zhrosЗерновое хозяйство РоссииGrain Economy of Russia2079-87252079-8733Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Аграрный научный центр "Донской»10.31367/2079-8725-2023-85-2-18-25zhros-2297Research ArticleСЕЛЕКЦИЯ И СЕМЕНОВОДСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙPLANT BREEDING AND SEED PRODUCTION OF AGRICULTURAL CROPSМаркер- ориентированная селекция яровой мягкой пшеницы на повышение урожайности, качества зерна, устойчивости к болезням и засухе в условиях Западной СибириMarker assisted selection (MAS) of spring bread wheat to improve productivity, grain quality, resistance to diseases and drought in the conditions of Western Siberiahttps://orcid.org/0000-0002-4282-8725ШепелевС. С.ShepelevS. S.

заведующий лабораторией генетики зерновых культур, кандидат сельскохозяйственных наук

644008, Омская обл., г. Омск, Институтская пл., д. 1

head of the laboratory for grain crop genetics, Candidate of Agricultural Sciences

644008, Omsk region, Omsk, Institutskaya Sq., 1

ss.shepelev@omgau.orghttps://orcid.org/0000-0003-3574-2875ПотоцкаяИ. В.PototskayaI. V.

профессор кафедры агрономии, селекции и семеноводства, доктор сельскохозяйственных наук

644008, Омская обл., г. Омск, Институтская пл., д. 1

professor of the department of agronomy, breeding and seed production, Doctor of Agricultural Sciences

644008, Omsk region, Omsk, Institutskaya Sq., 1

iv.pototskaya@omgau.orghttps://orcid.org/0000-0001-6797-6145ЧурсинА. С.ChursinA. S.

заведующий лабораторией селекции и семеноводства полевых культур, кандидат сельскохозяйственных наук

644008, Омская обл., г. Омск, Институтская пл., д. 1

head of the laboratory for field crops’ breeding and seed production, Candidate of Agricultural Sciences

644008, Omsk region, Omsk, Institutskaya Sq., 1

as.chursin@omgau.orghttps://orcid.org/0000-0001-7082-5655МоргуновА. И.MorgunovA. I.

ведущий научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства полевых культур, кандидат сельскохозяйственных наук

644008, Омская обл., г. Омск, Институтская пл., д. 1

leading researcher of the laboratory for field crops’ breeding and seed production, Candidate of Agricultural Sciences

644008, Omsk region, Omsk, Institutskaya Sq., 1

alexey.morgounov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4767-9957ШаманинВ. П.ShamaninV. P.

профессор кафедры агрономии, селекции и семеноводства, доктор сельскохозяйственных наук

644008, Омская обл., г. Омск, Институтская пл., д. 1

professor of the department of agronomy, breeding and seed production, Doctor of Agricultural Sciences

644008, Omsk region, Omsk, Institutskaya Sq., 1

vp.shamanin@omgau.orgФГБОУ ВО «Омский государственный аграрный университет имени П. А. Столыпина» (ФГБОУ ВО Омский ГАУ)РоссияFSBEI HE “Omsk State Agrarian University named after P. A. Stolypin” (FSBEI HE Omsk SAU)Russian Federation202301062023021825Copyright © Шепелев С.С., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Моргунов А.И., Шаманин В.П., 20232023Шепелев С.С., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Моргунов А.И., Шаманин В.П.Shepelev S.S., Pototskaya I.V., Chursin A.S., Morgunov A.I., Shamanin V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zhros.online/jour/article/view/2297

