vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2018-3-194-202vir-nw-294Research ArticleГЕНЕТИКА КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙGENETICS OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESСелекционно-генетические аспекты создания продуктивных форм мягкой яровой пшеницы с высокой скоростью развитияBreeding and genetic aspects of creating productive forms of fast-developing spring bread wheatРигинБ. В.RiginB. V.

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

42, 44, Bolshaya Morskaya St., St. Petersburg, 190000

riginbv@mail.ruЗуевЕ. В.ZuevE. V.

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

42, 44, Bolshaya Morskaya St., St. Petersburg, 190000

e.zuev@vir.nw.ruТюнинВ. А.TyuninV. A.

Челябинская обл.

Chelyabinsk Province

chniisx2@mail.ruШрейдерЕ. Р.ShreyderE. R.

Челябинская обл.

Chelyabinsk Province

chniisx2@mail.ruПыженковаЗ. С.PyzhenkovaZ. S.

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

42, 44, Bolshaya Morskaya St., St. Petersburg, 190000

riginbv@mail.ruМатвиенкоИ. И.MatvienkoI. I.

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

42, 44, Bolshaya Morskaya St., St. Petersburg, 190000

riginbv@mail.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources,Russian FederationЧелябинский научно-исследовательский институт сельского хозяйстваРоссияChelyabinsk Agricultural Research InstituteRussian Federation2018100120191793194202Copyright © Ригин Б.В., Зуев Е.В., Тюнин В.А., Шрейдер Е.Р., Пыженкова З.С., Матвиенко И.И., 20192019Ригин Б.В., Зуев Е.В., Тюнин В.А., Шрейдер Е.Р., Пыженкова З.С., Матвиенко И.И.Rigin B.V., Zuev E.V., Tyunin V.A., Shreyder E.R., Pyzhenkova Z.S., Matvienko I.I.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/294Актуальность

Актуальность. Селекция пшеницы в России, помимо формирования сортов с высокой адаптивностью, пластичностью и качеством, должна быть направлена также на создание более скороспелых сортов с оптимальной продолжительностью вегетационного периода, отражающего территориальные особенности окружающей среды. Важным является преодоление отрицательной корреляции между скороспелостью и продуктивностью. Целью работы был анализ особенностей генетических и физиологических механизмов скороспелости яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) и возможности создания рекомбинантов с высокой скоростью развития и продуктивностью.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объектом исследований служили ультраскороспелые образцы яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.): Рико (к-65588), Фотон (к-55696), линии Фори (к-65589 ... к-65596), выделенные нами среди гибридов F4 Рико х Фотон, линии Рифор, отобранные среди гибридов F6-7 Рико х Forlani Roberto. Генетика скорости развития исследована с использованием гибридологического анализа и почти изогенных линии Triple Dirk. Фотопериодическая чувствительность определена в условиях 18-часового естественного и 12-часового короткого дня. Яровизация проведена в течение 30 дней при 3°С.

Результаты и выводы

Результаты и выводы. Ультраскороспелые образцы яровой мягкой пшеницы: Рико, Фотон, линии Фори и линии Рифор 1, Рифор 6, Рифор 7 имеют самый короткий вегетационный период по сравнению с образцами коллекции генетических ресурсов растений ВИР. Образцы также слабо чувствительны к фотопериоду и не реагируют на яровизацию. В различных экологических условиях не зафиксирована смена ранга исследованных ультраскороспелых форм по отношению к стандартным сортам пшеницы. Скорость развития ультраскороспелых образцов Рико, Фотон, Фори детерминирована, помимо гена Eps, также генами Vrn- A1, Vrn- B1, Vrn- D1, Ppd- D1 и Ppd- B1. Возможно, ген Eps, определяющий ультраскороспелость per se, является блоком полигенов (модификаторов) с малым эффектом. Во всех F2 исследованных 9 комбинациях скрещивания не было отмечено трансгрессий по скороспелости за пределы варьирования Рико. В Челябинском НИИСХ с использованием Фори 7 создан перспективный сорт 'Эритроспермум 25513', который в настоящее время проходит конкурсное сортоиспытание. Растения 'Forlani Roberto' очень позднеспелые, реагируют на яровизацию, фотопериод и в благоприятных условиях имеют продуктивный колос с 5-6 зерновками в колоске. Яровой тип развития 'Forlani Roberto' детерминирован доминантным геном Vrn- B1. Многозерность колоска продуктивных гибридов Рифор определяется двумя или тремя генами, и их экспрессия зависит от внешней среды. Выделены ультраскороспелые линии Рифор, у которых число зерен в колосе в полтора-два раза выше, чем у исходного образца Рико, однако по массе зерна с колоса несколько уступают стандартным сортам пшеницы. Урожай с 1 м2 линий Рифор 1, Рифор 8, Рифор 6 и Рифор 7 достигает 81, 82, 84, 94% соответственно от урожая стандартного сорта 'Ленинградская 97'. Следовательно, показана возможность создания рекомбинантов пшеницы, сочетающих ультраскороспелость и высокую продуктивность колоса.

Background

Background. In Russia, wheat breeding should also focus on creation of earlier-maturing varieties with an optimal duration of the vegetation period reflecting territorial environmental features. It is very important to overcome the negative correlation between the early maturity and productivity of wheat. The present work was aimed at analyzing special features of genetic and physiological mechanisms of early maturity in spring wheat (Triticum aestivum L.) and at determining possibilities of creating recombinants with high development rate and plant productivity.

Materials and methods

Materials and methods. The study employed such ultra-early spring wheat accessions as 'Rico' (k-65588), 'Foton' (k-55696), 'Fori' lines (kk-65589 ... 65596) selected from F4 hybrids of 'Foton' x 'Rico', and 'Rifor' lines selected from F6-7 hybrids of 'Rico' x 'Forlani Roberto' (k-42641). Genetics of the development rate was studied using hybridological analysis and 'Triple Dirk' near isogenic lines. Photoperiodic sensitivity was evaluated under 18-hour (natural day) and at 12-hour (short day) conditions. Vernalization was performed within 30 days at 3°C.

Results and conclusion

Results and conclusion. The ultra-early maturing accessions of spring wheat 'Rico', 'Foton', as well as 'Fori', 'Rifor 1', 'Rifor 6' and 'Rifor 7' lines had the shortest vegetation period in comparison with varieties from the VIR collection of plant genetic resources. These accessions had weak photoperiodic sensitivity and were insensitive to vernalization. The lines did not change their characteristics in different ecological conditions. Besides the Eps gene, Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Ppd-D1 and Ppd-B1 determined the rate of development of the ultra-early varieties 'Rico', 'Foton' and 'Fori'. Possibly, the Eps gene that controls ultra-earliness per se, is a set of polygenes (modifiers) with a low effect. No transgressive segregations in comparison with 'Rico' were recorded for the hybrids of the ultra-early 'Rico' with nine wheat varieties. A perspective cultivar 'Erythrospermum 25513' was created at the Chelyabinsk ARI with participation of 'Fori 7' line. 'Forlani Roberto' is a late variety, it responds to vernalization and photoperiod, and in good conditions its productive spike has 5-6 grains in the spikelet. The spring type of 'Forlani Roberto' is determined by the dominant gene Vrn-B1. The spikelet multi-seededness in productive 'Rifor' hybrids is determined by two or three genes and their expression depends on the environment. The selected ultra-early 'Rifor' lines have the number of grains per spike 1,5-2 times higher than in the parent line Rico, but the mass of grain per spike is below that of standard varieties. The yield per 1 m2 of Rifor 1, Rifor 8, Rifor 6 and Rifor 7 lines reached 81, 82, 84 and 94%, respectively, in comparison with the standard variety 'Leningradskaya 97'. Therefore, a possibility of creating wheat recombinants that combine ultra-earliness and high spike productivity is demonstrated.

пшеницавремя колошенияскороспелость per seгены PpdVrnEpsреакция на яровизациюфотопериодическая чувствительностьпродуктивностьрекомбинантыwheatinheritanceheading timeearliness perseresponse to vernalizationphotoperiodic sensitivityPpdVrnEps genesproductivityrecombinantГосударственное задание согласно тематическому плану ВИР по теме № 0662-2018-0003 «Идентификация и картирование генофонда важнейших сельскохозяйственных культур, формирование генетических коллекций с ценными для селекции аллелями генов и локусами количественных признаков», номер государственной регистрации ЕГИСУ НИОКР АААА-А16-116040710366-3ReferencesChortee Tan, Liuling Yan. Duplicated, deleted and translocated VRN2 genes in hexaploid wheat // Euphytica, 2015, vol. 208, pp. 277-284. DOI 10.1007/s10681-015-1589-7.Chortee Tan, Liuling Yan. Duplicated, deleted and translocated VRN2 genes in hexaploid wheat // Euphytica, 2015, vol. 208, pp. 277-284. DOI 10.1007/s10681-015-1589-7.Гончаров Н. П. Сравнительная генетика пшениц и их сородичей. Новосибирск : Сибирское университетское издательство, 2002. 251 с.Goncharov N. P. Comparative genetics of wheats and their related species. Ed. chief prof. V. K. Shumny. Novosibirsk : Sibirskoje univer. Isdatelstvo, 2002, 251 p. [in Russian]Goncharov N. P Genetics of growth habit (spring vs. winter) in common wheat: confirmation of the existence of dominant gene Vrn4 // Theor. Appl. Genet., 2003, vol. 107, pp. 768-772.Goncharov N. P Genetics of growth habit (spring vs. winter) in common wheat: confirmation of the existence of dominant gene Vrn4 // Theor. Appl. Genet., 2003, vol. 107, pp. 768-772.Kamran A., Iqbal M., NavabiA., Randhawa H., Pozniak C., Spaner D. Earliness per se QTLs and their interaction with the photoperiod insensitive allele Ppd-D1a in the Cutler 3 AC Barrie spring wheat population // Theor Appl. Genet., 2013, vol. 126, pp. 1965-1976. DOI 10.1007/s00122-013-2110-0.Kamran A., Iqbal M., NavabiA., Randhawa H., Pozniak C., Spaner D. Earliness per se QTLs and their interaction with the photoperiod insensitive allele Ppd-D1a in the Cutler 3 AC Barrie spring wheat population // Theor Appl. Genet., 2013, vol. 126, pp. 1965-1976. DOI 10.1007/s00122-013-2110-0.Kamran A., Iqbal M., Spaner D. Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): a key factor for global adaptability // Euphytica, 2014, vol. 197 pp. 1-26. DOI 10.1007/s10681-014-1075-7.Kamran A., Iqbal M., Spaner D. Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): a key factor for global adaptability // Euphytica, 2014, vol. 197 pp. 1-26. DOI 10.1007/s10681-014-1075-7.Кошкин В. А. Методические подходы в диагностике фотопериодической чувствительности и скороспелости растений // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012. Т. 170. С. 118-129.Koshkin V. A. Methodical approaches of diagnosis of photoperiodical sensitivity and earliness of plants // Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding, 2012, vol. 170, pp. 118-129 [in Russian]Костюченко И. А., Зарубайло Т. Я. Естественная яровизация зерна на растении в период созревания // Селекция и семеноводство. 1935. № 3 (11). С. 39-42.Kostiuchenko I. A., Zarubailo T. Ya. Natural vernalization of grain on the plant at maturity // Selection and seed production - Selektia i semenovodstvo. 1935, no. 3 (11), pp. 39-42 [in Russian]Ling-zhi Meng, Hong-wei Liu, Li Yang, Chun-yan Mai, Li-qiang Yu, Hong-jie Li, Hong-jun Zhang, Yang Zhou. Effects of the Vrn-D1b allele associated with facultative regrowth habit on agronomic traits in common wheat // Euphytica. 2016, no. 211, pp. 113-122. DOI 10.1007/s10681-016-1747-6.Ling-zhi Meng, Hong-wei Liu, Li Yang, Chun-yan Mai, Li-qiang Yu, Hong-jie Li, Hong-jun Zhang, Yang Zhou. Effects of the Vrn-D1b allele associated with facultative regrowth habit on agronomic traits in common wheat // Euphytica. 2016, no. 211, pp. 113-122. DOI 10.1007/s10681-016-1747-6.Markus Herndl, White Jeffrey W., Hunt L.A., GraeffSimone, Claupein Wilhelm. The impact of vernalization requirement, photoperiod sensitivity and earliness per se on grain protein content of bread wheat (Triticum aestivum L.) // Euphytica, 2008, vol. 163, pp. 309-320. DOI 10.1007/s10681-008-9671-z.Markus Herndl, White Jeffrey W., Hunt L.A., GraeffSimone, Claupein Wilhelm. The impact of vernalization requirement, photoperiod sensitivity and earliness per se on grain protein content of bread wheat (Triticum aestivum L.) // Euphytica, 2008, vol. 163, pp. 309-320. DOI 10.1007/s10681-008-9671-z.Новохатин В. В. Обоснование генетического потенциала у интенсивных сортов мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). Сельскохозяйственная биология. 2016. Т. 51, № 5. С. 627-635. DOI 10.15389.Novokhatin V. V. The theoretical justification of intensive genetic potential of the varieties of soft wheat // Selskohozjastvennaja biologia, 2016, vol. 51, no. 5, pp. 627-635 [in Russian] DOI 10.15389.Ригин Б. В. Яровой тип развития мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.): фенологический и генетический аспекты // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012. Т. 170. С. 17-33.Rigin B. V. Spring tipe of common wheat (Triticum aestivum L.) development: phenological and genetically aspects // Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2012, vol. 170, pp. 17-33 [in Russian]Ригин Б. В., Пыженкова З. С. Гены, контролирующие реакцию на яровизацию и скороспелость per se ультраскороспелых форм яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012. Т. 168. С. 39-49.Rigin B. V., Pyzhenkova Z. S. Genes controlling vernalization response and earliness per se of ultra earliness forms of soft wheat (Triticum aestivum L.) // Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2011, vol. 168, pp. 39-49 [in Russian]Snape J. W., Butterworth K., Whitechurch E., Worland A. J. Waiting for fine times: genetics of flowering time in wheat // Euphytica, 2001, vol. 119, iss. 1, pp. 185-90.Snape J. W., Butterworth K., Whitechurch E., Worland A. J. Waiting for fine times: genetics of flowering time in wheat // Euphytica, 2001, vol. 119, iss. 1, pp. 185-90.Sun Dongfa, Fang Jingye, Sun Genlou. Inheritance of genes controlling supernumerary spikelet in wheat line 51885 // Euphytica, 2009, vol. 167, pp. 173-179. DOI 10.1007/s10681-008-9854-7.Sun Dongfa, Fang Jingye, Sun Genlou. Inheritance of genes controlling supernumerary spikelet in wheat line 51885 // Euphytica, 2009, vol. 167, pp. 173-179. DOI 10.1007/s10681-008-9854-7.Вражнов В. А., Кошкин В. А., Ригин Б. В., Потокина Е. К., Алексеева Е. А., Матвиенко И. И., Тюнин В. А., Шрейдер Е. Р., Пыженкова З. С. Экологическое испытание ультраскороспелых форм мягкой пшеницы в условиях разного фотопериода // Доклады РАСХН. 2012. № 2. С. 3-8.Vrazhnov A. V, Koshkin V. F., Rigin B. V, Potokina Ye. K., Tyunin V. A., Shreider Ye. R., Alekseeva Ye. A., Matvienko 1.1., Pyzhenkova Z. S. Ecological testing the ultra-early ripening farms in common wheat under conditions of different photoperiod // Rus. Agric. Sci. - Doklady' RASKHN, 2012, no. 2, pp. 3-8.[in Russian]Yoshida T., Nishida H., Akashi Y., Kato K., Zhu J., Nitcher R., Distefeld A., Dubcovsky J. Vrn-D4 is a vernalization gene located on the centromeric region of chromosome 5D in hexaploid wheat // Theor. Appl. Genet., 2010, vol. 120, iss. 3, pp 543-552. DOI 10.1007/s00122-009-1174-3.Yoshida T., Nishida H., Akashi Y., Kato K., Zhu J., Nitcher R., Distefeld A., Dubcovsky J. Vrn-D4 is a vernalization gene located on the centromeric region of chromosome 5D in hexaploid wheat // Theor. Appl. Genet., 2010, vol. 120, iss. 3, pp 543-552. DOI 10.1007/s00122-009-1174-3.Зайцев Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М. : Наука, 1984. 424 с.Zaytsev G. N. Mathematical statistics in experimental botany. Moscow : Nauka, 1984, 424 p. [in Russian]Зуев Е. В., Брыкова А. Н., Никонов В. И., Захаров В. Г., Терехин М. В., Потокина С. А., Иванова В. С., Россеева Л. П., Зырянова А. Ф., Сюков В. В., Ботоев Б. Б., Лихенко И. Е., Моисеенко Л. М. Результаты изучения коллекции яровой мягкой пшеницы на скороспелость в селекцентрах России // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009. Т. 166. С. 101-106.Zuev E. V., Brykova F. N., Nikonov V. I., Zakharov V. G., Terekhin M. V., Potokina S. A., IvanovaV. S., Rosseyeva L. P., Zyryanova A. F., Syukov V. V., Botoyev B. B., Likhenco I. E., Moiseyenko L. V. The Results of the spring bread wheat collection screening for earliness in Russian breeding centers // Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding, 2009, vol. 166, pp. 101-106 [in Russian]

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