Структурирование генетической коллекции подсолнечника

Актуальность. Геном подсолнечника линии XRQ секвенирован, но пока не целиком аннотирован, и выявлены не все гены-кандидаты для большинства признаков. Определение взаимосвязей признаков, выполненное в настоящем исследовании, будет способствовать пониманию генетического контроля фенотипических признаков.

Материалы и методы. В 2017 и 2018 г. проведено фенотипирование 237 линий генетической коллекции ВИР по морфологическим признакам (высота растения, тип ветвления, форма и размеры листа, черешка, корзинки, краевых и трубчатых цветков, поражение ложной мучнистой росой) и генотипирование с помощью ДНК-маркеров для определения образцов – носителей гена Rf и стерильной цитоплазмы. Для выявления влияния генотипа и условий года на проявление хозяйственно ценных и морфологических признаков, а также устойчивости к ложной мучнистой росе применили дисперсионный анализ. Структурирование генетической коллекции выполняли с помощью факторного анализа.

Результаты и обсуждение. Проведено сравнение данных за 2017 и 2018 г. с использованием дисперсионного анализа. Результаты последнего свидетельствуют о наследуемости морфологических признаков, выравненности и чистоте линий генетической коллекции ВИР. Получены новые данные о фенотипическом разнообразии подсолнечника, стабильности хозяйственных признаков по сезонам выращивания.

Заключение. По результатам факторного анализа выделены группы сопряженных признаков: 1) высота растения и продолжительность фаз вегетационного периода; 2) восстановление фертильности пыльцы при ЦМС РЕТ1, SCAR-маркеры HRG02 и HRG01 гена Rf1 и ветвление; 3) окраска краевых и трубчатых цветков и форма черешка, а также форма поверхности листовой пластинки. Определены три группы линий, различающихся по системам (возможно, генам) восстановления фертильности пыльцы ЦМС РЕТ1. Факторный анализ позволил подтвердить предположение о присутствии в исследованных линиях нескольких генов Rf, отличающихся по своему проявлению от гена Rf1.

1. Анащенко A.В. Методические указания по изучению мировой коллекции масличных культур. Выпуск II. Подсолнечник. Ленинград: ВИР; 1976.

2. Анащенко А.В., Дука М.В. Изучение генетической системы ЦМС-Rf у подсолнечника (Helianthus annuus L.). Сообщение II. Восстановление мужской фертильности у гибридов на основе ЦМСр. Генетика. 1985;21(12):1999-2004.

3. Широкий унифицированный классификатор СЭВ рода Helianthus L. / сост. А.В. Анащенко, В.А. Корнейчук, А. Врынчану, П. Варга, А. Ковачик, В Шкалоуд, И. Бареш. Ленинград: ВИР; 1987.

4. Анащенко А.В., Ростова Н.С. Корреляционный и факторный анализ морфологических и хозяйственных признаков рапса. Сельскохозяйственная биология. 1991;26(4):129-135.

5. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8

6. Анисимова И.Н., Карабицина Ю.И., Алпатьева Н.В., Кузнецова Е.Б., Титов Н.В., Лютко А.Ю., Гаврилова В.А. Диагностическая ценность молекулярных маркеров гена Rf1 подсолнечника. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(2):28-37. DOI: 10.30901/2658-6266-2021-2-o3

7. Badouin H., Gouzy J., Grassa C.J., Murat F., Staton S.E., Cottret L. et al. The sunflower genome provides insights into oil metabolism, flowering and Asterid evolution. Nature. 2017; 546(7656):148-152. DOI: 10.1038/nature22380

8. Брач Н.Б. Корреляционный и факторный анализ некоторых признаков льна-долгунца. Научно-технический бюллетень Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова. 1989;188:45-46.

9. Бурляева М.О., Малышев Л.Л. Применение факторного и дисперсионного анализа для оценки исходного материала сои по урожайности зеленой массы и дифференциация сортов по направлениям использования. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013;173:55-67.

10. Chernova A.I., Gubaev R.F., Singh A., Sherbina K., Goryunova S.V., Martynova E.U., Goryunov D.V., Boldyrev S.V., Vanyushkina A.A., Anikanov N.A., Stekolshchikova E.A., Yushina E.A., Demurin Ya.N., Mukhina Z.M., Gavrilova V.A., Anisimova I.N., Karabitsina Y.I., Alpatieva N.V., Chang P.L., Khaitovich P., Mazin P.V., Nuzhdin S.V. Genotyping and lipid profiling of 601 cultivated sunflower lines reveals novel genetic determinants of oil fatty acid content. BMC Genomics. 2021;22(1):505. DOI: 10.1186/s12864-021-07768-y

11. Демурин Я.Н. Генетический анализ состава токоферолов в семенах подсолнечника. Научно-технический бюллетень Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова. 1986;165:49-51.

12. Демурин Я.Н., Толмачев В.В. Наследование некоторых маркерных признаков подсолнечника. В кн.: Вопросы прикладной физиологии и генетики масличных культур. Краснодар; 1986. С.14-19.

