CC BY
8DOI https://doi.org/10.47612/1999-9127-2021-31-42-52 УДК 575.73:633.11
О. А. Орловская, С. И. Вакула, Л. В. Хотылёва, А. В. Кильчевский
КОРРЕЛЯЦИИ И СТРУКТУРА ВАРИАЦИИ ПРИЗНАКОВ КАЧЕСТВА ЗЕРНА И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ С ЧУЖЕРОДНЫМ ГЕНЕТИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛОМ
Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 e-mail: [email protected]
Исследованы структура вариации и корреляционные связи между признаками качества зерна и продуктивности в выборке, состоящей из сортов T. aestivum, родственных видов мягкой пшеницы и полученных на их основе интрогрессивных линий. Усредненные по двум годам эксперимента значения содержания белка, макро- и микроэлементов в зерне сородичей пшеницы выше, чем у сортов (в 1,02-2,13 раза в зависимости от элемента; в 1,4 — для белка). Линии с чужеродным генетическим материалом характеризовались более широким генетическим разнообразием признаков минерального состава, чем родительские формы, и, как правило, превосходили исходные сорта мягкой пшеницы по накоплению микроэлементов. Наибольшее число статистически значимых корреляционных связей (не менее 7) выявлено для N, Р, Zn и Fe. Уровень накопления белка ассоциирован с содержанием Mg, Р, Fe, Zn, Cu в зерне пшеницы. Масса 1 000 зерен отрицательно коррелирует с рядом признаков минерального состава и содержанием белка в семени, но статистически значимо только с концентрацией азота. Выделены линии, имеющие высокие показатели, как по минеральному составу зерна, так и по продуктивности, которые представляют интерес для селекции пшеницы.
Ключевые слова: виды рода Triticum, интрогрессивные линии мягкой пшеницы, содержание белка, микро-и макроэлементов в зерне, корреляции между признаками качества зерна и продуктивности.
Введение
Более 2 млрд людей в мире в той или иной степени страдают от дефицита микроэлементов [1], что негативно сказывается на здоровье. Недостаток железа и цинка может привести к анемии, снижению работоспособности и даже к повышению уровня общей смертности, дефицит марганца — к снижению репродуктивной функции и умственных способностей. В связи с этим большое внимание уделяется улучшению минерального состава сельскохозяйственных культур, играющих ключевую роль в обеспечении населения продовольствием. Пшеница — один из наиболее широко выращиваемых злаков в мире, который обеспечивает около 20% суточной потребности в калориях, а в развивающихся странах данный показатель может достигать 60% [2]. За последние 50 лет произошел существенный рост продуктивности пшеницы, но при этом снизилась питательная ценность зерна. Установлено, что после 1965 года в связи с мас-
совым выращиванием высокопродуктивных и низкорослых сортов, в зерне пшеницы произошло снижение концентрации Fe, Zn, Си, Mg на 27%, 49%, 39% и 27% соответственно [3]. Существует мнение, что образцы с генами короткостебельности Ш^В1Ь и Rht-D1b имеют редуцированную корневую систему, что приводит к снижению способности поглощать минеральные вещества из почвы и запасать их в вегетативных органах [4]. Кроме того, низкое генетическое разнообразие признаков минерального состава зерна не позволяет использовать современные сорта в селекционных программах по улучшению питательной ценности пшеницы [5]. Содержание микроэлементов у стародавних образцов (ландрас) и чужеродных видов выше, чем у культивируемых сортов. Например, уровень накопления Zn у ландрас может достигать 87,29 мг/кг, в то время как у сортов мягкой пшеницы — только 53,30 мг/кг. Для железа данный показатель составляет 122,2 мг/кг и 56,5 мг/кг соответствен-
но [2]. Образцы родственных видов пшеницы (T monococcum, T. dicoccoides, T. dicoccum, T. spelta, Ae. tauschii) также характеризуются повышенной концентрацией минералов в зерне по сравнению с сортами T. aestivum [6, 7].
Известно, что накопление минералов в зерне пшеницы зависит от многих процессов, включающих их поглощение из почвы, транспорт по корневой системе и стеблю, ремо-билизацию из вегетативных органов в зерно [2]. В настоящее время нет точных сведений о физиологических и генетических механизмах данных процессов у пшеницы. Вероятнее всего, для повышения биодоступности микроэлементов из почв пшеница выделяет в ризосферу фитосидерофоры, которые образуют комплексы с ионами минералов для их дальнейшего транспорта в вегетативные части и зерно. Однако есть данные о возможности поглощения и транспорта отдельных микроэлементов (в частности железа) без предварительного формирования комплекса элемента с фитосидерофорами, а напрямую посредством транспортеров семейства ZIP и NRAMP1 [2]. Предполагаемые общие механизмы накопления минералов в зерне пшеницы обуславливают возможность селекции одновременно по нескольким признакам качества зерна. В связи с этим, большой интерес представляют исследования корреляционных отношений между содержанием различных элементов в зерне пшеницы.
С целью обогащения и улучшения генофонда мягкой пшеницы нами получены линии T. aestivum с интрогрессиями генетического материала T. dicoccoides, T. dicoccum, T. durum, T. spelta, T. kiharae, проведен анализ характера чужеродных интрогрессий и их влияния на цитологическую стабильность гибридов [8, 9]. Целью данной работы было изучение возможности улучшения питательной ценности зерна мягкой пшеницы посредством интрогрессии в ее геном генетического материала родственных видов и оценка корреляционных отношений между содержанием основных минеральных элементов, белка и массой 1 000 зерен.
