Генетико-методологические аспекты изучения морозоустойчивости озимой пшеницы
https://doi.org/10.30901/2227-8834-2026-2-o6
Аннотация
Пшеница – одна из важнейших зерновых культур, эффективность производства которой имеет большое значение для продовольственной безопасности. Научные исследования последних лет привели к созданию новых, устойчивых к воздействию абиотических факторов среды сортов пшеницы. Использование таких сортов в сочетании с применением современных технологий возделывания этой культуры способствует значительному повышению ее урожайности. Данный обзор посвящен в основном исследованиям последних двадцати лет в области генетики и физиологии, которые направлены на изучение морозоустойчивости озимой пшеницы. В работе представлены сведения об основных механизмах передачи сигнала на холодовое воздействие, активации экспрессии ключевых генов/QTLs, участвующих в развитии морозоустойчивости у озимой пшеницы. Так, в отдельном разделе рассмотрены работы, которые посвящены наиболее изученному на настоящий момент сигнальному пути холодовой акклиматизации, а именно сигнальному пути ICE1–CBF–COR. Приведены главные методы оценки растений озимой пшеницы по уровню морозоустойчивости, которые могут быть применены как для полевых, так и для лабораторных исследований. Оценено применение полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) как подхода для анализа морозоустойчивости. Рассмотрена роль отдельных генов и QTLs в развитии холодо- и морозоустойчивости, а также методы их оценки.
Ключевые слова
При поддержке: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-24-00117 «Генетические детерминанты морозоустойчивости мягкой озимой пшеницы в условиях Западной Сибири» (https://rscf.ru/project/25-24-00117/). Автор выражает благодарность ведущему научному сотруднику лаборатории молекулярной генетики и цитогенетики растений ИЦиГ СО РАН, д-ру биол. наук А. Б. Щербаню за помощь и ценные советы при написании данного обзора.
Об авторе
А. В. Федяева
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Россия
Анна Валерьевна Федяева, кандидат биологических наук, научный сотрудник
630090 Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 10
Список литературы
1. Afonnikova S.D., Kiseleva A.A., Fedyaeva A.V., Komyshev E.G., Koval V.S., Afonnikov D.A. et al. Identification of novel loci precisely modulating pre-harvest sprouting resistance and red color components of the seed coat in T. aestivum L. Plants (Basel). 2024;13(10):1309. DOI: 10.3390/plants13101309
2. Akhtar M., Jaiswal A., Taj G., Jaiswal J.P., Qureshi M.I., Singh N.K. DREB1/CBF transcription factors: their structure, function and role in abiotic stress tolerance in plants. Journal of Genetics. 2012;91(3):385-395. DOI: 10.1007/s12041-012-0201-3
3. Akpınar B.A., Lucas S.J., Budak H. Genomics approaches for crop improvement against abiotic stress. The Scientific World Journal. 2013;2013:361921. DOI: 10.1155/2013/361921
4. Aoun M., Rouse M.N., Kolmer J.A., Kumar A., Elias E.M. Genome-wide association studies reveal all-stage rust resistance loci in elite durum wheat genotypes. Frontiers in Plant Science. 2021;12:640739. DOI: 10.3389/fpls.2021.640739
5. Armonienė R., Liatukas Ž., Brazauskas G. Evaluation of freezing tolerance of winter wheat (Triticum aestivum L.) under controlled conditions and in the field. Zemdirbyste – Agriculture. 2013;100:417-424. DOI: 10.13080/z-a.2013.100.053
6. Badawi M., Danyluk J., Boucho B., Houde M., Sarhan F. The CBF gene family in hexaploid wheat and its relationship to the phylogenetic complexity of cereal CBFs. Molecular Genetics and Genomics. 2007;277(5):533-554. DOI: 10.1007/s00438-006-0206-9
7. Badawi M., Reddy Y.V., Agharbaoui Z., Tominaga Y., Danyluk J., Sarhan F. et al. Structure and functional analysis of wheat ICE (inducer of CBF expression) genes. Plant and Cell Physiology. 2008;49(8):1237-1249. DOI: 10.1093/pcp/pcn100
