AGRIS - 

2020

L.  A. Elkonin | V.  M. Panin | O.  A. Kenzhegulov | G.  A. Gerashchenkov | Л. А. Эльконин | В. М. Панин | О. А. Кенжегулов | Г. А. Геращенков

Представлен обзор работ по использованию методов генетической инженерии и геномного редактирования для улучшения питательной ценности зерна сорго. За последние 5-7 лет в результате экспериментов, выполненных несколькими группами исследователей, созданы трансгенные линии, несущие генетические конструкции для РНК-сайленсинга разных подклассов кафиринов (проламинов зерна сорго). В экспериментах по геномному редактированию с использованием системы CRISPR/Cas9 получены мутанты с делециями и инсерциями в сигнальной последовательности гена, кодируюшего 22 кДа α-кафирин сорго. Такие линии и мутанты характеризуются улучшенной перевариваемостью белков зерна в системе in vitro, измененной ультраструктурой белковых телец и повышенным содержанием лизина. РНК-сайленсинг α-кафирина повышал перевариваемость белков сырой муки, а также муки, подвергшейся кипячению, тогда как сайленсинг γ-кафирина приводил к улучшению перевариваемости белков только сырой муки. Зерновки линий с сайленсингом α-кафирина имеют мучнистый тип эндосперма, что снижает их ценность для прямого коммерческого использования поскольку рыхлый мучнистый эндосперм уменьшает механическую прочность зерновок и способствует их контаминации микрофлорой; однако эти линии могут быть использованы в качестве доноров высокой перевариваемости запасных белков при скрещивании с линиями сорго, адаптированными к местным условиям, для улучшения их питательной ценности. Зерновки линий с сайленсингом γ-кафирина характеризуются разными типами эндосперма: мучнистым, стекловидным или модифицированным типом с вкраплениями стекловидного эндосперма в мучнистый. Этот факт указывает на возможность получения агрономически-ценных линий сорго с высокой перевариваемостью кафиринов и твердым эндоспермом. Повышенное содержание лизина в зерновках линий сорго с подавленным синтезом кафиринов может быть связано с балансировкой уровня белка в эндосперме за счет синтеза других белков, в том числе, с более высоким содержанием незаменимых аминокислот. Наряду с улучшением перевариваемости кафиринов, генно-инженерный подход позволил создать линии сорго с увеличенным содержанием в зерне провитамина А и его повышенной стабильностью при хранении. Результаты работ свидетельствуют о перспективности использования методов РНК-интерференции и геномного редактирования для создания линий сорго с улучшенной питательной ценностью зерна. | The paper presents a review of the studies on the use of genetic engineering and genome editing tools for improving nutritional properties of sorghum grain. As a result of experiments performed over the past 5-7 years by several research groups, the created transgenic lines carry genetic constructs for RNA silencing of different kafirin sub-classes (prolamins of sorghum grain). The CRISPR/Cas9 genome editing experiments have yielded mutants with deletions and insertions in the signal sequence of the gene encoding the 22 kDa α-kafirin in sorghum. These lines and mutants were characterized by improved in vitro digestibility of grain proteins, altered ultrastructure of protein bodies and an increased content of lysine. RNA silencing of α-kafirin increased the digestibility of proteins of both raw and cooked flour, while silencing of γ-kafirin led to improved digestibility of proteins of only raw flour. The lines with α-kafirin silencing have kernels with the floury endosperm type that discourages their direct commercial use because of fragility and reduced tolerance to fungal contamination; however, these lines can be used as donors of high digestibility trait when crossed with sorghum lines adapted to local conditions to improve their nutritional value. Kernels of the lines with γ-kafirin silencing may have different endosperm types: floury, vitreous, or a modified type with vitreous endosperm interspersed in the floury endosperm. This fact indicates the possibility of producing agronomically important sorghum lines with high kafirin digestibility and hard endosperm. The increased lysine level in kernels of sorghum lines with the suppressed synthesis of kafirins may be caused by rebalancing of protein synthesis in endosperm of developing kernels due to the synthesis of other proteins, including those with a higher content of essential amino acids. Alongside with improving the digestibility of kafirins, the genetic engineering approach allowed the creation of sorghum lines with a high content of provitamin A in grain and its increased stability during long-term storage. The results of these works show that it is promising to use RNA-interference and genome editing for creating sorghum lines with improved nutritional value of grain.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

