vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2024-4-32-46vir-nw-2110Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESСравнительная оценка содержания фотосинтетических пигментов у представителей внутривидовых таксонов Pisum sativum L.Comparative assessment of the photosynthetic pigment content among representatives of intraspecific taxa in Pisum sativum L.https://orcid.org/0000-0002-8146-0791БобковС. В.BobkovS. V.

Сергей Васильевич Бобков - кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник.

302502 Орел, пос. Стрелецкий, ул. Молодежная, 10, корп. 1

Sergey V. Bobkov - Cand. Sci. (Agriculture), Leading Researcher.

10, bldg. 1, Molodezhnaya St., Streletsky Settlem., Orel 302502

svbobkov@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0002-3370-0604БашкироваК. А.BashkirovaK. A.

Ксения Александровна Башкирова - младший научный сотрудник.

302502 Орел, пос. Стрелецкий, ул. Молодежная, 10, корп. 1

Ksenia A. Bashkirova - Associate Researcher.

10, bldg. 1, Molodezhnaya St., Streletsky Settlem., Orel 302502

xeni43339@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2637-1091СеменоваЕ. В.SemenovaE. V.

Елена Викторовна Семенова - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник.

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Elena V. Semenova - Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

e.semenova@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2808-7745ВишняковаМ. А.VishnyakovaM. A.

Маргарита Афанасьевна Вишнякова - доктор биологических наук, главный научный сотрудник.

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Margarita A. Vishnyakova - Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher.

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

m.vishnyakova.vir@gmail.comФедеральный научный центр зернобобовых и крупяных культурРоссияFederal Scientific Center of Legumes and Groat CropsRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation20240701202518543246Copyright © Бобков С.В., Башкирова К.А., Семенова Е.В., Вишнякова М.А., 20252025Бобков С.В., Башкирова К.А., Семенова Е.В., Вишнякова М.А.Bobkov S.V., Bashkirova K.A., Semenova E.V., Vishnyakova M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/2110Актуальность

Актуальность. Повышение содержания фотосинтетических пигментов (ФП) и продление времени их функционирования обеспечивают растениям увеличение урожайности и устойчивости к абиотическим стрессорам. Для гороха это особенно актуально вследствие широкого внедрения в производство безлисточковых сортов. На ряде культур, в том числе и на горохе, описаны гомологи гена STAY-GREEN, мутации в котором позволяют листьям фотосинтезировать более продолжительное время. Поиск вариантов генов, определяющих высокое содержание ФП на протяжении всего периода вегетации гороха, можно рассматривать в качестве потенциального ресурса роста урожайности культуры.

Материалы и методы

Материалы и методы. Определяли содержание ФП в прилистниках на первом продуктивном узле в начале и в конце периода налива семян у 21 образца гороха из коллекции ВИР. Образцы разного селекционного статуса относились к пяти подвидам Pisum sativum L. Исследования проводили в 2016, 2017, 2022 г. в лаборатории физиологии растений Федерального научного центра зернобобовых и крупяных культур (г. Орел, Россия).

Результаты и заключение

Результаты и заключение. Выявлен значительный полиморфизм образцов по содержанию ФП. Образец к-3370 дикого подвида P. sativum subsp. elatius (Bieb.) Schmalh. отличался стабильно высоким в сравнении с современными сортами содержанием хлорофиллов a и b и каротиноидов и более длительным их функционированием. Сопоставимые результаты показали примитивные формы из культивируемых подвидов transcaucasicum Makash. и asiaticum Govorov. Поскольку проанализированные образцы представляют собой первичный генпул вида P. sativum, изучаемый признак может быть передан создаваемым сортам.

Background

Background. Higher content of photosynthetic pigments (PP) and longer time of their functioning increase the yield and resistance to abiotic stressors in plants. It is especially relevant for pea (Pisum sativum L.), since more and more leafless cultivars are introduced into production. Homologs of the STAY-GREEN gene (SGR), with mutations enabling leaves to photosynthesize longer, have been described for a number of crops, including pea. Therefore, searching for sources of higher PP levels throughout the entire pea growing season is promising for the crop’s yield increase.