Вызовы, предъявляемые современным потребительским рынком, изменением климата, возрастанием числа эпифитотийных и засушливых лет, диктуют необходимость ускорения селекции пшеницы по целому комплексу признаков, в первую очередь связанных с повышением урожайности, качества зерна, устойчивости к болезням и засухе. Маркер-ориентированная селекция позволяет сократить сроки создания сортов с заданными параметрами в условиях конкретного региона. Цель настоящей работы – выявление KASP-маркеров, ассоциированных с генами ценных признаков в коллекционном и селекционном материале пшеницы, и эффективных SNP-локусов для маркер-ориентированной селекции в условиях Западной Сибири. Идентификация генов, контролирующих хозяйственно ценные признаки, с использованием 64-х KASP-маркеров в 2020 г. выполнена в лаборатории LGC-Genomics (Великобритания). Установлено, что платформы генотипирования SNP-локусов большого количества сортов современной селекции имели значительное сходство, несмотря на географическую разобщенность сортов, что свидетельствует об уязвимости зернового производства в случае масштабных эпифитотий и засухи. Выявлены различия по идентифицированным SNP-локусам и частоте их встречаемости между сортами современной селекции, стародавней пшеницы и селекционного материала на основе синтетической пшеницы. По результатам фенотипирования изученных образцов в полевых сезонах 2020–2021 гг. отмечено достоверное влияние параметров корневой системы (гены TraesCS2D01G395500.1 и TraesCS4D01G341800.1 в хромосомах 2D и 4D) на увеличение крупности зерна и урожайности; гена засухоустойчивости TaDreb-B1 – на увеличение озерненности колоса и урожайности. В повышение питательной ценности зерна и накопление белка в зерне существенный вклад вносили гены GPC-B1 и TraesCS2D01G316300.1, отвечающие за ремобилизацию азота, накопление белка и сухой биомассы в зерне. Маркер-контролируемым отбором в КСИ выделены сорта, достоверно превышающие стандарты по урожайности, с комплексом генов, имеющих положительные эффекты на качество зерна, устойчивость к болезням и засухе.

The challenges at the modern consumer market, climate change, an increase in the number of epiphytotic and arid years dictate the necessity to accelerate wheat breeding for a whole range of traits and, above all, those associated with an improvement of productivity, grain quality, resistance to diseases and drought. Marker assisted selection (MAS) allows reducing time for developing varieties with specified parameters in the conditions of a particular region. The purpose of the current work was to identify KASP-markers associated with genes of valuable traits in the collection and breeding material of wheat and effective SNP-loci for marker assisted selection (MAS) in Western Siberia. Identification of genes that control economically valuable traits using 64 KASP-markers in 2020 was performed in the LGC-Genomics laboratory (Great Britain). It was found that the platforms for genotyping SNP-loci of a large number of current varieties had a significant similarity, despite the geographical separation of varieties, which indicated the vulnerability of grain production during large-scale epiphytoties and drought. There have been found differences in the identified SNP-loci and their frequency of occurrence between current varieties, ancient wheat varieties, and breeding material based on synthetic wheat. According to the results of phenotyping of the studied samples in the field seasons of 2020–2021 there has been shown a significant effect of the root system’s parameters (genes TraesCS2D01G395500.1 and TraesCS4D01G341800.1 in chromosomes 2D and 4D) on grain size and productivity improvement. The drought resistant gene TaDreb-B1 has affected on an increase of grain content of a head and productivity. The genes GPC-B1 and TraesCS2D01G316300.1, which are responsible for nitrogen remobilization, protein and dry biomass accumulation in grain, significantly contributed to the improvement of nutritional grain value and accumulation of protein in grain. Due to marker-controlled selection in the CVT, there have been identified the varieties that significantly exceeded productivity standards, with a complex of genes that have positive effects on grain quality, resistance to diseases and drought.