13. Гаврилова В.А., Анисимова Н.И., Алпатьева Н.В., Рожкова В.Т., Ступникова Т.Г., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 853. Генетическая коллекция подсолнечника. Санкт-Петербург: ВИР; 2017.

14. 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

15. Goryunov D.V., Anisimova I.N., Gavrilova V.A., Chernova A.I., Sotnikova E.A., Martynova E.U. et al. Association mapping of fertility restorer gene for CMS PET1 in sunflower. Agronomy. 2019;9(2):49. DOI: 10.3390/agronomy9020049

16. Horn R., Kusterer B., Lazarescu E., Prufe M., Friedt W. Molecular mapping of the Rf1 gene restoring fertility in PET1based F1 hybrids in sunflower (Helianthus annuus L.). Theoretical and Applied Genetics. 2003;106(4):599-606. DOI: 10.1007/s00122-002-1078-y

17. Horn R., Radanovic A., Fuhrmann L., Sprycha Y., Hamrit S., Jockovic M. et al. Development and validation of markers for the fertility restorer gene Rf1 in sunflower. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(6):1260. DOI: 10.3390/ijms20061260

18. Hübner S., Bercovich N., Todesco M., Mandel J.R., Odenheimer J., Ziegler E. et al. Sunflower pan-genome analysis shows that hybridization altered gene content and disease resistance. Nature Plants. 2019;5(1):54-62. DOI: 10.1038/s41477-018-0329-0

19. Ивантер Е.В., Коросов А.В. Введение в количественную биологию. Петрозаводск: Петрозаводский университет; 2003.

20. Карабицина Ю.И. Генетическое разнообразие линий и наследование признака восстановления фертильности пыльцы подсолнечника (Helianthus annuus L.) при ЦМС-PET1: дис. ... канд. биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 2021.

21. Kinman M.L. New developments in the USDA and state experiment station sunflower breeding programs. In: Proceedings of the Fourth International Sunflower Conference; Memphis, TN, USA, June 23–25, 1970. Memphis, TN: International Sunflower Association; 1970. p.181-183.

22. Kováčik A., Škaloud V. Results of inheritance evaluation of agronomically important traits in sunflower. Helia. 1990;13:41-46.

23. Лакин Г.Ф. Биометрия: учебное пособие для биологических специальностей вузов. 4-е изд. Москва: Высшая школа; 1990.

24. Leclercq P. Une sterilité cytoplasmique chez le tournesol. Annales de l’Amélioration des Plantes. 1969;19(2):99-106. [in French]

25. Liu Z., Mulpuri S., Feng J., Vick B.A., Jan C.C. Molecular mapping of the Rf3 fertility restoration gene to facilitate its utilization in breeding confection sunflower. Molecular Breeding. 2012;29(2):275-284. DOI: 10.1007/s11032-011-9563-0

26. Miller J.F., Fick G.N. Genetic of sunflower. In: A.A. Schneiter (ed.). Agronomy Monographs. Vol. 35. Sunflower Technology and Production. Madison, WI: American Society of Agronomy; 1997. p.441-495.

27. Наследов А.Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных. Санкт-Петербург: Речь; 2012.

28. Плачек Е.М. Формообразовательные процессы у подсолнечника под влиянием гибридизации и инцухта. В кн.: Труды Всесоюзного съезда по генетике, селекции, семеноводству и племенному животноводству. Т. 2. Ленинград; 1930.

29. Putt E.D. Recessive branching in sunflowers. Crop Science. 1964;4(4):444-445. DOI: 10.2135/cropsci1964.0011183X000400040042x

30. Qi L.L., Seiler G.J., Vick B.A., Gulya T.J. Genetics and mapping of the R11 gene conferring resistance to recently emerged rust races, tightly linked to male fertility restoration, in sunflower (Helianthus annuus L.). Theoretical and Applied Genetics. 2012;125(5):921-932. DOI: 10.1007/s00122-012-1883-x

31. Ростова Н.С., Анащенко А.В., Рожкова В.Т. Сравнительный анализ корреляций признаков продуктивности у гибридов подсолнечника. Сельскохозяйственная биология. 1984;19(12):64-72.

32. StatSoft, Inc. Electronic statistics textbook. Tulsa, OK: StatSoft; 2013. Available from: http://www.statsoft.com/textbook [accessed Nov. 14, 2018].

33. Talukder Z.I., Ma G., Hulke B.S., Jan C. C., Qi L. Linkage mapping and genome-wide association studies of the Rf gene cluster in sunflower (Helianthus annuus L.) and their distribution in world sunflower collections. Frontiers in Genetics. 2019;10:216. DOI: 10.3389/fgene.2019.00216

34. Terzić S., Boniface M.C., Marek L., Alvarez D., Baumann K., Gavrilova V. et al. Gene banks for wild and cultivated sunflower genetic resources. Oilseeds and Fats, Crops and Lipids. 2020;27(9):1-14. DOI: 10.1051/ocl/2020004

35. Усатов А.В., Макаренко М.С., Горбаченко О.Ф., Ковалевич А.А., Костылев П.И., Маркин Н.В. ДНК-маркеры гетерозиса у гибридов подсолнечника отечественной селекции. Зерновое хозяйство России. 2017;3(51):54-59.

36. 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