Materials and methods

Materials and methods. The analysis included 21 accessions of five P. sativum subspecies from the VIR collection. The content of chlorophyll (Chl a and Chl b), carotenoids, and chlorophyllide (Chlide a) in stipules was assessed on the first productive node at the start and the end of the seed-filling period.

Results

Results. The analyzed accessions showed significant polymorphism in their PP content. Principal component analysis divided the material into two categories: with high and low PP content. Both included representatives of different intraspecific taxa. Wild pea accession k-3370 (subsp. elatius) had the highest PP content both at the start and the end of its seed-filling period, along with a significantly higher ratio of chlorophyll to chlorophyllide, a chlorophyll degradation product. The latter indicator attested to the resistance of chlorophyll to degradation during the completion of seed filling.

Conclusion

Conclusion. Accessions with high PP content, comparable with the highest values in wild accession k-3370 and exceeding the values in contemporary pea cultivars, can serve as sources of this trait for the development of new high-yielding genotypes. Primitive cultivated forms of subspp. transcaucasicum and asiaticum are especially valuable in this context. Since all the studied accessions represented the primary genepool of P. sativum, the trait can be transferred to the cultivars under development.

горох (Pisum sativum L.)подвидыSTAY-GREENхлорофиллкаротиноидыхлорофиллиддикий горохобразецхозяйственно ценный признакpea (Pisum sativum L.)subspeciesSTAY-GREENchlorophyllcarotenoidschlorophyllidewild peaaccessionvaluable agronomic traitработа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках государственных заданий Федерального научного центра зернобобовых и крупяных культур по разделу FGZZ-2022-0003 «Физиолого-биохимическое изучение генетических ресурсов зернобобовых и крупяных культур для использования в селекционном процессе» и Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова по теме № FGEM-2022-0002 «Выявление возможностей генофонда бобовых культур для оптимизации их селекции и диверсификации использования в различных отраслях народного хозяйства»the work was supported by the Ministry of Science and Higher Education within the framework of the state tasks assigned to the Federal Scientific Center of Legumes and Groat Crops, Section FGZZ-2022-0003 “Physiological and biochemical studies of legume and groat crop genetic resources for utilization in breeding practice”, and the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources, Project No. FGEM-2022-0002 “Identifying possibilities in the genetic diversity of leguminous crops to optimize their breeding and diversify uses in various sectors of the national economy”ReferencesArmstead I., Donnison I., Aubry S., Harper J., Hörtensteiner S., James C. et al. Cross-species identification of Mendel’s I locus. Science. 2007;315(5808):73. DOI: 10.1126/science.1132912Armstead I., Donnison I., Aubry S., Harper J., Hörtensteiner S., James C. et al. Cross-species identification of Mendel’s I locus. Science. 2007;315(5808):73. DOI: 10.1126/science.1132912Бобков С.В., Башкирова К.А. Содержание фотосинтетических пигментов в различных органах растений дикого и культурного гороха. Зернобобовые и крупяные культуры. 2021;4(40):15-23. DOI: 10.24412/2309-348X-2021-4-15-23Bobkov S.V., Bashkirova K.A. Content of photosynthetic pigments in various organs of wild and cultural pea. Legumes and Groat Crops. 2021;4(40):15-23. [in Russian] DOI: 10.24412/2309-348X-2021-4-15-23Бобков С.В., Бычков И.А. Содержание фотосинтетических пигментов в онтогенезе культурного гороха. Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021;4(60):4-14. DOI: 10.12737/2073-0462-2021-10-14Bobkov S.V., Bychkov I.A. Content of photosynthetic pigments in ontogenesis of wild and cultural pea. Vestnik of Kazan State Agrarian University. 