vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2025-1-191-201vir-nw-2262Research ArticleИДЕНТИФИКАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМIDENTIFICATION OF THE DIVERSITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVES FOR SOLVING FUNDAMENTAL AND APPLIED PROBLEMSИзучение полиморфизма гена CslF6, ассоциированного с биосинтезом β-D-глюканов, у образцов диплоидного овса Avena strigosa Schreb. коллекции ВИРStudying polymorphism of the gene CslF6 associated with β-D-glucan biosynthesis in diploid oat accessions of Avena strigosa Schreb. from the VIR collectionhttps://orcid.org/0000-0002-1958-5008ШвачкоН. А.ShvachkoN. A.

Наталия Альбертовна Швачко, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

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

Nataliya A. Shvachko, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

n.shvachko@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7275-3878СемилетТ. В.SemiletT. V.

Татьяна Вячеславовна Семилет, младший научный сотрудник

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

Tatyana V. Semilet, Associate Researcher

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

t.semilet@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3274-7662ПоповВ. С.PopovV. S.

Виталий Сергеевич Попов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

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

Vitaliy S. Popov, Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

popovitaly@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8898-4926БлиноваЕ. В.BlinovaE. V.

Елена Владимировна Блинова, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

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

Elena V. Blinova, Cand. Sci. (Agriculture), Senior Researcher

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

e.blinova@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9250-7225ЛоскутовИ. Г.LoskutovI. G.

Игорь Градиславович Лоскутов, доктор биологических наук, доцент, главный научный сотрудник, заведующий отделом, Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова; профессор, Санкт-Петербургский государственный университет

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9

Igor G. Loskutov, Dr. Sci. (Biology), Professor, Chief Researcher, Head of a Department, N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources; Professor, St. Petersburg State University

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000;  7–9 Universitetskaya Emb., St. Petersburg 199034

i.loskutov@vir.nw.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian FederationФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова; Санкт-Петербургский государственный университетРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation2025130420251861191201Copyright © Швачко Н.А., Семилет Т.В., Попов В.С., Блинова Е.В., Лоскутов И.Г., 20252025Швачко Н.А., Семилет Т.В., Попов В.С., Блинова Е.В., Лоскутов И.Г.Shvachko N.A., Semilet T.V., Popov V.S., Blinova E.V., Loskutov I.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/2262Актуальность

Актуальность. Овес является одной из самых распространенных и важных зерновых культур в мировом сельскохозяйственном производстве. Поиск новых высокоурожайных и высококачественных генотипов продолжает оставаться актуальным, особенно в условиях глобальной тенденции изменения климата, когда большинство местных сортов овса могут стать экономически неэффективными.

Материалы и методы

Материалы и методы. Материалом для данного исследования послужили 50 местных сортов диплоидного культурного вида овса Avena strigosa Schreb. из коллекции ВИР, имеющих разнообразное географическое происхождение. Материал изучался в условиях научно-производственной базы «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР» в 2023– 2024 гг. В результате изучения определены главные хозяйственно ценные признаки и биохимические свойства зерновок. Полевое изучение коллекции овса проводили на основе методических указаний по изучению коллекции ВИР, биохимические показатели определяли по общепринятым методикам. У контрастных образцов овса выполнены молекулярно-генетические исследования (изолирование ДНК, постановка полимеразной цепной реакции и секвенирование по методу Сэнгера). Проведен анализ аллельного состояния генов, ассоциированных с биосинтезом β-глюканов.

Результаты и заключение

Результаты и заключение. Приведены данные исследования содержания растворимых полисахаридов β-глюканов у образцов A. strigosa коллекции ВИР. Изучен биохимический состав зерновок диплоидного овса и определено процентное содержание β-глюканов. С помощью современных молекулярно-генетических методов исследования проведено изучение ключевого гена биосинтеза данной группы веществ – CslF6. Секвенирование по методу Сэнгера кодирующей части гена не выявило перестроек в последовательности нуклеотидов гена.

Background

Background. Oat is one of the most widespread and important cereal crops in the global agricultural production. Searching for new high-yielding and high-quality genotypes remains relevant, especially in the context of the global trend of climate change, when most local oat varieties may become economically ineffective.

Materials and methods

Materials and methods. The material for this study included 50 local varieties of the diploid cultivated oat species Avena strigosa Schreb. from the VIR collection, having diverse geographical origins. The material was studied under the conditions of Pushkin and Pavlovsk Laboratories of VIR in 2023–2024. As a result of the study, main valuable agronomic traits and biochemical properties of grains were identified. The field testing of the oat collection was carried out on the basis of the guidelines for the study of the VIR collection; biochemical indicators were assessed using conventional techniques. Molecular genetic research methods (DNA isolation, polymerase chain reaction, and Sanger sequencing) were applied to contrasting oat accessions. The allelic state of the genes associated with the biosynthesis of β-glucans was analyzed.

