zhrosЗерновое хозяйство РоссииGrain Economy of Russia2079-87252079-8733Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Аграрный научный центр "Донской»10.31367/2079-8725-2023-85-2-34-40zhros-2299Research ArticleСЕЛЕКЦИЯ И СЕМЕНОВОДСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙPLANT BREEDING AND SEED PRODUCTION OF AGRICULTURAL CROPSАнализ нуклеотидных последовательностей кодирующего участка гена ABI3 у сортообразцов гороха с различным содержанием запасных белков семянAnalysis of nucleotide sequences of the ABI3 gene coding region in pea varieties with different percentage of seed storage proteinshttps://orcid.org/0000-0001-6246-1214ГайнуллинаК. П.GainullinaK. P.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории геномики растений, старший научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства кормовых и зерновых культур

450054, Республика Башкортостан, г. Уфа, проспект Октября, д. 71/1Е

450535, Республика Башкортостан, Уфимский район, с. Чернолесовский, ул. Тополиная, д. 1

Candidate of Biological Sciences, senior researcher of the laboratory for primary legume breeding and seed production, senior researcher of the laboratory for plant genomics

450054, Republic of Bashkortostan, Ufa, Oktyabr Av., 71/ 1E

450535, Republic of Bashkortostan, Ufimsky region, v. of Chernolesovsky, Topolinaya Str., 1

karina28021985@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5331-448XРумянцевС. Д.RumyantsevS. D.

кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории геномики растений

450054, Республика Башкортостан, г. Уфа, проспект Октября, д. 71/1Е

Candidate of Biological Sciences, researcher of the laboratory for plant genomics

450054, Republic of Bashkortostan, Ufa, Oktyabr Av., 71/ 1E

rumyantsev-serg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7421-869XДавлетовФ. А.DavletovF. A.

доктор сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией селекции и первичного семеноводства зернобобовых и крупяных культур

450059, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Рихарда Зорге, д. 19

Doctor of Agricultural Sciences, head of the laboratory for primary legume breeding and seed production

450059, Republic of Bashkortostan, Ufa, Rikhard Zorge Str., 19

davletovfa@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1564-164XКулуевБ. Р.KuluevB. R.

доктор биологических наук, заведующий лабораторией геномики растений

450054, Республика Башкортостан, г. Уфа, проспект Октября, д. 71/1Е

Doctor of Biological Sciences, head of the laboratory for plant genomics

450054, Republic of Bashkortostan, Ufa, Oktyabr Av., 71/ 1E

kuluev@bk.ruИнститут биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Опытная станция «Уфимская» – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наукРоссияInstitute of Biochemistry and Genetics, separate structural unit of the FSBSI Ufa Federal Research Center of RAS; Experimental Station “Ufimskaya”, separate structural unit of the FSBSI Ufa Federal Research Center of RASRussian FederationИнститут биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наукРоссияnstitute of Biochemistry and Genetics, separate structural unit of the FSBSI Ufa Federal Research Center of RASRussian FederationБашкирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наукРоссияBashkiriya Research Institute of Agriculture, separate structural unit of the FSBSI Ufa Federal Research Center of RASRussian FederationИнститут биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наукРоссияInstitute of Biochemistry and Genetics, separate structural unit of the FSBSI Ufa Federal Research Center of RASRussian Federation202301062023023440Copyright © Гайнуллина К.П., Румянцев С.Д., Давлетов Ф.А., Кулуев Б.Р., 20232023Гайнуллина К.П., Румянцев С.Д., Давлетов Ф.А., Кулуев Б.Р.Gainullina K.P., Rumyantsev S.D., Davletov F.A., Kuluev B.R.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/2299

Основным источником растительного протеина в мире являются зернобобовые культуры, среди которых в России наиболее распространен горох посевной. В регуляции биологических процессов, связанных с созреванием семян и накоплением в них запасных питательных веществ, в том числе белков, задействованы десятки и даже сотни генов. Исследования, проведенные на родственных гороху видах бобовых, свидетельствуют о том, что одним из генов, находящихся на высшем иерархическом уровне в этой регуляторной цепи, является ген транскрипционного фактора ABI3, однако его роль в биосинтезе и накоплении запасных белков семян остается малоизученной. Цель работы – выявление высокобелковых генотипов гороха и анализ нуклеотидных последовательностей кодирующего участка гена ABI3 для поиска возможных ДНК-полиморфизмов, ассоциированных с содержанием протеина в их семенах. Исследования проводились в 2020–2021 годах. Объектом исследования послужили 37 сортообразцов гороха посевного из коллекции генетических ресурсов зернобобовых культур ВИР. Содержание протеина в семенах определяли по методу Брэдфорда. Подбор праймеров и сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей осуществляли с помощью программ PrimerSelect и MegAlign. Секвенирование проводили по методу Сэнгера. Были выделены сортообразцы гороха с наиболее высоким (Аксайский усатый 55, Сахарный) и низким (К-8361 (ВИР), Фрегат) содержанием белка в семенах. У данных сортообразцов проведено секвенирование кодирующего участка гена ABI3. Сравнительный анализ их нуклеотидных последовательностей с аннотированной в базе данных GenBank последовательностью участка гена ABI3 выявил среди них значительную вариабельность: нуклеотидные замены, делецию 6 нуклеотидов. У высокобелкового сорта Сахарный обнаружена 9-нуклеотидная инсерция, приводящая к вставке трех дополнительных аминокислот, а у низкобелкового сорта Фрегат – однонуклеотидная инсерция, вызывающая сдвиграмки считывания. Полученные данные могут свидетельствовать о взаимосвязи между мутациями в гене ABI3 и накоплением белка в семенах гороха.