8. Bolouri P., Haliloğlu K., Mohammadi S.A., Türkoğlu A., İlhan E., Niedbała G. et al. Identification of novel QTLs associated with frost tolerance in winter wheat (Triticum aestivum L.). Plants (Basel). 2023;12(8):1641. DOI: 10.3390/ plants12081641
9. Caccialupi G., Milc J., Caradonia F., Nasar M.F., Francia E. The Triticeae CBF gene cluster – To frost resistance and beyond. Cells. 2023;12(22):2606. DOI: 10.3390/cells12222606
10. Cha J.K., O’Connor K., Alahmad S., Lee J.H., Dinglasan E., Park H. et al. Speed vernalization to accelerate generation advance in winter cereal crops. Molecular Plant. 2022;15(8):1300-1309. DOI: 10.1016/j.molp.2022.06.012
11. Deryabin A., Zhukova K., Naraikina N., Venzhik Y. Effect of low temperature on content of primary metabolites in two wheat genotypes differing in cold tolerance. Metabolites. 2024;14(4):199. DOI: 10.3390/metabo14040199
12. Dhillon T., Pearce S.P., Stockinger E.J., Distelfeld A., Li C., Knox A.K. et al. Regulation of freezing tolerance and flowering in temperate cereals: the VRN-1 connection. Plant Physiology. 2010;153(4):1846-1858. DOI: 10.1104/pp.110.159079
13. Дорофеев Н.В., Пешкова А.А., Войников В.К. Озимая пшеница в Иркутской области. Иркутск: Арт-Пресс; 2004.
14. Fowler D.B. Cold acclimation threshold induction temperatures in cereals. Crop Science. 2008;48(3):1147-1154. DOI: 10.2135/cropsci2007.10.0581
15. Fowler S.G., Cook D., Thomashow M.F. Low temperature induction of Arabidopsis CBF1, 2, and 3 is gated by the circadian clock. Plant Physiology. 2005;137(3):961-968. DOI: 10.1104/pp.104.058354
16. Frederiks T.M., Christopher J.T., Harvey G.L., Sutherland M.W., Borrell A.K. Current and emerging screening methods to identify post-head-emergence frost adaptation in wheat and barley. Journal of Experimental Botany. 2012;63(15):5405-5416. DOI: 10.1093/jxb/ers215
17. Gabor G., Stockinger E.J., Francia E., Milc J., Kocsy G., Pecchioni N. Freezing tolerance in the Triticeae. In: R.K. Varshney, R. Tuberosa (eds). Translational Genomics for Crop Breeding: Abiotic Stress, Yield and Quality. Vol. 2. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons; 2013. p.99-124. DOI: 10.1002/9781118728482.ch7
18. Galiba G., Vágújfalvi A., Li C., Soltész A., Dubcovsky J. Regulatory genes involved in the determination of frost tolerance in temperate cereals. Plant Science. 2009;176(1):12-19. DOI: 10.1016/j.plantsci.2008.09.016
19. Ganeshan S., Vitamvas P., Fowler D.B., Chibbar R.N. Quantitative expression analysis of selected COR genes reveals their differential expression in leaf and crown tissues of wheat (Triticum aestivum L.) during an extended low temperature acclimation regimen. Journal of Experimental Botany. 2008;59(9):2393-2402. DOI: 10.1093/jxb/ern112
20. Guo J., Ren Y., Tang Z., Shi W., Zhou M. Characterization and expression profiling of the ICE–CBF–COR genes in wheat. PeerJ. 2019;7:e8190. DOI: 10.7717/peerj.8190
21. Heidarvand L., Maali Amiri R. What happens in plant molecular responses to cold stress? Acta Physiologiae Plantarum. 2010;32:419-431. DOI: 10.1007/s11738-009-0451-8
22. Houde M., Dhindsa R.S., Sarhan F. A molecular marker to select for freezing tolerance in Gramineae. Molecular and General Genetics. 1992;234(1):43-48. DOI: 10.1007/bf00272343
23. Ibrahim A.K., Zhang L., Niyitanga S., Afzal M.Z., Xu Y., Zhang L. et al. Principles and approaches of association mapping in plant breeding. Tropical Plant Biology. 2020;13(1):212-224. DOI: 10.1007/s12042-020-09261-4
24. International Wheat Genome Sequencing Consortium; Appels R., Eversole K., Stein N., Feuillet C., Keller B. et al.. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. Science. 2018;361(6403):eaar7191. DOI: 10.1126/science.aar7191
25. IWGSC. International Wheat Genome Sequencing Consortium: [website]. Available from: https://www.wheatgenome.org [accessed May 05, 2025].
