CC BY
8УДК 575.73:633.11
О. А. Орловская, С. И. Вакула, Л. В. Хотылёва, А. В. Кильчевский
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЗЕРНА ЛИНИЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ С ИНТРОГРЕССИЯМИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ВИДОВ РОДА
тятсии
Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 [email protected]
Изучен минеральный состав зерна линий мягкой пшеницы с интрогрессиями генетического материала других видов рода ТгШсит в сравнении с родительскими формами. Показано, что средние значения содержания макро- и микроэлементов в зерне образцов видов рода ТгШсит были выше, чем у сортов Т. ае'Ишт (в 1,12-2,46 раза в зависимости от элемента). Линии с чужеродным генетическим материалом, как правило, превосходили исходные сорта мягкой пшеницы, но уступали видам рода ТгШсит по содержанию основных минералов в зерне. Выделены линии, которые по уровню накопления отдельных элементов превышали обоих родителей: 11-1, 13-3 и 16-5 Т. dicoccoides х Фестивальная по 2п и М^ 206-2, 208-3 РШс S62 х Т. dicoccum к-45926, 1-3 Т. dicoccum к-45926 х Фестивальная, 16-5 Т. dicoccoides х Фестивальная — по К и Р; 20-1 Т. kiharae х Саратовская 29, 8 Саратовская 29 х Т. dicoccoides — по Са.
Ключевые слова: виды рода Triticum, интрогрессивные линии мягкой пшеницы, содержание микро- и макроэлементов в зерне.
Введение
Минеральные элементы играют важную роль в биохимических и физиологических процессах всех живых организмов. У растений многие из них оказывают влияние на рост, развитие, фотосинтез и водный обмен, а в итоге и на продуктивность. Дефицит минералов в организме человека может приводить к ухудшению работы иммунной системы, ослаблению памяти, анемии и другим проблемам со здоровьем. Более 2 млрд людей в мире в той или иной степени испытывают недостаточное поступление с пищей микроэлементов, особенно в районах, где значительную часть рациона питания составляют злаки [1]. Одной из наиболее важных сельскохозяйственных культур, которая играет ключевую роль в обеспечении продовольствием населения во всем мире, является мягкая пшеница (Т аезИшт L.). В настоящее время для данной культуры отмечена невысокая концентрация многих минеральных элементов в зерне, и, кроме того, в злаках содержатся вещества, которые препятствуют их усвоению (ок-салаты, фитин, волокна) [2, 3]. Известно, что дикие и примитивные пшеницы характеризу-
ются более высоким содержанием микроэлементов в сравнении с сортами и селекционными линиями и могут служить источниками генетического разнообразия для минерального состава зерна T. aestivum [4-6]. Например, концентрация цинка (Zn) и железа (Fe) в зерне современных сортов составляет в среднем 25 и 35 мг/кг соответственно, в то время как у образцов T. dicoccoides — 61 и 46 мг/кг соответственно [7]. С целью обогащения и улучшения генофонда мягкой пшеницы в скрещивания с сортами T. aestivum L. нами были привлечены образцы видов рода Triticum (T. dicoccoides, T. dicoccum, T. durum, T. spelta, T. kiharae). Проведенное ранее изучение генетического разнообразия коллекции интрогрессивных линий пшеницы с помощью методов С-бэндинга и SSR-анализа показало, что в геноме гибридных линий чужеродный генетический материал представлен как в виде небольших участков, так и в виде целых хромосом (межгеномные замещения) и их фрагментов (центрические и терминальные транслокации) [8, 9]. Цель данного исследования — изучение минерального состава зерна линий мягкой пшеницы с интро-
грессиями генетического материала видов рода Triticum в сравнении с родительскими формами.
Материалы и методы
В исследование включены 4 сорта яровой мягкой пшеницы (Рассвет, Саратовская 29, Фестивальная, Pitic S62), тетраплоидные T. dicoccoides, T. dicoccum, T. timopheevii (2n = 28) и гексапло-идные T. spelta, T. kiharae (2n = 42) виды рода Triticum, а также 20 интрогрессивных линий, полученных в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси. В работе использованы линии F из которых 7 создано с участием T. dicoccoides (29 Рассвет х T. dicoccoides к-5199; 8 Саратовская 29 х T. dicoccoides; 11-1, 13-3, 157-1, 15-7-2, 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная), 6 — с T. 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, 2083, 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). Растения выращивали на экспериментальных полях Института генетики и цитологии НАН Беларуси (г. Минск, Республика Беларусь). 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 атомно-эмиссионном спектрометре IRIS Intrepid II XDL DUO. Для каждого образца анализ проводили в двукратной биологической повторности, измерения повторяли 10 раз для каждой пробы. Результаты эксперимента обобщены с использованием методов описательной статистики и дисперсионного анализа в программных пакетах Statistica 10.0 и MS Excel.
