Состав высокомолекулярных субъединиц глютенина и качество клейковины у линий пшеницы с чужеродным генетическим материалом

Актуальность. Высокомолекулярные субъединицы глютенина (ВМСГ) вносят наибольший вклад в формирование хлебопекарных свойств мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). У сородичей пшеницы полиморфизм запасных белков глютенинов значительно больше, чем у культивируемых сортов.

Цель работы – идентификация состава высокомолекулярных субъединиц глютенина и оценка качества клейковины у линий мягкой пшеницы с интрогрессиями чужеродного генетического материала.

Материалы и методы. Исследовали родительские сорта яровой мягкой пшеницы, образцы тетраплоидных и гексаплоидных видов рода Triticum L., а также 19 интрогрессивных линий, полученных с их участием. Разделение глютенинов проводили посредством электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия и идентифицировали ВМСГ по номенклатурной системе P.I. Payne. Качество клейковины определяли в соответствии с ГОСТ 13586.1-68 (вегетационные периоды 2017–2019, 2021–2022 гг.). Статистическую обработку выполняли в программных пакетах Statistica 10.0 и MS Excel.

Результаты и заключение. У изученных образцов T. dicoccoides (Körn. ex Aschers. et Graebn.) Schweinf., T. spelta L. и T. kiharae Dorof. et Migusch. выявлены нехарактерные для сортов T. аestivum ВМСГ, которые представляют интерес для расширения генофонда пшеницы. У 10 из 19 интрогрессивных линий обнаружены ВМСГ родственных видов. В среднем за пятилетний период наблюдений по качеству клейковины сородичи пшеницы значимо превосходят сорта мягкой пшеницы, а интрогрессивные линии существенно не отличаются от родительских генотипов. Линии с высокими реологическими свойствами клейковины, как правило, имеют в составе глютенинов высокомолекулярные субъединицы родственных видов.

1. An X., Li Q., Yan Y., Xiao Y., Xsam S.L.K., Zeller F.J. Genetic diversity of European spelt wheat (Triticum aestivum ssp. spelta L. em. Thell.) revealed by glutenin subunit variations at the Glu-1 and Gli-3 loci. Euphytica. 2005;146(3):193-201. DOI: 10.1007/s10681-005-9002-6

2. Gale K.R. Diagnostic DNA markers for quality traits in wheat. Journal of Cereal Science. 2004;41(2):181-192. DOI: 10.1016/j.jcs.2004.09.002

3. 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

4. ГОСТ 13586.1-68. Межгосударственный стандарт. Зерно. Методы определения количества и качества клейковины в пшенице. Москва: Стандартинформ; 2009. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200024345 [дата обращения: 06.09.2023].

5. Hernández‐Estrada Z.J., Rayas‐Duarte P., Cárdenas J.D.D.F. Creep recovery of wet gluten and high‐molecular‐weight glutenin subunit composition: Relationship with viscoelasticity of dough and breadmaking quality of hard red winter wheat. Cereal Chemistry. 2017;94(2):223-229. DOI: 10.1094/CCHEM-03-16-0049-R

6. Hu X.G., Wu B.H., Bi Z.G., Liu D.C., Zhang L.Q., Yan Z.H. et al. Allelic variation and distribution of HMW glutenin subunit 1Ay in Triticum species. Genetic Resources and Crop Evolution. 2012;59(4):491-497. DOI: 10.1007/s10722-011-9698-1

7. Jin M., Xie Z.Z., Ge P., Li J., Jiang S.S., Subburaj S. et al. Identification and molecular characterization of HMW glutenin subunit 1By16* in wild emmer. Journal of Applied Genetics. 2012;53(3):249-258. DOI: 10.1007/s13353-012-0101-5

8. Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-685. DOI: 10.1038/227680a0

9. Li H.Y., Li Z.L., Zeng X.X., Zhao L.B., Chen G., Kou C.L. et al. Molecular characterization of different Triticum monococcum ssp. monococcum Glu-A1mx alleles. Cereal Research Communications. 2016;44(3):444-452. DOI: 10.1556/0806.44.2016.006

10. Мамонтова Л.И., Хромов С.П. Метеорологический словарь. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1974.