Т.  О. Makarova | Т. О. Макарова

Данный обзор посвящен рассмотрению результатов изучения межвидовой гибридизации, полиплоидии и филогенетических отношений видов рода Solanum и представителей близких к нему таксонов, с использованием методов молекулярной цитогенетики, таких как гибридизация ДНК-ДНК in situ: геномная – GISH и флуоресцентная – FISH. Метод GISH был использован для определения геномного состава и происхождения ряда диких видов секции Petota. Метод FISH используют для выявления коллинеарности геномов разных видов. Такого рода исследования позволяют проводить сравнительный анализ кариотипов и геномов, а также способствуют лучшему пониманию взаимодействия хромосом в мейозе у гибридов. В данном обзоре сделан акцент на изучении диких аллополиплоидных видов картофеля с помощью методов молекулярной цитогенетики, рассмотрены результаты анализа искусственно созданных межродовых и межвидовых гибридов рода Solanum и их потомства. | This paper reviews the results of studies of interspecies hybridization, polyploidization, as well as phylogenetic relationships of Solanum species and members of closely related taxa by such molecular cytogenetic techniques as genomic (GISH) and fluorescent (FISH) DNA-DNA in situ hybridization. The latter was used to determine the genomic composition and origin of wild species of the Petota section, while the FISH technique was used for detecting intergenomic collinearity. The combination of these two types of research made possible a comparative analysis of karyotypes and genomes, thus allowing a better understanding of the meiotic interchromosomal interactions in hybrids. This review primarily focuses on the studies of wild allopolyploid potato species and artificially created intergeneric and interspecific hybrids of the genus Solanum and their offspring.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

I. E. Khrabrov | O. Yu. Antonova | M. I. Shapovalov | L. G. Semenova | И. Э. Храбров | О. Ю. Антонова | М. И. Шаповалов | Л. Г. Семёнова

The garden strawberry Fragaria × ananassa (Duchesne ex Weston) Duchesne ex Rozier (1785) is a perennial herbaceous plant of the Rosaceae family; it is cultivated all around the world. It accounts for more than half of the global volume of berries production. In Russia, more than 160 tons of garden strawberries are grown annually, but according to Russian scientists, this crop has a much higher productivity potential. Various pathogens, including bacterial, viral and fungal infections, negatively affect the productivity of strawberry. Anthracnose (caused by Colletotrichum Corda.), crown rot (Phytophthora cactorum Lebert & Cohn), red core disease (Phytophthora fragariae var. fragariae Hickman), fusarium wilt (Fusarium oxysporum f. sр. fragariae Winks & Williams ) and strawberry powdery mildew (Podosphaera aphanis [Sphaerotheca macularis] (Wallr.) U. Braun & S. Takam) are among the most important fungal diseases of strawberry. This review discusses the current data about the known genes and quantitative trait loci (QTLs) associated with resistance to listed plant pathogens. The review also offers information about molecular markers of different types: SDRF, AFLP, SSR, SCAR, SNP, associated with these genes/QTLs and used in the molecular screening of strawberry collections for practical purposes. | Садовая земляника Fragaria × ananassa (Duchesne ex Weston) Duchesne ex Rozier (1785) – многолетнее травянистое растение из семейства розоцветных (Rosaceae), возделываемое по всему миру. На её долю приходится больше половины объема мирового производства ягод. В России ежегодно выращивается более 200 тонн земляники садовой, но по данным отечественных учёных у данной культуры потенциал продуктивности намного больше. На урожайность земляники негативно влияют различные патогены, в том числе грибные инфекции. К числу важнейших грибных заболеваний земляники относятся антракнозная гниль (вызывается несколькими видами грибов-аскомицетов рода Colletotrichum Corda), гниль рожка земляники (возбудитель – Phytophthora cactorum Lebert & Cohn), фитофторозная корневая гниль (Phytophthora fragariae var. fragariae Hickman), фузариоз (Fusarium oxysporum f. sр. fragariae Winks & Williams) и мучнистая роса (Podosphaera aphanis [Sphaerotheca macularis] (Wallr.) U. Braun & S. Takam). В обзоре рассмотрены актуальные сведения об известных генах и локусах количественных признаков (QTL), контролирующих устойчивость к данным фитопатогенам, и представлена информация об ассоциированных с ними молекулярных маркерах разных типов (SDRF, RAPD, AFLP, SSR, SCAR, SNP и т. д.) в том числе о маркерах, используемых в практической селекции для молекулярного скрининга коллекций земляники.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

N. E. Kostina | A. V. Spaselnikova | A. A. Egorova | E. V. Kolosovskaya | D. V. Domrachev | A. V. Romanova | S. R. Tumanyan | S. Chamas | J. Kumlehn | I. M. Dubovskiy | S. V. Gerasimova | Н. Е. Костина | А. В. Спасельникова | А. А. Егорова | Е. В. Колосовская | Д. В. Домрачев | А. В. Романова | С. Р. Туманян | С. Хамас | Й. Кумлен | И. М. Дубовский | С. В. Герасимова