26. Jin Y., Zhai S., Wang W., Ding X., Guo Z., Bai L. et al. Identification of genes from the ICE–CBF–COR pathway under cold stress in Aegilops–Triticum composite group and the evolution analysis with those from Triticeae. Physiology and Molecular Biology of Plants. 2018;24(2):211-229. DOI: 10.1007/s12298-017-0495-y
27. Joshi A., Yang S.Y., Song H.G., Min J., Lee J.H. Genetic databases and gene editing tools for enhancing crop resistance against abiotic stress. Biology (Basel). 2023;12(11):1400. DOI: 10.3390/biology12111400
28. Kamata T., Uemura M. Solute accumulation in wheat seedlings during cold acclimation: contribution to increased freezing tolerance. Cryo Letters. 2004;25(5):311-322.
29. Корсукова А.В. Изменение холодо- и морозоустойчивости проростков злаков под действием тебуконазол-содержащего протравителя семян: дис. … канд. биол. наук. Иркутск; 2016.
30. Kosová K., Klíma M., Prášil I.T., Vítámvás P. COR/LEA proteins as indicators of frost tolerance in Triticeae: A comparison of controlled versus field conditions. Plants (Basel). 2021;10(4):789. DOI: 10.3390/plants10040789
31. Kosová K., Vitámvás P., Prášilová P., Prášil I.T. Accumulation of WCS120 and DHN5 proteins in differently frost-tolerant wheat and barley cultivars grown under a broad temperature scale. Biologia Plantarum. 2013;57(1):105-112. DOI: 10.1007/s10535-012-0237-5
32. Kovacs Z., Simon-Sarkadi L., Sovány C., Kirsch K., Galiba G., Kocsy G. Differential effects of cold acclimation and abscisic acid on free amino acid composition in wheat. Plant Science. 2011;180(1):61-68. DOI: 10.1016/j.plantsci.2010.08.010
33. Kume S., Kobayashi F., Ishibashi M., Ohno R., Nakamura C., Takumi S. Differential and coordinated expression of Cbf and Cor/Lea genes during long-term cold acclimation in two wheat cultivars showing distinct levels of freezing tolerance. Genes and Genetic Systems. 2005;80(3):185-197. DOI: 10.1266/ggs.80.185
34. Leonova I.N., Ageeva E.V. Localization of the quantitative trait loci related to lodging resistance in spring bread wheat (Triticum aestivum L.). Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2022;26(7):675-683. DOI: 10.18699/VJGB-22-82
35. Levy A.A., Feldman M. Evolution and origin of bread wheat. The Plant Cell. 2022;34(7):2549-2567. DOI: 10.1093/plcell/koac130
36. Люсиков О.М., Гордей И.С., Шимко В.Е., Матиевская О.С., Гордей С.И., Сацюк И.В. Молекулярно-генетические аспекты устойчивости озимой пшеницы (Triticum L.) к низкотемпературному стрессу. Молекулярная и прикладная генетика. 2022;33:137-150. DOI: 10.47612/1999-9127-2022-33-137-150
37. Michel S., Löschenberger F., Hellinger J., Strasser V., Ametz C., Pachler B. et al. Improving and maintaining winter hardiness and frost tolerance in bread wheat by genomic selection. Frontiers in Plant Science. 2019;10:1195. DOI: 10.3389/fpls.2019.01195
38. Mittler R. Abiotic stress, the field environment and stress combination. Trends in Plant Science. 2006;11(1):15-19. DOI: 10.1016/j.tplants.2005.11.002
39. Miura K., Furumoto T. Cold signaling and cold response in plants. International Journal of Molecular Sciences. 2013;14(3):5312-5337. DOI: 10.3390/ijms14035312
40. Ohno R., Takumi S., Nakamura C. Kinetics of transcript and protein accumulation of a low-molecular-weight wheat LEA D-11 dehydrin in response to low temperature. Journal of Plant Physiology. 2003;160(2):193-200. DOI: 10.1078/0176-1617-00925