2021;4(60):4-14. [in Russian]Бобков С.В., Бычков И.А. Содержание фотосинтетических пигментов и активность ферментов окислительного стресса у диких образцов гороха. Земледелие. 2018:(4):29-33. DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10409Bobkov S.V., Bychkov I.A. Contents of photosynthetic pigments and activity of oxidative stress enzymes in wild pea. Zemledelie = Crop Farming. 2018;(4):29-33. [in Russian] DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10409Chen J., Zhou H., Yuan X., He Y., Yan Q., Lin Y. et al. Homolog of pea SGR controls stay-green in faba bean (Vicia faba L.). Genes (Basel). 2023;14(5):1030. DOI: 10.3390/genes14051030Chen J., Zhou H., Yuan X., He Y., Yan Q., Lin Y. et al. Homolog of pea SGR controls stay-green in faba bean (Vicia faba L.). Genes (Basel). 2023;14(5):1030. DOI: 10.3390/genes14051030Cohen J. Statistical power analysis for the behavioral sciences. 2nd ed. New York, NY: Routledge; 1988. DOI: 10.4324/9780203771587Cohen J. Statistical power analysis for the behavioral sciences. 2nd ed. New York, NY: Routledge; 1988. DOI: 10.4324/9780203771587Davis J.G., Myers J.R., McClean P.E., Lee R. Staygreen (SGR), a candidate gene for the persistent color phenotype in common bean. Acta Horticulturae. 2010;859:99-102. DOI: 10.17660/ActaHortic.2010.859.10Davis J.G., Myers J.R., McClean P.E., Lee R. Staygreen (SGR), a candidate gene for the persistent color phenotype in common bean. Acta Horticulturae. 2010;859:99-102. DOI: 10.17660/ActaHortic.2010.859.10Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность. Известия Уфимского научного центра РАН. 2018;(3-4):5-16.Dymova O.V., Golovko T.K. Photosynthetic pigments: functioning, ecology and biological activity. Proceedings of the RAS Ufa Scientific Centre. 2018;(3-4):5-16. [in Russian]Говоров Л.И. Pisum L. – Горох. В кн.: Культурная флора СССР. Т. IV. Зерновые бобовые / под ред. Н.А. Базилевской, Е.И. Барулиной. Москва; 1937. С.229-336.Govorov L.I. Pisum L. – Pea (Gorokh). In: N.A. Bazilevskaya, E.I. Barulina (eds). Flora of Cultivated Plants. Vol. IV. Grain Legumes (Zernovye bobovye). Moscow; 1937. p.229-336. [in Russian]Harpaz-Saad S., Azoulay T., Arazi T., Ben-Yaakov E., Mett A., Shiboleth Y.M. et al. Chlorophyllase is a rate-limiting enzyme in chlorophyll catabolism and is posttranslationally regulated. The Plant Cell. 2007;19(3):1007-1022. DOI: 10.1105/tpc.107.050633Harpaz-Saad S., Azoulay T., Arazi T., Ben-Yaakov E., Mett A., Shiboleth Y.M. et al. Chlorophyllase is a rate-limiting enzyme in chlorophyll catabolism and is posttranslationally regulated. The Plant Cell. 2007;19(3):1007-1022. DOI: 10.1105/tpc.107.050633Kof E.M., Kondykov I.V. Pea (Pisum sativum L.) growth mutants. International Journal of Plant Developmental Biology. 2007;1(1):141-146.Kof E.M., Kondykov I.V. Pea (Pisum sativum L.) growth mutants. International Journal of Plant Developmental Biology. 2007;1(1):141-146.Kosterin O.E. On three cultivated subspecies of pea (Pisum sativum L.). Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2007;21(6):694-700. DOI: 10.18699/VJ17.287Kosterin O.E. On three cultivated subspecies of pea (Pisum sativum L.). Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2007;21(6):694-700. DOI: 10.18699/VJ17.287Kosterin O.E., Bogdanova V.S. Relationship of wild and cultivated forms of Pisum L. as inferred from an analysis of three markers of the plastid, mitochondrial and nuclear genomes. Genetic Resources and Crop Evolution. 2008;55(5):735-755. DOI: 10.1007/s10722-007-9281-yKosterin O.E., Bogdanova V.S. Relationship of wild and cultivated forms of Pisum L. as inferred from an analysis of three markers of the plastid, mitochondrial and nuclear genomes. Genetic Resources and Crop Evolution. 2008;55(5):735-755. DOI: 10.1007/s10722-007-9281-yLichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in Enzymology. 1987;148:350-382. DOI: 10.1016/0076-6879(87)48036-1Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in Enzymology. 1987;148:350-382. DOI: 10.1016/0076-6879(87)48036-1Макашева Р.Х. Культурная флора СССР. Т. 4. Зерновые бобовые культуры. Часть 1. Горох. Ленинград: Колос; 1979.Makasheva R.Kh. Flora of cultivated plants. Vol. 4. Grain legumes. Part 1. Pea. Leningrad: Kolos; 1979. [in Russian]Ney B., Duthion C., Fontaine E. Timing of reproductive abortions in relation to cell division, water content, and growth of pea seeds. Crop Science. 1993;33(2);267-270. DOI: 10.2135/cropsci1993.0011183X003300020010xNey B., Duthion C., Fontaine E. Timing of reproductive abortions in relation to cell division, water content, and growth of pea seeds. Crop Science. 1993;33(2);267-270. DOI: 10.2135/cropsci1993.0011183X003300020010xНовикова Н.Е., Косиков А.О., Бобков С.В., Зеленов А.А. Влияние регуляторов роста и поздней некорневой подкормки удобрениями на урожайность и белковую продуктивность. Агрохимия. 2017;(1):32-40.Novikova N.E., Kosikov A.O., Bobkov S.V., Zelenov A.A. The effects of late foliar fertilization and application of growth regulators on the yield and protein productivity of pea (Pisum sativum L.). Agricultural Chemistry. 2017;(1):32-40. [in Russian]Porra R.J. The chequered history of the development and use of simultaneous equations for the accurate determination of chlorophylls a and b. Photosynthesis Research. 2002;73(1-3):149-156. DOI: 10.1023/A:1020470224740Porra R.J. The chequered history of the development and use of simultaneous equations for the accurate determination of chlorophylls a and b. Photosynthesis Research. 2002;73(1-3):149-156. DOI: 10.1023/A:1020470224740Sato Y., Morita R., Nishimura M., Yamaguchi H., Kusaba M. Mendel’s green cotyledon gene encodes a positive regulator of the chlorophyll-degrading pathway. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(35):14169-14174. DOI: 10.1073/pnas.0705521104Sato Y., Morita R., Nishimura M., Yamaguchi H., Kusaba M. Mendel’s green cotyledon gene encodes a positive regulator of the chlorophyll-degrading pathway. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(35):14169-14174. DOI: 10.1073/pnas.0705521104Schrank F.P. Flora Monacensis. Vol. 4. Munich; 1818. Shi S., Miao H., Du X., Gu J., Xiao K. GmSGR1, a stay-green gene in soybean (Glycine max L.), plays an important role in regulating early leaf-yellowing phenotype and plant productivity under nitrogen deprivation. Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38(4):97. DOI: 10.1007/s11738-016-2105-ySchrank F.P. Flora Monacensis. Vol. 4. Munich; 1818. Shi S., Miao H., Du X., Gu J., Xiao K. GmSGR1, a stay-green gene in soybean (Glycine max L.), plays an important role in regulating early leaf-yellowing phenotype and plant productivity under nitrogen deprivation. Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38(4):97. DOI: 10.1007/s11738-016-2105-yShimoda Y., Ito H., Tanaka A. Arabidopsis STAY-GREEN, Mendel’s green cotyledon gene, encodes magnesium-dechelatase. The Plant Cell. 2016;28(9):2147-2160. DOI: 10.1105/tpc.16.00428Shimoda Y., Ito H., Tanaka A. Arabidopsis STAY-GREEN, Mendel’s green cotyledon gene, encodes magnesium-dechelatase. The Plant Cell. 2016;28(9):2147-2160. DOI: 10.1105/tpc.16.00428Sinjushin A., Semenova E., Vishnyakova M. Usage of morphological mutations for improvement of a garden pea (Pisum sativum): the experience of breeding in Russia. Agronomy. 2022;12(3):544. DOI: 10.3390/agronomy12030544Sinjushin A., Semenova E., Vishnyakova M. Usage of morphological mutations for improvement of a garden pea (Pisum sativum): the experience of breeding in Russia. Agronomy. 2022;12(3):544. DOI: 10.3390/agronomy12030544Sivasakthi К., Marques E., Kalungwana N., Carrasquilla-Garcia N., Chang P.L., Bergmann E.M. et al. Functional dissection of the chickpea (Cicer arietinum L.) stay-green phenotype associated with molecular variation at an ortholog of Mendel’s I gene for cotyledon color: implications for crop production and carotenoid biofortification. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(22):5562. DOI: 10.3390/ijms20225562Sivasakthi К., Marques E., Kalungwana N., Carrasquilla-Garcia N., Chang P.L., Bergmann E.M. et al. Functional dissection of the chickpea (Cicer arietinum L.) stay-green phenotype associated with molecular variation at an ortholog of Mendel’s I gene for cotyledon color: implications for crop production and carotenoid biofortification. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(22):5562. DOI: 10.3390/ijms20225562Szafrańska K., Reíter R.J., Posmyk M.M. Melatonin improves the photosynthetic apparatus in pea leaves stressed by paraquat via chlorophyll breakdown regulation and its accelerated de novo synthesis. Frontiers in Plant Science. 2017;8:878. DOI: 10.3389/fpls.2017.00878Szafrańska K., Reíter R.J., Posmyk M.M. Melatonin improves the photosynthetic apparatus in pea leaves stressed by paraquat via chlorophyll breakdown regulation and its accelerated de novo synthesis. Frontiers in Plant Science. 2017;8:878. DOI: 10.3389/fpls.2017.00878Вишнякова М.А., Яньков И.И., Булынцев С.В., Буравцева Т.В., Петрова М.В. Горох, бобы, фасоль… Сорта. Выращивание. Хранение. Применение. Санкт-Петербург: Агропромиздат; 2001.Vishnyakova M.A., Yankov I.I., Bulyntsev S.V, Buravtseva T.V., Petrova M.V. Pea, beans, common bean… Cultivars. Growing. Storage. Applications (Gorokh, boby, fasol… Sorta. Vyrashchivaniye. Khraneniye. Primeneniye). St. Petersburg: Agropromizdat; 2001. [in Russian]Wang Q., Xie W., Xing H., Yan J., Meng X., Li X. et al. Genetic architecture of natural variation in rice chlorophyll content revealed by a genome-wide association study. Molecular Plant. 2015;8(6):946-957. DOI: 10.1016/j.molp.2015.02.014Wang Q., Xie W., Xing H., Yan J., Meng X., Li X. et al. Genetic architecture of natural variation in rice chlorophyll content revealed by a genome-wide association study. Molecular Plant. 2015;8(6):946-957. DOI: 10.1016/j.molp.2015.02.014Wong A.C.S., van Oosterom E.J., Godwin I.D., Borrell A.K. Integrating stay-green and PIN-FORMED genes: PIN-FORMED genes as potential targets for designing climate-resilient cereal ideotypes, AoB PLANTS. 2023;15(4):plad040. DOI: 10.1093/aobpla/plad040Wong A.C.S., van Oosterom E.J., Godwin I.D., Borrell A.K. Integrating stay-green and PIN-FORMED genes: PIN-FORMED genes as potential targets for designing climate-resilient cereal ideotypes, AoB PLANTS. 2023;15(4):plad040. DOI: 10.1093/aobpla/plad040Зеленов А.Н. Потенциал гетерофильной формы гороха и пути его реализации. Аграрная Россия. 2011;(3):13-16.Zelenov A.N. Potential of heterophyllous form of peas and ways of its realization. Agrarian Russia. 2011;(3):13-16. [in Russian]Zhao Y., Qiang C., Wang X., Chen Y., Deng J., Jiang C. et al. New alleles for chlorophyll content and stay-green traits revealed by a genome wide association study in rice (Oryza sativa). Scientific Reports. 2019;9(1):2541. DOI: 10.1038/s41598-019-39280-5Zhao Y., Qiang C., Wang X., Chen Y., Deng J., Jiang C. et al. New alleles for chlorophyll content and stay-green traits revealed by a genome wide association study in rice (Oryza sativa). Scientific Reports. 2019;9(1):2541. DOI: 10.1038/s41598-019-39280-5Zhou C., Han L., Pislariu C.I., Nakashima J., Fu C., Jiang Q. et al. From model to crop: functional analysis of a STAY-GREEN gene in the model legume Medicago truncatula and effective use of the gene for alfalfa improvement. Plant Physiology. 2011;157(3):1483-1496. DOI: 10.1104/pp.111.185140Zhou C., Han L., Pislariu C.I., Nakashima J., Fu C., Jiang Q. et al. From model to crop: functional analysis of a STAY-GREEN gene in the model legume Medicago truncatula and effective use of the gene for alfalfa improvement. Plant Physiology. 2011;157(3):1483-1496. DOI: 10.1104/pp.111.185140

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