Background. Genetic modification of plants is one of the promising strategies to increase their resistance to insect pests. The development of metabolic or RNA interference systems for plant protection requires appropriate models of host-insect interactions. Nicotiana tabacum L. is a classical model plant used in molecular and metabolic engineering. We consider tobacco as a model for developing protective strategies against Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say, CPB). Normally, tobacco is toxic for CPB due to high content of nicotine and related alkaloids in leaves. Modification of the tobacco genome could provide tobacco genotypes with altered metabolism suitable for CPB feeding. It is known that different mutations in Berberine Bridge-Like (BBL) genes cause different alterations in tobacco leaf alkaloid levels. In the current study, the Cas9/gRNA system targeting members of the BBL gene family of tobacco was used to create a line which can serve as a diet for CPB. Results. In order to obtain tobacco with modified alkaloid content, two gRNAs matching target sequences in six BBL genes were selected. Each gRNA was cloned into a gRNA/Cas9 generic vector. The created constructs were mixed and used for biolistic transformation of tobacco leaf explants together with the pBI121 plasmid harboring the kanamycin resistance gene nptII and the reporter E.coli betaglucuronidase (GUS) gene. Regenerants were selected on 100 mg/l of kanamycin and checked for transgene presence by histochemical GUS-assay. Unexpectedly, the regenerated plants displayed a variety of adverse phenotypic effects including different degree of growth and rooting inhibition, early flowering, increased number of internodes, changes in leaf shape, fusion of flowers, longostyly, and partial sterility. Only one from seven obtained calli produced a population of regenerated plants without severe phenotypic abnormalities. The NtaBBL5-14 line of clonally propagated plants was selected from this population and used for a CPB feeding experiment. It was shown that CPB larvae consume the leaves of NtaBBL5-14 line ten times more efficiently than the leaves of control plants (97±0.5% vs. 9±3% in 24 h respectively). Conclusion. The NtaBBL5-14 tobacco line is suitable for CPB feeding and can be further used as a model for studies in plant-pest interaction. The modification of other genes regulating nicotine metabolism can be a promising strategy to obtain tobacco plants edible for CPB with less pleiotropic effects. | Актуальность. Модификация растений с целью повышения их устойчивости к вредителям – перспективное направление в современной биотехнологии. Создание искусственных защитных систем на основе РНК-интерференции или индукция метаболических изменений в растениях могут существенно снизить привлекательность для вредителя и, как следствие, степень повреждения растений. Однако, разработка стратегий подобных модификаций затруднена отсутствием биотехнологических методов, разработанных для каждой культуры, и адекватных моделей для проведения таких исследований. Табак Nicotiana tabacum L. как растение семейства пасленовых потенциально может быть моделью для исследования возможных стратегий повышения устойчивости к вредителям для таких родственных культур как картофель, томат, сладкий перец и т.д. Препятствием к проведению подобных работ на табаке является высокая токсичность листьев, которая защищает табак от большинства вредителей. Недавно опубликованы исследования, доказывающие, что мутагенез генов семейства Berberine Bridge-Like (BBL) в табаке приводит к существенным изменениям в количественном и качественном составе алкалоидов в листьях. В настоящей работе данный подход был применен с целью получения растений табака, пригодных для потребления в пищу колорадским жуком (Leptinotarsa decemlineata Say), который является наиболее распространенным и опасным вредителем картофеля. Результаты. С целью модификации генома табака, были подобраны две направляющие РНК (нРНК), нацеленные на шесть генов семейства BBL. Каждая из них была встроена в вектор, содержащий ген нуклеазы Cas9 и каркас нРНК. Полученные конструкции вместе с плазмидой pBI121, содержащей ген устойчивости к канамицину nptII и репортерный ген бета-глюкуронидазы Escherichia coli Migula, были использованы для трансформации листовых эксплантов табака методом биобаллистики. Из трансформированных клеток путем селекции на канамицине были получены каллусы и далее трансгенные растения-регенеранты поколения Т0. Неожиданным результатом стало появление широкого плейотропного эффекта модификации в виде многочисленных серьезных аномалий развития среди полученных популяций регенерантов. Самые тяжелые аномалии проявлялись в виде быстрой гибели растений, относительно жизнеспособные растения отличались угнетением роста и укоренения, увеличением числа междоузлий, изменением формы листьев, ускоренным цветением, аномалиями развития цветка и стерильностью. Только одна из семи полученных популяций клонов обладала достаточной жизнеспособностью для выращивания в гидропонном комплексе и существенно не отличалась от исходного сорта по жизнеспособности in vitro. Из этой популяции была выделена линия табака NtaBBL5-14, поддерживаемая in vitro. Данная линия была протестирована на кормовую пригодность для колорадского жука. Показано, что личинки колорадского жука эффективно потребляют листья табака полученной линии, и практически не потребляют листья контрольных растений (процент потребления 97±0.5% для модифицированных и 9±3% для контрольных растений). Заключение. Методом модификации генома получена линия табака, пригодная для питания личинок колорадского жука. В дальнейшем эта линия может быть использована как модель для исследования взаимодействия колорадского жука и растений. Результаты работы демонстрируют возможность менять спектр кормовых предпочтений вредителей и открывают перспективы развития данного направления. В частности, перспективным может быть осуществление модификаций с меньшим плейотропным эффектом, и, возможно, этого можно добиться, производя нокаут других генов, участвующих в регуляции синтеза никотина.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

