Генетическое разнообразие мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) по аллельному составу HMW-GS (обзор)

Актуальность. В зависимости от сорта, почвенно-климатических и агротехнических условий возделывания, качественный состав зерна пшеницы различается. Аллельный состав глютенинов сортов мягкой пшеницы – важный параметр при анализе и управлении генетической структурой. В связи с этим возникает интерес к изучению генетического разнообразия аллелей высокомолекулярных субъединиц глютенина (HMW-GS) у сортов мягкой пшеницы из Европы, Азии, Африки и Америки.

Материалы и методы. Общее разнообразие аллелей в глютениновых локусах Glu-1 оценивалось согласно расчету индекса Нея (Н). На основе этого показателя и использования кластерного анализа осуществлялось распределение сортов пшеницы разного эколого-географического происхождения в относительно однородные группы.

Результаты. У сортов пшеницы из Польши, Германии, Франции, Испании, Португалии, Турции, Ирана, Пакистана, Индии, Китая и Алжира (I группа) индекс Нея в среднем составил 0,59, а у сортов из США, Мексики, Аргентины, России, Казахстана, Эфиопии, Чехии, Венгрии, Болгарии, Афганистана и Северной Кореи – 0,42 (II группа). Выделенные группы сортов пшеницы отличились по частоте встречаемости субъединиц глютенина по каждому локусу Glu-1: I группа – N, 7+9, 2+12; II группа – 2*, 7+9, 5+10.

Заключение. Сорта пшеницы из II группы в среднем имели низкий уровень изменчивости аллельных генов в соответствующих локусах. Это говорит о высоком качестве зерна у этих сортов и наибольшей вероятности их генетического обеднения в сравнении с сортами из I группы, где большая часть сортов описана комбинацией низкокачественных субъединиц глютенина.

1. Aktaş H., Baloch F.S. Allelic variations of glutenin subunits and their association with quality traits in bread wheat genotypes. Turkish Journal of Agriculture and Forestry. 2017;41(2):127-134. DOI: 10.3906/tar-1701-22

2. Atanasova D., Tsenov N., Todorov I. A brief review of a nearly half a century wheat quality breeding in Bulgaria. In: M. Çalışkan (ed.). Genetic Diversity in Plants. Book 3. Chapter 21. Rijeka: IntechOpen; 2012. p.413-432. DOI: 10.5772/34574

3. Авдеев В.И. К проблеме происхождения видов пшеницы (Triticum L.). Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018;2(70):53-56.

4. Baracskai I., Balázs G., Liu L., Ma W., Oszvald M., Newberry M. et al. A retrospective analysis of HMW and LMW glutenin alleles of cultivars bred in Martonvásár. Cereal Research Communications. 2011;39(2):225-236. DOI: 10.1556/crc.39.2011.2.6

5. Bellil I., Hamdi O., Khelifi D. Allelic variation in Glu-1 and Glu-3 loci of bread wheat (Triticum aestivum ssp. Aestivum L. em. Thell.) germplasm cultivated in Algeria. Cereal Research Communications. 2014;42(4):648-657. DOI: 10.1556/crc.2014.0004

6. Branlard G., Dardevet M., Amiour N., Igrejas G. Allelic diversity of HMW and LMW glutenin subunits and omegagliadins in French bread wheat (Triticum aestivum L.). Genetic Resources and Crop Evolution. 2003;50(7):669-679. DOI: 10.1023/A:1025077005401

7. Chen W.J., Fan X., Zhang B., Liu B., Yan Z., Zhang L.Q. et al. Novel and ancient HMW glutenin genes from Aegilops tauschii and their phylogenetic positions. Genetic Resources and Crop Evolution. 2012;59(8):1649-1657. DOI: 10.1007/s10722-011-9788-0

8. Day P.R. Genetic variability of crops. Annual Review of Phytopathology. 1973;11(1):293-312. DOI: 10.1146/annurev.py.11.090173.001453

9. Dessalegn T., Van Deventer C.S., Labuschagne M.T., Martens H. Allelic variation of HMW glutenin subunits of Ethiopian bread wheat cultivars and their quality. African Crop Science Journal. 2011;19(2):55-63. DOI: 10.4314/acsj.v19i2.69855