Материалы и методы
В исследование включены 4 сорта яровой мягкой пшеницы (Рассвет, Саратовская 29, Фестивальная, Pitic S62), тетраплоидные
T. dicoccoides, T. dicoccum (2n = 28) и гекса-плоидные T. spelta, T. kiharae (2n = 42) виды рода Triticum, а также 20 интрогрессивных линий, полученных нами. Из 20 изученных линий 7 создано с участием T. dicoccoides (29 Рассвет х T. dicoccoides к-5199; 8 Саратовская 29 х T. dicoccoides; 11-1, 13-3, 15-7-1, 15-7-2, 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная), 6 — с Т. kiharae (19, 20-1, 25-2 T. kiharae х Саратовская 29; 28, 34-1, 34-2 T. kiharae х Фестивальная) и 5 — с T. dicoccum (1-3, 2-7 T. dicoccum к-45926 х Фестивальная, 206-2, 208-3, 213-1 Pitic S62 х T. dicoccum к-45926), 2 — с T. spelta (7 T. spelta к-1731 х Саратовская 29, 1-8 T. spelta к-1731 х Рассвет). Образцы чужеродных доноров получены из коллекции ВИР, информация о родословных отдельных образцов не сохранилась (номера по каталогу ВИР не указаны). Растения выращивали на экспериментальных полях Института генетики и цитологии НАН Беларуси в 2018 и 2020 гг. (г. Минск, РБ) на дерново-подзолистой супесчаной почве. Минеральные удобрения вносили в следующих дозах: азотные — 80 кг д. в./га, фосфорные — 70 кг д. в./га, калийные — 90 кг д. в./га.
Уровень накопления макро- (N, К, Р, Са, Mg) и микроэлементов (Zn, Fe, Cu, Mn) в зерне определяли в Центре аналитических и спектральных измерений Государственного научного учреждения «Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси». Концентрацию азота оценивали на CHNOS-анализаторе VARIO EL фирмы ELEMENTAR, содержание остальных элементов — на атом-но-эмиссионном спектрометре IRIS Intrepid II XDL DUO. Для каждого образца анализ проводили в двукратной биологической повтор-ности, измерения повторяли 10 раз для каждой пробы. Общее содержание белка в зерне пшеницы определяли в соответствии с ГОСТ 10846-91 в Центральной республиканской лаборатории ГУ «Государственная инспекция по испытанию и охране сортов растений» (г. Минск, РБ).
Результаты эксперимента обобщены с использованием методов описательной статистики, корреляционного анализа. Статистические процедуры реализованы в программной среде R с использованием библиотек ggplot2 и GGally.
Результаты и обсуждение
Для каждого генотипа данные двухлетнего эксперимента были обобщены в средние значения признаков минерального состава, содержания белка и массы 1 000 зерен, что позволило нивелировать вклад в вариацию генотип-средового взаимодействия, статистическая значимость которого показана в нашей предыдущей работе (находится в печати). Перед проверкой гипотез о взаимосвязи данных признаков проведен расчет мер центральной тенденции в общей выборке, в группе родительских сортов, видов рода ТгШсит и полученных на их основе интрогрессивных линий. Для оценки меж- и внутригрупповых корреляций и структуры вариации признаков использовали: гистограммы, диаграммы распределения, графики рассеяния и диаграммы разброса, описывающие показатели качества зерна в анализируемых группах и общей выборке (рис. 1).
В связи с особенностями формирования выборки (таксономически и генетически различающиеся группы неравного объема) все исследуемые признаки характеризовались отличным от нормального распределением. Чаще встречаются образцы со значениями превосходящими среднее арифметическое по признакам: масса 1 000 зерен, содержание К и Мп. Это выражено в незначительной (К, Мп) или умеренной (масса 1 000 зерен) левосторонней асимметрии (Ак < 0) выборочного распределения. В трех экспериментальных группах меры центральной тенденции этих признаков в значительной степени перекрываются (рис. 1). Исходя из анализа кривых распределения и диаграмм размаха, среди линий с чужеродным генетическим материалом присутствуют генотипы, по этим признакам достигающие уровня лучшего родителя. Особенно высокое содержание калия в зерне отмечено для линий 208-3 и 206-2 РШс S62 х Т. dicoccum к-45926 (6522,8 и 6636,32 мг/кг соответственно), уровень которого превышал значения как родительских форм, так и других интрогрессивных линий.
Для признаков с правосторонней асимметрией (Ак > 0) существует соотношение Мода < Медиана < Среднее арифметическое. Существенные отклонения от симметрии в сторону низких значений показаны для кон-
центрации в зерне белка, N, Cu, P и Mg. Для содержания Zn и Ca, напротив, отмечена незначительная правосторонняя асимметрия распределения. Выявленные тенденции распределения признаков в выборке отражают особенности накопления минералов, белка и формирования крупного семени у исследуемых сортов, видов и интрогрессивных линий. «Правые хвосты» распределения преимущественно сформированы образцами рода Triticum или интрогрессивными линиями с трансгрессией признака.