Results and conclusion

Results and conclusion. The data are presented on the content of β-glucans, a group of soluble polysaccharides, in A. strigosa accessions from the VIR collection. The biochemical composition of diploid oat grains was studied, and the percentage of β-glucans was calculated. Using modern molecular genetic research methods, the allelic state of the key gene for the biosynthesis of this group of compounds, CslF6, was identified. Sanger sequencing of the gene’s coding part did not reveal any rearrangements in the nucleotide sequence of this gene.

овес песчаныйгенотипированиемолекулярные маркерыанализ in silicoрастворимые полисахаридыbristle oatgenotypingmolecular markersin silico analysissoluble polysaccharidesИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 23-76-00005, https://rscf. ru/project/23-76-00005/).The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation (No. 23-76-00005, https://rscf.ru/project/23-76-00005/).ReferencesBurton R.A., Jobling S.A., Harvey A.J., Shirley N.J., Mather D.E., Bacic A. et al. The genetics and transcriptional profiles of the cellulose synthase-like HvCslF gene family in barley. Plant Physiology. 2008;146(4):1821-1833. DOI: 10.1104/pp.107.114694Burton R.A., Jobling S.A., Harvey A.J., Shirley N.J., Mather D.E., Bacic A. et al. The genetics and transcriptional profiles of the cellulose synthase-like HvCslF gene family in barley. Plant Physiology. 2008;146(4):1821-1833. DOI: 10.1104/pp.107.114694Burton R.A., Wilson S.M., Hrmova M., Harvey A.J., Shirley N.J., Medhurst A. et al. Cellulose synthase-like CslF genes mediate the synthesis of cell wall (1, 3; 1, 4)-beta-D-glucans. Science. 2006;311(5769):1940-1942. DOI: 10.1126/science.1122975Burton R.A., Wilson S.M., Hrmova M., Harvey A.J., Shirley N.J., Medhurst A. et al. Cellulose synthase-like CslF genes mediate the synthesis of cell wall (1, 3; 1, 4)-beta-D-glucans. Science. 2006;311(5769):1940-1942. DOI: 10.1126/science.1122975Cocuron J.C., Lerouxel O., Drakakaki G., Alonso A.P., Liepman A.H., Keegstra K. et al. A gene from the cellulose synthase-like C family encodes a beta-1,4 glucan synthase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(20):8550-8555. DOI: 10.1073/pnas.0703133104Cocuron J.C., Lerouxel O., Drakakaki G., Alonso A.P., Liepman A.H., Keegstra K. et al. A gene from the cellulose synthase-like C family encodes a beta-1,4 glucan synthase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(20):8550-8555. DOI: 10.1073/pnas.0703133104Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений /под ред. А.И. Ермакова. 3-е изд. Ленинград: Агропромиздат; 1987.Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P., Peruanskiy Yu.V., Lukovnikova G.A., Ikonnikova M.I. Methods of biochemical research in plants (Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy). A.I. Ermakov (ed.). 3rd ed. Leningrad: Agropromizdat; 1987. [in Russian]Farrokhi N., Burton R.A., Brownfield L., Hrmova M., Wilson S.M., Bacic A. et al. Plant cell wall biosynthesis: genetic, biochemical and functional genomics approaches to the identification of key genes. Plant Biotechnology Journal. 2006;4(2):145-167. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2005.00169.xFarrokhi N., Burton R.A., Brownfield L., Hrmova M., Wilson S.M., Bacic A. et al. Plant cell wall biosynthesis: genetic, biochemical and functional genomics approaches to the identification of key genes. Plant Biotechnology Journal. 2006;4(2):145-167. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2005.00169.xHavrlentová M, Dvořáček V, Jurkaninová L, Gregusová V. Unraveling the potential of β-D-Glucans in Poales: from characterization to biosynthesis and factors affecting the content. Life (Basel). 2023;13(6):1387. DOI: 10.3390/life13061387Havrlentová M, Dvořáček V, Jurkaninová L, Gregusová V. Unraveling the potential of β-D-Glucans in Poales: from characterization to biosynthesis and factors affecting the content. Life (Basel). 2023;13(6):1387. DOI: 10.3390/life13061387Hazen S.P., Scott-Craig J.S., Walton J.D. Cellulose synthaselike genes of rice. Plant Physiology. 2002;128(2):336-340. DOI: 10.1104/pp.010875Hazen S.P., Scott-Craig J.S., Walton J.D. Cellulose synthaselike genes of rice. Plant Physiology. 2002;128(2):336-340. DOI: 10.1104/pp.010875Integrated DNA Technologies. PrimerQuest Tool: [website]. Available from: https://eu.idtdna.com/primerquest/home [accessed Nov. 25, 2024].Integrated DNA Technologies. PrimerQuest Tool: [website]. Available from: https://eu.idtdna.com/primerquest/home [accessed Nov. 25, 2024].Izydorczyk M.S., Dexter J.E. Barley β-glucans and arabinoxylans: molecular structure, physicochemical properties, and uses in food products – a review. Food Research International. 2008;41(9):850-868. DOI: 10.1016/j.foodres.2008.04.001Izydorczyk M.S., Dexter J.E. Barley β-glucans and arabinoxylans: molecular structure, physicochemical properties, and uses in food products – a review. Food Research International. 2008;41(9):850-868. DOI: 10.1016/j.foodres.2008.04.001Lante A., Canazza E., Tessari P. Beta-glucans of cereals: functional and technological properties. Nutrients. 2023;15(9):2124. DOI: 10.3390/nu15092124Lante A., Canazza E., Tessari P. Beta-glucans of cereals: functional and technological properties. Nutrients. 2023;15(9):2124. DOI: 10.3390/nu15092124Лоскутов И.Г. Овес (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. Санкт-Петербург: ВИР; 2007).Loskutov I.G. Oat (Avena L.). Distribution, systematics, evolution, and breeding value (Oves (Avena L.). Rasprostraneniye, sistematika, evolyutsiya i selekstionnaya tsennost). St Petersburg: VIR; 2007. [in Russian]Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.Loskutov I.G., Kovaleva O.N., Blinova E.V. Guidelines for the study and preservation of the world collection of barley and oats (Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i sokhraneniyu mirovoy kollektsii yachmenya i ovsa). St. Petersburg: VIR; 2012. [in Russian]Loskutov I.G., Rines H.W. Avena L. In: C. Kole (ed.). Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources. Heidelberg; Berlin: Springer; 2011. p.109-184. DOI: 10.1007/978-3-64214228-4_3Loskutov I.G., Rines H.W. Avena L. In: C. Kole (ed.). Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources. Heidelberg; Berlin: Springer; 2011. p.109-184. DOI: 10.1007/978-3-64214228-4_3Noorbakhsh Varnosfaderani S.M., Ebrahimzadeh F., Akbari Oryani M., Khalili S., Almasi F., Mosaddeghi Heris R. et al. Potential promising anticancer applications of β-glucans: a review. Bioscience Reports. 2024;44(1):BSR20231686. DOI: 10.1042/BSR20231686Noorbakhsh Varnosfaderani S.M., Ebrahimzadeh F., Akbari Oryani M., Khalili S., Almasi F., Mosaddeghi Heris R. et al. Potential promising anticancer applications of β-glucans: a review. Bioscience Reports. 2024;44(1):BSR20231686. DOI: 10.1042/BSR20231686Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; the UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; the UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091Popov V.S., Khoreva V.I., Konarev A.V., Shelenga T.V., Blinova E.V., Malyshev L.L. et al. Evaluating germplasm of cultivated oat species from the VIR collection under the Russian northwest conditions. Plants (Basel). 2022;11(23):3280. DOI: 10.3390/plants11233280Popov V.S., Khoreva V.I., Konarev A.V., Shelenga T.V., Blinova E.V., Malyshev L.L. et al. Evaluating germplasm of cultivated oat species from the VIR collection under the Russian northwest conditions. Plants (Basel). 2022;11(23):3280. DOI: 10.3390/plants11233280Попов В.С., Перчук И.Н., Хорева В.И. Гравиметрический метод количественного определения растворимых β-глюканов в зерне овса. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(1):5-12. DOI: 10.30901/26586266-2021-1-o1Popov V.S., Perchuk I.N., Khoreva V.I. A gravimetric method for the quantitative determination of soluble β-glucan content in oat grain. Plant Biotechnology and Breeding. 2021;4(1):5-12. [in Russian]. DOI: 10.30901/26586266-2021-1-o1Redaelli R., Del Frate V., Bellato S., Terracciano G., Ciccoritti R., Germeier C.U. et al. Genetic and environmental variability in total and soluble β-glucan in European oat genotypes. Journal of Cereal Science. 2013;57(2):193-199. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.09.003Redaelli R., Del Frate V., Bellato S., Terracciano G., Ciccoritti R., Germeier C.U. et al. Genetic and environmental variability in total and soluble β-glucan in European oat genotypes. Journal of Cereal Science. 2013;57(2):193-199. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.09.003Redaelli R., Sgrulletta D., Scalfati G., De Stefanis E., Cacciatori P. Naked oats for improving human nutrition: genetic and agronomic variability of grain bioactive components. Crop Science. 