Исследование мутагенного эффекта фосфемида на ячмене

Актуальность. Метод индуцированного мутагенеза применяется с целью кратковременного повышения частоты мутаций, позволяющих с большей вероятностью получить растения, несущие новые аллели и ценные для селекции признаки. Поиск новых веществ, обладающих высокой мутагенной активностью, представляет интерес для развития мутационной селекции. Для ячменя таким мутагеном является фосфемид.

Материалы и методы. Полевые и лабораторные испытания проводились в 2016–2018 гг. Три генотипа ячменя были обработаны водным раствором препарата фосфемид в концентрациях 0,002% и 0,01%, экспозиция – 3 часа. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена методами многофакторного дисперсионного анализа с использованием программного обеспечения Statistica 7. Для средних величин была рассчитана ошибка среднего (S_x). Достоверность различий (P < 0.05) определена при помощи t-критерия Стьюдента. Проведена оценка частоты мутаций (Mf), мутагенной результативности (ME) и эффективности (Me).

Результаты и заключение. Выявлено, что наибольший вклад в формирование полевой всхожести семян мутантных популяций в поколениях М₁ и М₂ вносил мутагенный фактор (20,36%), а также взаимодействие факторов «генотип × среда» (18,55%) и «мутаген × среда» (14,93%). Концентрация 0,01% отнесена к полулетальной для двух образцов. В поколении М₂ мутагенная результативность 0,002-процентной концентрации фосфемида превышала 0,01-процентную более чем в 4 раза. Низкая концентрация была более эффективна и действенна для сорта ‘Зерноградский 813’ (17,43%) и образца Dz02-129 (12,04%). Для образца C.I. 10995 высокая концентрация фосфемида оказалась более эффективной (29,66%), обеспечив высокую частоту мутаций (9,79%) на фоне относительно низкой летальности (33,00%). В спектре мутаций выделено 9 различных типов. В поколении М₃ отчетливое наследование изменений подтвердилось в 46,43% семей. Наибольшее число семей с подтвержденными изменениями отмечено у образца C.I. 10995 в опыте с более высокой концентрацией. 

1. Alqudah A.M., Koppolu R., Wolde G.M., Graner A., Schnurbusch T. The genetic architecture of barley plant stature. Frontiers in Genetics. 2016;7:117. DOI: 10.3389/fgene.2016.00117

2. Bhat T.A., Gulfishan M., Zahid M.T. Induced Mutagenesis. In: Mutagenesis and Cytotoxicity: A review. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing; 2019. p.11-22.

3. Боме Н.А. Реакция образцов озимой мягкой пшеницы в М1 на обработку семян химическими мутагенами. Естественные и технические науки. 2014;11-12(78):126-129.

4. Bull H., Casao M.C., Zwirek M., Flavell A.J., Thomas W.T.B., Guo W., Zhang R. et al. Barley SIX-ROWED SPIKE3 encodes a putative Jumonji C-type H3K9me2/me3 demethylase that represses lateral spikelet fertility. Nature Communications. 2017;8(1):936. DOI: 10.1038/s41467-017-00940-7

5. Cattivelli L., Ceccarelli S., Romagosa I., Stanca M. Abiotic stresses in barley: problems and solutions. In: S.E. Ullrich (ed.). Barley: Production, Improvement, and Uses. Chichester: Blackwell Publishing Ltd.; 2010. p.282-306. DOI: 10.1002/9780470958636.ch10

6. Чернов В.А. Цитотоксические вещества в химиотерапии злокачественных новообразований. Москва: Медицина; 1964.

7. Чернов В.А., Грушина А.А., Лыткина Л.Г. Противоопухолевая активность фосфазина. Фармакология и токсикология. 1963;26(1):102-108.

8. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5-е изд. Москва: Альянс; 2014.

9. Енкен В.Б. Использование экспериментального мутагенеза в селекции бобовых и других культур. Москва: Колос; 1967.

10. Huang B., Wu W., Hong Z. Genetic interactions of awnness genes in barley. Genes. 2021;12(4):606. DOI: 10.3390/genes12040606

11. Ingelbrecht I., Jankowicz-Cieslak J., Szurman M., Till B.J., Szarejko I. Chemical mutagenesis. In: M.M. Spencer-Lopes, B.P. Forster, L. Jankuloski (eds). Manual on Mutation Breeding. 3rd ed. Rome: FAO/IAEA; 2018. p.51-82.

12. Jain S.M. Mutagenesis in crop improvement under the climate change. Romanian Biotechnological Letters. 2010;15(2):88-106.

13. Jankowicz-Cieslak J., Till B.J. Chemical mutagenesis of seed and vegetatively propagated plants using EMS. Current Protocols in Plant Biology. 2016;1(4):617-635. DOI: 10.1002/cppb.20040

14. Jansson C., Opsahl-Ferstad HG. Mutants and Transgenics – a comparison of barley resources in crop breeding. In: K. Esser, U. Lüttge, W. Beyschlag, F. Hellwig (eds). Progress in Botany. Vol. 64. Heidelberg: Springer; 2003. p.42-52. DOI: 10.1007/978-3-642-55819-1_3

15. Khan S., Al-Qurainy F., Anwar F. Sodium azide: a chemical mutagen for enhancement of agronomic traits of crop plants. Environment and We: an International Journal of Science & Technology. 2009;(4):1-21.

16. Kodym A., Afza R. Physical and chemical mutagenesis. Methods in Molecular Biology. 2003;236:189-204. DOI: 10.1385/1-59259-413-1:189

17. Konzak C.F., Nilan R.A., Wagner J., Foster R.J.. Efficient chemical mutagenesis. Radiation Botany. 1965;5:49-70.

18. Kumar S., Patial M., Sharma R. Efficient Barley Breeding. In: S.S. Gosal, S.H. Wani (eds). Accelerated Plant Breeding. Vol. 1 Cereal Crops. New York, NY: Springer; 2020. p.309-364. DOI: 10.1007/978-3-030-41866-3_13

19. Long Z., Jia Y., Tan C., Zhang X-Q., Angessa T., Broughton S. et al. Genetic mapping and evolutionary analyses of the black grain trait in barley. Frontiers in Plant Science. 2019;9:1921. DOI: 10.3389/fpls.2018.01921

20. Majhi P.K., Mogali S.C. Studies on mutagenic effectiveness and efficiency of gamma rays in greengram [Vigna radiate (L.) Wilczek]. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. 2020;9(3):1475-1484. DOI: 10.20546/ijcmas.2020.903.172

21. Megersa G. Genetic erosion of barley in North Shewa Zone of Oromiya Region, Ethiopia. International Journal of Biodiversity and Conservation. 2014;6(3):280-289. DOI: 10.5897/IJBC2013.0673

22. Müller K. J., Romano N., Gerstner O., Garcia-Marotot F., Pozzi C., Salamini F. et al. The barley Hooded mutation caused by a duplication in a homeobox gene intron. Nature. 1995;374(6524):727-730. DOI: 10.1038/374727a0

23. Oladosu Y., Rafii M.Y., Abdullah N., Hussin G., Ramli A., Rahim H.A. et al. Principle and application of plant mutagenesis in crop improvement: a review. Biotechnology and Biotechnological Equipment. 2016;30(1):1-16. DOI: 10.1080/13102818.2015.1087333

24. Pathirana R. Mutations in plant evolution, crop domestication and breeding. Tropical Agricultural Research and Extension. 2021;24(3):124-157. DOI: 10.4038/tare.v24i3.5551

25. Prasad B.K., Singh G., Kumar R., Sharma A.K. Induced mutations in barley (Hordeum vulgare L.). The Pharma Innovation Journal. 2022;11(1):577-584.

26. Raina A., Laskar R.A., Khursheed S., Amin R., Tantray Y.R., Parveen K. et al. Role of mutation breeding in crop improvement – past, present and future. Asian Research Journal of Agriculture. 2016;2(2):1-13.

27. Рапопорт И.А. Особенности и механизм действия супермутагенов. В кн.: Супермутагены. Москва: Наука; 1966. С.9-22.

28. Рипбергер Е.И., Боме Н.А. Использование химического мутагенеза в расширении границ отбора ценных генотипов мягкой яровой пшеницы (Triticum aestivum L.). Фундаментальные исследования. 2014;(9-1):90-95.

29. Saini H.K., Akhatar J., Vasistha N.K. Mutagenesis in crop improvement. In: Classical and Molecular Approaches in Plant Breeding. Delhi: Narendra Publishing House; 2020. p.137-159.

30. Saravanan K., Sabesan T. Physical and chemical mutagenesis methods for development of insect-resistant crop varieties. In: A.K. Chakravarthy, V. Selvanarayanan (eds). Experimental Techniques in Host-Plant Resistance. Singapore: Springer; 2019. p.295-301. DOI: 10.1007/978-981-13-2652-3_30

31. Second Global Plan of Action for Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rome: FAO; 2011. Available from: https://www.fao.org/3/i2624e/i2624e00.pdf [accessed Mar. 16, 2022].

32. Shoeva O.Y., Glagoleva A.Y., Kukoeva T.V. Effects of the Blp1 locus, which controls melanin accumulation in the barley ear, on the size and weight of seeds. Proceedings on Applied Botany Genetics and Breeding. 2021;182(2):89-95. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-2-89-95

33. Шоева О.Ю., Стрыгина К.В., Хлёсткнина Е.К. Гены, контролирующие синтез флавоноидных и меланиновых пигментов ячменя. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(3):333-342. DOI: 10.18699/VJ18.369

34. Søgaard B., von Wettstein-Knowles P. Barley: genes and chromosomes. Carlsberg Research Communications. 1987;52:123-196. DOI: 10.1007/BF02907531

35. Weisfeld L.I. About cytogenetic mechanism of chemical mutagenesis. In: A.I. Opalko, L.I. Weisfeld, S.A. Bekizarova, N.A. Bome, G.E. Zaikov (eds). Ecological Consequences of Increasing Crop Productivity: Plant Breeding and Biotic Diversity. New York, NY: Apple Academic Press; 2014. p.259-269.

36. Вайсфельд Л.И. Цитогенетическое действие фосфазина на клетки человека и мыши в культуре ткани. Генетика. 1965;(4):85-92.

37. Вайсфильд Л.И., Боме Н.А., Бекузарова С.А. Механизм действия химического мутагена фосфемида. В кн.: Материалы 6-й Международной научно-практической конференции «Перспективы развития АПК в современных условиях»; 7–8 апреля 2016 г.; Владикавказ, Россия. Владикавказ: Горский государственный аграрный университет; 2016. C.36-39.

38. Woodward R.W., Rasmussen D.C. Hood and awn development in barley determined by two gene pairs. Agronomy Journal. 1957;49(2):92-94. DOI: 10.2134/agronj1957.00021962004900020009x

39. Зоз Н.Н. Химический мутагенез у высших растений. В кн.: Супермутагены. Москва: Наука; 1966. С.93-105.