Взаимосвязь между содержанием антоцианов в основаниях листовых влагалищ у сортов ячменя и в зерне полученных на их основе гибридов

Актуальность. Создание сортов ячменя, накапливающих антоцианы в зерне, является актуальным направлением селекции, которая ведется по генам Ant1 и Ant2. Для оптимизации селекционных схем и выбора исходного материала исследуется взаимосвязь между содержанием антоцианов в основаниях листовых влагалищ у сортов ячменя и в зерне гибридов, полученных на основе этих сортов.

Материалы и методы. Содержание антоцианов в листовых влагалищах оценивали на стадии кущения у 32 сортов и в зрелом зерне отобранных с помощью ДНК-маркеров 11 гибридов.

Результаты и обсуждение. Показано, что содержание антоцианов в листовых влагалищах у исследуемых сортов варьирует от 1 до 191 мг/кг. С помощью кластерного анализа определены три группы сортов – с низким, средним и высоким содержанием антоцианов. У гибридов, полученных при скрещивании сортов, отличающихся содержанием антоцианов в листовых влагалищах, c линией P18 – донором доминантного аллеля гена Ant2, содержание антоцианов в зерне варьировало от 22 до 71 мг/кг. Наблюдаемые различия между гибридами определялись генотипами индивидуальных растений и аллельным состоянием гена Ant2. Показана слабая корреляция (r_s = 0,37, p = 0,036) между содержанием антоцианов в листовых влагалищах исходных сортов и в зерне полученных на их основе гибридов.

Заключение. Результаты исследования позволяют оптимизировать селекционные схемы для получения сортов ячменя с высоким содержанием антоцианов в зерне и обосновывают необходимость тестирования содержания антоцианов в зерне индивидуальных линий. 

1. Abdel-Aal E.S.M., Hucl P. A rapid method for quantifying total anthocyanins in blue aleurone and purple pericarp wheats. Cereal Chemistry. 1999;76(3):350-354. DOI: 10.1094/CCHEM.1999.76.3.350

2. Bellido G.G., Beta T. Anthocyanin composition and oxygen radical scavenging capacity (ORAC) of milled and pearled purple, black, and common barley. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2009;57(3):1022-1028. DOI: 10.1021/jf802846x

3. Cockram J., White J., Zuluaga D.L., Smith D., Comadran J., Macaulay M. et al. Genome-wide association mapping to candidate polymorphism resolution in the unsequenced barley genome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(50):21611-21616. DOI: 10.1073/pnas.1010179107

4. Franckowiak J.D., Lundqvist U., Konishi T. New and revised descriptions of barley genes. Barley Genetics Newsletter. 1997;26:22-516.

5. Gordeeva E.I., Glagoleva A.Yu., Kukoeva T.V., Khlestkina E.K., Shoeva O.Yu. Purple-grained barley (Hordeum vulgare L.): marker-assisted development of NILs for investigating peculiarities of the anthocyanin biosynthesis regulatory network. BMC Plant Biology. 2019;19(Suppl 1):52. DOI: 10.1186/s12870-019-1638-9

6. Himi E., Taketa S. Isolation of candidate genes for the barley Ant1 and wheat Rc genes controlling anthocyanin pigmentation in different vegetative tissues. Molecular Genetics and Genomics. 2015;290(4):1287-1298. DOI: 10.1007/s00438-015-0991-0

7. Jayakodi M., Padmarasu S., Haberer G., Bonthala V.S., Gundlach H., Monat C. et al. The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding. Nature. 2020;588(7837):284-289 DOI: 10.1038/s41586-020-2947-8

8. Кукоева Т.В., Стрыгина К.В., Глаголева А.Ю., Григорьев Ю.Н., Шоева О.Ю., Хлесткина Е.К. Разработка генетико-селекционного подхода для получения новых сортов ячменя с повышенным содержанием антоцианов в зерне. В кн.: Генофонд и селекция растений: доклады и сообщения V Международной конференции (Новосибирск, 11–13 ноября 2020 г.). Новосибирск; 2020. С.165-168. DOI: 10.18699/GPB2020-43

9. LaFountain A.M., Yuan Y.W. Repressors of anthocyanin biosynthesis. New Phytologist. 2021;231(3):933-949. DOI: 10.1111/nph.17397