Результаты и обсуждение
Проведен анализ содержания макро- и микроэлементов в зерне родительских сортов мягкой пшеницы и видов рода Triticum, а также интрогрессивных линий, получен-
ных с их участием. К основным питательным элементам, необходимым для нормального роста и развития растений относятся: азот (К), калий (К), фосфор (Р), магний (Ме), кальций (Са). Недостаточное количество данных нутриентов приводит к ослаблению фотосинтетической активности, нарушению нормального роста и деления клеток, падению интенсивности синтеза протеина, что может привести к значительному снижению урожая пшеницы. В нашем исследовании содержание азота у сортов варьировало от 3,03 до 3,34%, а у родственных видов пшеницы — от 3,26 до 4,45%. По данному показателю особенно выделялись образцы дикой полбы (Т. dicoccoides) (табл. 1). Уровень Са и Ме у сортов в среднем составил 432,35 и 1381,66 мг/кг соответственно, что меньше, чем у видов рода ТгШсит (448,99 и 1677,78 мг/кг соответственно). Ме больше всего обнаружено в зерне Т. kiharae (табл.1). Для образца культурной полбы (Т. dicoccum к-45926) характерно высокое содержание обоих элементов. Высокая концентрация К и Р была у образца Т. spelta к-1731, хотя по накоплению других макроэлементов спельта значительно уступала остальным изученным видам (табл. 1). Значительный уровень калия также отмечен для Т. timopheevii (7309,79 мг/кг), а фосфора — для Т. dicoccoides к-5199 (7766,20 мг/кг). Среди исходных сортов можно отметить высокое накопление изученных макроэлементов у сорта РШс S62 (табл. 1). Анализ сортов и сородичей пшеницы показал повышенный уровень содержания макроэлементов у образцов видов рода ТгШсит. В работах зарубежных ученых также отмечается превышение концентрации минералов в зерне родственных видов над культивируемыми сортами пшеницы. Например, установлено значительно более высокое накопление основных макро- и микроэлементов в зерне образцов дикой полбы по сравнению с сортами Т. aestivum [10].
Несмотря на то, что микроэлементы необходимы растениям в относительно малых количествах, они обладают высокой биологической активностью и оказывают существенное влияние на обмен веществ. Многие из них входят в состав активных центров ферментов, позволяющих более интенсивно использовать
Таблица 1
Содержание макроэлементов в зерне родительских форм интрогрессивных линий
Генотип N % Р, мг/кг Са, мг/кг Mg, мг/кг К, мг/кг
Рассвет 3,07 5567,28 ± 391,94 308,14 ± 16,42 1329,37 ± 50,59 5865,08 ± 185,14
Саратовская 29 3,03 5064,82 ± 361,76 392,06 ± 26,56 1181,94 ± 24,99 5058,32 ± 354,16
Фестивальная 3,34 5575,52 ± 476,16 498,80 ± 61,71 1437,53 ± 17,02 5574,57 ± 302,20
РШс S62 - 7169,35 ± 401,97 530,38 ± 2,22 1577,78 ± 10,00 6025,56 ± 14,62
T.dicoccoides к-5199 4,45 7766,20 ± 656,68 410,30 ± 37,65 1826,68 ± 65,64 6073,61 ± 510,87
T.dicoccoides 3,99 7495,72 ±6 48,16 496,73 ± 13,79 1729,89 ± 43,82 6794,45 ± 182,69
Т^коссит к-45926 3,87 6448,48 ± 251,59 578,19 ± 63,97 1796,47 ± 39,57 6888,08 ± 225,96
Т. Ыторкееуи 3,35 6857,38 ± 450,80 412,94 ± 22,10 1414,18 ± 128,13 7309,79 ± 846,21
Т. Икагае 3,26 6665,54 ± 403,41 466,45 ± 25,80 2049,57 ± 30,27 6564,15 ± 87,07
Т. 'реНа к-1731 3,39 7584,07 ± 524,65 329,38 ± 24,44 1249,86 ± 55,31 7781,88 ± 626,91
Примечание. «-» — параметр не определяли
энергию, воду, питательные вещества, и, соответственно, получать более высокий урожай. Проведенный анализ не показал существенных различий между сортами мягкой пшеницы и видами рода ТгШсит по содержанию 2п и Мп в зерне (рис.1). Концентрация 2п у изученных сортов варьировала от 18,49 до 35,85 мг/кг, а у образцов сородичей пшеницы от 26,64 до 39,5 мг/кг, для Мп данный показатель находился в пределах 27,79-30,57 мг/кг и 19,56-37,62 мг/кг соответственно. По уровню накопления Fe и Си (меди) отмечено значительное превышение видов рода ТгШсит (в среднем 73,99 и 10,41 мг/кг соответственно) над сортами (в среднем 53,81 и 4,24 мг/кг соответственно).
