Маркер-ориентированная селекция в создании гибридных линий Triticum dicoccon (Schrank) Schuebl. × Triticum aethiopicum Jakubz. с фиолетовоокрашенным зерном

   Актуальность. Злаки, содержащие полезные для здоровья людей антиоксиданты, представляют интерес для использования их в функциональном питании. Антоцианы, придающие зерну фиолетовую окраску, являются антиоксидантами, и работы по увеличению их содержания актуальны.  Целью данной работы была оценка по содержанию антоцианов в зерне и по продуктивности селекционных линий гибридов полбы с фиолетовой окраской зерна.

   Материалы и методы. Изучали линии F₉, созданные двухступенчатой гибридизацией фиолетовозерной эфиопской пшеницы (Triticum aethiopicum Jakubz. var. arraseita) с полбой (Triticum dicoccon (Schrank) Schuebl.), и выделенные в F₂ с помощью маркер-ориентированной селекции по гомозиготным доминантным аллелям двух генов, комплементарное взаимодействие которых приводит к фиолетовой окраске зерна. В происхождении линий участвовали сорт голозерной полбы ‘Греммэ’, безостая полба к-25516 из мировой коллекции ВИР и эфиопская пшеница TRI15744 – донор фиолетовой окраски перикарпия зерна из коллекции IPK Gatersleben. Определяли содержание антоцианов в муке из цельного зерна у 12 линий и родительских форм, проводили структурный анализ растений и оценивали количественные признаки.

   Результаты. Наивысшее содержание антоцианов (82,5 мкг на 1 г) отмечено у линии № 10 гибрида 27-3. Наибольшее количество зерновок без пленок (86,9 ± 7,3 %) вымолочено у линии № 6 гибрида 31-19. Высокая натура зерна (802 ± 13 г/л) отмечена у линии № 11 гибрида 27-12. По зерновой продуктивности отличилась линия № 9 гибрида 27-1 (389 ± 25 г/м²).

   Заключение. Маркер-ориентированный метод селекции позволил выделить гомозиготные доминантные аллели двух комплементарно взаимодействующих генов Pp3 и Pp-В1, отвечающих за проявление фиолетовой окраски перикарпия зерна. Линии с фиолетовым перикарпием характеризуются различным содержанием в нем антоцианов, различной натурой зерна и продуктивностью. Селекционную ценность представляют линии с высокими показателями
этих признаков.

1. Abdel-Aal E.S.M., Abou-Arab A.A., Gamel T.H., Hucl P., Young J.C., Rabalski I. Fractionation of blue wheat anthocyanin compounds and their contribution to antioxidant properties. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(23):11171-11177. DOI: 10.1021/jf802168c.

2. 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

3. Abdel-Aal E.S.M., Young J.C., Rabalski I. Anthocyanin composition in black, blue, pink, purple, and red cereal grains. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2006;54(13):4696-4704. DOI: 10.1021/jf0606609

4. Astadi I.R., Astuti M., Santoso U., Nugraheni P.S. In vitro anti oxidant activity of anthocyanins of black soybean seed coat in human low density lipoprotein (LDL). Food Chemistry. 2009;112(3):659–663. DOI: 10.1016/j.foodchem.2008.06.034

5. Christie P.J., Alfenito M.R., Walbot V. Impact of low-temperature stress on general phenylpropanoid and anthocyanin pathways: enhancement of transcript abundance and anthocyanin pigmentation in maize seedlings. Planta. 1994;194(4):541-549. DOI: 10.1007/BF00714468

6. Cvorovic J., Tramer F., Granzotto M., Candussio L., Decorti G., Passamonti S. Oxidative stress-based cytotoxicity of delphinidin and cyanidin in colon cancer cells. Archives of Biochemistry and Biophysics. 2010;501(1):151-157. DOI: 10.1016/j.abb.2010.05.019

7. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). Москва: Агропромиздат; 1985.

8. Francavilla A., Joye I.J. Anthocyanins in whole grain cereals and their potential effect on health. Nutrients. 2020;12(10):2922. DOI: 10.3390/nu12102922

9. Gordeeva E., Shamanin V., Shoeva O., Kukoeva T., Morgounov A., Khlestkina E. The strategy for marker-assisted breeding of anthocyanin-rich spring bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in Western Siberia. Agronomy. 2020;10(10):1603. DOI: 10.3390/agronomy10101603

10. Gordeeva E.I., Shoeva O.Y., Khlestkina E.K. Marker-assisted development of bread wheat near-isogenic lines carrying various combinations of purple pericarp (Pp) alleles. Euphytica. 2015;203(2):469-476. DOI: 10.1007/s10681-014-1317-8

11. Khlestkina E.K. Molecular markers in genetic studies and breeding. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2014;4(3):236-244. DOI: 10.1134/S2079059714030022

12. Khlestkina E.K., Pshenichnikova T.A., Röder M.S., Börner A. Clustering anthocyanin pigmentation genes in wheat group 7 chromosomes. Cereal Research Communications. 2009;37(3):391-398. DOI: 10.1556/CRC.37.2009.3.8