пшеницасортурожайностькачество зернаустойчивостьКАSP-маркерыwheatvarietyproductivitygrain qualityresistanceKASP-markersReferencesГончаров Н.П., Гончаров П. Л. Методические основы селекции растений. Новосибирск: Изд-во «Гео», 2009. 427 с.Goncharov N. P., Goncharov P. L. Metodicheskie osnovy selektsii rastenii [Methodological basis of plant breeding]. Novosibirsk: Izd-vo «Geo», 2009. 427 s.Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5 издание, перераб. и доп., стереотип. изд. М.: Альянс, 2014. 351 с.Dospekhov, B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoi obrabotki rezul’tatov issledovanii) [Methodology of a field trial (with the basics of statistical processing of the study results)]. 5 izdanie, pererab. i dop., stereotip izd. M.: Al’yans, 2014. 351 s.Хлесткина Е. К., Пшеничникова Т. А., Усенко Н. И., Отмахова Ю. С. Перспективные возможности использования молекулярно-генетических подходов для управления технологическими свойствами зерна пшеницы в контексте цепочки «зерно–мука–хлеб» // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016. No 20 (4). С. 511–527. DOI: 10.18699/VJ15.140.Khlestkina E. K., Pshenichnikova T. A., Usenko N. I., Otmakhova Yu. S. Perspektivnye vozmozhnosti ispol'zovaniya molekulyarno-geneticheskikh podkhodov dlya upravleniya tekhnologiche-skimi svoistvami zerna pshenitsy v kontekste tsepochki «zerno–muka–khleb» [Promising possibilities of using molecular genetic approaches to control the technological properties of wheat grain in the context of the “grain–flour–bread” chain] // Vavilovskii zhurnal genetiki i selektsii. 2016. No 20 (4). S. 511–527. DOI: 10.18699/VJ15.140.Шаманин В. П., Шепелев С. С., Пожерукова В. Е., Потоцкая И. В., Кочерина Н. В., Lohwasser U., Börner A., Чесноков Ю. В. Картирование QTL у гексаплоидной мягкой пшеницы (Тriticum aestivum L.) в условиях Западно-Сибирской равнины // Сельскохозяйственная биология. 2018. Т. 53, No 1. С. 50–60. DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.50rus.Shamanin V. P., Shepelev S. S., Pozherukova V. E., Pototskaya I. V., Kocherina N. V., Lohwasser U., Börner A., Chesnokov Yu. V. Kartirovanie QTL u geksaploidnoi myagkoi pshenitsy (Triticum aestivum L.) v usloviyakh Zapadno-Sibirskoi ravniny [QTL mapping in hexaploid bread wheat (Triticum aestivum L.) in the conditions of the West Siberian Plain] // Sel'skokhozyaistvennaya biolo-giya. 2018. T. 53, No 1. S. 50–60. DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.50rus.Шаманин В. П., Шепелев С. С., Потоцкая И. В., Чурсин А. С., Пожерукова В. Е., Кузьмин О. Г., Гладких М. С., Моргунов А. И. Гексаплоидные синтетики и эффективные гены для селекции пшеницы в условиях Западной Сибири. Омск: Изд-во Омского ГАУ, 2021. 172 с.Shamanin V. P., Shepelev S. S., Pototskaya I. V., Chursin A. S., Pozherukova V. E., Kuz'min O. G., Gladkikh M. S., Morgunov A. I. Geksaploidnye sintetiki i effektivnye geny dlya selektsii pshenitsy v usloviyakh Zapadnoi Sibiri [Hexaploid synthetics and effective genes for wheat breeding in the Western Siberia]. Omsk: Izd-vo Omskogo GAU, 2021. 172 s.Gautam T., Dhillon G. S., Saripalli G., Rakhi, Singh V. P., Prasad P., Kaur S., Chhuneja P., Sharma P. K., Balyan H. S., Gupta P. K. Marker-assisted pyramiding of genes/QTL for grain quality and rust resistance in wheat (Triticum aestivum L.) // Mol. Breeding. 2020. Vol. 40, P. 49. DOI: 10.1007/s11032-020-01125-9.Gautam T., Dhillon G. S., Saripalli G., Rakhi, Singh V. P., Prasad P., Kaur S., Chhuneja P., Sharma P. K., Balyan H. S., Gupta P. K. Marker-assisted pyramiding of genes/QTL for grain quality and rust resistance in wheat (Triticum aestivum L.) // Mol. Breeding. 2020. Vol. 40, P. 49. DOI: 10.1007/s11032-020-01125-9.Gupta P. K., Balyan H. S., Chhuneja P., Jaiswal J. P., Tamhankar S. et al. Pyramiding of genes for grain protein content, grain quality and rust resistance in eleven Indian bread wheat cultivars: A multi-institutional effort // Molecular Breeding. 