11. Margiotta B., Colaprico G., Urbano M. Polymorphism of high Mr glutenin subunits in wild emmer Triticum turgidum subsp. dicoccoides: chromatographic, electrophoretic separations and PCR analysis of their encoding genes. Genetic Resources and Crop Evolution. 2014;61(2):331-343. DOI: 10.1007/s10722-013-0037-6

12. Morgun V.V., Sichkar S.M., Pochinok V.M., Ninieva A.K., Chugunkova T.V. Characterization of spelt collection samples (Triticum spelta L.) by elements of plant productivity structure and baking quality. Plant Physiology and Genetics. 2016;48(2):112-119. DOI: 10.15407/frg2016.02.112

13. Niu Z.X., Klindworth D.L., Wang R.C., Jauhar P.P., Larkin P., Xu S.S. Characterization of HMW glutenin subunits in Thinopyrum intermedium, Th. bessarabicum, Lophopyrum elongatum, Aegilop smarkgrafii, and their addition lines in wheat. Crop Science. 2011;51(2):667-677. DOI: 10.2135/cropsci2010.04.0235

14. Obukhova L.V., Budashkina E.B., Shumny V.K. A search for high-molecular-weight subunits of glutenin from Triticum timopheevi Zhuk. in the lines of common wheat (Triticum aestivum L. × Triticum timopheevi Zhuk.). Russian Journal of Genetics. 2009;45(9):1139-1142. DOI: 10.1134/S1022795409090166

15. Orlovskaya О., Dubovets N., Solovey L., Leonova I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae. BMC Plant Biology. 2020a;20 (Suppl 1):201. DOI: 10.1186/s12870-020-02407-2

16. Orlovskaya O.A., Leonova I.N., Adonina I.G., Salina E.A., Khotyleva L.V., Shumny V.K. Molecular сytogenetic analysis of triticale and wheat lines with introgressions of the genetic material of Triticeae tribe species. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2016;6(5):527-536. DOI: 10.1134/S2079059716050087

17. Orlovskaya O.A., Yatsevich K., Vakula S., Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V. Characterization of high molecular weight glutenin subunits in wild emmer wheat (Triticum dicoccoides). Cytology and Genetics. 2020b;54(3):199-205. DOI: 10.3103/S009545272003010X

18. Орловская О.А., Яцевич К.К., Вакула С.И., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В. Молекулярная характеристика высокомолекулярных субъединиц глютенина 1Bx6.1 и 1By22.1 образца Triticum spelta К1731. Факторы экспериментальной эволюции организмов. 2019;25:147-153. DOI: 10.7124/FEEO.v25.1156

19. Payne P.I., Lawrence G.J. Catalogue of alleles for the complex gene loci, Glu-A1, Glu-B1, and Glu-D1 which code for highmolecular-weight subunits of glutenin in hexaploid wheat. Cereal Research Communications. 1983;11:29-35.

20. Payne P.I., Nightingale M.A., Krattiger A.F., Holt L.M. The relationship between HMW glutenin subunit composition and bread-making quality of British-grown wheat varieties. Journal of the Science of Food and Agriculture. 1987;40(1):51-65. DOI: 10.1002/jsfa.2740400108

21. Peng Y., Yu K., Zhang Y., Islam S., Sun D., Ma W. Two novel y-type high molecular weight glutenin genes in Chinese wheat landraces of the Yangtze-River region. PloS One. 2015;10(11):e0142348. DOI: 10.1371/journal.pone.0142348

22. Pflüger L.A., Martin L.M., Alvarez J.B. Variation in the HMW and LMW glutenin subunits from Spanish accessions of emmer wheat (Triticum turgidum ssp. dicoccum Schrank). Theoretical and Applied Genetics. 2001;102(5):767-772. DOI: 10.1007/s001220051708

