genome. – 2007. – Vol. 50, N 10. – P. 907–926. https://doi.org/10.1139/g07-072Badaeva E. D., Dedkova O. S., Gay G., Pukhalskyi V. A., Zelenin A. V., Bernard S., Bernard M. Chromosomal rearrangements in wheat: their types and distribution. Genome, 2007, vol. 50, no. 10, pp. 907–926. https://doi.org/10.1139/g07-072Эффекты аллелей гена Rht8 по агрономическим признакам у озимой мягкой пшеницы в условиях степи юга Украины / В. И. Файт [и др.] // Цитология и генетика. – 2007. – Т. 41, № 2. – С. 30–36.Fayt V. I., Chebotar S. V., Mokanu N. V., Pilipenko M. V. The effects of gene Rht8 alleles at agronomic traits of winter bread wheat in the conditions of South Steppe of the Ukraine. Tsitologiya i genetika = Cytology and Genetics, 2007, vol. 41, no. 2, pp. 30–36 (in Russian).

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