Разнообразие аллельного состояния генов Glu-1 в коллекции образцов твердой пшеницы (Triticum durum Desf.)

Разнообразие аллельного состояния генов Glu-1 в коллекции образцов твердой пшеницы (Triticum durum Desf.)

Автор: Коробкова В.А., Крупина А.Ю., Архипов А.В., Яновский А.С., Воропаева А.Д., Беспалова Л.А., Мудрова А.А., Назарова Л.А., Магомедов М.М., Крупин П.Ю., Самарина М.А., Ульянов Д.С., Карлов Г.И., Дивашук М.Г.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы

Статья в выпуске: 5 т.58, 2023 года.

Бесплатный доступ

Зерно твердой пшеницы, которое используется в макаронной и крупяной промышленности, должно обладать высокими показателями качества клейковины, которое зависит от многих факторов, в том числе от аллельного состояния генов высокомолекулярных глютенинов, кодирующих субъединицы запасных белков пшеницы (HMW-GS). В настоящей работе впервые показана структура обширной коллекции сортов и селекционных линий-двуручек твердой пшеницы по сочетанию аллельных вариантов генов локуса Glu-1 . Цель работы состояла в идентификации аллельного состояния генов высокомолекулярных глютенинов Glu-A1 и Glu-B1 с применением методов SDS-PAGE и KASP-анализа в коллекции, включающей сорта и перспективные селекционные линии двуручек твердой пшеницы, и оценке их влияния на индекс глютена. Материалом для исследований служила коллекция из 198 селекционных линий и сортов-двуручек твердой пшеницы, собранная в НЦЗ им. П.П. Лукьяненко. Аллельное состояние HMW-GS оценивали методом SDS-PAGE. Величину индекса глютена измеряли с помощью системы Perten Glutomatic® 2100 System («PerkinElmer», США). Для выявления аллельных вариантов генов HMW-GS также применяли KASP-маркеры: Glu-Ax1/x2*_SNP для Glu-A1 и BX7OE_866_SNP для идентификации не отличимых с помощью SDS-PAGE аллелей Glu-B1b (Bx7 + By8) и Glu-B1al (Bx7OE + By8). Маркер BX7OE_866_SNP основан на SNP в промоторной области: вариант С ассоциирован с аллелем Glu-B1al , несущим двойную копию Bx7 в результате дупликации локуса, вариант G - с отсутствием двойной копии Bx7. Вывод об аллельном состоянии генов HMW-GS Glu-A1 и Glu-B1 делали на основании сравнения данных, полученных с помощью KASP-анализа и SDS-PAGE. По результатам исследований было выявлено три аллеля в локусе Glu-A1 и восемь - в локусе Glu-B1 . В подавляющем большинстве изученных образцов присутствовал аллель Glu-A1c (98 %), а на долю образцов с Glu-A1a и Glu-A1b приходилось соответственно 0,5 и 1,5 %. По локусу Glu-B1 наблюдалось численное превосходство образцов с аллелем Glu-B1al (60 %) над образцами, несущими Glu-B1d (17 %) и Glu-B1e (12 %). На долю образцов с субъединицами Bx7 + By8 ( Glu-B1b ) пришлось 3 % исследованных образцов. Мы также выявили редкие аллели Glu-B1h (1 %), Glu-B1i (1 %), а также Glu-B1z (1 %) и Glu-B1z* (5 %). Два последних различались однонуклеотидным полиморфизмом в промоторной области гена, кодирующего Bx7 субъединицу. Прослеживалась тенденция к распространению и закреплению в сортах твердой пшеницы аллеля Glu-B1z* . Также было отмечено положительное влияние Glu-B1d на индекс глютена и негативный эффект Glu-B1e на его величину.

Еще

Triticum durum, твердая пшеница, высокомолекулярные глютенины, hmw-gs, glu-a1, glu-b1, kasp-маркер, sds-page, индекс глютена

Короткий адрес: https://sciup.org/142239854

IDR: 142239854   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2023.5.840rus

Список литературы Разнообразие аллельного состояния генов Glu-1 в коллекции образцов твердой пшеницы (Triticum durum Desf.)

