Особенности наследования карликового фенотипа у гибридов от скрещивания линий подсолнечника, различающихся по аллелям локуса Rht1

Актуальность. Мировое производство семян подсолнечника базируется на использовании в F₁ гибридов эффекта гетерозиса, который оказывает положительное влияние как на урожайность, так и на высоту растений. Для создания промышленных гибридов с оптимальной высотой нужно использовать короткостебельные линии. Молекулярные механизмы проявления признака у короткостебельных линий генетической коллекции подсолнечника ВИР не изучены.
Материал и методы. Материалом для генетического анализа служили 27 короткостебельных и 10 высокорослых линий подсолнечника генетической коллекции ВИР, а также поколения F₁ и F₂ гибридов от скрещивания высокорослой (ВИР 340) и карликовой (ВИР 171) форм. Родительские линии и гибриды фенотипированы по признакам: высота растения, число листьев, длина междоузлия. Генотипирование по локусу Rht1 (ген-кандидат HaDella1), контролирующему негативный регулятор гиббереллинового ответа ‒ белок DELLA, выполнено с помощью разработанного в ходе исследования CAPS-маркера.
Результаты. Высота растений линии ВИР 340 в среднем за три года изучения составила 162 см, число листьев – 29, длина междоузлия – 6 см. Линия ВИР 171 характеризовалась высотой в среднем 66 см, числом листьев 24, длиной междоузлия 2,8 см. Гибриды первого поколения были единообразны, их высота составляла 180–190 см, что свидетельствовало о доминировании признака высокорослости. На основании анализа расщепления гибридов F₂ сделано предположение о дигенном контроле карликового фенотипа линии ВИР 171. Разработан CAPS-маркер G-D-1 / Bmt I для идентификации миссенс-мутации T>C в первом экзоне гена HaDella1, приводящей к замене лейцина на пролин в мотиве DELLA. С его помощью аллель Rht1 идентифицирован у сходных по происхождению и фенотипу карликовых линий ВИР 171 и ВИР 434. Маркер G-D-1 / Bmt I валидирован на материале расщепляющейся гибридной популяции F₂ (ВИР 340 × ВИР 171). Подтверждена диагностическая ценность маркера G-D-1 / Bmt I для отбора карликовых генотипов, гомозиготных по мутантному аллелю Rht1.

1. Анащенко A.В. Методические указания по изучению мировой коллекции масличных культур. Выпуск II. Подсолнечник / под ред. Г.Г. Давидяна. Ленинград: ВИР; 1978.

2. Best N.B., Wang X., Brittsan S., Dean E., Helfers S.J., Homburg R. et al. Sunflower ‘Sunspot’ is hyposensitive to GA3 and has a missense mutation in the DELLA motif of HaDELLA1. Journal of the American Society for Horticultural Science. 2016;141(4): 389-394. DOI: 10.21273/JASHS.141.4.389

3. Bilova T.E., Ryabova D.N., Anisimova I.N. Molecular basis of the dwarfism character in cultivated plants. I. Growth distortions due to mutations of gibberellin metabolism and signaling (review). Agricultural Biology. 2016;51(1):3-16. DOI: 10.15389/agrobiology.2016.1.3eng

4. Borojevic Kat., Borojevic Ks. The transfer and history of “reduced height genes” (Rht) in wheat from Japan to Europe. The Journal of Heredity. 2005;96(4):455-459. DOI: 10.1093/jhered/esi060

5. Cheng X., Huang Y., Tan Y., Tan L., Yin J., Zou G. Potentially useful dwarfing or semi-dwarfing genes in rice breeding in addition to the sd1 gene. Rice (N Y). 2022;15(1):66. DOI: 10.1186/s12284-022-00615-y

6. Davière J.M., Achard P. Gibberellin signaling in plants. Development. 2013;140(6):1147-1151. DOI: 10.1242/dev.087650

7. Enns H., Dorrell D.G., Hoes J.A., Chubb W.O. Sunflower research – A progress reports. In: Proceedings of the 4th International Sunflower Conference. Memphis, TN: International Sunflower Association; 1970. p.162-167.

8. Eshed Y., Lippman Z.B. Revolutions in agriculture chart a course for targeted breeding of old and new crops. Science. 2019;366(6466):eaax0025. DOI: 10.1126/science.aax0025

9. Fambrini M., Mariotti L., Parlanti S., Salvini M., Pugliesi C. A GRAS-like gene of sunflower (Helianthus annuus L.) alters the gibberellin content and axillary meristem outgrowth in transgenic Arabidopsis plants. Plant Biology. 2015;17(6):1123-1134. DOI: 10.1111/plb.12358

10. Гаврилова В.А., Макарова Л.Г., Ступникова Т.Г., Бемова В.Д., Анисимова И.Н. Короткостебельные линии ВИР для создания низкорослых сортов и гибридов подсолнечника. Journal of Agriculture and Environment. 2024;1(41):10619. DOI: 10.23649/JAE.2024.41.21

11. Gavrilova V.A., Rozhkova V.T., Anisimova I.N. Sunflower genetic collection at the Vavilov Institute of Plant Industry. Helia. 2014;37(60):1-16. DOI: 10.1515/helia-2014-0001

12. Hedden P. The genes of the Green Revolution. Trends in Genetics. 2003;19(1):5-9. DOI: 10.1016/S0168-9525(02)00009-4

13. Itoh H., Shimada A., Ueguchi-Tanaka M., Kamiya N., Hasegawa Y., Ashikari M. et al. Overexpression of a GRAS protein lacking the DELLA domain confers altered gibberellin responses in rice. Plant Journal. 2005;44(4):669-679. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02562.x

14. Lawit S.J., Wych H.M., Xu D., Kundu S., Tomes D.T. Maize DELLA proteins dwarf plant8 and dwarf plant9 as modulators of plant development. Plant and Cell Physiology. 2010;51(11):1854-1868. DOI: 10.1093/pcp/pcq153

15. Li J.T., Yang J., Chen D.C., Zhang X.I., Tang Z.S. An optimized mini-preparation method to obtain high-quality genomic DNA from mature leaves of sunflower. Genetics and Molecular Research. 2007;6(4):1064-1071.