13. Khlestkina E.K., Röder M.S., Börner A. Mapping genes controlling anthocyanin pigmentation on the glume and pericarp in tetraploid wheat (Triticum durum L.). Euphytica. 2010;171(1):65-69. DOI: 10.1007/s10681-009-9994-4

14. Knievel D.C., Abdel-Aal E.S. M., Rabalski I., Nakamura T., Hucl P. Grain color development and the inheritance of high anthocyanin blue aleurone and purple pericarp in spring wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Cereal Science. 2009;50 (1):113-120. DOI: 10.1016/j.jcs.2009.03.007

15. Lachman J., Orsák M., Pivec V., Jírů K. Antioxidant activity of grain of einkorn (Triticum monococcum L.), emmer (Triticum dicoccum Schuebl [Schrank]) and spring wheat (Triticum aestivum L.) varieties. Plant, Soil and Environment. 2012;58(1):15-21. DOI: 10.17221/300/2011-PSE

16. Lap B., Rai M., Tyagi W. Playing with colours: genetics and regulatory mechanisms for anthocyanin pathway in cereals. Biotechnology and Genetic Engineering Reviews. 2021;37(1):1-29. DOI: 10.1080/02648725.2021.1928991

17. Pirro M., Lupattelli G., Del Giorno R., Schillaci G., Berisha S., Mannarino M. R. et al. Nutraceutical combination (red yeast rice, berberine and policosanols) improves aortic stiffness in lowmoderate risk hypercholesterolemic patients. PharmaNutrition. 2013;1(2):73-77. DOI: 10.1016/j.phanu.2013.02.003

18. 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

19. Pojer E., Mattivi F., Johnson D., Stockley C. S. The case for anthocyanin consumption to promote human health. A Review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2013;12(5):483-508. DOI: 10.1111/1541-4337.12024

20. Prior R.L., Wu X., Gu L., Hager T.J., Hager A., Howard L.R. Whole berries versus berry anthocyanins: interactions with dietary fat levels in the C57BL/6J mouse model of obesity. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(3):647-653. DOI: 10.1021/jf071993o

21. Procházkova D., Boušová I., Wilhelmová N. Antioxidant and prooxidant properties of flavonoids. Fitoterapia. 2011;82(4):513-523. DOI: 10.1016/j.fitote.2011.01.018

22. Röder M.S., Korzun V., Wendehake K., Plaschke J., Tixier M.H., Leroy P. et al. A microsatellite map of wheat. Genetics. 1998;149(4):2007-2023. DOI: 10.1093/genetics/149.4.2007

23. 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

24. Смекалова Т.Н., Кобылянский В.Д. Новый подвид пшеницы Triticum dicoccon Schrank subsp. nudicoccon Kobyl. et Smekal. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(4):148-151. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-4-148-151

25. Стёпочкина Н.И., Стёпочкин П.И. Использование микропурки при определении натуры зерна отдельных растений. Достижения науки и техники АПК. 2015;29(11):39-40.

26. Темирбекова С.К., Ионов Э.Ф., Ионова Н.Э., Афанасьева Ю.В. Спельта озимая и яровая использование древних видов пшеницы для укрепления иммунной системы детского организма. Аграрное обозрение. 2014;(6):40-42.

27. Tereshchenko O.Y., Gordeeva E.I., Arbuzova V.S., Börner A., Khlestkina E.K. The D genome carries a gene determining purple grain colour in wheat. Cereal Research Communications. 2012;40 (3):334-341. DOl: 10.1556/CRC.40.2012.3.2

28. Trojan V., Musilová M., Vyhnanek T., Klejdus B., Hanaček P., Havel L. Chalcone synthase expression and pigments deposition in wheat with purple and blue colored caryopsis. Journal of Cereal Science. 2014;59(1):48-55. DOI: 10.1016/j.jcs.2013.10.008

29. Wang F., Dong Y. X., Tang X.Z., Tu T.L., Zhao B., Sui N. et al. Comparative transcriptome analysis revealing the effect of light on anthocyanin biosynthesis in purple grains of wheat. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2018;66(13):3465-3476. DOI: 10.1021/acs.jafc.7b05435

30. Wang Q., Han P., Zhang M., Xia M., Zhu H., Ma J. et al. Supplementation of black rice pigment fraction improves antioxidant and anti-inflammatory status in patients with coronary heart disease. Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition. 2007;16Suppl1:295-301.

31. Yawadio R., Tanimori S., Morita N. Identification of phenolic compounds isolated from pigmented rice sand their aldose reductase inhibitory activities. Food Chemistry. 2007;101(4):1616-1625. DOI: 10.1016/j.foodchem.2006.04.016

32. Зеленская О.В., Зеленский Г.Л., Остапенко Н.В., Туманьян Н.Г. Генетические ресурсы риса (Oryza sativa L.) с окрашенным перикарпом зерна. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(3):296-303. DOI: 10.18699/VJ18.363.

33. Zeven A.C. Wheats with purple and blue grains: a review. Euphytica. 1991;56(3):243-258. DOI: 10.1007/BF00042371