Создание исходного материала для селекции гороха методом химического мутагенеза и оценка его генетического разнообразия с использованием SSR-маркеров

Актуальность. Горох посевной (Pisum sativum L.) является ценной зернобобовой культурой мирового значения. Основной проблемой современной селекции культурных растений, в том числе гороха, стало снижение генетического разнообразия. Один из способов повышения генетического полиморфизма – применение химически индуцированного мутагенеза. Азид натрия (NaN₃) является высокоэффективным химическим мутагеном, который с успехом применяется в мутационной селекции для повышения продуктивности культурных растений и приобретения ими новых признаков, в связи с этим он был использован нами для получения нового селекционного материала гороха.

Материалы и методы. Проведены опыты по получению мутантов гороха сорта ‘Памяти Хангильдина’ с помощью азида натрия в концентрации 1, 5 и 10 мМ и времени воздействия 3 и 9 ч. Молекулярно-генетический полиморфизм растений М₂ и исходного сорта оценивали с использованием 10 SSR-маркеров из геномной библиотеки микросателлитов (Agrogene®, Франция).

Результаты.  Установлены  оптимальные  концентрации  азида  натрия  и продолжительность  обработки  им  семян: 1–5 мМ в течение 3 ч. Получено 16 мутантных популяций, у 10 из которых было обнаружено изменение типа листовой пластины. Анализ элементов продуктивности выявил достоверное превосходство (p < 0,05) над исходным сортом ‘Памяти Хангильдина’ мутантных популяций № 1, № 5, № 9, № 10, № 15, № 16 по количеству семян в бобе, № 9, № 16 – по массе 1000 семян, № 16 – по массе семян с растения. Построенная на основе данных SSR-анализа дендрограмма отражает степень различий между популяциями растений гороха М₂ и исходным сортом ‘Памяти Хангильдина’.

Заключение. Полученные мутантные популяции планируется использовать в селекции гороха как источники высокой озерненности бобов, семенной продуктивности, массы семян с растения и крупности семян. Микросателлитный анализ, выполненный по 10 SSR-маркерам, выявил различия между мутантными популяциями М₂ уровне и позволил их паспортизировать.

1. Broertjes C., van Harten A.M. Applied mutation breeding for vegetatively propagated crops. Developments in Crop Science. 1988;12:197-204. DOI: 10.1007/BF00024972

2. Давлетов Ф.А. Селекция и технология производства гороха в Башкортостане. Уфа: Мир печати; 2015.

3. Divanli-Türkan A., Khawar K.M., Ozcan S. Effects of mutagenic sodium azide (NaN3) on in vitro development of four pea (Pisum sativum L.) cultivars. International Journal of Agriculture and Biology. 2006;8(3):349-353. DOI: 1560-8530/2006/08-3-349-351

4. Дзюбенко Н.И. Вавиловская стратегия пополнения, сохранения и рационального использования генетических ресурсов культурных растении и их диких родичей. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012;169:4-40.

5. Гайнуллина К.П., Кулуев Б.Р., Давлетов Ф.А. Оценка генетического разнообразия сортов и линий гороха с помощью SSR-анализа. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020;181(3):70-80. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-70-80

6. Jain S.M. In vitro mutagenesis for improving date palm (Phoenix dactylifera L.). Emirates Journal of Food and Agriculture. 2012;24(5):400-407.

7. Jain S.M., Suprasanna P. Induced mutations for enhancing nutrition and food production. Gene Conserve. 2011;40:201-215.

8. Kharkwal M.C., Shu Q.Y. The role of induced mutations in world food security. In: Q.Y. Shu (ed.). Induced Plant Mutations in the Genomics Era. Rome: FAO; 2009. p.33-38.

9. Kleinhofs A., Warner R.L., Muehlbauer F.J., Nilan R.A. Induction and selection of specific gene mutations in Hordeum and Pisum. Mutation Research. 1978;51(1):29-35. DOI: 10.1016/0027-5107(78)90005-2

10. Kumar S. Recessive monogenic mutation in grain pea (Pisum sativum) that causes pyridoxine requirement for growth and seed production. Journal of Biosciences. 1988;13(4):415-418.

11. Lee M. Genome projects and gene pools: new germplasm for plant breeding? Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1998;95(5):2001-2004. DOI: 10.1073/pnas.95.5.2001

12. Макашева Р.Х. Горох. Ленинград: Колос; 1973.

13. Maluszynski M., Szarejko I., Bhatia C.R., Nichterlein K., Lagoda P.J.L. Methodologies for generating variability. In: S. Ceccarelli, E.P. Guimarаes, E. Weltzien (eds). Plant Breeding and Farmers Participation. Rome: FAO; 2009. p.159-194.

14. Monteiro M.S., Lopes T., Mann R.M., Paiva C., Soares A.M.V.M., Santos C. Microsatellite instability in Lactuca sativa chronically exposed to cadmium. Mutation Research. 2009;672(2):90-94. DOI: 10.1016/j.mrgentox.2008.10.012

15. Pilu R., Panzeri D., Gavazzi G., Rasmussen S.K., Consonni G., Nielsen E. Phenotypic, genetic and molecular characterization of a maize low phytic acid mutant (lpa241). Theoretical and Applied Genetics. 2003;107(6):980-987. DOI: 10.1007/s00122-003-1316-y

16. Sander C., Muehlbauer F.J. Mutagenic effects of sodium azide and gamma irradiation in Pisum. Environmental and Experimental Botany. 1977;17(1):43-47. DOI: 10.1016/0098-8472(77)90019-3

17. Şen A., Sarsu F. Genetic diversity in sodium azide induced wheat mutants studied by SSR markers. Trakya University Journal of Natural Sciences. 2018;19(2):129-135. DOI: 10.23902/trkjnat.424305

18. Spencer-Lopes M.M., Forster B.P., Jankuloski L. (eds). Manual on mutation breeding. Rome: FAO; Vienna: IAEA; 2018.

19. Suprasanna P., Mirajkar S.J., Bhagwat S.G. Induced mutations and crop improvement. In: B. Bahadur, M.V. Rajam, S. Leela, K.V. Krishnamurthy (eds). Plant Biology and Biotechnology. Vol. I. Plant Diversity, Organization, Function and Improvement. New Delhi: Springer; 2015. p.593-617. DOI: 10.1007/978-81-322-2286-6

20. Till B.J., Cooper J., Tai T.H., Colowit P., Greene E.A., Henikoff S. et al. Discovery of chemically induced mutations in rice by TILLING. BMC Plant Biology. 2007;7(1):19. DOI: 10.1186/1471-2229-7-19

21. Varshney R.K., Graner A., Sorrells M.E. Genic microsatellite markers in plants: features and applications. Trends in Biotechnology. 2005;23(1):48-55. DOI: 10.1016/j.tibtech.2004.11.005

22. Wannajindaporn A., Kativat C., Tantasawat P.A. Mutation induction of Dendrobium ‘Earsakul’ using sodium azide. HortScience. 2016;51(11):1363-1370. DOI: 10.21273/HORTSCI10860-16