10. Dobrotvorskaya T.V., Martynov S.P., Pukhalskyi V.A. Trends in genetic diversity change of spring bread wheat cultivars released in Russia in 1929–2003. Russian Journal of Genetics. 2004;40(11):1245-1257. DOI: 10.1023/B:RUGE.0000048667.39464.54

11. Фетюхин И.В. Баранов А.А. Интегрированная защита озимой пшеницы от сорняков. Зерновое хозяйство России. 2019;1(61):6-9. DOI: 10.31367/2079-8725-2019-61-1-6-9

12. Filip E. Composition of high molecular weight glutenin subunits in Polish common wheat cultivars (Triticum aestivum L.). Journal of Food Quality. 2018;2018:2473420. DOI: 10.1155/2018/2473420

13. Gao S., Sun G., Liu W., Sun D., Peng Y., Ren X. High‐molecular‐weight glutenin subunit compositions in current Chinese commercial wheat cultivars and the implication on Chinese wheat breeding for quality. Cereal Chemistry. 2020;97(4):762-771. DOI: 10.1002/cche.10290

14. Gianibelli M.C., Larroque O., MacRitchie F., Wrigley C.W. Biochemical, genetic, and molecular characterization of wheat endosperm proteins. Cereal Chemistry. 2001;78(6):635-646. DOI: 10.1094/CCHEM.2001.78.6.635

15. Гончаров Н.П., Гончаров П.Л. Методические основы селекции растений / под ред. В.К. Шумного. 2-е изд. Новосибирск: Гео; 2009.

16. Гончаров Н.П., Кондратенко Е.Я., Коновалов А.А. Расширение генетического разнообразия возделываемых видов пшеницы – основа успехов селекции будущего. Генетичнi ресурси рослин. 2008;(6):15-19.

17. Govindaraj M., Vetriventhan M., Srinivasan M. Importance of genetic diversity assessment in crop plants and its recent advances: an overview of its analytical perspectives. Genetics Research International. 2015:2015:431487. DOI: 10.1155/2015/431487

18. Hlozáková T.K., Gregová E., Gаlová Z. Genetic diversity of glu-1 in European wheat genetic resources and varieties. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2021;04(02):23-25.

19. Hsam S.L.K., Kieffer R., Zeller F.J. Significance of Aegilops tauschii glutenin genes on breadmaking properties of wheat. Cereal Chemistry. 2001;78(5):521-525. DOI: 10.1094/cchem.2001.78.5.521

20. Janni M., Cadonici S., Bonas U., Grasso A., Dahab A.A.D., Visioli G. et al. Gene-ecology of durum wheat HMW glutenin reflects their diffusion from the center of origin. Scientific Reports. 2018;8(1):16929. DOI: 10.1038/s41598-018-35251-4

21. Jaradat A.A. Wheat landraces: a mini review. Emirates Journal of Food and Agriculture. 2017;25(1):20-29. DOI: 10.9755/ejfa.v25i1.15376

22. Лайкова Л.И., Белан И.А., Бадаева Е.Д., Россеев Л.П., Шепелев С.С., Шумный В.К. и др. Создание и изучение сорта яровой мягкой пшеницы “Памяти Майстренко” с интрогрессией генетического материала от синтетического гексаплоида Triticum timopheevii Zhuk. × Aegilops tauschii Coss. Генетика. 2013;49(1):103-112. DOI: 10.7868/S0016675813010062

23. Lee S., Choi Y.M., Lee M.C., Hyun D.Y., Oh S., Jung Y. Geographical comparison of genetic diversity in Asian landrace wheat (Triticum aestivum L.) germplasm based on high-molecular-weight glutenin subunits. Genetic Resources and Crop Evolution. 2018;65(6):1591-1602. DOI: 10.1007/s10722-018-0633-6

24. Lerner S.E., Kolman M.A., Rogers W.J. Quality and endosperm storage protein variation in Argentinean grown bread wheat. I. Allelic diversity and discrimination between cultivars. Journal of Cereal Science. 2009;49(3):337-345. DOI: 10.1016/j.jcs.2008.04.003