  • Mastrangelo A.M., Cattivelli L. What Makes Bread and Durum Wheat Different? Trends in Plant Science, 2021, 26(7): 677-684 (doi: 10.1016/j.tplants.2021.01.004).
  • Fu B.X., Wang K., Dupuis B., Taylor D., Nam S. Kernel vitreousness and protein content: relationship, interaction and synergistic effects on durum wheat quality. Journal of Cereal Science, 2018, 79: 210-217 (doi: 10.1016/j.jcs.2017.09.003).
  • Мясникова М.Г., Мальчиков П.Н., Шаболкина Е.Н., Сидоренко В.С., Тугарева Ф.В., Ро-зова М.А., Чахеева Т.В., Цыганков В.И. Изменение содержания белка в зерне пшеницы твердой яровой в процессе селекции высокоурожайных сортов. Зернобобовые и крупяные культуры, 2019, 4(32): 112-119 (doi: 10.24411/2309-348X-2019-11141).
  • Kaplan Evlice A. The effect of durum wheat genotypes on cooking quality of pasta. European Food Research and Technology, 2022, 248(3): 815-824 (doi: 10.1007/s00217-021-03899-4).
  • Padalino L., Mastromatteo M., Lecce L., Spinelli S., Contò F., Del Nobile M.A. Effect of durum wheat cultivars on physicochemical and sensory properties of spaghetti. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2014, 94(11): 2196-2204 (doi: 10.1002/jsfa.6537).
  • Clarke F.R., Clarke J.M., Ames N.A., Knox R.E., Ross R.J. Gluten index compared with SDS-sedimentation volume for early generation selection for gluten strength in durum wheat. Canadian Journal of Plant Science, 2010, 90(1): 1-11 (doi: 10.4141/CJPS09035).
  • Cecchini C., Bresciani A., Menesatti P., Pagani M.A., Marti A. Assessing the rheological prop-erties of durum wheat semolina: a review. Foods, 2021, 10(12): 2947 (doi: 10.3390/foods10122947).
  • Шевченко С.Н., Мальчиков П.Н., Мясникова М.Г., Винченцо Н., Паскуале Д.В., Джулияни М. Генетические методы улучшения качества пшеницы твердых сортов, адаптированных к климатическим условиям России с особым акцентом на коммерческие характеристики зерна. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2018, 20(2-2), 220-230.
  • Шевченко С.Н., Мальчиков П.Н., Мясникова М.Г., Натоли В., Чахеева Т.В. Ускоренное создание с помощью методов геномной селекции высококачественных аналогов генотипов твердой пшеницы, адаптированных к условиям Среднего Поволжья. Достижения науки и техники АПК, 2019, 33(12): 38-42 (doi: 10.24411/0235-2451-2019-11207).
  • Edwards N.M., Mulvaney S.J., Scanlon M.G., Dexter J.E. Role of gluten and its components in determining durum semolina dough viscoelastic properties. Cereal Chemistry, 2003, 80(6): 755-763 (doi: 10.1094/CCHEM.2003.80.6.755).
  • Sissons M.J., Soh H.N., Turner M.A. Role of gluten and its components in influencing durum wheat dough properties and spaghetti cooking quality. Journal of the Science of Food and Agricul-ture, 2007, 87(10): 1874-1885 (doi: 10.1002/jsfa.2915).
  • Fois S., Schlichting L., Marchylo B., Dexter J., Motzo R., Giunta F. Environmental conditions affect semolina quality in durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum L.) cultivars with different gluten strength and gluten protein composition. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2011, 91(14): 2664-2673 (doi: 10.1002/jsfa.4509).
  • Gianibelli M.C., Larroque O., MacRitchie F., Wrigley C.W. Biochemical, genetic, and molecular characterization of wheat glutenin and its component subunits. Cereal Chemistry, 2001, 78(6): 635-646 (doi: 10.1094/CCHEM.2001.78.6.635).
  • Воротынцева М.В. Степень влияния глютенинов на качество зерна как одного из сложных полигенных признаков рода Triticum (обзор). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, 2021, 182(1): 168-185 (doi: 10.30901/2227-8834-2021-1-168-185).
  • Pogna N.E., Autran J.C., Mellini F., Lafiandra D., Feillet P. Chromosome 1B-encoded gliadins and glutenin subunits in durum wheat: genetics and relationship to gluten strength. Journal of Cereal Science, 1990, 11(1): 15-34 (doi: 10.1016/S0733-5210(09)80178-1).
