vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2021-1-33-40vir-nw-867Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESИзучение потенциальной зимостойкости сортообразцов и генотипов озимой мягкой пшеницы с помощью анализа автофлуоресценции тканей проростковAssessment of potential winter hardiness in winter bread wheat cultivars and genotypes by analyzing autofluorescence in seedling tissuesКархардинИ. В.KarkhardinI. V.

630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160; старший преподаватель

160 Dobrolyubova St., Novosibirsk 630039

ikarkhardin@yandex.ruКоноваловА. А.KonovalovA. A.

630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 10; старший научный сотрудник; д.б.н.

 

 10 Lavrentyeva Ave., Novosibirsk 630090

konov@bionet.nsc.ruГончаровН. П.GoncharovN. P.

630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160

630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 10; академик РАН; д.б.н.; профессор

160 Dobrolyubova St., Novosibirsk 630039

10 Lavrentyeva Ave., Novosibirsk 630090

gonch@bionet.nsc.ruНовосибирский государственный аграрный университетРоссияNovosibirsk State Agrarian UniversityRussian FederationФедеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the RASRussian FederationНовосибирский государственный аграрный университет; Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАНРоссияNovosibirsk State Agrarian University; Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the RASRussian Federation20210104202118213340Copyright © Кархардин И.В., Коновалов А.А., Гончаров Н.П., 20212021Кархардин И.В., Коновалов А.А., Гончаров Н.П.Karkhardin I.V., Konovalov A.A., Goncharov N.P.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/867Актуальность

Актуальность. Озимые посевы зерновых культур являются наиболее продуктивным компонентом агроценозов. В РФ наибольшие потери озимой пшеницы происходят  в зимний  период,  поэтому  поиск  признаков, маркирующих  высокую/низкую  зимостойкость  озимых  генотипов  растений,  в том  числе  селекционных образцов, необходим для оценки их потенциальной зимостойкости.  Одним  из  таких  признаков,  маркирующих  высокую  зимостойкость,  является  повышенное содержание  лигнина  в тканях  растений.  Терминальным  ферментом  фенилпропаноидного  пути  метаболизма, в котором образуются компоненты лигнина, является  дегидрогеназа  коричного  спирта –  CAD  (cinnamyl-alcohol dehydrogenase, EC 1.1.1.195). Фермент CAD является одним из ферментов ароматического метаболизма растений, приводящего к формированию, кроме лигнина, ряда других ароматических веществ – лигнанов, ароматических гликозидов и т. д. Многие из этих веществ,  как  и лигнин,  имеют  хромофорные  группы и способны к автофлуоресценции.

Материалы и методы

Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовали сорта озимой мягкой пшеницы ‘Zitnica’ (Югославия) и ‘Новосибирская 9’  (ИЦиГ  СО  РАН, Россия), контрастные по зимостойкости и по изоферментным спектрам CAD, их гибриды и28 озимых сортов краснодарской селекции. Также проведен анализ флуоресценции 28 сортов озимой пшеницы. По результатам анализа семи наиболее контрастных сортов вычислены коэффициенты корреляции между флуоресценцией и устойчивостью к промораживанию.

Заключение

Заключение.  Показана  связь  генотипов  озимой  мягкой пшеницы по CAD1-F с успешной перезимовкой: обнаружена корреляция генотипов с аллелем 00 CAD1-F с более высоким процентом перезимовавших растений. Анализ флуоресценции срезов проростков также может  быть  использован  для  предварительной  оценки селекционных образцов по зимостойкости. Это, несомненно, может упростить трудоемкий анализ определения зимостойкости в лабораторных исследованиях.

Background

Background. Winter crops are the most productive component of agricultural biocenoses. In Russia, winter wheat suffers the greatest losses in winter, so a search for traits marking high or low winter hardiness in autumn-sown genotypes, including improved cultivars, is needed to assess their potential for overwintering. One of such markers of high winter hardiness is an increased lignin content in plant tissues. The terminal enzyme in the phenylpropanoid pathway of metabolism, wherein lignin components are formed, is cinnamyl-alcohol dehydrogenase (CAD, EC 1.1.1.195). In plants, the CAD enzyme is one of the links in the aromatic metabolism, which generates, in addition to lignin, a number of aromatic compounds, such as lignans, aromatic glycosides, etc. Many of these compounds, like lignin, contain chromophore groups and are capable of autofluorescence. Correlations of the genotypes that incorporate CAD1-F with overwintering are studied in this work.