Усредненные по двум годам эксперимента значения содержания белка, макро- и микроэлементов в зерне сородичей пшеницы выше, чем у сортов (в 1,02-2,13 раза в зависимости от элемента; в 1,4 — для белка). Показанный нами повышенный уровень содержания белка и минералов у видов рода Triticum подтверждается данными литературы, согласно которым многие родственные виды T. aestivum характеризуются более высоким количеством данных нутриентов в зерне по сравнению с культивируемыми сортами [7, 10]. Достоверных различий между сортами и сородичами пшеницы нами не выявлено только по уровню накопления Са и Mn. Схожие результаты приводятся в работе Murphy et al., 2008 [11], в которой по содержанию Са не установлены статистически значимые различия между стародавними и современными сортами пшеницы, а по содержанию Mn различия были минимальны.
Линии с чужеродным генетическим материалом характеризовались более широким генетическим разнообразием признаков минерального состава, чем родительские формы, о чем можно судить по широкому размаху вну-тригрупповой вариации, мультимодальности построенных гистограмм и низкому эксцессу кривых распределения (рис. 1). Интрогрес-сивные линии, как правило, превосходили исходные сорта мягкой пшеницы, но уступали видам рода Triticum по накоплению белка, Zn, Fe, Cu, Mn. Концентрация N, Р, Mg, К у большинства гибридных генотипов была ближе к значениям сорта и уступала показателям сородичей пшеницы (рис. 1).
Из 20 проанализированных линий с интро-грессией чужеродного генетического материала 12 генотипов превышали родительский
ЮТ£ горин
" 1.! .1. I "
15 1 10!
№4 1
кЛ <
1Н'!
1г»:с
ИН^
ни]
13« ■
»л;
с »ОМ—
ГиврМ* о ЬК'
1 ю-Лчигг 9 ЦТ" тп'л:|.<г 1 р. 0 4Г11
I А|=1
АА
А=1.34 А
г в й №
г,**^. .ом
I/.-'-11■': 14]. 4
..'■мщ: <1091
1.=0.1Э
г « 0391* г пый1шт 0 7
г .аезг-свгб-| «вы™« о вн т:чгип»|к »иг
."ивр,-^ и Ж ' Н !4]НД1| .0
йр: 0 ОМ
Р ■ 0272 ТЦДОы ив» .¡.«-в Гл:^..лп »рс ооег
А. =-»,07
■ .ч;.
а н
1(1 -
'■. 'г..
-СЕ— 1Ь
■
Г-06Ы*"
п у:!
Тг-.Ч-ц- «р И и?
г»
ГУСйсЛ' О ¡'-¿2"" ■г. вр:
г. о сан
ГивриЙм Ш
гммш огю
Тг i-.il"! вр: &«Я
Г»№Цт Л Мб 'Лимч. 0043
МОЛ)
Гивц^ РНР Гц»НЧчЛ10 7»4
'■ :■! .1": Ир: 02&*
А|-В,27
т-
г»0+91"
парны 4 091 ГиМшлиА«-
ййщиячк Одд
Г "0 43Е"
fi.4p.xlij □ 4?3 Г ■...., 094« »рс 40111
оют
ПййЛ. .0«0* Гр*№11Л1ЫН 7. г.^.щ ал: 09»"
ГиЦрчЗкн 4 031 л вр: 0613
Г - (Н<()'
Одн«« о н*
тййПкш-И РКЗ"
Тп№ил1 ар: ООЙО
Г'ЯСвИП:"
г-ОЗЫ* ГцДйпЗ» 0402' ГняПпгпШГ 'Шкиив: ВДВ
г ■ 0130
Т^'.р"!.-0Н2 Т."^„V-! »[Ц 024
г* о ОВД
.0(Я0
1 «¿чл) о ога
'пКчш Вр: (К)Ш Ги^л.ь'с.' 0404'
г мальм а о«
7г1Кип1 ар: МП
С ■ I>242
Гийрч!к< Ш Г«мп™*в(6г ТтГ^_■11: вр: О 301
иогег"
ч- '
а.Ч..
И 1»
ф « "
№4 1И0
••Т.
■хп "О
•л V.
1
«с
I п
¡•'Шг
Гибрид* 0222 Г.-„т(5Н 1р А/13
&340
Г,.>-11Л11р: 0*57
г- (1ЖЭ 10.С,,|Г1Ч 033 Г Г НЯНЛ1 О ЫЯ ГиПсит вр: О 4М
П
1 м:1 д ^ т ■■ ■.■-..■■■ эр: О
то 183"
о эта
7 ¡*№ю/п а к? 1"I вр:
га С2И
ГцЛ130
ТМагп вр: й ^Бв
1'ЦЗЦ1
Гийрьды О «Г 7 .ч^'..-! д евв Впештр -0 »30
болов Я
—аз—. | № ' § - Г} 5
ПШ'"
Гм^ЫигОТв!
П^Ьля »р: о П13"
Т.'!'? 1.1Г- ф^-.
= л э"" 0966
К'1
г-ог»
ЛЛоиЛы 0 126 Г ПИ"'-,„НПО Л? ПФетй*^ 07М
I
Г о НА
7л!™- | вр: 0817
.-.■виз,, чгя
? ■
'.сын ЦК 4ЛМ9 К1
а »падв^ а____________ ____
12Щ К» № Щ <И № А Л 15 В В Ч » « ч ч л
К № И »
и 1.>ж
-еи-
г. лма-
Гипеит»р -о »гр
О Зг Г 03«
П№Л1«р: -ог(&
г."®!»