Самая высокая концентрация Fe выявлена у образца Т. йгсоссит к-45926 — 99,2 мг/кг, что согласуется с данными литературы. Например, в исследовании ВаНп е! а1. при сравнении содержания микроэлементов в зерне дикорастущих и культурных пшениц наибольший уровень железа также установлен для Т. йгсоссит [11]. Высокое содержание Си характерно для образцов Т. й1соссо1йе$ и Т. 'реШ к-1731. В других работах также отмечена высокая концентрация меди в зерне спельты (в среднем 11,3 мг/ кг), в то время как у сортов пшеницы этот показатель не превышал 7,4 мг/кг [11, 12].
Таким образом, средние значения содержания макро- и микроэлементов в зерне образцов видов рода ТгШсит были выше, чем у сортов
Т. ае'Нуит (превышение составило от 1,12 до 2,46 раза в зависимости от элемента), что указывает на возможность использования их для улучшения мягкой пшеницы по минеральному составу зерна. Среди родительских генотипов для дикой полбы выявлены максимальные значения по содержанию 2п и Си, для культурной полбы — Fe и Са, для спельты — К и Р, для синтетической пшеницы Т. Икагае — Мп и Mg. Высокий уровень комплекса элементов отмечен в зерне Т. йгсоссит (К, Са, Fe, Мп, Си) и Т. й1соссо1йе$ к-5199 (^ Р, Mg, 2п).
Дисперсионный анализ показал значимые различия средних значений накопления N К, Mg, Са, Р, Мп в зерне четырех групп линий, созданных на основе Т. Шсоссогёе', Т. йгсоссит, Т. Мкагае, Т. 'река (табл. 2). Установлена также высокая статистическая значимость вклада родительского сорта мягкой пшеницы в изменчивость содержания в зерне всех изученных элементов, за исключением N и Fe (табл. 2).
Средние значения содержания всех изученных макро- и микроэлементов в зерне интро-грессивных линий превышали исходные сорта пшеницы, но уступали сородичам пшеницы, за исключением Мп и К, уровень которых у гибридов был выше, чем у обоих родительских форм. Для линий с генетическим материалом Т. &соссо1ёе>' выявлено максимально высокое накопление 2п, Са и Mg среди всех изученных интрогрессивных линий (рис. 2).
Рис. 1. Содержание микроэлементов в зерне родительских форм интрогрессивных линий, мг/кг
Таблица 2
Влияние генотипа родителей на среднее значение содержания основных минералов в зерне
интрогрессивных линий мягкой пшеницы
Признак Вид рода Triticum Сорт T. aestivum
df SS MS F df SS MS F
Zn 3 563,97 187,99 2,66 3 647,84 215,95** 3,12
Fe 3 941,07 313,69 2,26 3 416,12 138,71 0,94
Cu 3 131,69 43,90 2,05 3 363,50 121,17** 7,01
Mn 3 351,37 117,12* 2,70 3 734,86 244,95** 6,70
Ca 3 1,23 x 106 4,09 x 105** 5,21 3 7,24 x 105 2,41 x 104* 2,76
Mg 3 8,97 x 106 2,99 x 106 ** 7,76 3 1,24 x 106 4,13 x 105** 12,78
K 3 3,55 x 108 1,18 x 108 ** 8,29 3 3,22 x 108 1,07 x 107** 7,24
P 3 8,39 x 107 2,79 x 107 * 2,88 3 1,37 x 107 4,57 x 106** 5,20
N 3 1,67 0,56** 6,41 3 0,36 0,12 0,71
Примечание. df — число степеней свободы; ББ — суммы квадратов; МБ — средние квадраты; F — критерий Фишера; * — достоверно при р < 0,05; ** — достоверно при р < 0,01
По уровню цинка особенно выделялись генотипы комбинации T. dicoccoides х Фестивальная, которые по данному показателю, как правило, превосходили обоих родителей, что может указывать на наличие у исходных форм разных генов, детерминирующих накопление цинка в зерне. По данным Peleg et al. с содержанием цинка в зерне гибридов от скрещивания твердой пшеницы сорта Langdon и образца дикой полбы G18-16 ассоциировано 6
QTL, причем 5 из них — аллели дикой полбы на хромосомах 2А, 5А, 6В, 7А, 7В и 1 — аллель сорта (2А) [13]. Концентрация магния у гибридных генотипов, созданных с участием дикой полбы, было выше, чем у родительских сортов. У линий 11-1, 13-3 и 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная данный показатель был в пределах 1736,23-1793,64 мг/кг и превышал как сорт Фестивальная (1437,53 мг/кг), так и T. dicoccoides (1729,89 мг/кг).
