Анализ нуклеотидных последовательностей гена гликозилтрансферазы GT47 у сортов ржи, различающихся по содержанию водорастворимых пентозанов в зерне

   Рожь (Secale cereale L.) – важнейшая сельскохозяйственная культура России, качество зерна которой зависит от содержания в ней водорастворимых пентозанов. Зерна сортов ржи с высоким содержанием водорастворимых пентозанов обладают хорошими хлебопекарными свойствами, но низкими кормовыми качествами. Методы маркер-ориентированной селекции по данному признаку для ржи остаются не разработанными. С содержанием пентозанов в зерне пшеницевых могут быть связаны гены гликозилтрансфераз GT47, однако у ржи гены этого семейства не идентифицированы.  Целью данной работы были амплификация, секвенирование и поиск однонуклеотидных замен или других мутаций в гене GT47 у различных сортов ржи, отличающихся по содержанию водорастворимых пентозанов в зерне и вязкости водного экстракта.

   В работе были использованы популяционные сорта ржи ‘Чулпан 7’ и ‘Подарок’, гибриды F₁ ‘КВС Авиатор’, ‘КВС Магнифико’ и ‘КВС Этерно’. Наибольшее содержание пентозанов и наибольшая кинематическая вязкость водного экстракта были выявлены у сорта ‘Чулпан 7’. Наименьшие величины данных показателей были у гибридного сорта ‘КВС Авиатор’. Анализ нуклеотидных последовательностей гена гликозилтрансферазы GT47 показал наличие однонуклеотидных замен в семи локусах, по которым различались исследуемые сорта ржи. Из них по трем нуклеотидным заменам 159 (G/A), 204 (C/T), 327 (G/A) между собой различались высокопентозановый сорт ‘Чулпан 7’ и низкопентозановый ‘КВС Авиатор’. Предполагается, что данные SNPs могут быть использованы при генотипировании сортов ржи на содержание водорастворимых пентозанов в зерне.

1. Bauer E., Schmutzer T., Barilar I., Mascher M., Gundlach H., Martis M.M., et al. Towards a whole-genome sequence for rye (Secale cereal L.). The Plant Journal. 2017;89(5):853-869. DOI: 10.1111/tpj.13436

2. Chowdhury J., Lück S., Rajaraman J., Douchkov D., Shirley N.J., Schwerdt J.G. et. al. Altered expression of genes implicated in xylan biosynthesis affects penetration resistance against powdery mildew. Frontiers in Plant Science. 2017;8:445. DOI: 10.3389/fpls.2017.00445

3. Delcour J.A., Vanhamel S., Hoseney R.S. Physico-chemical and functional properties of rye non-starch polysaccharides. II. Impact of a fraction containing water-soluble pentosans and proteins on gluten-starch loaf volumes. Cereal Chemistry. 1991;68(1):72-76.

4. Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochemical Bulletin. 1987;19:1-11.

5. Гарафутдинов Р.Р., Чемерис Д.А., Сахабутдинова А.Р., Кулуев Б.Р., Чемерис А.В. Разнообразие методов детекции полиморфных нуклеотидов в известных снипах. I. Термины и краткий перечень подходов. Биомика. 2021;13(4):434-443. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2021-30

6. Гончаренко А.А., Тимощенко А.С., Беркутова Н.С. Вязкость водного экстракта зерна озимой ржи как универсальный признак при селекции на целевое использование. Сельскохозяйственная биология. 2007;42(3):44-49.

7. Hashimoto S. Shogren M.D., Pomeranz Y. Cereal pentosans: their estimation and significance. I. Pentosans in wheat and milled wheat products. Cereal Chemistry. 1987;64:30-34.

8. Ибрагимова З.А, Кулуев Б.Р. Молекулярные основы пищевых и кормовых качеств зерна ржи (Secale cereale). Биомика. 2020;12(1):8-26. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2020-2

9. Исмагилов Р.Р., Гайсина Л.Ф. Хлебопекарные качества зерна гибридов F1 озимой ржи. Достижения науки и техники АПК. 2015;29(1):24-26.

10. Ismagilov R.R., Gaysina L.F., Ahiyarova L.M., Ayupov D.S., Nurlygayanov R.B., Ahiyarov B.G. et al. Crop yields and baking qualities of F1 winter rye hybrids grain in the forest-steppe of the Republic of Bashkortostan. Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018;13(S8):6487-6493. URL: https://medwelljournals.com/abstract/?doi=jeasci.2018.6487.6493

11. Kaur P., Sandhu K.S., Purewal S.S., Kaur M., Singh S.R. Rye: a wonder crop with industrially important macromolecules and health benefits. Food Research International. 2021;150(Pt A):110769. DOI: 10.1016/j.foodres.2021.110769

12. Кобылянский Д.В., Солодухина О.В. Использование доноров ценных признаков растений в селекции новых сортов озимой ржи. Достижение науки и техники АПК. 2015;29(7):7-12.

13. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Лунегова И.В., Новикова С.П., Хлопюк М.С., Макаров В.И. Создание низкопентозановой ржи и возможности ее использования на корм животным. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017;178(1):31-40. DOI: 10.30901/2227-8834-2017-1-31-40

14. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Никонорова И.М. Морфологические особенности низкопентозанового зерна ржи. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(2):123-130. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-2-123-130

15. Kozlova L.V., Nazipova A.R., Gorshkov O.V., Gilmullina L.F., Sautkina O.V., Petrova N.V. et al. Identification of genes involved in the formation of soluble dietary fiber in winter rye grain and their expression in cultivars with different viscosities of wholemeal water extract. The Crop Journal. 2022;10(2):532-549. DOI: 10.1016/j.cj.2021.05.008

16. Lovegrove A., Wilkinson M.D., Freeman J., Pellny T.K., Tosi P., Saulnier L. et al. RNA interference suppression of genes in glycosyl transferase families 43 and 47 in wheat starchy endosperm causes large decreases in arabinoxylan content. Plant Physiology. 2013;163(1):95-107. DOI: 10.1104/pp.113.222653

17. Mortimer J.C., Faria-Blanc N., Yu X., Tryfona T., Sorieul M., Ng Y.Z., et al. An unusual xylan in Arabidopsis primary cell walls is synthesized by GUX3, IRX9L, IRX10L and IRX14. The Plant Journal. 2015;83(3):413-426. DOI: 10.1111/tpj.12898

18. Pellny T.K., Lovegrove A., Freeman J., Tosi P., Love C.G., Knox J.P. et al. Cell walls of developing wheat starchy endosperm: comparison of composition and RNA-Seq transcriptome. Plant Physiology. 2012;158(2):612-627. DOI: 10.1104/pp.111.189191

19. Tan J., Miao Z., Ren C., Yuan R., Tang Y., Zhang X. et al. Evolution of intron-poor clades and expression patterns of the glycosyltransferase family 47. Planta. 2018;247(3):745-760. DOI: 10.1007/s00425-017-2821-6

20. Zhang B., Zhao T., Yu W., Kuang B., Yao Y., Liu T. et al. Functional conservation of the glycosyltransferase gene GT47A in the monocot rice. Journal of Plant Research. 2014;127(3):423-432. DOI: 10.1007/s10265-014-0631-5