ГлвтыйЛ №41 7Им..-|вр:
Г' 0»1
^ийрь^Ь -Й 7 - 1} ВО
ГпАеи-п вр: 0 054
I • )Ж
гимшимиеге
7п?™пвр: 031В
> ■ .0 ЧИ Г лг^,^.,.-,"! О ЗЪЗ
аОЛ
И 0192
Пи4№С» 0300 1 -О Р37
Гппигл вр: Л №
I» ащ1
паров* азот
7.4.1'., ИЦН ТЧ1ИИ1 [р: 0 41
Тийммюгв
хШ
» В мэ 1> «и || 1| К »
■ О «8
!.■ "ii.ni ЗОД]' г-огво"
Г- ...*■ вр он
г- 0Я> 0 410 Г Ж
0&Н г "0*7"
ГЛфУ.-^игТЧ -О 040 Ч|М.:.'Ц» 01И
г.4314
43Р
.ЧГк'.'.т 4 й^Э
А-=0Г!
А — коэффициент асимметрии; г — коэффициент корреляции Пирсона; * — статистически значимо при р < 0,05; ** — статистически значимо прир < 0,01 Рис. 1. Категорированные диаграммы разброса признаков минерального состава зерна, содержания белка и массы 1 ООО зерен и коэффициенты корреляции Пирсона между данными признаками для трех групп генотипов пшеницы (сорта, образцы видов ТгШсипи интрогрессивные линии)
сорт по содержанию белка в зерне. Самый высокий процент белка характерен для линий 11-1, 13-3 Т. dicoccoides х Фестивальная и 19 Т. kiharae х Саратовская (20,04%; 20,55%; 19,35% соответственно). Следует отметить, что интрогрессивные линии не превосходили по данному показателю лучшую родительскую форму (сородичей пшеницы), что согласуется с данными литературы. Например, в работе Диордиевой и др. [12] показано, что при скрещивании генотипов пшеницы с высоким и низким содержанием белка у гибридов наблюдается наследование данного признака худшего из родителей.
Известно, что масса 1 000 зерен коррелирует с урожайностью и выходом муки. Высокие значения по этому признаку в большей мере свойственны сортам культурной пшеницы, чем родственным видам (рис. 1). Размах вариации массы 1 000 зерен в коллекции интрогрессив-ных линий составил от 28,8 г. (линия 13-3) до 49,95 г (линия 20-1). Как правило, у линий данный показатель был на уровне исходного сорта или с высокой степенью достоверности превышал его. Снижение массы 1 000 зерен по сравнению с исходным сортом выявлено только для 4 линий, созданных с участием Т. dicoccoides (29, 11-1, 13-3, 8) и 1 — с участием Т. spelta (1-8). Выделены интрогрессивные линии, превосходящие родительские сорта по содержанию комплекса элементов в оба года: 208-3 и 206-2 РШс S62 х Т. dicoccum к-45926 Р, К, Zn, Fe, Мп и Си), 11-1 Т. dicoccoides х Фестивальная (^ Mg, Zn, Мп, Си), 16-5 Т. dicoccoides х Фестивальная (Ы", Р, К, Mg, Zn, Fe, Си), 15-7-1 Т. dicoccoides х Фестивальная (Ы, Mg, Zn, Си), 19 Т. kiharae х Саратовская 29 (Ы, Mg, Fe, Мп), 25-2 Т. kiharae х Саратовская 29 (Ы, Mg, Fe, Мп, Си), 34-1 Т. kiharae х Фестивальная (Mg, Zn, Fe, Мп, Си). Данные генотипы также имели высокие значения по массе 1 000 зерен, за исключением линии 11-1 Т. dicoccoides х Фестивальная, что повышает их ценность для селекции.
Силу и направления связи между признаками крупности зерна (масса 1 000 зерен) и его биохимическим составом (содержания минералов и белка) оценивали с использованием линейного коэффициента корреляции Пирсона (г, рис. 1). Мы не выявили отрицательных корреляций между концентрацией изученных
минеральных элементов в зерне, что позволяет предполагать слабость механизмов конкуренции и антагонизма ионов при транспорте питательных веществ в созревающее семя. Общее количество белка в зерне положительно коррелирует с уровнем накопления N Mg, Р, Fe, Zn и Си. Масса 1 000 зерен находилась в обратной зависимости от содержания белка и минеральных элементов в семени (исключение — Fe и Мп), однако в общей выборке статистически значима только корреляция массы 1 000 зерен с концентрацией азота, в группе интрогрессивных линий — с N и Mg.