Materials and methods

Materials and methods. The winter bread wheat cultivars ‘Zitnica’ (Yugoslavia) and ‘Novosibirskaya 9’ (ICG SB RAS, Russia), contrasting in winter hardiness and CAD isozyme spectra, their hybrids, and 28 improved winter cultivars developed in Krasnodar were selected for the study. Fluorescence analysis of 28 winter wheat cultivars was also performed. Correlation coefficients between fluorescence and frost tolerance were calculated using the results of the analysis of 7 most contrasting cultivars.

Conclusions

Conclusions. The tested winter bread wheat genotypes demonstrated the interplay between CAD1-F and successful overwintering: a correlation was found in the genotypes carrying the 00 CAD1-F allele with higher percentage of overwintered plants. This dependence was not observed in every season. The analysis of seedling sections for fluorescence can also be used for preliminary assessment of winter tolerance in winter bread wheat under laboratory conditions.

Triticum aestivumконфокальная микроскопияCAD (дегидрогеназа коричного спирта)Triticum aestivumconfocal microscopyCAD (cinnamyl-alcohol dehydrogenase)Работа поддержана бюджетным проектом № 0259-2021-0012.The research was supported by Budgetary Project No. 0259-2021-0012.ReferencesCheynier V., Comte G., Davies K.M., Lattanzio V., Martens S. Plant phenolics: recent advances on their biosynthesis, genetics, and ecophysiology. Plant Physiology and Biochemistry. 2013;72:1-20. DOI: 10.1016/j.plaphy.2013.05.009Cheynier V., Comte G., Davies K.M., Lattanzio V., Martens S. Plant phenolics: recent advances on their biosynthesis, genetics, and ecophysiology. Plant Physiology and Biochemistry. 2013;72:1-20. DOI: 10.1016/j.plaphy.2013.05.009Goodwin T.W., Mercer E.I. Introduction to Plant Biochemistry. Vol. 1. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press; 1983a.Goodwin T.W., Mercer E.I. Introduction to Plant Biochemistry. Vol. 1. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press; 1983a.Goodwin T.W., Mercer E.I. Introduction to Plant Biochemistry. Vol. 2. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press; 1983b.Goodwin T.W., Mercer E.I. Introduction to Plant Biochemistry. Vol. 2. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press; 1983b.Губанов Я.В., Иванов Н.Н. Озимая пшеница. Москва: Агропромиздат; 1988.Gubanov Y.V., Ivanov N.N. Winter wheat (Ozimaya pshenitsa). Moscow: Agropromizdat; 1988. [in Russian]Erath W., Bauer E., Fowler D.B., Gordillo A., Korzun V., Ponomareva M. et al. Exploring new alleles for frost tolerance in winter rye. Theoretical and Applied Genetics. 2017;130(10):2151-2164. DOI: 10.1007/s00122-017-2948-7Erath W., Bauer E., Fowler D.B., Gordillo A., Korzun V., Ponomareva M. et al. Exploring new alleles for frost tolerance in winter rye. Theoretical and Applied Genetics. 2017;130(10):2151-2164. DOI: 10.1007/s00122-017-2948-7Иванисов М.М., Ионова Е.В. Морозостойкость сортов и линий озимой мягкой пшеницы. Международный научно-исследовательский журнал. 2016:9(51) (ч. 3):110-113). DOI: 10.18454/IRJ.2016.51.115Ivanisov M.M., Ionova E.V. Frost tolerance of the varieties and lines of soft winter wheat. International Research Journal. 2016;9(51)(Pt 3):110-113. [in Russian]Janská A., Aprile A., Zámečník J., Cattivelli L., Ovesná J. Transcriptional responses of winter barley to cold indicate nucleosome remodeling as a specific feature of crown tissues. Functional and Integrative Genomics. 