The main source of vegetable protein in the world are leguminous crops, among which peas are the most common in Russia. Dozens and even hundreds of genes are involved in the regulation of biological processes associated with the maturation of seeds and the accumulation of reserve nutrients in them, including proteins. The study conducted on legume species related to peas indicate that one of the genes at the highest hierarchical level in this regulatory chain is the ABI3 transcription factor gene; however, its role in the biosynthesis and accumulation of seed storage proteins remains poorly studied. The purpose of the current work is to identify high-protein pea genotypes and analyze the nucleotide sequences of the coding region of the ABI3 gene to search for possible DNA polymorphisms associated with protein percentage in their seeds. The study was carried out in 2020–2021. The objects of the study were 37 pea varieties from the collection of genetic resources of leguminous crops of VIR. Protein percentage in seeds was determined by the Bradford method. Selection of primers and comparative analysis of nucleotide sequences were performed using the PrimerSelect and MegAlign programs. Sequencing was performed according to the Sanger method. There were identified pea varieties with the highest (‘Aksaisky Usaty 55’, ‘Sakharny’) and low (‘K-8361’ (VIR), ‘Fregat’) seed protein percentage. In these variety samples, the coding region of the ABI3 gene was sequenced. Comparative analysis of their nucleotide sequences with the sequence of the ABI3 gene fragment annotated in the GenBank database revealed significant variability among them: nucleotide substitutions, deletion of 6 nucleotides. In the high protein variety ‘Sakharny’, there has been found a 9-nucleotide insertion, leading to the insertion of three additional amino acids, and in the low-protein variety Fregat, there has been found a single nucleotide insertion, causing a shift in the reading frame. The data obtained may indicate a correlation between mutations in the ABI3 gene and protein accumulation in pea seeds.