Наибольшее число статистически значимых корреляционных связей выявлено для N Р, Zn и Fe (рис. 1). Тесная ассоциация установлена между содержанием белка и N Mg, Р (г = 0,87; 0,84; 0,71 соответственно), Zn и Мп (г = 0,73), Р и Mg (г = 0,69), Р и К (г = 0,69). Общий белок семени коррелирует с содержанием Fe, Zn и Си (г = 0,56; 0,52; 0,47 соответственно). Связи средней силы показаны между накоплением Zn и N (г = 0,65), Zn и Fe (г = 0,64), Fe и Мп (г = 0,60), Fe и Р (г = 0,49), Fe и N (г = 0,49), Zn и Си (г = 0,48). Содержание К в зерне коррелирует только с уровнем Р, N и Fe. При рассмотрении всех образцов коллекции статистически значимых зависимостей между накоплением Са и концентрацией других элементов в зерне не выявлено. Однако корреляцию очень высокой силы наблюдали между содержанием Са и Mg в зерне культурных сортов и между Са и Fe у диких сородичей пшеницы. Установлено, что сила связи между макроэлементами была выше, чем между макроэлементами и микроэлементами (рис. 1), что предполагает некоторые различия в генетических и физиологических механизмах их накопления в зерне пшеницы.
Основной запасающей тканью зерна злаковых является эндосперм, в центральной части которого накапливается белок (про-ламины, 1^-глобулины) и крахмал. Однако, 7S-глобулины, масла и более 80% минеральных веществ запасаются во внешнем слое эндосперма (алейроновый слой) и щитке зародыша [13]. Общее содержание белка в зерне исследуемых пшениц статистически достоверно связано с уровнем накопления макро- (К, Р, Mg) и микроэлементов ^п, Fe, Си). Сопоставимые с нашими результаты были полу-
чены при изучении коллекции дикой полбы, в зерне которой накопление белка коррелировало с содержанием Zn, Fe, Си, Mg, Р [6]. Ассоциация между содержанием белка и Zn, Fe была показана для образцов дикой полбы [14], культурной полбы [15], спельты [7] и для сортов культурной пшеницы [5, 10, 16]. Это указывает на наличие общих физиологических и (или) генетических факторов, контролирующих накопление нутриентов в зерне диких и культурных форм. Так, локусы количественных признаков ^ТЬ), ассоциированные с содержанием белка, Zn, Fe, Си, Р, картированы на 2А, 5А, 6В и 7А хромосомах рекомбинант-ных линий твердой пшеницы и дикой полбы, а также на 5А хромосоме Т. топососсит [17]. В настоящее время на коротком плече 6В картирован ген NAM-B1, его продукт (транскрипционный фактор) регулирует ремобилизацию питательных веществ из листьев в зерно и оказывает существенное влияние на уровень накопления белка [18]. Кроме того, NAC-фактор регулирует экспрессию некоторых генов, отвечающих за транспорт Zn и Fe из цитоплазмы во флоэму и из флоэмы в зерно [19]. Функциональный аллель NAM-B1, связанный с высоким содержанием белка и микроэлементов в зерне, обнаружен преимущественно у сородичей пшеницы, в то время как у современных сортов данный аллель практически не встречается [18]. Результаты оценки стародавних образцов и генотипов различного географического происхождения показали, что потеря функциональных аллелей гена NAM-B1 произошла в современный период селекции пшеницы и неконтролируемый процесс их утраты продолжается [20]. В нашем исследовании было отмечено увеличение силы связи между общим белком и содержанием N Zn, Fe и Си в группе образцов родственных видов (рис. 1). Молекулярно-генетическими методами нами подтверждена утрата функционального аллеля NAM-B1 в геноме родительских сортов культурной пшеницы и большинства интрогрессивных линий, полученных на их основе (данные не опубликованы). Однако для подтверждения участия гена NAM-B1 в сдвиге корреляционных взаимоотношений между зерновым белком и минеральными компонентами необходимы дальнейшие исследования.
Показана статистически достоверная связь
азота со всеми изученными минералами, за исключением кальция (рис. 1). Исследования зарубежных ученых установили, что N оказывает положительный эффект на корневое поглощение из почвы микроэлементов, а также на их дальнейший транспорт в побеги и зерно. При высоком уровне азотного питания около 60% Fe из побегов поступает в зерно, а при низком — только 38% [21]. Считается, что азот усиливает активность транспортеров Zn и Fe ^РТ- ГОТ-подобные белки) и экссудацию фитосидерофоров (никотинамин, аминокислоты), которые играют решающую роль в извлечении микроэлементов из почвы. Напротив, излишнее количество Р в почве снижает уровень микоризообразователей и синтез фи-тосидерофоров, что ингибирует поглощение микроэлементов корнями [22]. Сложные взаимодействия между фосфором, азотом и микроэлементами необходимо учитывать при использовании минеральных удобрений.