16. Mariotti L., Fambrini M., Pugliesi C., Scartazza A. The gibberellin-deficient dwarf2 mutant of sunflower shows a high constitutive level of jasmonic and salicylic acids and an elevated energy dissipation capacity in wellwatered and drought conditions. Environmental and Experimental Botany. 2022;194:104697. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2021.104697

17. Mariotti L., Fambrini M., Scartazza A., Picciarelli P., Pugliesi C. Characterization of lingering hope, a new brachytic mutant in sunflower (Helianthus annuus L.) with altered salicylic acid metabolism. Journal of Plant Physiology. 2018;231:402-414. DOI: 10.1016/j.jplph.2018.10.020

18. Martin D.N., Proebsting W.M., Hedden P. Mendel’s dwarfing gene: cDNAs from the Le alleles and function of the expressed proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1997;94(16):8907-8911. DOI: 10.1073/pnas.94.16.8907

19. Мережко А.Ф. Генетический анализ количественных признаков для решения задач селекции растений. Генетика. 1994;30(10):1317-1325.

20. Porotnikov I.V., Mitrofanova O.P., Antonova O.Yu. A system of molecular markers to identify alleles of the Rht-B1 and RhtD1 genes controlling reduced height in bread wheat. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2022;26(2):128-138. DOI: 10.18699/VJGB-22-16

21. Ramos M.L., Altieri E., Bulos M., Sala C.A. Phenotypic characterization, genetic mapping and candidate gene analysis of a source conferring reduced plant height in sunflower. Theoretical and Applied Genetics. 2013;126(1):251-263. DOI: 10.1007/s00122-012-1978-4

22. Rasheed A., Wen W., Gao F., Zhai S., Jin H., Liu J. et al. Development and validation of KASP assays for genes underpinning key economic traits in bread wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2016;129(10):1843-1860. DOI: 10.1007/s00122-016-2743-x

23. Родин В.Ф. К вопросу наследования низкорослости у подсолнечника. Бюллетень научно-технической информации по масличным культурам. 1976;(2):8-12.

24. Sarwar R., Zhu K.M., Jiang T., Ding P., Gao Y., Tan X.L. DELLAs directed gibberellins responses orchestrate crop development: A brief review. Crop Science. 2023;63(1):1-28. DOI: 10.1002/csc2.20825

25. Sukhikh I.S., Vavilova V.J., Blinov A.G., Goncharov N.P. Diversity and phenotypical effect of allelic variants of Rht dwarfing genes in wheat. Russian Journal of Genetics. 2021;57(2):127-138. DOI: 10.1134/S1022795421020101

26. Толмачев В.В. Короткостебельность. В кн.: Биология, селекция и возделывание подсолнечника. Москва: Агропромиздат; 1992. С.44-45.

27. Van De Velde K., Thomas S.G., Heyse F., Kaspar R., Van Der Straeten D., Rohde A. N-terminal truncated RHT-1 proteins generated by translational reinitiation cause semi-dwarfing of wheat Green Revolution alleles. Molecular Plant. 2021;14(4):679-687. DOI: 10.1016/j.molp.2021.01.002

28. Velasco L., Pérez-Vich B., Muñoz-Ruz J., Fernández-Martínez J.M., Friedt W. Inheritance of reduced height in the sunflower line DW 89. Plant Breeding. 2003;122(5):441-443. DOI: 10.1046/j.1439-0523.2003.00881.x

29. Воронова О.Н., Гаврилова В.А. Количественный и качественный анализ пыльцы подсолнечника (Helianthus L.) и его использование в селекционной работе. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(1):95-104. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-1-95-104

30. Würschum T., Langer S.M., Longin C.F.H., Tucker M.R., Leiser W.L. A modern Green Revolution gene for reduced height in wheat. The Plant Journal. 2017;92(5):892-903. DOI: 10.1111/tpj.13726

31. Xu Y., Jia Q., Zhou G., Zhang X.Q., Angessa T., Broughton S. et al. Characterization of the sdw1 semi-dwarf gene in barley. BMC Plant Biology. 2017;17(1):11. DOI: 10.1186/s12870-016-0964-4

32. Xue H., Gao X., He P., Xiao G. Origin, evolution, and molecular function of DELLA proteins in plants. The Crop Journal. 2022;10(2):287-299. DOI: 10.1016/j.cj.2021.06.005

33. Яковлева Е.А. Морфолого-анатомические особенности побега короткостебельного подсолнечника: дис. … канд. биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 2006.

34. Есаев А.Л. Генетический контроль короткостебельности у некоторых инбредных линий культурного подсолнечника: дис. … канд. биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 1998.