2009;49(4):1431-1437. DOI: 10.2135/cropsci2008.04.0225Redaelli R., Sgrulletta D., Scalfati G., De Stefanis E., Cacciatori P. Naked oats for improving human nutrition: genetic and agronomic variability of grain bioactive components. Crop Science. 2009;49(4):1431-1437. DOI: 10.2135/cropsci2008.04.0225Richmond T.A., Somerville C.R. The cellulose synthase superfamily. Plant Physiology. 2000;124(2):495-498. DOI: 10.1104/pp.124.2.495Richmond T.A., Somerville C.R. The cellulose synthase superfamily. Plant Physiology. 2000;124(2):495-498. DOI: 10.1104/pp.124.2.495Родионова Н.А., Солдатов В.Н., Мережко В.Е., Ярош Н.П., Кобылянский В.Д. Культурная флора. Т. 2, ч. 3. Овес. Москва: Колос; 1994.Rodionova N.A., Soldatov V.N., Merezhko V.E., Yarosh N.P., Kobylyansky V.D. Flora of cultivated plants. Vol. 2, Pt. 3. Oat (Kulturnaya flora. T. 2, ch. 3. Oves). Moscow: Kolos; 1994. [in Russian]Shvachko N.A., Loskutov I.G., Semilet T.V., Popov V.S., Kovaleva O.N., Konarev A.V. Bioactive components in oat and barley grain as a promising breeding trend for functional food production. Molecules. 2021;26(8):2260. DOI: 10.3390/molecules26082260Shvachko N.A., Loskutov I.G., Semilet T.V., Popov V.S., Kovaleva O.N., Konarev A.V. Bioactive components in oat and barley grain as a promising breeding trend for functional food production. Molecules. 2021;26(8):2260. DOI: 10.3390/molecules26082260Sushytskyi L., Synytsya A., Čopíková J., Lukáč P., Rajsiglová L., Tenti P. et al. Perspectives in the application of high, medium, and low molecular weight oat β-d-glucans in dietary nutrition and food technology – A short overview. Foods. 2023:7;12(6):1121. DOI: 10.3390/foods12061121Sushytskyi L., Synytsya A., Čopíková J., Lukáč P., Rajsiglová L., Tenti P. et al. Perspectives in the application of high, medium, and low molecular weight oat β-d-glucans in dietary nutrition and food technology – A short overview. Foods. 2023:7;12(6):1121. DOI: 10.3390/foods12061121Sykut-Domańska E., Rzedzicki Z., Zarzycki P., Sobota A., Błaszczak W. Distribution of (1,3)(1,4)-β-D-glucans in grains of Polish oat cultivars and lines (Avena sativa L.). Polish Journal of Food and Nutrition Sciences. 2015;66(1):51-56. DOI: 10.1515/pjfns-2015-0012Sykut-Domańska E., Rzedzicki Z., Zarzycki P., Sobota A., Błaszczak W. Distribution of (1,3)(1,4)-β-D-glucans in grains of Polish oat cultivars and lines (Avena sativa L.). Polish Journal of Food and Nutrition Sciences. 2015;66(1):51-56. DOI: 10.1515/pjfns-2015-0012Toole G.A., Le Gall G., Colquhoun I.J., Drea S., Opanowicz M., Bedö Z. et al. Spectroscopic analysis of diversity in the spatial distribution of arabinoxylan structures in endosperm cell walls of cereal species in the HEALTHGRAIN diversity collection. Journal of Cereal Science. 2012;56(2):134-141. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.02.016Toole G.A., Le Gall G., Colquhoun I.J., Drea S., Opanowicz M., Bedö Z. et al. Spectroscopic analysis of diversity in the spatial distribution of arabinoxylan structures in endosperm cell walls of cereal species in the HEALTHGRAIN diversity collection. Journal of Cereal Science. 2012;56(2):134-141. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.02.016Vega-Sánchez M.E., Verhertbruggen Y., Christensen U., Chen X., Sharma V., Varanasi P. et al. Loss of Cellulose synthase-like F6 function affects mixed-linkage glucan deposition, cell wall mechanical properties, and defense responses in vegetative tissues of rice. Plant Physiology. 2012;159(1):5669. DOI: 10.1104/pp.112.195495Vega-Sánchez M.E., Verhertbruggen Y., Christensen U., Chen X., Sharma V., Varanasi P. et al. Loss of Cellulose synthase-like F6 function affects mixed-linkage glucan deposition, cell wall mechanical properties, and defense responses in vegetative tissues of rice. Plant Physiology. 2012;159(1):5669. DOI: 10.1104/pp.112.195495Zhang J., Yan L., Liu M., Guo G., Wu B. Analysis of β-d-glucan biosynthetic genes in oat reveals glucan synthesis regulation by light. Annals of Botany. 2021;127(3):371-380. DOI: 10.1093/aob/mcaa185Zhang J., Yan L., Liu M., Guo G., Wu B. Analysis of β-d-glucan biosynthetic genes in oat reveals glucan synthesis regulation by light. Annals of Botany. 2021;127(3):371-380. DOI: 10.1093/aob/mcaa185

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