G. I. Pendinen | M. Scholz | Г. И. Пендинен | М. Шольц

Background. One of the ways to use the genetic potential of bulbous barley, which is characterized by a number of valuable traits, is interspecific hybridization. In crosses of H. vulgare (2x) × H. bulbosum (2x) and H. vulgare (4x) × H. bulbosum (4x) with a genome ratio of 1Hv: 1Hb in a hybrid embryo, elimination of bulbous barley chromosomes is observed in many cases, and the intensity of the process and the result of the crossing depend on the genotypes of the parental forms. This limits the possibility of including a significant variety of parental forms in crosses. Сrossing of diploid forms of H. vulgare with tetraploid accessions of H. bulbosum (4x) results in the formation of triploid hybrids (HvHbHb) with stable chromosomal composition in pollen mother cells (PMCs) at metaphase I (MI) of meiosis. These triploid hybrids can serve as a basis for obtaining series of introgressive lines of cultivated barley. One of the tasks of this type of work is to estimate the involvement of various chromosomes and their arms in homoeologous associations. The aim of this work was to study the possibility of homoeologous pairing of chromosomes of parental species at MI of meiosis in triploid hybrids using GISH and FISH with chromosome-specific markers, as well as to register the participation of individual arms of the cultivated barley chromosomes in homoeologous associations with the chromosomes of bulbous barley in triploid hybrids (HvHbHb).Materials and methods. Seven triploid hybrids of H. vulgare × H.bulbosum (HvHbHb) obtained in four combinations of crosses with the participation of three diploid cultivars of cultivated barley and two tetraploid accession of bulbous barley were used in this study. The features of homoeologous pairing of chromosomes at MI were studied using the method of fluorescent in situ hybridization (GISH and FISH) with chromosome-specific markers.Results All the studied hybrid plants are characterized by a stable chromosomal composition in PMCs at the MI stage of meiosis. Meiotic configurations formed by homoeologous chromosomes of the parental species, ranging from 0.87 to 1.40 on average per cell, were identified in all the studied plants. Among them, vbb trivalents prevailed. Analysis of chromosome pairing at MI in triploid hybrids revealed the participation of all chromosome arms of H. vulgare in homoeologous Hv-Hb associations, except for the short arm of chromosome 1H. In all the studied triploid hybrids, there is a tendency for a higher frequency of involvement of the long arms of chromosomes in the formation of homoeologous associations; this feature is most clearly manifested in case of chromosome 5H.Conclusions Intergenomic associations with the participation of all arms of H. vulgare chromosomes, except for the short arm of chromosome 1H, were revealed at MI in H. vulgare × H. bulbosum triploid hybrids (HvHbHb). Chromosome 5H, as well as any other cultivated barley chromosome, is characterized by a higher involvement of its long arm in homoeologous associations Hv-Hb, as compared to the short arm. | Актуальность. В скрещиванияx H. vulgare L.(2x) × H.bulbosum L.(2x) и H. vulgare(4x) × H. bulbosum(4x), при соотношении геномов в гибридном зародыше 1Hv : 1Hb, во многих случаях наблюдается элиминация хромосом ячменя луковичного. Это ограничивает возможности для привлечения в скрещивание значительного разнообразия родительских форм. При гибридизации диплоидных сортов H. vulgare с тетраплоидными образцами H. bulbosum (4x) результатом являются стабильные по хромосомному составу триплоидные гибриды (HvHbHb). На их основе могут быть получены интрогрессивные линии культурного ячменя. Целью нашего исследования было установить, с использованием GISH и FISH c хромосомоспецифичными маркерами, осуществляется ли гомеологичное спаривание хромосом родительских видов в метафазе I (МI) мейоза у триплоидных гибридов (HvHbHb) и каково участие в нем отдельных плеч хромосом культурного ячменя.Материал и методы. В исследовании использовали семь триплоидных гибридов H. vulgare × H. bulbosum (HvHbHb), полученных в четырех комбинациях скрещиваний с участием трех диплоидных сортов культурного ячменя и двух тетраплоидных образцов ячменя луковичного. Особенности гомеологичного спаривания хромосом в МI изучали с использование метода флюоресцентной in situ гибридизации (GISH и FISH c хромосомоспецифичными маркерами).Результаты. Для всех изученных гибридных растений характерен стабильный хромосомный состав в материнских клетках пыльцы (МКП) на стадии MI мейоза. Были выявлены мейотические конфигурации, образованные гомеологичными хромосомами родительских видов в количестве от 0,87 до 1,40 в среднем на клетку. Среди них преобладали vbb триваленты. Анализ спаривания в МI мейоза у триплоидных гибридов выявил участие в образовании гомеологичных Hv-Hb ассоциаций всех хромосомных плеч H. vulgare, кроме короткого плеча хромосомы 1H. У всех изученных триплоидных гибридов наблюдается тенденция к более высокой вовлеченности в гомеологичные ассоциации длинных плеч хромосом, эта особенность наиболее четко проявляется для хромосомы 5Н.Выводы. В МI мейоза у триплоидных гибридов H. vulgare × H. bulbosum (HvHbHb) выявлены межгеномные ассоциации с участием всех плеч хромосом H. vulgare, кроме короткого плеча хромосомы 1H. Для хромосомы 5Н, как и для других хромосом культурного ячменя, характерно более частое вовлечение в гомеологичные ассоциации Hv-Hb длинных плеч хромосом по сравнению с короткими.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