41. Панасин В.И., Уютов Р.Г., Вихман М.И., Новикова С.И., Долинина В.В. Опыт применения метода электропроводности тканей для определения жизнеспособности озимых культур. Агрохимический вестник. 2017;(6):55-57.
42. Плотников В.К., Насонов А.И., Иваненко Е.Е., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И. Взаимосвязь морозостойкости озимой мягкой пшеницы с содержанием катионов магния в РНК. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2008;(2):89-92.
43. Плотников В.К., Евтушенко Я.Ю., Салфетников А.А., Репко Н.В., Насонов А.И. Биологические маркеры для селекции на морозоустойчивость озимых форм мягкой пшеницы и ячменя. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014;104(10):1855-1887. URL: https://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/128.pdf [дата обращения: 05.05.2025].
44. Pomortsev A.V., Dorofeev N.V., Katysheva N.B., Peshkova A.A. Changes in dehydrin composition in winter cereal crowns during winter survival. Biologia Plantarum. 2017;61(2):394-398. DOI: 10.1007/s10535-016-0673-8
45. Sandve S.R., Kosmala A., Rudi H., Fjellheim S., Rapacz M., Yamada T. et al. Molecular mechanisms underlying frost tolerance in perennial grasses adapted to cold climates. Plant Science. 2011;180(1):69-77. DOI: 10.1016/j.plantsci.2010.07.011
46. Shi Y., Ding Y., Yang S. Cold signal transduction and its interplay with phytohormones during cold acclimation. Plant and Cell Physiology. 2015;56(1):7-15. DOI: 10.1093/pcp/pcu115
47. Shimamura C., Ohno R., Nakamura C., Takumi S. Improvement of freezing tolerance in tobacco plants expressing a cold-responsive and chloroplast-targeting protein WCOR15 of wheat. Journal of Plant Physiology. 2006;163(2):213-219. DOI: 10.1016/j.jplph.2005.06.008
48. Sieber A.N., Longin C.F.H., Leiser W.L., Würschum T. Copy number variation of CBF-A14 at the Fr-A2 locus determines frost tolerance in winter durum wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2016;129(6):1087-1097. DOI: 10.1007/s00122-016-2685-3
49. Soleimani B., Lehnert H., Babben S., Keilwagen J., Koch M., Arana-Ceballos F.A. et al. Genome wide association study of frost tolerance in wheat. Scientific Reports. 2022;12(1):5275. DOI: 10.1038/s41598-022-08706-y
50. Song L., Wang R., Yang X., Zhang A., Liu D. Molecular markers and their applications in marker-assisted selection (MAS) in bread wheat (Triticum aestivum L.). Agriculture. 2023;13(3):642. DOI: 10.3390/agriculture13030642
51. Takumi S., Shimamura C., Kobayashi F. Increased freezing tolerance through up-regulation of downstream genes via the wheat CBF gene in transgenic tobacco. Plant Physiology and Biochemistry. 2008;46(2):205-211. DOI: 10.1016/j.plaphy.2007.10.019
52. Todorovska E.G., Kolev S., Christov N.K., Balint A., Kocsy G., Vágújfalvi A. et al. The expression of CBF genes at Fr-2 locus is associated with the level of frost tolerance in Bulgarian winter wheat cultivars. Biotechnology, Biotechnological Equipment. 2014;28(3):392-401. DOI: 10.1080/13102818.2014.944401
53. Trunova T.I. Plant and low-temperature stress. 64th Timiryazev reading (Rasteniya i nizkotemperaturny stress. 64-e Timiryazevskoye chteniye) Moscow: Nauka; 2007. [in Russian] (Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс. 64-е Тимирязевское чтение. Москва: Наука; 2007).