  • Subira J., Peña R.J., Álvaro F., Ammar K., Ramdani, A., Royo C. Breeding progress in the pasta-making quality of durum wheat cultivars released in Italy and Spain during the 20th Century. Crop and Pasture Science, 2014, 65(1): 16-26 (doi: 10.1071/CP13238).
  • Ruiz M., Bernal G., Giraldo P. An update of low molecular weight glutenin subunits in durum wheat relevant to breeding for quality. Journal of Cereal Science, 2018, 83: 236-244 (doi: 10.1016/j.jcs.2018.09.005).
  • Raciti C.N., Doust M.A., Lombardo G.M., Boggini G., Pecetti L. Characterization of durum wheat Mediterranean germplasm for high and low molecular weight glutenin subunits in relation with quality. European Journal of Agronomy, 2003, 19(3): 373-382 (doi: 10.1016/S1161-0301(02)00091-6).
  • Roncallo P.F., Guzmán C., Larsen A.O., Achilli A.L., Dreisigacker S., Molfese E., Astiz V., Echenique V. Allelic variation at glutenin loci (Glu-1, Glu-2 and Glu-3) in a worldwide durum wheat collection and its effect on quality attributes. Foods, 2021, 10(11): 2845 (doi: 10.3390/foods10112845).
  • Al-Khayri J.M., Alshegaihi R.M., Mahgoub E.I., Mansour E., Atallah O.O., Sattar M.N., Al-Mssallem M.Q., Alessa F.M., Aldaej M.I., Hassanin A.A. Association of high and low molecular weight glutenin subunits with gluten strength in tetraploid durum wheat (Triticum turgidum spp. durum L.). Plants, 2023, 12(6): 1416 (doi: 10.3390/plants12061416).
  • Kroupin P.Y., Bespalova L.A., Kroupina A.Y., Yanovsky A.S., Korobkova V.A., Ulyanov D.S., Karlov G.I., Divashuk M.G. Association of high-molecular-weight glutenin subunits with grain and pasta quality in spring durum wheat (Triticum turgidum spp. durum L.). Agronomy, 2023, 13(6): 1510 (doi: 10.3390/agronomy13061510).
  • Giraldo P., Ruiz M., Ibba M.I., Morris C.F., Labuschagne M.T., Igrejas G. Durum wheat storage protein composition and the role of LMW-GS in quality. In: Wheat quality for improving processing and human health /G. Igrejas, T.M. Ikeda, C. Guzmán (eds.) Springer International Publishing, Cham, Switzerland, 2020: 73-108 (doi: 10.1007/978-3-030-34163-3_5).
  • Kroupina A.Y., Yanovsky A.S., Korobkova V.A., Bespalova L.A., Arkhipov A.V., Bukreeva G.I., Voropaeva A.D., Kroupin P.Y., Litvinov D.Y., Mudrova A.A., Ulyanov D.S., Karlov G.I., Di-vashuk M.G. Allelic variation of Glu-A1 and Glu-B1 genes in winter durum wheat and its effect on quality parameters. Foods, 2023, 12(7), 1436 (doi: 10.3390/foods12071436).
  • He C., Holme J., Anthony J. SNP genotyping: the KASP assay. In: Crop breeding: methods and protocols /D. Fleury, R. Whitford (eds.). Humana New York, NY, 2014: 75-86 (doi: 10.1007/978-1-4939-0446-4_7).
  • Никитина Е.А., Архипов А.В., Минькова Я.В., Яновский А.С., Коробкова В.А., Самарина М.А., Черноок А.Г., Крупин П.Ю., Карлов Г.И., Дивашук М.Г. Конкурентная аллель-специфичная ПЦР (KASP): особенности, интерпретация результатов. Известия Тимиря-зевской сельскохозяйственной академии, 2022, 1(6): 79-93 (doi: 10.26897/0021-342X-2022-6-79-93).
  • Semagn K., Babu R., Hearne S., Olsen M. Single nucleotide polymorphism genotyping using Kompetitive Allele Specific PCR (KASP): overview of the technology and its application in crop improvement. Molecular Breeding, 2014, 33: 1-14 (doi: 10.1007/s11032-013-9917-x).
  • Allen A.M., Barker G.L.A., Wilkinson P., Burridge A., Winfield M., Coghill J., Uauy C., Grif-fiths S., Jack P., Berry S., Werner P., Melichar J.P.E., McDougall J., Gwilliam R., Robinson P., Edwards K.J. Discovery and development of exome-based, co-dominant single nucleotide poly-morphism markers in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.). Plant Biotechnology Journal, 2012, 11(3): 279-295 (doi: 10.1111/pbi.12009).