25. Li Y., Huang C., Sui X., Fan Q., Li G., Chu X. Genetic variation of wheat glutenin subunits between landraces and varieties and their contributions to wheat quality improvement in China. Euphytica. 2009;169(2):159-168. DOI: 10.1007/s10681-009-9905-8

26. Liang D., Tang J., Peña R.J., Singh R., He X., Shen X. et al. Characterization of CIMMYT bread wheats for high-and low-molecular weight glutenin subunits and other qualityrelated genes with SDS-PAGE, RP-HPLC and molecular markers. Euphytica. 2010;172(2):235-250. DOI: 10.1007/s10681-009-0054-x

27. López-Fernández M., Pascual L., Faci I., Fernández M., Ruiz M., Benavente E. et al. Exploring the end-use quality potential of a collection of Spanish bread wheat landraces. Plants. 2021;10(4):620. DOI: 10.3390/plants10040620

28. Morojele M.E., Labuschagne M.T. Characterization of wheat (Triticum aestivum L.) cultivars grown in Lesotho by storage proteins. Cereal Research Communications. 2010;38(4):560-568. DOI: 10.1556/CRC.38.2010.4.13

29. Nakamura H., Inazu A., Hirano H. Allelic variation in high-molecular-weight glutenin subunit loci of Glu-1 in Japanese common wheats. Euphytica. 1999;106(2):131-138. DOI: 10.1023/A:1003516620466

30. Nehe A., Akin B., Sanal T., Evlice A.K., Ünsal R., Dinçer N. et al. Genotype × environment interaction and genetic gain for grain yield and grain quality traits in Turkish spring wheat released between 1964 and 2010. PLoS One. 2019;14(7): e0219432. DOI: 10.1371/journal.pone.0219432

31. Nei M. Analysis of gene diversity in subdivided populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1973;70(12):3321-3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321

32. Novoselskaya-Dragovich A.Y., Fisenko A.V., Yankovsky N.K., Kudryavtsev A.M., Yang Q., Lu Z. et al. Genetic diversity of storage protein genes in common wheat (Triticum aestivum L.) cultivars from China and its comparison with genetic diversity of cultivars from other countries. Genetic Resources and Crop Evolution. 2010;58(4):533-543. DOI: 10.1007/s10722-010-9596-y

33. Obreht D., Davidovic M., Vapa Lj. Glu-1 and Glu-3 allelic variability of genus Triticum – genetic resources in wheat breeding. Annals of Faculty of Engineering Hunedoara – International Journal of Engineering. 2003;1(1):191-196. Available from: https://annals.fih.upt.ro/pdf-full/2003/ANNALS-2003-1-36.pdf [accessed Apr. 06, 2023].

34. Obukhova L.V., Laikova L.I., Shumny V.K. Analysis of storage proteins (prolamines, puroindolines and waxy) in common wheat lines Triticum aestivum L. × (Triticum timopheevii Zhuk. × Triticum tauschii) with complex resistance to fungal infections. Russian Journal of Genetics. 2010;46(6):672- 676. DOI: 10.1134/S1022795410060062

35. Payne P.I., Seekings J.A., Worland A.J., Jarvis M.G., Holt L.M. Allelic variation of glutenin subunits and gliadins and its effect on breadmaking quality in wheat: Analysis of F5 progeny from Chinese Spring × Chinese Spring (Hope 1A). Journal of Cereal Science. 1987;6(2):103-118. DOI: 10.1016/S0733-5210(87)80047-4

36. Писарев В.Е. Происхождение мягкой пшеницы. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1964;36(1):5-23.

37. Плотникова Л.Я. Повышение биоразнообразия сортов пшеницы – шаг к решению проблемы устойчивого развития сельских территорий Западной Сибири. В кн.: Сибирская деревня: история, современное состояние, перспективы развития. Часть III. Омск: Омский государственный аграрный университет; 2014. С.423-426.

38. Потоцкая И.В., Шаманин В.П. Селекционная оценка «популяций-синтетиков» яровой мягкой пшеницы в условиях южной лесостепи Западной Сибири. Современные проблемы науки и образования. 2015;(1- 1):1683.

39. Ram S. High molecular weight glutenin subunit composition of Indian wheats and their relationships with dough strength. Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology. 2003;12(2):151-155. DOI: 10.1007/bf03263177

40. Ram S., Sharma S., Sharma I. Allelic diversity of HMW and LMW glutenins in Indian wheats and their relationship with sedimentation volume and mixograph parameters. Cereal Research Communications. 2015;43(3):492-503. DOI: 10.1556/0806.43.2015.001

41. Rasheed A., Mahmood T., Kazi A.G., Ghafoor A., Mujeeb-Kazi A. Allelic variation and composition of HMW-GS in advanced lines derived from d-genome synthetic hexaploid/bread wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Crop Science and Biotechnology. 2012;15(1):1-7. DOI: 10.1007/s12892-011-0088-1

42. Ribeirо M., Carvalho C., Carnide V., Guedes-Pinto H., Igrejas G. Towards allelic diversity in the storage proteins of old and currently growing tetraploid and hexaploid wheats in Portugal. Genetic Resources and Crop Evolution. 2011;58(7):1051-1073. DOI: 10.1007/s10722-010-9642-9

43. Рибалка О.І. Якість пшениці та її поліпшення. Киев: Логос; 2011.

44. Shahnejat-Bushehri A.A., Gomarian M., Yazdi-Samadi B. The high molecular weight glutenin subunit composition in old and modern bread wheats cultivated in Iran. Australian Journal of Agricultural Research. 2006.57(10):1109-1114. DOI: 10.1071/AR06015

45. Shan X., Clayshulte S.R., Haley S.D., Byrne P.F. Variation for glutenin and waxy alleles in the US hard winter wheat germplasm. Journal of Cereal Science. 2007;45(2):199-208. DOI: 10.1016/j.jcs.2006.09.007

46. Shewry P.R., Halford N.G., Tatham A.S. High molecular weight subunits of wheat glutenin. Journal of Cereal Science. 1992;15(2):105-120. DOI: 10.1016/S0733-5210(09)80062-3

47. Takata K., Nishio Z., Funatsuki W., Kuwabara T., Yamauchi H. Difference in combination between Glu-B1 and Glu-D1 alleles in bread-making quality using near-isogenic lines. Food Science and Technology Research. 2003;9(1):67-72. DOI: 10.3136/fstr.9.67

48. Terasawa Y., Takata K., Kawahara T., Ban T., Sasakuma T. et al. Genetic variation of wheat landraces in Afghanistan. In: R. Appels, R. Eastwood, E. Lagudah, P. Langridge, M. Mackay, L. McIntyre, P. Sharp (eds). The 11th International Wheat Genetics Symposium Proceedings. Sydney: Sydney University Press; 2008. p.1-3. Available from: https://ses.library.usyd.edu.au/bitstream/handle/2123/3240/P052.pdf?sequence=1&isAllowed=y [accessed Apr. 05, 2023].

49. Utebayev M., Dashkevich S., Kunanbayev K., Bome N., Sharipova B., Shavrukov Y. Genetic polymorphism of glutenin subunits with high molecular weight and their role in grain and dough qualities of spring bread wheat (Triticum aestivum L.) from Northern Kazakhstan. Acta Physiologiae Plantarum. 2019;41(5):71. DOI: 10.1007/s11738-019-2862-5

50. Утебаев М.У., Боме Н.А., Земцова Е.С., Крадецкая О.О., Чилимова И.В. Разнообразие высокомолекулярных субъединиц глютенина и оценка генетического сходства яровой мягкой пшеницы, созданной в различных селекционных учреждениях. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(1):99-109. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-1-99-109

51. Zhang X., Pang B.S., You G.X., Wang L.F., Jia J.Z., Dong Y.C. Allelic variation and genetic diversity at Glu-1 loci in Chinese wheat (Triticum aestivum L.) germplasms. Agricultural Sciences in China. 2002;1(10):1074-1082.