Соединения фосфора задействованы в процессах метаболизма, фиксации азота, активации ферментов и рецепторов. Фосфатная группа входит в состав ключевых биомолекул — нуклеиновых кислот, фосфолипидов, аденозинтрифосфорной кислоты. По данным нескольких исследований концентрация фосфора в семени положительно коррелирует с уровнем Zn, Fe, Си, Са, К, Mg [6, 17]. Можно отметить, что наиболее высокие коэффициенты корреляции установлены между содержанием в зерне Р и К, Р и Mg, что согласуется с нашими данными (рис. 1). Тесная связь (г = 0,71) выявлена нами также между содержанием Р и белка в семени, хотя в группе ин-трогрессивных линий и диких видов пшеницы уровень достоверности и силы связи между признаками сильно снижен (рис. 1). В работе Ре^ et а1., 2009 [17] ассоциация между содержанием белка и фосфора составила 0,61, а для четырех из восьми QTL, связанных с уровнем фосфора, показана совместная локализация с QTL, ассоциированных с концентрацией белка. Данный факт необходимо учитывать при селекции на высокую питательную ценность зерна, так как у пшеницы общее содержание белка сильно коррелирует и с содержанием фосфора, и фитиновой кислоты. Известно, что у злаков 85% фосфора депонируется в алейроновом слое в форме фитиновой кислоты, соли
которой хелатируют катионы металлов ^п2+, Fe2+, Mg2+ и др.), тем самым снижая их биодоступность для моногастральных животных и человека [23]. Высвобождение минералов может происходить в результате гидролитического расщепления эфирных связей фитиновой кислоты ферментами фитазами растительного, животного или микробного происхождения, а также при помощи различных технологических приемов в процессе производства кормов. Следует отметить, что при сравнительном анализе минерального состава зерна образцов спельты и мягкой пшеницы установлено, что, несмотря на более высокую концентрацию фосфора в зерне спельты, концентрация фитиновой кислоты у нее была на 40% ниже, чем у Т. aestivum [24]. На основании этих наблюдений можно предположить, что для спельты характерна более высокая активность эндогенной фитазы или более низкое содержание фитиновой кислоты. Есть данные о высокой активности ферментов гидролиза фитиновой кислоты у генотипов синтетической пшеницы. Таким образом, сородичи пшеницы представляют интерес для увеличения активности фитаз у современных сортов с целью улучшения биодоступности минералов в зерне. Нами получены интрогрессивные линии с низким уровнем корреляции между содержанием белка и фосфора в семени (г = 0,27, рис. 1), что имеет значение для питательной ценности зерна пшеницы.
Fe, Си и Zn — металлы с переменной степенью окисления, в клетке преимущественно представленные двухвалентными катионами. Все эти металлы играют важную роль в клеточном метаболизме, но при высоких концентрациях токсичны. Таким образом, для поддержания ионного гомеостаза растения должны сбалансировать поглощение, утилизацию и запасание этих минералов. Хотя в транспорте каждого из этих металлов участвуют различные молекулы, одни транспортеры могут переносить все три элемента, а другие проявляют специфичность для конкретного иона. Также отличаются стратегии хелатирования и запасания этих минералов. Нами показаны статистически значимые корреляции между уровнем Zn и Fe, Zn и Си. При этом в группах диких сородичей пщеницы и у интрогрессив-ных линий данные связи распадаются, что мо-
жет быть обусловлено высоким генетическим разнообразием этих групп. Корреляция между содержанием Fe, Си, Zn и другими элементами рассмотрена в работах нескольких зарубежных авторов [6, 25]. Особенно большое внимание уделено положительной корреляции Zn, Fe и белка, а также ассоциации между микроэлементами ^п, Fe, Мп, Си) [14, 16]. В настоящее время известны общие локусы, ассоциированные с содержанием Zn и Fe в зерне сортов и образцов родственных видов пшеницы на хромосомах 1А, 2А, 2В, 3А, 3D, 4В, 5А, 6А, 6В, 7А, 7В [26]. В работе китайских ученых на основе GWAS идентифицированы 38 генов-кандидатов, связанных с концентрацией Zn, Fe, Мп в зерне пшеницы. Данные гены можно классифицировать на 4 группы, в зависимости от типа белков, которые они кодируют. Так первая группа генов кодирует такие ферменты, как железозависимая диоксигеназа, металзависи-мая гидролаза, фосфотаза, метилтрансфераза. Вторая группа — транспортные белки (АВС-транспортер, транспортер тяжелых металлов и сахаров); третья группа — МУБ транскрипционные факторы, семейство цинковых пальцев и трансмембранные белки; последняя группа — белки защитного ответа (рецепторподобная киназа, митоген-активированная протеинкина-за (МАРК)) [27].
Корреляции признаков минерального состава зерна с массой 1 000 зерен слабые положительные (Мп, Fe) или слабые отрицательные (Р, Са, Mg, К, Zn, Си) статистически недостоверные (рис. 1). Масса 1 000 зерен статистически значимо ассоциирована только с концентрацией азота (г = -0,48). Наши данные согласуются с результатами, полученными зарубежными авторами, которые также не выявили достоверных связей между массой 1 000 зерен и концентрацией минералов в зерне линий мягкой пшеницы различного происхождения [10, 28]. Изучение 160 линий пшеницы с генетическим материалом Т. dicoccoides обнаружило статистически значимую положительную связь между массой 1 000 зерен и содержанием в зерне Мп, однако зависимости между массой зерна и концентрациями в нем Zn и Fe были статистически незначимы [27].
Минеральный состав зерна может находиться под сильным влиянием фактора его размера, в связи с чем мы рассмотрели услов-
ные корреляции между признаками содержа- существенного снижения величины коэффи-
ния девяти элементов и запасного белка при циента корреляции между анализируемыми
фиксированных значениях массы 1 000 зерен. признаками (рис. 1, рис. 2). Наоборот, в част-
При фиксировании массы семени не отмечено ных корреляциях мы наблюдали увеличение
Рис. 2. Граф частных корреляций между признаками содержания белка и девяти элементов в зерне исследуемых
интрогрессивных линий пшеницы и их родительских форм
тесноты связи между уровнем Fe и содержанием белка, N Р. При этом частная корреляция железа с содержанием цинка (0,43) и марганца (0,39) в семени несколько слабее парных коэффициентов Пирсона (0,64 и 0,60 соответственно). Выявленные зависимости указывают на отсутствие значимого влияния размера зерна на соотношение концентраций минеральных веществ в семени, что имеет большое значения для организации как селекционного процесса, так и технологии переработки зерна.