  • Rasheed A., Wen W., Gao F., Zhai S., Jin H., Liu J., Guo Q., Zhang Y., Dreisigacker S., Xia X., He Z. Development and validation of KASP assays for genes underpinning key economic traits in bread wheat. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129: 1843-1860 (doi: 10.1007/s00122-016-2743-x).
  • Ravel C., Faye A., Ben-Sadoun S., Ranoux M., Dardevet M., Dupuits C., Exbrayat F., Pon-cet C., Sourdille P., Branlard G. SNP markers for early identification of high molecular weight glutenin subunits (HMW-GSs) in bread wheat. Theoretical and Applied Genetics, 2020, 133: 751-770 (doi: 10.1007/s00122-019-03505-y).
  • Коробкова В.А., Беспалова Л.А., Яновский А.С., Воропаева А.Д., Архипов А.В., Шир-нин С.Ю., Черноок А.Г., Никитина Е.А., Ульянов Д.С., Мудрова А.А., Букреева Г.И., Карлов Г.И., Дивашук М.Г. Скрининг коллекции яровой и озимой твёрдой пшеницы с помощью KASP-маркера на аллельное состояние гена Zds. Кормопроизводство, 2023, 4: 25-31 (doi: 10.25685/KRM.2023.4.2023.004).
  • Singh N., Shepherd K., Cornish G. A simplified SDS-PAGE procedure for separating LMW subunits of glutenin. Journal of Cereal Science, 1991, 14(3): 203-208 (doi: 10.1016/S0733-5210(09)80039-8).
  • Perten Glutomatic-PERGM. PerkinElmer. Режим доступа: https://www.matt.nz/Prod-ucts/Grain/Grain-Applications/Flour-Milling/Glutomatic/. Дата обращения: 19.05.2023.
  • Murray M.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Research, 1980, 8(19): 4321-4326 (doi: 10.1093/nar/8.19.4321).
  • Ragupathy R., Naeem H. A., Reimer E., Lukow O.M., Sapirstein H.D., Cloutier S. Evolutionary origin of the segmental duplication encompassing the wheat GLU-B1 locus encoding the overex-pressed Bx7 (Bx7OE) high molecular weight glutenin subunit. Theoretical and Applied Genetics, 2008, 116: 283-296 (doi: 10.1007/s00122-007-0666-2).
  • Warton D.I., Hui F.K. The arcsine is asinine: the analysis of proportions in ecology. Ecology, 2011, 92(1): 3-10 (doi: 10.1890/10-0340.1).
  • Gregová E., Medvecká E., Jómová K., Šliková S. Characterization of durum wheat (Triticum durum Desf.) quality from gliadin and glutenin protein composition. Journal of Microbiology, Biotechnol-ogy and Food Sciences, 2021: 610-615.
  • Nazco R., Peña R.J., Ammar K., Villegas D., Crossa J., Moragues M., Royo C. Variability in glutenin subunit composition of Mediterranean durum wheat germplasm and its relationship with gluten strength. The Journal of Agricultural Science, 2014, 152(3): 379-393 (doi: 10.1017/S0021859613000117).
  • Sissons M.J., Ames N.P., Hare R.A., Clarke J.M. Relationship between glutenin subunit compo-sition and gluten strength measurements in durum wheat. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2005, 85(14): 2445-2452 (doi: 10.1002/jsfa.2272).
  • Moragues M., Zarco-Hernández J., Moralejo M.A., Royo C. Genetic diversity of glutenin protein subunits composition in durum wheat landraces [Triticum turgidum ssp. turgidum Convar. du-rum (Desf.) MacKey] from the Mediterranean Basin. Genetic Resources and Crop Evolution, 2006, 53: 993-1002 (doi: 10.1007/s10722-004-7367-3).
  • Ammar K., Kronstad W.E., Morris C.F. Breadmaking quality of selected durum wheat geno-types and its relationship with high molecular weight glutenin subunits allelic variation and gluten protein polymeric composition. Cereal Chemistry, 2000, 77(2): 230-236 (doi: 10.1094/CCHEM.2000.77.2.230).
  • Chegdali Y., Ouabbou H., Essamadi A., Cervantes F., Ibba M.I., Guzmán C. Assessment of the glutenin subunits diversity in a durum wheat (T. turgidum ssp. durum) collection from Morocco. Agronomy, 2020, 10(7): 957 (doi: 10.3390/agronomy10070957).
  • Brites C., Carrillo J.M. Influence of high molecular weight (HMW) and low molecular weight (LMW) glutenin subunits controlled by Glu‐1 and Glu‐3 loci on durum wheat quality. Cereal Chemistry, 2001, 78(1): 59-63 (doi: 10.1094/CCHEM.2001.78.1.59).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp