Влияние локусов Ant25, Ant26, Ant27, контролирующих синтез проантоцианидинов в зерне ячменя (Hordeum vulgare L.), на рост и развитие растений

   Актуальность. Зерно ячменя содержит флавоноидные соединения – проантоцианидины. Положительно влияя на адаптацию растений, они могут ухудшать качество сырья, используемого в производстве кормов и в пищевой промышленности. В этой связи создание беспроантоцианидиновых сортов является актуальной задачей. В качестве доноров рецессивных аллелей генов, специфически контролирующих синтез проантоцианидинов в зерне, могут использоваться мутанты по локусам Ant25, Ant26, Ant27, молекулярные функции которых неизвестны. В представленной работе исследовано влияние мутантных аллелей в указанных локусах на показатели роста и развития растений ячменя и на основании полученных результатов сделан вывод об их функциональной роли в биосинтезе флавоноидов, а также о целесообразности использования мутантов по этим локусам в селекции беспроантоцианидиновых сортов.

   Материалы и методы. У выращенных в гидропонной теплице мутантов и исходных сортов измеряли массу зерен, корней, побегов, длину главного побега и подсчитывали количество боковых побегов. Индекс урожая рассчитывали как отношение массы зерна к общей биомассе растения. Различия между генотипами оценивали с помощью критерия Манна – Уитни.

   Результаты. Мутанты ant25.264 и ant27.488 характеризовались меньшими значениями всех анализируемых параметров по сравнению с исходными сортами ‘Secobra18193’ и ‘Zenit’. Мутант ant27.2043 имел меньшую длину главного побега, массу зерен и индекс урожая по сравнению с сортом ‘Arena’ и не отличался от исходного сорта по массе корней, массе побегов и их количеству. Мутанты по локусу Ant26 не отличались от исходного сорта ‘Grit’ по всем параметрам, за исключением мутанта ant26.486, который имел большую массу корней по сравнению с сортом.

   Заключение. Установлено влияние локусов Ant25 и Ant27 на рост и развитие растений. Мутанты по локусу Ant26, ввиду отсутствия негативного влияния на развитие растений, являются перспективными донорами для селекции беспроантоциадиновых сортов ячменя.

1. Abeynayake S.W., Panter S., Mouradov A., Spangenberg G. A high-resolution method for the localization of proanthocyanidins in plant tissues. Plant Methods. 2011;7(1):13. DOI: 10.1186/1746-4811-7-13

2. Аджиева В.Ф., Бабак О.Г., Шоева О.Ю., Кильчевский А.В, Хлесткина Е.К. Молекулярно-генетические механизмы формирования окраски плодов и семян растений. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015;19(5):561-573. DOI: 10.18699/VJ15.073

3. Druka A., Kudrna D., Rostoks N., Brueggeman R., von Wettstein D., Kleinhofs A. Chalcone isomerase gene from rice (Oryza sativa) and barley (Hordeum vulgare): physical, genetic and mutation mapping. Gene. 2003;302(1-2):171-178. DOI: 10.1016/S0378-1119(02)01105-8

4. Hay R.K.M. Harvest index: a review of its use in plant breeding and crop physiology. Annals of Applied Biology. 1995;126(1):197-216. DOI: 10.1111/j.1744-7348.1995.tb05015.x

5. Himi E., Taketa S. Barley Ant17, encoding flavanone 3-hydroxylase (F3H), is a promising target locus for attaining anthocyanin/proanthocyanidin-free plants without pleiotropic reduction of grain dormancy. Genome. 2015;58(1):43-53. DOI: 10.1139/gen-2014-0189

6. Himi E., Yamashita Y., Haruyama N., Yanagisawa T., Maekawa M., Taketa S. Ant28 gene for proanthocyanidin synthesis encoding the R2R3 MYB domain protein (Hvmyb10) highly affects grain dormancy in barley. Euphytica. 2012;188(1):141-151. DOI: 10.1007/s10681-011-0552-5

7. Huang Q., Liu X., Zhao G., Hu T., Wang Y. Potential and challenges of tannins as an alternative to in-feed antibiotics for farm animal production. Animal Nutrition. 2018;4(2):137-150. DOI: 10.1016/j.aninu.2017.09.004

8. Jende-Strid B. Genetic control of flavonoid biosynthesis in barley. Hereditas. 1993;119(2):187-204. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1993.00187.x

9. Kristiansen K.N. Biosynthesis of proanthocyanidins in barley: Genetic control of the conversion of dihydroquercetin to catechin and procyanidins. Carlsberg Research Communications. 1984;49:503. DOI: 10.1007/BF02907552

10. Kumar K., Sinha R.R.K., Kumar S., Nirala R.K., Kumari S., Sahu S.P. Significance of tannins as an alternative to antibiotic growth promoters in poultry production. The Pharma Innovation Journal. 2022;11(11):1435-1440.