Заключение
Биофортификация (биообогащение) зерна минеральными элементами и белком — эффективный и экономичный метод борьбы со скрытым голодом и дефицитом жизненноваж-ных нутриентов в рационе человека. Однако если прогресс в росте продуктивности пшеницы ярко выражен, то успехи в увеличении содержания белка и минералов в зерне незначительны. В первую очередь это связывают с отрицательной корреляцией этих признаков, хотя природа данной зависимости окончательно не ясна. Существует мнение, что низкая концентрация белка и минералов в зерне
современных продуктивных сортов является следствием негативного селекционного отбора на питательную ценность зерна [11]. Мы исследовали структуру вариации, простые линейные связи между признаками качества зерна и массой 1 000 зерен в выборке, состоящей из сортов Т. aestivum, родственных видов мягкой пшеницы и полученных на их основе интрогрессивных линий.
Усредненные по двум годам эксперимента значения содержания белка, макро- и микроэлементов в зерне сородичей пшеницы были выше, чем у сортов (превышение составило от 1,02 до 2,13 раза в зависимости от элемента; в 1,4 — для белка), что говорит о перспективности использования видов рода ТгШсит в селекционных программах, ориентированных на биофортификацию зерна. Линии с чужеродным генетическим материалом характеризовались более широким генетическим разнообразием признаков минерального состава, чем родительские формы, и, как правило, превосходили исходные сорта мягкой пшеницы по накоплению микроэлементов. Концентрация макроэлементов большинства гибридных генотипов была ближе к значениям сорта. По
содержанию белка в зерне 60% интрогрессив-ных линий превышали исходный сорт, но не достигали уровня лучшего родителя (сородичей пшеницы).
В нашем исследовании не выявлено отрицательных корреляций между концентрацией изученных минеральных элементов в зерне, что позволяет предполагать слабость механизмов конкуренции и антагонизма ионов при транспорте питательных веществ в созревающее семя. Напротив, статистически значимые связи, установленные между уровнем зернового белка и содержанием Mg, Р, Fe, Zn, Cu указывают на возможность улучшения сразу нескольких признаков качества зерна пшеницы. Подтверждением этого являются созданные нами интрогрессивные линии, превосходящие родительские сорта по содержанию комплекса элементов. Отсутствие у изученных генотипов статистически значимых связей между массой 1 000 зерен с накоплением белка и микроэлементов в зерне не позволяет делать однозначных выводов о перспективах селекции на одновременное повышение питательной ценности зерна и продуктивности пшеницы. Однако нами выделены линии, сочетающие высокие показатели по минеральному составу зерна и продуктивности: 208-3 и 206-2 Pitic S62 х T. dicoccum к45926, 15-7-1 и 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная, 19 и 252 T. kiharae х Саратовская 29, 34-1 T. kiharae х Фестивальная. Данные линии представляют интерес для селекции пшеницы на качество зерна.
Список использованных источников
1. Tabbita, F. Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: ten years of the GPC-B1 gene / F. Tabbita, S. Pearce, A. J. Barneix // J. Cereal Sci. - 2017. - Vol. 73. - P. 183-191.
2. Biofortification 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, № 1. - P. 1-35.
3. Evidence of decreasing mineral density in wheat grain over the last 160 years / M.-S. Fan [et al.] // J. Trace Elem. Med. Biol. - 2008. - Vol. 22. - P. 315-324.
4. Genetic impact of Rht dwarfing genes on grain micronutrients concentration in wheat / G.
Velu [et al.] // Field Crops Res. - 2017. - Vol. 214. - P. 373-377.
5. Iron and zinc grain density in common wheat grown in Central Asia / A. Morgounov [et al.] // Euphytica. - 2007. - Vol. 155, № 1-2. -P. 193-203.
6. Genetic diversity for grain nutrients in wild emmer wheat: potential for wheat improvement / M. Chatzav [et al.] // Annals of Botany.
- 2010. - Vol. 105, № 7. - Р. 1211-1220.
7. Grain concentrations of protein and mineral nutrients in a large collection of spelt wheat grown under different environments / H. F. Gomez-Becerra [et al.] // J. Cereal. Sci. - 2010. -Vol. 52. - P. 342-349.
8. Features of chromosome behavior in mei-osis in common wheat lines containing genetic material of tetraploid wheat species / O. A. Or-lovskaya [et al.] // Russian Journal of Genetics: Applied Research. - 2016. - Vol. 6, № 2. -P. 225-232.
9. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae / O. A. Orlovskaya [et al.] // BMC Plant Biology. - 2020. - Vol. 20 (Suppl. 1). - Pub. 201.
10. Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin / F. J. Zhao [et al.] // J. Cereal. Sci. - 2009.
- Vol. 49, № 2. - P. 290-295.
11. Murphy, K. M. Relationship between yield and mineral nutrient concentrations in historical and modern spring wheat cultivars / K. M. Murphy, P. G. Reeves, S. S. Jones // Euphytica.
- 2008. - Vol. 163, № 3. - Р. 381-390.