E. T. Ilnitskaya | M. V. Makarkina | S. V. Tokmakov | Е. Т. Ильницкая | М. В. Макаркина | С. В. Токмаков

Столовый виноград является ценным диетическим продуктом. Бессемянный виноград пользуется повышенным спросом у потребителя. По этой причине селекция бессемянных сортов – одно из востребованных направлений в современном виноградарстве, равно как и производство экологически безопасной продукции. Милдью (Plasmopara viticola (Berk. & M.A. Curtis) Berl. & De Toni) – одно из наиболее распространённых грибных заболеваний виноградной лозы. Большинство устойчивых к милдью форм винограда принадлежат к северо-американским видам – Vitis aestivalis Michx., V. berlandieri Planch., V. cinerea (Engelm. ex A. Gray) Engelm. ex Millard, V. riparia Michx., V. rupestris  Scheele и др. Поиск доноров генов устойчивости – актуальная задача. Один из наиболее эффективных генов устойчивости – Rpv3. Источником гена являются некоторые северо-американские виды винограда. Цель проводимой работы – выявление методом ДНК- маркерного анализа гена устойчивости к милдью Rpv3 в генотипах бессемянных сортов винограда. Объект исследования – сорта винограда с рудиментарным развитием семени в ягодах, имеющие в родословной северо-американские виды. В качестве положительного контроля использовали сорта Дунавски лазур, Сейв Виллар 12-375, несущие референсные аллели. В качестве отрицательного контроля использовали V. vinifera L. В исследовании использовали ДНК-маркеры UDV305 и UDV737, позволяющие идентифицировать аллельное состояние гена Rpv3. Работа проведена методом полимеразной цепной реакции. Разделение продуктов реакции – методом капиллярного электрофореза с использованием автоматического генетического анализатора ABI Prism 3130. Оценка результатов при помощи программного обеспечения GeneMapper и PeakScanner. В генотипах винограда Кишмиш запорожский, Леди Патриция, Ремейли сидлесс, Памяти Смирнова и Шаян выявлено наличие функциональных аллелей гена устойчивости к милдью Rpv3. Во всех сортах выявлен один гаплотип из семи известных – Rpv3299 - 279. Анализ родословных изученных сортов показал, что вероятными донорами гена являются родительские формы – гибриды Сейв Виллар и Зейбель. Формы винограда с идентифицированным геном Rpv3 могут быть использованы в селекции бессемянных сортов как доноры устойчивости к милдью. | Table grapes are a valuable dietary product. Seedless grapes are in high demand among consumers. For this reason, the breeding of seedless varieties is one of the popular trends in modern viticulture, along with the production of environmentally friendly products. Downy mildew (Plasmopara viticola (Berk. & M.A. Curtis) Berl. & De Toni) is one of the most common fungal diseases of the grapevine. Most downy mildew resistant grape accessions belong to North American species like Vitis aestivalis Michx., V. berlandieri Planch., V. cinerea (Engelm. ex A. Gray) Engelm. ex Millard, V. riparia Michx., V. rupestris  Scheele, etc. The search for donors of resistance genes is an urgent task. Rpv3 is one of the most significant resistance genes from a number of North American grape varieties. The aim of this work is to identify the downy mildew resistance gene Rpv3 in seedless grape varieties by means of DNA-marker analysis. The grape varieties with rudimentary development of seed in berries and with North American species in the pedigree were chosen as the object of the study. The varieties “Dunavski lazur” and “Seyve Villard 12-375” with reference alleles were used as the positive control, while V. vinifera L. was used as the negative control. UDV305 and UDV737 DNA-markers were used in this study to identify the allelic type of the Rpv3 gene. The work was performed using the polymerase chain reaction. The reaction products were separated by capillary electrophoresis using the ABI Prism 3130 automatic genetic analyzer. Evaluation of the results was done using the GeneMapper and PeakScanner software. Functional alleles of the downy mildew resistance gene Rpv3 were revealed in grape  varieties “Kishmish zaporozhskiy”, “Lady Patricia”, “Remaily seedless”, “Pamyati Smirnova” and “Shayan”. Rpv3299-279, one of the seven known haplotypes, was identified in all the varieties. The pedigree analysis of the studied varieties indicated that the parental forms – “Seyve Villard” and “Seibel” hybrids – are presumably the donors of the gene. Grape accessions with the identified Rpv3 gene can be used in seedless varieties breeding as donors of resistance to downy mildew.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

O. Yu. Antonova | A. P. Yermishin | A. V. Levy | A. S. Ageeva | E. V. Voronkova | T. A. Gavrilenko | О. Ю. Антонова | А. П. Ермишин | А. В. Левый | А. С. Агеева | Е. В. Воронкова | Т. А. Гавриленко

In order to involve valuable germplasm of the wild Mexican allotetraploid potato species Solanum stoloniferum Schltdl. (genomic composition ААВВ) into breeding, pentaploid interspecific hybrids (ААAAВ) with cultivated potato S. tuberosum L. (АААА) and their backcross progenies are usually used. Homologous synapsis in meiosis of such hybrids is expected only between chromosomes of the A subgenome, therefore a question arose about a possibility of introgressing genetic material of the subgenome B into the A genome of cultivated potato. In this connection, development of various schemes for the B subgenome introgression into the genome of cultivated potato is considered as a topical issue. The previous research has yielded four schemes of S. stoloniferum involvement into breeding, which imply backcrossing with cultivated potato of the following interspecific hybrids: (1) hexaploids (genomic composition ААААВВ, the conventional introgression scheme), (2) tetraploids (putatively, АААВ), (3) self-pollination progeny of a 4x hybrid and (4) pentaploid hybrids with a putative genome composition of АААВВ. The present paper presents the first results of the development of chromosome-specific DNA markers for the identification of S. stoloniferum chromosomes in interspecific hybrids. An S. stoloniferum accession PI 205522 with a high degree of resistance to late blight and PVY had been found to possess several DNA-markers of the R-genes conferring resistance to these pathogens and was used in hybridization as a promising parent. A set of 23 SSR- and CAPS markers with the known chromosome location in S. tuberosum was generated. These markers detect polymorphism between parent genotypes, i.e., the diploid clone IGC 10/1.21 of cultivated potatoes S. tuberosum, and accession PI 205522 of S. stoloniferum. All the markers specific for the wild species were found in triploid (ААВ) and pentaploid (АААВВ) hybrids of S. stoloniferum × S. tuberosum. This set of markers will be used for efficiency assessment of different schemes for S. stoloniferum genetic material introgression into the obtained BC2-BC3 generations after crossing the interspecific hybrids with cultivated potato. | Для вовлечения в селекцию дикого аллотетраплоидного мексиканского вида картофеля Solanum stoloniferum Schltdl. (геномный состав ААВВ) обычно используют пентаплоидные межвидовые гибриды (ААААВ) с культурным картофелем S. tuberosum L. (АААА), которые в дальнейшем включают в программу возвратных скрещиваний. Поскольку у таких гибридов в мейозе ожидается синапсис гомологичных хромосом А генома, возникает вопрос о перспективах интрогрессивной гибридизации генетического материала суб-генома В S. stoloniferum. В связи с этим актуальна разработка различных схем селекционного процесса, позволяющих повысить вероятность интрогрессии генетического материала суб-генома B в геном культурного картофеля. В предыдущих исследованиях были разработаны четыре схемы вовлечения S. stoloniferum в селекционный процесс, которые включают возвратные скрещивания с культурным картофелем различных межвидовых гибридов: гексаплоидного (геномный состав ААААВВ, традиционная схема интрогрессии), тетраплоидного гибрида (предполагаемый геномный состав АААВ) и потомства, полученного от его самоопыления, а также пентаплоидного межвидового гибрида (предполагаемый геномный состав АААВВ). В настоящей работе представлены первые результаты исследований по разработке хромосомоспецифичных маркеров для идентификации у межвидовых гибридов генетического материала S. stoloniferum. В скрещиваниях был использован перспективный образец S. stoloniferum PI 205522, высокоустойчивый к фитофторозу и Y-вирусу картофеля, у которого выявлен ряд ДНК маркеров генов устойчивости к этим патогенам. Для изучения особенностей интрогрессии генетического материала S. stoloniferum был создан набор из 23 SSR- и CAPS-маркеров с известной хромосомной локализацией в геноме А S. tuberosum, выявляющих полиморфизм родительских генотипов - диплоидного клона IGC 10/1.21 культурного картофеля S. tuberosum и образца PI 205522 S. stoloniferum. Все маркеры, специфичные для родительского образца дикого вида, были выявлены как у триплоидного (ААВ), так и у пентаплоидного (АААВВ) гибридов S. stoloniferum × S. tuberosum. Созданный набор маркеров будет использован для оценки эффективности различных схем интрогрессии генетического материала S. stoloniferum, в которых получены гибриды второго и третьего поколений беккроссов межвидовых гибридов с культурным картофелем.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

E. B. Khatefov | B. R. Shomakhov | R. S. Kushkhova | R. A. Kudaev | Z. T. Khashirova | A. Kh. Gyaurgiev | Э. Б. Хатефов | Б. Р. Шомахов | Р. С. Кушхова | Р. А. Кудаев | З. Т. Хаширова | А. Х. Гяургиев

Актуальность. Селекция гибридной кукурузы требует постоянного обновления исходного материала. В этой связи к числу приоритетных задач селекции культуры относится расширение спектра генетической изменчивости родительских линий, используемых при создании гетерозисных гибридов. Инновационным подходом для решения этой проблемы является получение редиплоидных линий из тетраплоидной популяции.Результаты. Материалом исследования служили 106 редиплоидных линий, которые были созданы с использованием метода разложения популяции триплоидов, полученных от скрещивания растений тетраплоидной популяции с широкой генетической основой и диплоидной линии, с последующим отбором диплоидных форм. В системе скрещиваний с 37 стерильными тестерами различных групп спелости ФАО дана оценка комбинационной способности редиплоидных линий и изучена реакция на ЦМС М- и С-типов. Полевые испытания проведены в условиях степной зоны Кабардино-Балкарии в 2019 году. Выделено 46 линий (43,3%) с комбинационной способностью в диапазоне от сверхвысокой до хорошей и 78 линий (73,6%), закрепляющих признак ЦМС. Среди них 59 линий (55,7%) закрепляли стерильность при ЦМС М-типа, 15 линий (14,1%)  - при ЦМС С-типа и 4 линии закрепляли стерильность при обоих типах ЦМС, 16 линий (15,1%) восстанавливали фертильность при ЦМС М-типа, 11 линий (10,4%)  ˗ при ЦМС С-типа и одна линия оказалась универсальным восстановителем фертильности пыльцы. Ранжирование по продолжительности межфазного периода «всходы  - цветение початков» показало, что большая часть линий, характеризующихся способностью закреплять стерильность или восстанавливать мужскую фертильность при М- и С-типах ЦМС (66,0%), а также комбинационной способностью от сверхвысокой до хорошей (32,6%) находится в группе с продолжительностью периода цветения початков 51-55 дней. По результатам оценки уборочной влажности зерна выделены гибриды ♀(РГС246с × OL213) × ♂92с5986·2·3, ♀714М × ♂1/67-1 и ♀714М  ×  ♂92н136-4, со значениями 13,6%, 13,9%, 14,0% соответственно, а максимальными значениями селекционного индекса отличались гибриды ♀714М × ♂1/67-1, ♀(OL563С × KL1392) × ♂92с 0653·2·1·2 (5,03 и 5,13 соответственно).Заключение. Редиплоидные линии кукурузы перспективны для использования в качестве исходного материала для селекции гибридной кукурузы. | Abstract. Hybrid maize breeding requires constant renewal of the source material. In this regard, broadening of genetic variation in parental lines is one of the primary tasks in heterotic hybrid breeding programs. The use of reverse diploid inbred lines derived from a tetraploid population is considered as an innovative approach to achieve this goal.Results. The investigated material comprised 106 reverse diploid (rediploid) inbred lines originating from diploid plants selected in segregating selfed progenies of triploid populations and consequently subjected to inbreeding, while triploid populations resulted from a cross between plants of a tetraploid population with a broad genetic basis and a diploid line. The use of a system of crosses with 37 sterile testers belonging to different FAO maize maturity groups allowed the evaluation of the rediploid lines’ combining ability and the response to M and C types of CMS. Field tests were conducted in 2019 in the steppe zone of Kabardino-Balkaria. Forty-six lines (43.3%) with the combining ability ranging from ultra-high to good, and 78 lines (73.6%) maintaining the CMS character were identified. Among them, 59 lines (55.7%) were maintainers for the M type CMS, 15 lines (14.1%)  for C type CMS, and 4 lines maintained sterility for both CMS types. Sixteen lines (15.1%) restored pollen fertility of the forms with M type CMS, 11 lines (10.4%) were restorers for the C-type and one line turned out to be a universal restorer for both CMS types. Ranking by the “sprout - flowering of ears” interstage period duration showed that most of the lines (66.0%) with the ability to maintain sterility or restore male fertility of M and C CMS types, as well as with the combining ability from ultrahigh to good (32.6%) fell into the group with the flowering period duration of 51-55 days. According to the results of the harvested grain moisture assessment, the hybrids ♀(РГС246с × OL213) × ♂92с5986·2·3, ♀714М  ×  ♂1/67-1 and ♀714М  ×  ♂92н136-4, with the values of 13, 6%, 13.9%, 14.0%, respectively, were identified. The hybrids ♀714М × ♂1/67- 1 and ♀(OL563С × KL1392) × ♂92с0653 2 1 2 were characterized by the maximum value of the selection index, i.e. 5.03 and 5.13, respectively.Conclusions. The results of the studies showed the breeding value of rediploid lines as an initial material for hybrid maize breeding.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

G. M. Asadova | A. V. Ulyanov | A. V. Karlov | E. B. Khatefov | Г. М. Асадова | А. В. Ульянов | А. В. Карлов | Э. Б. Хатефов