54. Vagujfalvi A., Aprile A., Miller A., Dubcovsky J., Delugu G., Galiba G. et al. The expression of several Cbf genes at the Fr-A2 locus is linked to frost resistance in wheat. Molecular Genetics and Genomics. 2005;274(5):506-514. DOI: 10.1007/s00438-005-0047-y
55. Vagujfalvi A., Galiba G., Cattivelli L., Dubcovsky J. The cold regulated transcriptional activator Cbf3is linked to the frost-tolerance gene Fr-A2 on wheat chromosome 5A. Molecular Genetics and Genomics. 2003;269(1):60-67. DOI: 10.1007/s00438-003-0806-6
56. Vaitkevičiūtė G., Chawade A., Lillemo M., Liatukas Ž., Aleliūnas A., Armonienė R. Genome-wide association analysis of freezing tolerance and winter hardiness in winter wheat of Nordic origin. Plants (Basel). 2023;12(23):4014. DOI: 10.3390/plants12234014
57. Visioni A., Tondelli A., Francia E., Pswarayi A., Malosetti M., Russell J. et al. Genome-wide association mapping of frost tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). BMC Genomics. 2013;14:424. DOI: 10.1186/1471-2164-14-424
58. Vítámvás P., Kosová K., Prášilová P., Prášil I.T. Accumulation of WCS120 protein in wheat cultivars grown at 9°C or 17°C in relation to their winter survival. Plant Breeding. 2010;129(6):611-616. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2010.01783.x
59. Vítámvás P., Saalbach G., Prášil I.T., Capková V., Opatrná J., Ahmed J. WCS120 protein family and proteins soluble upon boiling in cold-acclimated winter wheat. Journal of Plant Physiology. 2007;164(9):1197-1207. DOI: 10.1016/j.jplph.2006.06.011
60. Würschum T., Longin H.F.C., Hahn V., Tucker M.R., Leiser W.L. Copy number variations of CBF genes at the Fr-A2 locus are essential components of winter hardiness in wheat. The Plant Journal. 2017;89(4):764-773. DOI: 10.1111/tpj.13424
61. Xu Y., Li P., Yang Z., Xu C. Genetic mapping of quantitative trait loci in crops. The Crop Journal. 2017;5(2):175-184. DOI: 10.1016/j.cj.2016.06.003
62. Zhu J., Pearce S., Burke A., See D.R., Skinner D.Z., Dubcovsky J. et al. Copy number and haplotype variation at the VRN-A1 and central FR-A2 loci are associated with frost tolerance in hexaploid wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2014;127(5):1183-1197. DOI: 10.1007/s00122-014-2290-2
Рецензия
Для цитирования:
Федяева А.В. Генетико-методологические аспекты изучения морозоустойчивости озимой пшеницы. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2026;187(2):243-252. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2026-2-o6
For citation:
Fedyaeva A.V. Genetic and methodological aspects of studying frost resistance in winter wheat. Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2026;187(2):243-252. (In Russ.) https://doi.org/10.30901/2227-8834-2026-2-o6
Просмотров:
28
JATS XML
Послать статью по эл. почте 