12. О результатах селекции пшеницы спельта (Triticum spelta L.) на продуктивность и качество зерна / И. П. Диордиева и др. // Сельскохозяйственная биология. - 2020. -Т. 55, № 3. - С. 552-563.
13. Spatial X-ray fluorescence micro-imaging of minerals in grain tissues of wheat and related genotypes / S. P. Singh [et al.] // Planta.
- 2014. - Vol. 240, № 2. - Р. 277-89.
14. Grain zinc, iron and protein concentrations and zinc-efficiency inwild emmer wheat under contrasting irrigation regimes / Z. Peleg [et al.] // Plant Soil. - 2008. - Vol. 306. - P. 57-67.
15. Gregorio, G. B. Progress in breeding for trace minerals in staple crops / G. B. Gregorio // J. Nutr. - 2002. - Vol. 132, № 3. - P. 500-502.
16. Genetic variability and stability of grain magnesium, zinc and iron concentration in bread wheat / F. X. Oury [et al.] // Eur. J. Agron. -2006. - Vol. 25, № 2. - P. 177-185.
17. Quantitative trait loci conferring grain mineral nutrient concentrations in durum wheat x wild emmer wheat RIL population / Z. Peleg [et al.] // Theor. Appl. Genet. - 2009. - Vol. 119, № 2. - P. 353-369.
18. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat / C. Uauy [et al.] // Science. - 2006. - Vol. 314, № 5803. - P. 1298-1301.
19. Regulation of Zn and Fe transporters by the GPC1 gene during early wheat monocarpic senescence / S. Pearce [et al.] // BMC Plant Biol. - 2014. - Vol. 14. - Pub. 368.
20. Asplund, L. Re-evaluating the history of the wheat domestication gene NAM-B1 using historical plant material / L. Asplund, J. Hagen-blad, M. W. Leino // J. Archaeol. Sci. - 2010. -Vol. 37, № 9. - P. 2303-2307.
21. Kutman, U. B. Effect of nitrogen on uptake, remobilization, and partitioning of zinc and iron throughout the development of durum wheat // U. B. Kutman, B. Yildiz, I. Cakmak // Plant and Soil. - 2011. - Vol. 342. - P. 149-164.
22. The reduction in zinc concentration of wheat grain upon increased phosphorus-fertilization and its mitigation by foliar zinc appli-
cation / Y. Q. Zhang [et al.] // Plant and Soil. -2012. - Vol. 361. - P. 143-152.
23. Determination of phytic acid in cereals-a brief review / P. Wu [et al.] // Int. J. Food Sci. Technol. - 2009. - Vol. 44, № 9. - P. 1671-1676.
24. Spelt (Triticum aestivum ssp. spelta) as a source of breadmaking flours and bran naturally enriched in oleic acid and minerals but not phytic acid / N. L. Ruibal-Mendieta [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2005. - Vol. 53, № 7. - P. 2751-2759.
25. Variation in grain Zn concentration, and the grain ionome, in field-grown Indian wheat / J. S. Khokhar [et al.] // PLoS One. - 2018. - Vol. 13, № 1. - e0192026.
26. QTL mapping of grain Zn and Fe concentrations in two hexaploid wheat RIL populations with ample transgressive segregation / L. A. Crespo-Herrera [et al.] // Front. Plant Sci. - 2017. -Vol. 8. - Pub. 1800.
27. Genome-wide association study for grain micronutrient concentrations in wheat advanced lines derived from wild emmer / J. Liu [et al.] // Front. Plant Sci. - 2021. - Vol. 12. - Pub. 651283.
28. Genetic gain for grain micronutrients and their association with phenology in historical wheat cultivars released between 1911 and 2016 in Pakistan / M. Shaukat [et al.] // Agronomy. -2021. - Vol. 11, № 6. - Pub. 1247.
O. A. Orlovskaya, S. I. Vakula, L. V. Khotyleva, A. V. Kilchevsky
CORRELATIONS AND VARIATION STRUCTURE OF GRAIN QUALITY TRAITS AND YIELD OF WHEAT LINES WITH FOREIGN
GENETIC MATERIAL
State Scientific Institution "Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus" 27 Akademicheskaya St., 220072 Minsk, Republic of Belarus e-mail: [email protected]
We studied variation structure and correlations between the traits of grain quality and yield in the sample consisting of T. aestivum cultivars, related common wheat species and introgression lines obtained on their basis. In the grain of wheat relatives, two-year average grain macronutrients, micronutrients and protein content were higher than in T. aestivum (1.02 to 2.13 times, depending on the element; 1.4 — for protein). The genetic diversity of mineral composition traits was wider for the lines containing foreign genetic material than for their parental forms, and as a rule, the introgression lines exceeded the original common wheat varieties in the microelements accumulation. The greatest possible number of statistically significant correlations (at least 7) was found for N, P, Zn and Fe content. Protein content was associated with grain's Mg, P, Fe, Zn, Cu. Thousand-kernel weight (TKW) is was negatively correlated with some traits of mineral composition and seed protein content. But the only significant (p = 0.05) association was between TKW and seed nitrogen. We identified lines with optimal mineral composition and high grain productivity, which are of interest for wheat breeding programs.
Keywords: species of genus Triticum, introgression lines of common wheat, grain protein, macro- and micronutrients content, correlations between traits of grain quality and yield.
Дата поступления в редакцию:10 сентября 2021 г.