горохзапасные белки семянABI3ДНК-полиморфизммаркер-ориентированная селекцияpeasseed storage proteinsABI3DNA polymorphismmarker-based selectionИсследование Б. Р. Кулуева выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России No 122030200143-8, работы К. П. Гайнуллиной поддержаны грантом АН РБ No 22-14-20049 (соглашение No 1 от 06.06.2022 г.).ReferencesГайнуллина К. П., Кулуев Б. Р., Давлетов Ф. А. Оценка генетического разнообразия сортов и линий гороха с помощью SSR-анализа // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020. Т. 181, No 3. С. 70–80. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-70-80.Gainullina K. P., Kuluev B. R., Davletov F. A. Otsenka geneticheskogo raznoobraziya sortov i linii gorokha s pomoshch'yu SSR-analiza [Estimation of the genetic diversity of pea varieties and lines using SSR-analysis] // Trudy po prikladnoi botanike, genetike i selektsii. 2020. T. 181, No 3. S. 70–80. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-3-70-80.Гайнуллина К. П., Кулуев Б. Р., Давлетов Ф. А. Создание исходного материала для селекции гороха методом химического мутагенеза и оценка его генетического разнообразия с использованием SSR-маркеров // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2022. Т. 183, No 3. С. 111–122. DOI: 10.30901/2227-8834-2022-3-111-122.Gainullina K. P., Kuluev B. R., Davletov F. A. Sozdanie iskhodnogo materiala dlya selektsii gorokha metodom khimicheskogo mutageneza i otsenka ego geneticheskogo raznoobraziya s ispol'zovaniem SSR-markerov [Development of initial material for pea breeding by chemical mutagenesis and estimation of its genetic diversity using SSR-markers] // Trudy po prikladnoi botanike, genetike i selektsii. 2022. T. 183, No 3. S. 111–122. DOI: 10.30901/2227-8834-2022-3-111-122.Зотиков В. И., Полухин А. А., Грядунова Н. В., Сидоренко В. С., Хмызова Н. Г. Развитие производства зернобобовых и крупяных культур в России на основе использования селекционных достижений // Зернобобовые и крупяные культуры. 2020. No 4(36). С. 5–17. DOI: 10.24411/2309-348X-2020-11198.Zotikov V. I., Polukhin A. A., Gryadunova N. V., Sidorenko V. S., Khmyzova N. G. Razvitie proizvodstva zernobobovykh i krupyanykh kul'tur v Rossii na osnove ispol'zovaniya selektsionnykh dostizhenii [Development of the production of leguminous and cereal crops in Russia based on the use of breeding achievements] // Zernobobovye i krupyanye kul'tury. 2020. No 4(36). S. 5–17. DOI: 10.24411/2309-348X-2020-11198.Пислегина С. С., Четвертных С. С. Влияние погодных условий на продолжительность вегетационного периода и продуктивность гороха // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020. Т. 21, No 5. С. 521–530. DOI: 10.30766/2072-9081.2020.21.5.521-530.Pislegina S. S., Chetvertnykh S. S. Vliyanie pogodnykh uslovii na prodolzhitel'nost' vegetatsionnogo perioda i produktivnost' gorokha [Effect of weather conditions on length of a vegetation period and productivity of peas] // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2020. T. 21, No 5. S. 521–530. DOI: 10.30766/2072-9081.2020.21.5.521-530.Пономарева С. В., Селехов В. В. Влияние погодных условий на урожай и качество сортов гороха // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017. No 1(56). С. 20–27. EDN: XVRTXB.Ponomareva S. V., Selekhov V. V. Vliyanie pogodnykh uslovii na urozhai i kachestvo sortov gorokha [Effect of weather conditions on productivity and quality of pea varieties] // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2017. No 1(56). S. 20–27. EDN: XVRTXB.Пономарева, С. В. Оценка сортов полевого гороха (Pisum arvense L.) на содержание белка в зерне: взаимосвязи хозяйственно полезных признаков с погодно-климатическими условиями //Зерновое хозяйство России. 2020. No 2(68). С. 13–17. DOI: 10.31367/2079-8725-2020-68-2-13-17.Ponomareva S. V. Otsenka sortov polevogo gorokha (Pisum arvense L.) na soderzhanie belka v zerne: vzaimosvyazi khozyaistvenno poleznykh priznakov s pogodno-klimaticheskimi usloviyami [Estimation of field pea varieties (Pisum arvense L.) for protein percentage in grain: correlation between economically valuable traits and weather and climatic conditions] // Zernovoe khozyaistvo Rossii. 2020. No 2(68). S. 13–17. DOI: 10.31367/2079-8725-2020-68-2-13-17.Boulard С., Fatihi А., Lepiniec L., Dubreucq B. Regulation and evolution of the interaction of the seed B3 transcription factors with NF-Y subunits // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Gene Regulatory Mechanisms. 2017. Vol. 1860, Iss. 10. P. 1069–1078. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2017.08.008.Boulard С., Fatihi А., Lepiniec L., Dubreucq B. Regulation and evolution of the interaction of the seed B3 transcription factors with NF-Y subunits // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Gene Regulatory Mechanisms. 2017. Vol. 1860, Iss. 10. P. 1069–1078. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2017.08.008.Chen M., Lin J. Y., Hur J., Pelletier J. M., Baden R., Pellegrini M., Haradab J. J., Goldberg R. B. Seed genome hypomethylated regions are enriched in transcription factor genes // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115, No 35. P. 8315–8322. DOI: 10.1073/pnas.1811017115.Chen M., Lin J. Y., Hur J., Pelletier J. M., Baden R., Pellegrini M., Haradab J. J., Goldberg R. B. Seed genome hypomethylated regions are enriched in transcription factor genes // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115, No 35. P. 8315–8322. DOI: 10.1073/pnas.1811017115.Lalanne D., Malabarba J., Ly Vu J., Hundertmark M., Delahaie J., Leprince O., Buitink J., Verdier J. Medicago ABI3 splicing isoforms regulate the expression of different gene clusters to orchestrate seed maturation // Plants. 2021. No 10(8). P. 1710–1725. DOI: 10.3390/plants10081710.Lalanne D., Malabarba J., Ly Vu J., Hundertmark M., Delahaie J., Leprince O., Buitink J., Verdier J. Medicago ABI3 splicing isoforms regulate the expression of different gene clusters to orchestrate seed maturation // Plants. 2021. No 10(8). P. 1710–1725. DOI: 10.3390/plants10081710.Malovichko Y. V., Shtark O. Y., Vasileva E. N., Nizhnikov A. A., Antonets K. S. Transcriptomic insights into mechanisms of early seed maturation in the garden pea (Pisum sativum L.) // Cells. 2020. No 9(3). P. 779–810. DOI: 10.3390/cells9030779.Malovichko Y. V., Shtark O. Y., Vasileva E. N., Nizhnikov A. A., Antonets K. S. Transcriptomic insights into mechanisms of early seed maturation in the garden pea (Pisum sativum L.) // Cells. 2020. No 9(3). P. 779–810. DOI: 10.3390/cells9030779.

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