23. Rasheed A., Safdar T., Gul-Kazi A., Mahmood T., Akram Z., Mujeeb-Kazi A. Characterization of HMW-GS and evaluation of their diversity in morphologically elite synthetic hexaploid wheats. Breeding Science. 2012;62(4):365-370. DOI: 10.1270/jsbbs.62.365

24. Rasheed A., Xia X., Yan Y., Appels R., Mahmood T., He Z. Wheat seed storage proteins: Advances in molecular genetics, diversity and breeding applications. Journal of Cereal Science. 2014;60(1):11-24. DOI: 10.1016/j.jcs.2014.01.020 Reliable prognosis rp5.by: [website]. Available from: https://rp5.by/Weather_in_the_world [accessed Aug. 17, 2023].

25. Ribeiro M., Nunes-Miranda J.D., Branlard G., Carillo J.M., Rodriguez-Quijano M., Igrejas G. One hundred years of grain omics: identifying the glutens that feed the world. Journal of Proteome Research. 2013;12(11):4702-4716. DOI: 10.1021/pr400663t

26. Roy N., Islam S., Al-habbar Z., Yu Z., Liu H., Lafiandra D. et al. Contribution to breadmaking performance of two different HMW glutenin 1Ay alleles expressed in hexaploid wheat. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2021;69(1):36-44. DOI: 10.1021/acs.jafc.0c03880

27. Singh N.K., Shepherd K.W., Cornish G.B. A simplified SDS–PAGE procedure for separating LMW subunits of glutenin. Jour nal of Cereal Science. 1991;14(3):203-208. DOI: 10.1016/S0733-5210(09)80039-8

28. Vancini C., Torres G.A.M., de Miranda M.Z., Consoli L., Bonow S., Grando M.F. Impact of high-molecular-weight glutenin alleles on wheat technological quality. Pesquisa Agropecuária Brasileira. 2019;54:e00639. DOI: 10.1590/S1678-3921.pab2019.v54.00639

29. Wang S., Yu Z., Cao M., Shen X., Li N., Li X. et al. Molecular mechanisms of HMW glutenin subunits from 1S(l) genome of Aegilops longissima positively affecting wheat breadmaking quality. PLoS One. 2013;8(4):e58947. DOI: 10.1371/journal.pone.0058947

30. Xu L.L., Li W., Wei Y.M., Zheng Y.L. Genetic diversity of HMW glutenin subunits in diploid, tetraploid and hexaploid Triticum species. Genetic Resources and Crop Evolution. 2009;56:377-391. DOI: 10.1007/s10722-008-9373-3

31. Yu Z., Peng Y., Islam M.S., She M., Lu M., Lafiandra D. et al. Molecular characterization and phylogenetic analysis of active y-type high molecular weight glutenin subunit genes at Glu-A1 locus in wheat. Journal of Cereal Science. 2019;86:9-14. DOI: 10.1016/j.jcs.2019.01.003

32. Zhang D., Yuan Y., Su Y., Li S. Analysis of dough rheological property and gluten quality characteristics in wild emmer wheat (Triticum dicoccoides (Korn. ex Asch. et Graebn.) Schweinf. Genetic Resources and Crop Evolution. 2016;63(4):675-683. DOI: 10.1007/S10722-015-0275-x

33. Zheng S., Byrne P.F., Haley S.D., Shan X., Reid S.D. Glutenin allelic variation and 1AL.1RS effects on dough mixing properties of wheat grown in irrigated and rainfed environments. Euphytica. 2010;176(3):357-369. DOI: 10.1007/s10681-010-0215-y

34. Zhou J.P., Cheng Y., Zang L.L., Yang E.N., Liu C., Zheng X.L. et al. Characterization of a new wheat–Aegilops biuncialis 1 Mb (1B) substitution line with good quality-associated HMW glutenin subunit. Cereal Research Communications. 2016;44(2):198-205. DOI: 10.1556/0806.43.2015.048