10. Landi M., Tattini M., Gould K.S. Multiple functional roles of anthocyanins in plant–environment interactions. Environmental and Experimental Botany. 2015;119:4-17. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2015.05.012

11. Loskutov I.G., Khlestkina E.K. Wheat, barley, and oat breeding for health benefit components in grain. Plants. 2021;10(1):86. DOI: 10.3390/plants10010086

12. Ludwig S.R., Habera L.F., Dellaporta S.L., Wessler S.R. Lc, a member of the maize R gene family responsible for tissue-specific anthocyanin production, encodes a protein similar to transcription activators and contains the mychomology region. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1989;86(18):7092-7096. DOI: 10.1073/pnas.86.18.7092

13. Лукина К.А., Шоева О.Ю., Ковалева О.Н., Лоскутов И.Г. Содержание антоцианов в образцах зерновок ячменя и овса из коллекции ВИР. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(3):5-14. DOI: 10.30901/2658-6266-2021-3-o4

14. Martínez-Subirà M., Romero M.-P., Macià A., Puig E., Romagosa I., Moralejo M. Bioactive compounds and antioxidant capacity in pearling fractions of hulled, partially hull-less and hull-less food barley genotypes. Foods. 2021;10(3):565. DOI: 10.3390/foods10030565

15. Plaschke J., Ganal M.W., Röder M.S. Detection of genetic diversity in closely related bread wheat using microsatellite markers. Theoretical and Applied Genetics. 1995;91(6- 7):1001-1007. DOI: 10.1007/BF00223912

16. Shoeva O.Y., Gordeeva E.I., Khlestkina E.K. The regulation of anthocyanin synthesis in the wheat pericarp. Molecules. 2014;19(12):20266-20279. DOI: 10.3390/molecules191220266

17. Shoeva O.Y., Kukoeva T.V., Börner A., Khlestkina E.K. Barley Ant1 is a homolog of maize C1 and its product is part of the regulatory machinery governing anthocyanin synthesis in the leaf sheath. Plant Breeding. 2015;134(4):400-405. DOI: 10.1111/pbr.12277

18. Shoeva O.Y., Mock H.P., Kukoeva T.V., Boerner A., Khlestkina E.K. Regulation of the flavonoid biosynthesis pathway genes in purple and black grains of Hordeum vulgare. PLoS One. 2016;11(10):e0163782. DOI: 10.1371/journal.pone.0163782

19. Шоева О.Ю., Стрыгина К.В., Хлесткина 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

20. 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/molecules26082260

21. Вавилов Н.И. Центры происхождения культурных растений. В кн.: Н.И. Вавилов. Избранные произведения: В 2 т. Т. 1. Ленинград: Наука; 1967. С.88-202.

22. Wang C., Shu Q. Fine mapping and candidate gene analysis of purple pericarp gene Pb in rice (Oryza sativa L.). Chinese Science Bulletin. 2007;52:3097-3104. DOI: 10.1007/s11434-007-0472-x

23. Yao X., Wu K., Yao Y., Bai Y., Ye J., Chi D. Construction of a highdensity genetic map: genotyping by sequencing (GBS) to map purple seed coat color (Psc) in hulless barley. Hereditas. 2018;155(1):37. DOI: 10.1186/s41065-018-0072-6

24. Zakhrabekova S., Dockter C., Ahmann K., Braumann I., Gough S.P., Wendt T. et al. Genetic linkage facilitates cloning of Ert-m regulating plant architecture in barley and identified a strong candidate of Ant1 involved in anthocyanin biosynthesis. Plant Molecular Biology. 2015;88(6):609-626. DOI: 10.1007/s11103-015-0350-x

25. Zhang X.W., Jiang Q.T., Wei Y.M., Liu C. Inheritance analysis and mapping of quantitative trait loci (QTL) controlling individual anthocyanin compounds in purple barley (Hordeum vulgare L.) grains. PLoS One. 2017;12(8):e0183704. DOI: 10.1371/journal.pone.0183704

26. Zhou C., Zeng Z., Suo J., Li X., Bian H., Wang J. et al. Manipulating a single transcription factor, Ant1, promotes anthocyanin accumulation in barley grains. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2021;69(18):5306-5317. DOI: 10.1021/acs.jafc.0c08147

27. Zhu F. Anthocyanins in cereals: Composition and health effects. Food Research International. 2018;109:232-249. DOI: 10.1016/j.foodres.2018.04.015