Максимальный уровень Fe, Мп, Си, К и Р среди интрогрессивных линий характерен для группы на основе Т. йгсоссит (рис. 2). По комплексу признаков выделялась линия 1-3 Т. Жсоссит к-45926 х Фестивальная, которая превосходила исходный сорт по всем изученным макро- и микроэлементам за исключением Са. Следует отметить особенно высокое накопление Си, К и Р (линия 1-3 превышала сорт на 122,67%, 58,79% и 39,56% соответственно). Высокие значения по содержанию данных элементов выявлены также для гибридов РШс Б62 х Т. Жсоссит к-45926. Например, концентрация меди в зерне линий данной комбинации составила 10,12 — 14,19 мг/кг, что приближается к показателю Т. йгсоссит к-45926 (14,96 мг/кг). По накоплению К и Р линии 206-2 и 208-3 РШс Б62 х Т. йгсоссит к-45926 превосходили не только культурную полбу, но и все исследованные генотипы.
Содержание Fe, Мп, Са и Mg у синтетической пшеницы Т. Икагае был выше, чем у сортов, при этом в комбинации Т. Икагае х Фестивальная накопление Fe и Мп было ближе к значениям сорта, а для Т. Икагае х Саратовская 29 — к синтетической пшенице. Линия 19 Т. Икагае х Саратовская 29 по содержанию Fe (79,3 мг/кг) превосходила не только лучшего родителя (77,8 мг/кг), но и все изученные генотипы с чужеродным генетическим материалом (50,86-75,3 мг/кг). Образец Т. Икагае характеризовался максимальным накоплением магния в зерне среди исследованных генотипов — 2049,57 мг/кг. Линии Т. Икагае х Т. ае'Ыуит по данному показателю превышали родительские сорта, хотя не достигали уровня синтетической пшеницы. Следует выделить линию 28 Т. Икагае х Фестивальная с самым высоким уровнем магния в зерне (1869,05 мг/кг) среди интрогрессивных линий.
Рис. 2. Диаграммы разброса содержания микро- и макроэлементов в зерне групп линий с интрогрессией генетического материала Т. 'река, Т. dicoccoides, Т. dicoccum и Т. Икагае
Заключение
Изучение родительских форм показало, что средние значения содержания макро- и микроэлементов в зерне видов рода Triticum были выше, чем у сортов T. aestivum (в 1,12-2,46 раза в зависимости от элемента), что указывает на возможность использования их для улучшения мягкой пшеницы по минеральному составу зерна. Среди исходных генотипов для дикой полбы выявлены максимальные значения по накоплению Zn (39,51 мг/кг) и Cu (18,30 мг/кг), для культурной полбы—Fe (99,20 мг/кг) и Са (578,19 мг/кг), для спельты — К (7781,88 мг/кг), для синтетической пшеницы T. kiharae — Mn (37,62 мг/кг) и Mg (2049,57 мг/кг). Высокий уровень комплекса элементов отмечен в зерне T. dicoccum (К, Са, Fe, Mn, Cu) и T. dicoccoides к-5199 (N, Р, Mg, Zn). Установлена высокая статистическая значимость вклада обоих родителей в изменчивость большинства изученных признаков интрогрессивных линий. Линии с чужеродным генетическим материалом, как правило, превосходили исходные сорта мягкой пшеницы, но уступали видам рода Triticum по содержанию основных минералов в зерне. Выделены линии, которые по уровню накопления отдельных элементов превышали обоих родителей: 11-1, 13-3 и 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная по Zn и Mg; 206-2, 208-3 Pitic S62 х T. dicoccum к-45926, 1-3 T. dicoccum к-45926 х Фестивальная, 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная — по К и Р; 20-1 T. kiharae х Саратовская 29, 8 Саратовская 29 х T. dicoccoides — по Са. Данные линии представляют интерес для селекции пшеницы на качество зерна.