11. Lam L.P.Y., Wang L., Lui A., Liu H., Umezawa T., Tobimatsu Y. et al. Flavonoids in major cereal grasses: distribution, functions, biosynthesis, and applications. Phytochemistry Reviews. 2023;22(5):1399-1438. DOI: 10.1007/s11101-023-09873-0

12. Lee M.J., Kim Y.K., Kim K.H., Seo W.D., Kang H.J., Park J.C. et al. Quality characteristics and development of naked waxy barley (Hordeum vulgare L.) cultivar “Yeongbaekchal” without discoloration of cooked barley. Korean Journal of Breeding Science. 2016;48(4):529-534. DOI: 10.9787/KJBS.2016.48.4.529

13. Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

14. Lundqvist U. Scandinavian mutation research in barley – a historical review. Hereditas. 2014;151(6):123-131. DOI: 10.1111/hrd2.00077

15. Nakano H., Kawada N., Yoshida M., Ono H., Iwaura R., Tonooka T. Isolation and identification of flavonoids accumulated in proanthocyanidin-free barley. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2011;59(17):9581-9587. DOI: 10.1021/jf2019819

16. Nyamambi B., Ndlovu L.R., Read J.S., Reed J.D. The effects of sorghum proanthocyanidins on digestive enzyme activity in vitro and in the digestive tract of chicken. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2000;80(15):2223-2231. DOI: 10.1002/1097-0010(200012)80:15<2223::AID-JSFA768>3.0.CO;2-I

17. Ramsay N.A., Glover B.J. MYB-bHLH-WD40 protein complex and the evolution of cellular diversity. Trends in plant Science. 2005;10(2):63-70. DOI: 10.1016/j.tplants.2004.12.011

18. Reuber S., Jende-Strid B., Wray V., Weissenböck G. Accumulation of the chalcone isosalipurposide in primary leaves of barley flavonoid mutants indicates a defective chalcone isomerase Physiolgia Plantarum. 1997;101(4):827-832. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1997.tb01070.x

19. Talamè V., Bovina R., Sanguineti M.C. Tuberosa R., Lundqvist U., Salvi S. TILLMore, a resource for the discovery of chemically induced mutants in barley. Plant Biotechnology Journal. 2008;6(5):477-485. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2008.00341.x

20. Шоева О.Ю. Мировой опыт создания пивоваренных сортов ячменя на основе беспроантоцианидиновых мутантов. Письма в Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021;7(1):23-33. DOI: 10.18699/LettersVJ2021-7-04

21. Shoeva O.Yu., Mukhanova M.A., Zakhrabekova S., Hansson M. Ant13 encodes regulatory factor WD40 controlling anthocyanin and proanthocyanidin synthesis in barley (Hordeum vulgare L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2023;71(18): 6967-6977. DOI: 10.1021/acs.jafc.2c09051

22. Skadhauge B., Thomsen K.K., Von Wettstein D. The role of the barley testa layer and its flavonoid content in resistance to Fusarium infections. Hereditas. 1997;126(2):147-160. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1997.00147.x

23. Tonooka T., Kawada N., Yoshida M., Yoshioka T., Oda S., Hatta K. et al. Breeding of a new food barley cultivar “Shiratae Nijo” exhibiting no after-cooking discoloration. Breeding Science. 2010;60(2):172-176. DOI: 10.1270/jsbbs.60.172

24. Von Wettstein D. From analysis of mutants to genetic engineering. Annual Review of Plant Biology. 2007;58:1-19. DOI: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.104003

25. Von Wettstein D., Jende-Strid B., Ahrenst-Larsen B., Soren sen J.A. Biochemical mutant in barley renders chemical stabilization of beer superfluous. Carlsberg Research Communications. 1977;42:341-351. DOI: 10.1007/BF02906119

26. Walker A.R., Davison P.A., Bolognesi-Winfield A.C., James C.M., Srinivasan N., Blundell T.L. et al. The TRANSPARENT TESTA

27. GLABRA1 locus, which regulates trichome differentiation and anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis, encodes a WD40 repeat protein. The Plant Cell. 1999;11(7):1337-1349. DOI: 10.1105/tpc.11.7.1337

28. Xie P., Shi J., Tang S., Chen C., Khan A., Zhang F. et al. Control of bird feeding behavior by Tannin1 through modulating the biosynthesis of polyphenols and fatty acid-derived volatiles in sorghum. Molecular Plant. 2019;12(10):1315-1324. DOI: 10.1016/j.molp.2019.08.004

29. Yanagisawa T., Nagamine T., Takahashi A, Takayama T., Doi Y., Matsunaka H. et al. Breeding of Kirari-mochi: A new two-rowed waxy hull-less barley cultivar with superior quality characteristics. Breeding Science. 2011;61(3):307-310. DOI: 10.1270/jsbbs.61.307

30. Yu D., Huang T., Tian B., Zhan J. Advances in biosynthesis and biological functions of proanthocyanidins in horticultural plants. Foods. 2020;9(12):1774. DOI: 10.3390/foods9121774