2022. Vol. 42, No 4. Article number: 21. DOI: 10.1007/s11032-022-01277-w.Gupta P. K., Balyan H. S., Chhuneja P., Jaiswal J. P., Tamhankar S. et al. Pyramiding of genes for grain protein content, grain quality and rust resistance in eleven Indian bread wheat cultivars: A multi-institutional effort // Molecular Breeding. 2022. Vol. 42, No 4. Article number: 21. DOI: 10.1007/s11032-022-01277-w.Kuchel H., Langridge P., Mosionek L., Williams K., Jefferies S.P. The genetic control of milling yield, dough rheology and baking quality of wheat // Theoretical and Applied Genetics. 2006. Vol. 112, P. 1487–1495. DOI: 10.1007/s00122-006-0252-z.Kuchel H., Langridge P., Mosionek L., Williams K., Jefferies S.P. The genetic control of milling yield, dough rheology and baking quality of wheat // Theoretical and Applied Genetics. 2006. Vol. 112, P. 1487–1495. DOI: 10.1007/s00122-006-0252-z.Li C-X, Xu W-G, Guo R., Zhang J-Z, Qi X-Li, Hu L., Zhao M-Z. Molecular marker assisted breeding and genome composition analysis of Zhengmai 7698, an elite winter wheat cultivar // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, Article number: 322. DOI: 10.1038/s41598-017-18726-8.Li C-X, Xu W-G, Guo R., Zhang J-Z, Qi X-Li, Hu L., Zhao M-Z. Molecular marker assisted breeding and genome composition analysis of Zhengmai 7698, an elite winter wheat cultivar // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, Article number: 322. DOI: 10.1038/s41598-017-18726-8.Li S., Zhang C., Li J., Yan L., Wang N., Xia L. Present and future prospects for wheat improvement through genome editing and advanced technologies // Plant Comm. 2021. Vol. 2(4), P. 100211. DOI: 10.1016/j.xplc.2021.100211.Li S., Zhang C., Li J., Yan L., Wang N., Xia L. Present and future prospects for wheat improvement through genome editing and advanced technologies // Plant Comm. 2021. Vol. 2(4), Article number: 100211. DOI: 10.1016/j.xplc.2021.100211.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 functional genes underpinning key economic traits in wheat // Theoretical and Applied Genetics. 2016. Vol. 129, P. 1843–1860. DOI: 10.1007/s00122-016-2743-x.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 functional genes underpinning key economic traits in wheat // Theoretical and Applied Genetics. 2016. Vol. 129, P. 1843–1860. DOI: 10.1007/s00122-016-2743-x.Rasheed А., Xia X. From markers to genome-based breeding in wheat // Theor. Appl. Genet. 2019. Vol. 132, Article number: 767784. DOI: 10.1007/s00122-019-03286-4.Rasheed А., Xia X. From markers to genome-based breeding in wheat // Theor. Appl. Genet. 2019. Vol. 132, Article number: 767784. DOI: 10.1007/s00122-019-03286-4.Ravel C., Faye A., Ben-Sadoun S., Ranoux M., Dardevet M., Dupuits C., Exbrayat F., Poncet 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. Vol. 133, P. 751–770. DOI: 10.1007/s00122-019-03505-y.Ravel C., Faye A., Ben-Sadoun S., Ranoux M., Dardevet M., Dupuits C., Exbrayat F., Poncet 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. Vol. 133, P. 751–770. DOI: 10.1007/s00122-019-03505-y.Shchukina L. V., Lapochkina I. F., Pshenichnikova T. A. Phenotypic diversity of bread wheat lines with introgressions from the diploid cereal Aegilops speltoides for technological properties of grain and flour // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020. Vol. 24(7), P. 738–746. DOI: 10.18699/VJ20.668.Shchukina L. V., Lapochkina I. F., Pshenichnikova T. A. Phenotypic diversity of bread wheat lines with introgressions from the diploid cereal Aegilops speltoides for technological properties of grain and flour // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020. Vol. 24(7), P. 738–746. DOI: 10.18699/VJ20.668.Tabbita F., Pearce S., Barneix Atilio J. Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: Ten years of the GPC-B1 gene // Journal of Cereal Science. 2017. Vol. 1, P. 183–191. DOI: 10.1016/j.jcs.2017.01.003.Tabbita F., Pearce S., Barneix Atilio J. Breeding for increased grain protein and micronutrient content in wheat: Ten years of the GPC-B1 gene // Journal of Cereal Science. 2017. Vol. 1, P. 183–191. DOI: 10.1016/j.jcs.2017.01.003.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.