Список использованных источников
1. Potential of Aegilops sp. for improvement of grain processing and nutritional quality in wheat (Triticum aestivum) / A. Kumar [et al.] // Front. Plant Sci. - 2019. - Vol. 10. - Р. 308.
2. Welch, R. M. Breeding for micronutrients in staple food crops from a human nutrition perspective / R. M. Welch, R. D. Graham // J. Exp. Bot. - 2004. - Vol. 55, № 396. - Р. 353-364.
3. Hafeez, B. Role of zinc in plant nutrition - a review / B. Hafeez, Y. M. Khanif, M. Saleem // American J. Exp. Agricul. - 2013. - Vol. 3, № 2. - Р. 374-391.
4. Potential for improving bioavailable zinc in wheat grain (Triticum species) through plant breeding / R. M. Welch [et al.] // J. Ag-
ric. Food Chem. - 2005. - Vol. 53, № 6. -Р. 2176-2180.
5. Минеральный состав зерна диких сородичей и интрогрессивных форм в селекции пшеницы / Т. В. Савин и др. // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2018. - Т. 22, № 1. - С. 88-96.
6. Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin / F. J. Zhao [et al.] // Journal of Cereal Science. -2009. - Vol. 49, № 2. - Р. 290-295.
7. Triticum dicoccoides: аn important genetic resource for increasing zinc and iron concentration in modern cultivated wheat / I. Cakmak [et al.] // Soil Sci. Plant Nutr. - 2004. - Vol. 50, № 7. -Р. 1047-1054.
8. Сравнительная характеристика гибридных линий Triticum aestivum/Triticum durum и Triticum aestivum/Triticum dicoccum по геномному составу и устойчивости к грибным болезням в различных экологических условиях / Леонова И. Н и др. // Генетика. - 2013. - Т. 49, № 11. - С. 1276-1283.
9. Molecular cytogenetic analysis of alien in-trogressions in common wheat lines with T. kiharae genetic material / O. A. Orlovskaya_[et al.] // Current challenges in plant genetics, genomics, bioinformatics, and biotechnology : proceedings of the fifth international scientific conference, Novosibirsk, June 24-29, 2019. / Institute of cytology and genetics, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences ; eds.: A. Kochetov, E. Salina. - Novosibirsk, 2019. - P. 235-237.
10. 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.
11. Comparison of the Cu, Zn, Fe, Ca and Mg contents of the grains of wild, ancient and cultivated wheat species / A. F. Balint [et al.] // Cereal Res. Commun. - 2001. - Vol. 29, № 3-4. - Р. 375-382.
12. 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.
13. 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. -Р. 353-369.
O. A. Orlovskaya, S. I. Vakula, L. V. Khotyleva, A. V. Kilchevsky
GRAIN MINERAL COMPOSITION OF BREAD WHEAT LINES WITH INTROGRESSIONS OF THE TRITICUM SPECIES GENETIC
MATERIAL
State Scientific Institution "Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus" 27, Akademicheskaya St., 220072 Minsk, the Republic of Belarus [email protected]
Grain mineral composition of bread wheat lines with introgressions of the genetic material of Triticum genus species in comparison with parental forms was investigated. The average content of macro- and microelements in the grain of Triticum genus species was higher than in the varieties of T. aestivum (1.12-2.46 times higher depending on the element). As a rule, the lines with foreign genetic material exceeded the original varieties of bread wheat, but were inferior to the Triticum genus species by the content of main minerals in grain. Lines 11-1, 13-3 and 16-5 of T. dicoccoides x Festivalnaya were identified as exceeding both parents in terms of Zn and Mg accumulation; lines 206-2, 208-3 Pitic S62 x T. dicoccum k-45926, 1-3 T. dicoccum k-45926 x Festivalnaya, 16-5 T. dicoccoides x Festivalnaya — in terms of K and P content; 20-1 T. kiharae x Saratovskaya 29, 8 Saratovskaya 29 xT dicoccoides — in terms of Ca accumulation.
Keywords: species of the genus Triticum, introgression lines of bread wheat, micro- and microelements' content in grain.
Дата поступления статьи: 25 августа 2020 г.