2011;11(2):307-325. DOI: 10.1007/s10142-011-0213-8Janská A., Aprile A., Zámečník J., Cattivelli L., Ovesná J. Transcriptional responses of winter barley to cold indicate nucleosome remodeling as a specific feature of crown tissues. Functional and Integrative Genomics. 2011;11(2):307-325. DOI: 10.1007/s10142-011-0213-8Канцер А.Н. Динамика содержания лигнина и морозостойкость древесных растений. Физиология и биохимия культурных растений. 1972;4(1):92-95.Kantser A.N. Dynamics of lignin content and frost resistance in woody plants (Dinamika soderzhaniya lignina i morozostoykost drevesnykh rasteniy). Fiziologiya i biokhimiya kulturnykh rasteniy = Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants. 1972;4(1):92-95. [in Russian]Карпова Е.В., Шундрина И.К., Орлова Е.А., Коновалов А.А. Ароматические и минеральные вещества в тканях образцов яровой мягкой пшеницы Triticum aestivum L., различающихся по устойчивости к бурой ржавчине (возбудитель Puccinia triticina Erikss.). Химия растительного сырья. 2019;(4):87-95). DOI: 10.14258/jcprm.2019045238Karpova Ye.V., Shundrina I.K., Orlova Ye.A., Konovalov A.A. Aromatic and mineral substances in the tissues of the samples of spring common wheat Triticum aestivum L., differing in resistance to brown rust (pathogen Puccinia triticina Erikss.). Chemistry of Plant Raw Materials. 2019;(4):87-95. [in Russian]Кириченко Ф.Г. Определение морозостойкости озимых культур методом прямого промораживания в посевных ящиках. В кн.: Методы определения морозо- и зимостойкости озимых культур. Москва; 1969. С.3-8.Kirichenko F.G. Detection of frost resistance in winter crops by the method of direct freezing in sowing boxes (Opredeleniye morozostoykosti ozimykh kultur metodom pryamogo promorazhivaniya v posevnykh yashchikakh). In: Methods for Determining Frost Tolerance and Winter Hardiness in Winter Crops (Metody opredeleniya morozoi zimostoykosti ozimykh kultur). Moscow; 1969. p.3-8. [in Russian]Konovalov A.A., Shundrina I.K., Karpova E.V. Polymorphism of lignification enzymes in plants: Functional importance and applied aspects. Biology Bulletin Reviews. 2016;6(2):149-163. DOI: 10.1134/S2079086416020031Konovalov A.A., Shundrina I.K., Karpova E.V. Polymorphism of lignification enzymes in plants: Functional importance and applied aspects. Biology Bulletin Reviews. 2016;6(2):149-163. DOI: 10.1134/S2079086416020031Konovalov A.A., Shundrina I.K., Karpova E.V., Goncharov N.P., Kondratenko E.Ya. Chromosomal localization of aromatic alcohol dehydrogenase fast-migrating isoenzyme AAdh1F (CAD1F) gene in Triticum aestivum L. bread wheat. Russian Journal of Genetics. 2016;52(10):1110-1116. DOI: 10.1134/S1022795416080056Konovalov A.A., Shundrina I.K., Karpova E.V., Goncharov N.P., Kondratenko E.Ya. Chromosomal localization of aromatic alcohol dehydrogenase fast-migrating isoenzyme AAdh1F (CAD1F) gene in Triticum aestivum L. bread wheat. Russian Journal of Genetics. 2016;52(10):1110-1116. DOI: 10.1134/S1022795416080056Корочкин Л.И., Серов О.Л., Пудовкин А.И., Аронштам А.А., Боркин Л.Я. Генетика изоферментов / под ред. Д.К. Беляева. Москва: Наука; 1977.Korochkin L.I., Serov O.L., Pudovkin A.I., Aronshtam A.A., Borkin L.Ya. Genetics of isoenzymes (Genetika izofermentov). D.K. Belyaev (ed.). Moscow: Nauka; 1977. [in Russian]Le Gall H., Philippe F., Domon J.M., Gillet F., Pelloux J., Rayon C. Cell wall metabolism in response to abiotic stress. Plants. 2015;4(1):112-166. DOI: 10.3390/plants4010112Le Gall H., Philippe F., Domon J.M., Gillet F., Pelloux J., Rayon C. Cell wall metabolism in response to abiotic stress. Plants. 2015;4(1):112-166. DOI: 10.3390/plants4010112Moura J.C.M.S.M., Bonine C.A.V., de Oliveira Fernandes Viana J., Dornelas M.C., Mazzafera P. Abiotic and biotic stresses and changes in the lignin content and composition in plants. Journal of Integrative Plant Biology. 2010;52(4):360-376. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2010.00892.xMoura J.C.M.S.M., Bonine C.A.V., de Oliveira Fernandes Viana J., Dornelas M.C., Mazzafera P. Abiotic and biotic stresses and changes in the lignin content and composition in plants. Journal of Integrative Plant Biology. 2010;52(4):360-376. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2010.00892.xOlenichenko N.A., Zagoskina N.V. Response of winter wheat to cold: production of phenolic compounds and L-phenylalanine ammonia lyase activity. Applied Biochemistry and Microbiology. 2005;41(6):600-603. DOI: 10.1007/s10438-005-0109-2Olenichenko N.A., Zagoskina N.V. Response of winter wheat to cold: production of phenolic compounds and L-phenylalanine ammonia lyase activity. Applied Biochemistry and Microbiology. 2005;41(6):600-603. DOI: 10.1007/s10438-005-0109-2Ряднова И.М. Одревеснение побегов плодовых деревьев и их морозоустойчивость. Физиология растений. 1957;4(2):134-137.Ryadnova I.M. Lignification of shoots in fruit trees and their frost resistance (Odrevesneniye pobegov plodovykh derevyev i ikh morozostoykost). Russian Journal of Plant Physiology. 1957;4(2):134-137. [in Russian]Talamond P., Verdeil J.L., Conéjéro G. Secondary metabolite localization by autofluorescence in living plant cells. Molecules. 2015;20(3):5024-5037. DOI: 10.3390/molecules20035024Talamond P., Verdeil J.L., Conéjéro G. Secondary metabolite localization by autofluorescence in living plant cells. Molecules. 2015;20(3):5024-5037. DOI: 10.3390/molecules20035024Toth I.K., Bell K.S., Holeva M.C., Birch P.R.J. Soft rot erwiniae: from genes to genomes. Molecular Plant Pathology. 2003;4(1):17-30. DOI: 10.1046/j.1364-3703.2003.00149.x.20569359Toth I.K., Bell K.S., Holeva M.C., Birch P.R.J. Soft rot erwiniae: from genes to genomes. Molecular Plant Pathology. 2003;4(1):17-30. DOI: 10.1046/j.1364-3703.2003.00149.x.20569359Wei H., Dhanaraj A.L., Arora R., Rowland L.J., Fu Y., Sun L. Identification of cold acclimation-responsive Rhododendrongenes for lipid metabolism, membrane transport and lignin biosynthesis: importance of moderately abundant ESTs in genomic studies. Plant, Cell and Environment. 2006;29(4):558-570. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2005.01432.xWei H., Dhanaraj A.L., Arora R., Rowland L.J., Fu Y., Sun L. Identification of cold acclimation-responsive Rhododendrongenes for lipid metabolism, membrane transport and lignin biosynthesis: importance of moderately abundant ESTs in genomic studies. Plant, Cell and Environment. 2006;29(4):558-570. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2005.01432.xЗапрометов М.Н. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях. Москва: Наука; 1993.Zaprometov M.N. Phenolic compounds: distribution, metabolism and functions in plants (Fenolnye soedineniya: rasprostraneniye, metabolizm i funktsii v rasteniyakh). Moscow: Nauka; 1993. [in Russian]

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