The discovery of spontaneous haploid plants and the development of ways to produce them in in vitro culture have set a new direction important for breeding and for theoretical research in reproductive biology. The frequency of spontaneous haploidy in cultivated plants is extremely low and does not exceed 0.01-0.1%, therefore, the search for sources and donors capable of stimulating haploidy in hybrid combinations is of current interest. Expansion of the search for new sources and donors of the haploinduction trait, the creation of new, more effective haploinducers contribute to the accumulation of scientific information and genetic sources, characterized by a high resource potential for selection and genetic research. The causеs of haploidy are not well understood yet. According to the available information, the genes localized in the qhir1, qhir11, qhir12 regions of chromosome 1 in maize are responsible for this process. The use of genes that stimulate haploinduction in maize in combination with the marker gene R1-nj responsible for anthocyanin coloration of the caryopsis and embryo, as well as genes A1 and B1, which are in control of the entire plant coloration, allowed the creation of haploinducer lines with a frequency of haploid stimulation up to 15%. Phenotypic expression of dominant alleles of the marker anthocyanin coloration genes in different parts of a hybrid plant, as well as in the caryopsis and embryo, contributes to the high-quality selection of haploid kernels in the cob due to the manifestation of recessive alleles of these genes at the haploid level. The presence of anthocyanin synthesis suppressor genes in siliceous maize (C1-I, C2-Idf, In1-D) restricts the use of the R1-nj gene in other representatives of siliceous maize. In order to overcome this problem, studies are underway to create other genotypes of haploinducers, which are not associated with the anthocyanin coloration of the caryopsis, but instead have other marker traits, such as the oil content in the kernel, the absence of ligules in the leaves, and root coloration in seedlings. The use of matroclinous and androclinous types of haploinduction allows breeders to obtain highly homozygous dihaploid maize lines, with both the maternal and paternal genomes. These achievements made it possible to cut five or more times the material and time inputs into the creation of inbred lines and their sterile analogs, accelerate the breeding of new maize hybrids, and signifi cantly improve the quality of seed production in terms of typicality and uniformity. The materials presented in the article should help breeders and geneticists to learn more about the innovative directions and problems of hybrid maize breeding. | Обнаружение спонтанно образовавшихся гаплоидных растениий и разработка способов получения их в культуре in vitro определили новое направление, важное для селекции и для теоретических исследований в области репродуктивной биологии. Частота спонтанной гаплоидии в посевах культурных растений крайне низка и составляет не более 0,01-0,1%, поэтому поиск источников и доноров, способных к стимулированию гаплоидии в гибридных комбинациях, весьма актуален. Расширение поиска новых доноров признака гаплоиндукции, создание новых, более эффективных гаплоиндукторов способствует накоплению генетических источников, характеризующихся высоким ресурсным потенциалом для селекционно-генетических исследований. Причины, способствующие стимулированию гаплоидии, еще недостаточно изучены. Есть сведения, что за этот процесс ответственны гены, локализованные в qhir1, qhir11, qhir12 районах хромосомы 1 кукурузы. Использование генов, стимулирующих гаплоиндукцию кукурузы в сочетании с маркерным геном антоциановой окраски зерновки и зародыша R1-nj, а также антоциановой окраски растения А1 и В1, позволило создать линии-гаплоиндукторы с частотой стимулирования гаплоидов до 15%. Фенотипическое проявление доминантных аллелей генов маркерной антоциановой окраски на различных частях гибридного растения, а также на зерновке и зародыше способствует качественному отбору гаплоидных зерновок на початке за счет проявления рецессивных аллелей этих генов на гаплоидном уровне. Наличие в кремнистой кукурузе генов подавителей синтеза антоцианов (C1- I, C2-Idf, In1-D) ограничивает использование гена R1-nj на других представителях подвида кремнистой кукурузы. Для преодоления данной проблемы ведутся исследования по созданию гаплоиндукторов, у которых маркерным признаком служит содержание масла в зерне или отсутствие лигулы на листьях. Использование матроклинного и андроклинного типов гаплоиндукции позволяет селекционерам получать в высокой степени гомозиготные дигаплоидные линии кукурузы как с материнским, так и с отцовским геномом. Благодаря этим достижениям стало возможным сокращение материальных и временных затрат на создание инбредных линий и их стерильных аналогов в 5 и более раз, ускорилась селекционная работа по созданию новых гибридов кукурузы, значительно улучшилось качество семеноводческой продукции, ее типичность и однородность. Приведенные в статье материалы помогут селекционерам и генетикам лучше ориентироваться в инновационных направлениях и проблемах селекции гибридной кукурузы.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

Y. V. Kuzmina | Ю. В. Кузьмина

Genome editing methods are now widely used in research aimed at studying fundamental biological processes, in particular for regulating maturation and extending shelf life of plant agricultural products. This review briefly discusses plant genome editing methods and examples of their successful application for increasing the storage life of fruits of tomato as one of the most important crops. Genome editing is one of the new areas of genetic engineering that is truly revolutionary in biotechnology. Various genome editing systems have been developed over the past decades: zinc finger nucleases (ZFNs), transcriptional activator-like effector nucleases (TALENs), and clustered regularly located short palindromic repeats recognized by Cas9 nuclease (CRISPR/Cas9). The most common and widely used is the CRISPR/ Cas9 system, which has many advantages over other existing genome editing systems. | На сегодняшний день методы редактирования генома широко используются во многих научных исследованиях, направленных на изучение фундаментальных биологических процессов, в частности, для регулирования созревания и продления сроков хранения растительной сельскохозяйственной продукции. В данном обзоре кратко рассмотрены методы редактирования генома растений и примеры их успешного применения для увеличения лёжкости плодов томата, как одной из важнейших сельскохозяйственных культур. Редактирование генома знаменует собой одну из новых областей генной инженерии, которая имеет поистине революционное значение для биотехнологии. На протяжении последних десятилетий были разработаны различные системы редактирования генома: нуклеазы цинковых пальцев (ZFN), эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN), и кластеризованные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы, узнаваемые нуклеазой Cas9 (CRISPR/ Cas9). Наиболее широко распространенным и используемым методом является система CRISPR/Cas9, которая характеризуется многими преимуществами по сравнению с другими существующими системами редактирования генома.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation