agronaukaАграрная наука Евро-Северо-ВостокаAgricultural Science Euro-North-East2072-90812500-1396FARC North-East10.30766/2072-9081.2026.27.2.319-330agronauka-2484Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ: РАСТЕНИЕВОДСТВООRIGINAL SCIENTIFIC ARTICLES: PLANT GROWINGРезультаты генотипической и фенотипической оценки сортов ячменя по устойчивости к алюминиюResults of genotypic and phenotypic evaluation of barley cultivars for aluminum tolerancehttps://orcid.org/0000-0002-5171-2476БакулинаА. В.BakulinaA. V.

Бакулина Анна Владимировна, кандидат биол. наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией молекулярной биологии и селекции

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Anna V. Bakulina, PhD in Biological Science, senior researcher, Head of the Laboratory of Molecular Biology and Breeding

Lenin Str., 166a, Kirov, Russian Federation, 610007

mol-biol@fanc-sv.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5582-1709БессолицынаЕ. А.BessolitsynaE. A.

Бессолицына Екатерина Андреевна, кандидат биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной биологии и селекции

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Ekaterina A. Bessolitsyna, PhD in Biological Science, senior researcher, the Laboratory of Molecular Biology and Breeding

Lenin Str., 166a, Kirov, Russian Federation, 610007

priemnaya@fanc-sv.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4679-0717ШуплецоваO. Н.ShupletsovaО. N.

Шуплецова Ольга Наумовна, доктор биол. наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологических методов селекции сельскохозяйственных растений

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Olga N. Shupletsova, DSc in Biological Science, associate professor, leading researcher, the Laboratory of Biotechnological Methods of Agricultural Plant Breeding

Lenin Str., 166a, Kirov, Russian Federation, 610007

priemnaya@fanc-sv.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7878-4891СавинцеваЛ. С.SavintsevaL. S.

Савинцева Лариса Сергеевна, кандидат биол. наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной биологии и селекции

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Larisa S. Savintseva, PhD in Biological Science, researcher, the Laboratory of Molecular Biology and Breeding

Lenin Str., 166a, Kirov, Russian Federation, 610007

priemnaya@fanc-sv.ruФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого»РоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N. V. RudnitskyRussian Federation202629042026272319330Copyright © Бакулина А.В., Бессолицына Е.А., Шуплецова O.Н., Савинцева Л.С., 20262026Бакулина А.В., Бессолицына Е.А., Шуплецова O.Н., Савинцева Л.С.Bakulina A.V., Bessolitsyna E.A., Shupletsova О.N., Savintseva L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.agronauka-sv.ru/jour/article/view/2484

В данной работе сопоставляли результаты молекулярно-генетического анализа с использованием ПЦР-маркеров (HVM68, 1kb-insertion, HvMATE-21indel) десяти генотипов Hordeum vulgare L. с фенотипической оценкой их алюмоустойчивости. Объектом исследования служили сорта ячменя Новичок, Дина, Форвард, Бионик, Витрум, Родник Прикамья, Памяти Дудина (Россия), Зазерский 85 (Беларусь), Triumph (Дания), Tallon (Австралия). Установлено, что изучаемые генотипы ячменя не имели мутации 1kb-insertion (ПЦР-продукт 1841 п. н.), усиливающей экспрессию гена HvAACT1 (у всех сортов получены ПЦР-продукты размером 818 п. н.). Делеция HvMATE-21indel (ПЦР-продукт 475 п. н.) была обнаружена в геноме трех сортов – алюмоустойчивых Новичок, Бионик и кистотоустойчивого Родник Прикамья. При использовании микросателлитного маркера HVM68 у сортов ячменя были выявлены ампликоны в диапазоне 175–220 п. н. Сделано предположение, что исследованные генотипы ячменя имеют разные механизмы регуляции гена HvAACT1 и/или характеризуются его полиморфизмом, что требует дальнейшего изучения. Среди использованных в работе ПЦР-маркеров алюмоустойчивости ячменя наиболее перспективным является маркер HvMATE-21indel. На основании морфологической оценки проростков по показателю «индекс длины корней» бóльшая часть сортов (90 %) была отнесена к умеренно устойчивым (Форвард, Новичок, Витрум, Зазерский 85, Tallon) и устойчивым (Дина, Бионик, Родник Прикамья, Triumph) генотипам. При этом ген-специфичный маркер HvMATE-21indel выявили только у трёх сортов, что свидетельствует о необходимости расширения набора ДНК-маркеров, применяемых для идентификации мутаций гена HvAACT1 и его регуляторных областей. Использованный подход цитологической оценки алюмоустойчивости перспективен для определения реакции генотипа на моделируемый алюмокислый стресс, но требует дальнейшей оптимизации. Для характеристики алюмоустойчивости ячменя по фенотипу целесообразно использовать комплексный подход, включающий как полевые, так и лабораторные оценки.

This study compared the results of molecular genetic analysis using PCR markers (HVM68, 1kb-insertion, HvMATE-21indel) of ten barley (Hordeum vulgare L.) genotypes with a phenotypic evaluation of their aluminum tolerance. The objects of the study were barley cultivars ‘Novichok’, ‘Dina’, ‘Forvard’, ‘Bionik’, ‘Vitrum’, ‘Rodnik Prikamiya’, ‘Pamyati Dudina’ (Russia), ‘Zazerskij 85’ (Belarus), ‘Triumph’ (Denmark), ‘Tallon’ (Australia). It was established that the studied barley genotypes did not have the 1kb-insertion mutation (PCR product 1841 bp), which enhanced the expression of the HvAACT1 gene (PCR products with a size of 818 bp were obtained in all cultivars). The HvMATE-21indel deletion (PCR product 475 bp) was detected in the genome of three cultivars – aluminum-tolerant ‘Novichok’, ‘Bionik’ and acid-tolerant ‘Rodnik Prikamiya’. When using the HVM68 microsatellite marker, amplicons in the range of 175–220 bp were detected in barley cultivars. It is assumed that the studied barley genotypes have different mechanisms of regulation of the HvAACT1 gene and/or are characterized by its polymorphism, which requires further study. Among the PCR markers of barley aluminum tolerance used in the work, the most promising is the HvMATE-21indel marker. Based on the morphological evaluation of seedlings according to root length index (RLI), most of the cultivars (90 %) were classified as moderately tolerant (‘Forvard, ‘Novichok, ‘Vitrum, ‘Zazerskij 85’, ‘Tallon’) and tolerant (‘Dina’, ‘Bionik’, ‘Rodnik Prikamiya’, ‘Triumph’) genotypes. At the same time the HvMATE-21indel gene-specific marker was detected in only three cultivars, which indicated the need to expand the set of DNA markers used to identify mutations in the HvAACT1 gene and its regulatory regions. The method used for cytological evaluation of aluminum tolerance is promising for determining the genotype response to modeled aluminum-acid stress but requires further optimization. To characterize the aluminum tolerance of barley by phenotype it is advisable to use an integrated approach, including both field and laboratory analyses.

Hordeum vulgare L.алюмоустойчивостьген HvAACT1ПЦР-маркерыИДКцитологическая оценкаHordeum vulgare L.tolerance to aluminum toxicityHvAACT1 genePCR markersRTIcytological evaluationработа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого» (темы №№ FNWE-2025-0001, FNWE-2025-0008).The research was carried out under the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian within the state assignment of the Federal Agricultural Research Center of the North-East named N. V. Rudnitsky (theme No. FNWE-2025-0001, FNWE-2025-0008)ReferencesBian M., Waters I., Broughton S., Zhang X. Q., Zhou M., Lance R. et al. Development of gene-specific markers for acid soil/aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). Molecular breeding. 2013;32(1):155–164. DOI: https://doi.org/10.1007/s11032-013-9859-3Bian M., Waters I., Broughton S., Zhang X. Q., Zhou M., Lance R. et al. Development of gene-specific markers for acid soil/aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). Molecular breeding. 2013;32(1):155–164. DOI: https://doi.org/10.1007/s11032-013-9859-3Fatemi F., Kianersi F., Pour-Aboughadareh A., Poczai P., Jadidi O. Overview of Identified Genomic Regions Associated with Various Agronomic and Physiological Traits in Barley under Abiotic Stresses. Applied Sciences. 2022;12(10):5189. DOI: https://doi.org/10.3390/app12105189Fatemi F., Kianersi F., Pour-Aboughadareh A., Poczai P., Jadidi O. Overview of Identified Genomic Regions Associated with Various Agronomic and Physiological Traits in Barley under Abiotic Stresses. Applied Sciences. 2022;12(10):5189. DOI: https://doi.org/10.3390/app12105189Яковлева О. В. Фитотоксичность ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(3):315–331. DOI: https://doi.org/10.30901/2227-8834-2018-3-315-331 EDN: VRVUCPYakovleva O. V. Phytotoxicity of aluminum ions. Trudi po prikladnoy botanike, genetike i selektsii = Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2018;179(3):315–331. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.30901/2227-8834-2018-3-315-331Kochian L., Piñeros M., Hoekenga O. The physiology, genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and toxicity. Planta and Soil. 2005;274:175–195. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-004-1158-7Kochian L., Piñeros M., Hoekenga O. The physiology, genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and toxicity. Planta and Soil. 2005;274:175–195. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-004-1158-7Kochian L., Piñeros M., Liu J., Magalhaes J. Plant adaptation to acid soils: the molecular basis for crop aluminum resistance. Annual Review of Plant Biology. 2015;66:571–598. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-043014-114822Kochian L., Piñeros M., Liu J., Magalhaes J. Plant adaptation to acid soils: the molecular basis for crop aluminum resistance. Annual Review of Plant Biology. 2015;66:571–598. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-043014-114822Jaskowiak J., Tkaczyk O., Slota M., Kwasniewska J., Szarejko I. Analysis of aluminium toxicity in Hordeum vulgare roots with an emphasis on DNA integrity and cell cycle. PLoS ONE. 2018;13(2):e0193156. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0193156Jaskowiak J., Tkaczyk O., Slota M., Kwasniewska J., Szarejko I. Analysis of aluminium toxicity in Hordeum vulgare roots with an emphasis on DNA integrity and cell cycle. PLoS ONE. 2018;13(2):e0193156. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0193156Reid D. A. Genetic potential for solving problems of soil mineral stress: Aluminum and manganese toxicities in cereal grains. In: Plant Adaptation to Mineral Stress in Problem Soils. Wright M. J. Ed. Cornell University Press: Ithaca, NY, USA, 1976. pp. 55–64. URL: https://www.cabidigitallibrary.org/doi/full/10.5555/19781939706Reid D. A. Genetic potential for solving problems of soil mineral stress: Aluminum and manganese toxicities in cereal grains. In: Plant Adaptation to Mineral Stress in Problem Soils. Wright M. J. Ed. Cornell University Press: Ithaca, NY, USA, 1976. pp. 55–64. URL: https://www.cabidigitallibrary.org/doi/full/10.5555/19781939706Яковлева О. В. Генетический контроль признака алюмоустойчивости у образцов ярового ячменя. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2025;186(1):170–176. DOI: https://doi.org/10.30901/2227-8834-2025-1-170-176 EDN: PGAGWIYakovleva O. V. Genetic control of the aluminum resistance trait in barley hybrids. Trudi po prikladnoy botanike, genetike i selektsii = Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2025;186(1):170–176. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.30901/2227-8834-2025-1-170-176Ma J. F., Nagao S., Sato K., Ito H., Furukawa J., Takeda K. Molecular mapping of a gene responsible for Al‐activated secretion of citrate in barley. Journal of Experimental Botany. 2004;55(401):1335–1341. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/erh152Ma J. F., Nagao S., Sato K., Ito H., Furukawa J., Takeda K. Molecular mapping of a gene responsible for Al‐activated secretion of citrate in barley. Journal of Experimental Botany. 2004;55(401):1335–1341. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/erh152Furukawa J., Yamaji N., Wang H., Mitani N., Murata Y., Sato K., Ma J. F. An aluminum-activated citrate transporter in barley. Plant and Cell Physiology. 2007;48(8):1081–1091. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcm091Furukawa J., Yamaji N., Wang H., Mitani N., Murata Y., Sato K., Ma J. F. An aluminum-activated citrate transporter in barley. Plant and Cell Physiology. 2007;48(8):1081–1091. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcm091Новоселова Н. В., Бакулина А. В. Молекулярные маркеры в селекции сортов ячменя, устойчивых к ионной токсичности (обзор). Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020;21(1):7–17. DOI: https://doi.org/10.30766/2072-9081.2020.21.1.07-17 EDN: MPDYNNNovoselova N. V., Bakulina A. V. Molecular markers in breeding of ion-resistant barley varieties (review). Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka = Agricultural Science Euro-North-East. 2020;21(1):7–17. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.30766/2072-9081.2020.21.1.07-17Raman H., Karakousis A., Moroni J. S., Raman R., Read B. J., Garvin D. F. et al. Development and allele diversity of microsatellite markers linked to the aluminium tolerance gene Alp in barley. Australian Journal of Agricultural Research. 2003;54(12):1315–1321. DOI: https://doi.org/10.1071/AR02226Raman H., Karakousis A., Moroni J. S., Raman R., Read B. J., Garvin D. F. et al. Development and allele diversity of microsatellite markers linked to the aluminium tolerance gene Alp in barley. Australian Journal of Agricultural Research. 2003;54(12):1315–1321. DOI: https://doi.org/10.1071/AR02226Wang J., Raman H., Zhou M., Ryan P. R., Delhaize E., Hebb D. M. et al. High-resolution mapping of the Alp locus and identification of a candidate gene HvMATE controlling aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). Theoretical and Applied Genetics. 2007;115(2):265–276. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-007-0562-9Wang J., Raman H., Zhou M., Ryan P. R., Delhaize E., Hebb D. M. et al. High-resolution mapping of the Alp locus and identification of a candidate gene HvMATE controlling aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). Theoretical and Applied Genetics. 2007;115(2):265–276. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-007-0562-9Fujii M., Yokosho K., Yamaji N., Saisho D., Yamane M., Takahashi H. et al. Acquisition of aluminium tolerance by modification of a single gene in barley. Nature communications. 2012;3(1):713. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1726Fujii M., Yokosho K., Yamaji N., Saisho D., Yamane M., Takahashi H. et al. Acquisition of aluminium tolerance by modification of a single gene in barley. Nature communications. 2012;3(1):713. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1726Kashino-Fujii M., Yokosho K., Yamaji N., Yamane M., Saisho D., Sato K., Ma J. F. Retrotransposon insertion and DNA methylation regulate aluminum tolerance in European barley accessions. Plant Physiology. 2018; 178(2):716–727. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.18.00651Kashino-Fujii M., Yokosho K., Yamaji N., Yamane M., Saisho D., Sato K., Ma J. F. Retrotransposon insertion and DNA methylation regulate aluminum tolerance in European barley accessions. Plant Physiology. 2018; 178(2):716–727. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.18.00651Bian M., Jin X., Broughton S., Zhang X. Q., Zhou G., Zhou M., Zhang G. et al. A new allele of acid soil tolerance gene from a malting barley variety. BMC genetics. 2015;16(1):92. DOI: https://doi.org/10.1186/s12863-015-0254-4Bian M., Jin X., Broughton S., Zhang X. Q., Zhou G., Zhou M., Zhang G. et al. A new allele of acid soil tolerance gene from a malting barley variety. BMC genetics. 2015;16(1):92. DOI: https://doi.org/10.1186/s12863-015-0254-4Леонова И. Н. Молекулярные маркеры: использование в селекции зерновых культур для идентификации, интрогрессии и пирамидирования генов. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(2):314–325. Режим доступа: https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/153 EDN: RUHMKDLeonova I. N. Molecular markers: implementation in crop plant breeding for identification, introgression, and gene pyramiding. Vavilovsky zhurnal genetiki i selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013;17(2):314–325. (In Russ.). URL: https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/153Шуплецова О. Н., Товстик Е. В., Щенникова И. Н. Изменение содержания полифенолов в растениях ячменя на стрессовых почвенных фонах. Российская сельскохозяйственная наука. 2023;(6):15–19. DOI: https://doi.org/10.31857/S2500262723060030 EDN: NNMCADShupletsova O. N., Tovstik E. V., Shchennikova I. N. Reaction of barley varieties on the content of polyphenols on stress soil backgrounds. Rossiyskaya selskokhozyaystvennaya nauka. 2023;(6):15–19. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.31857/S2500262723060030Шуплецова О. Н., Щенникова И. Н. Средообразующая активность корневой системы регенерантов ячменя в условиях токсичности кислых почв. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2018;(4(65)):42–48. DOI: https://doi.org/10.30766/2072-9081.2018.65.4.42-48Shupletsova O. N., Shchennikova I. N. Environment-forming activity of barley regenerants root systems in the conditions of acid soils toxicity. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka = Agricultural Science Euro-North-East. 2018;(4(65)):42–48. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.30766/2072-9081.2018.65.4.42-48Шуплецова О. Н., Щенникова И. Н. Результаты использования клеточных технологий в создании новых сортов ячменя, устойчивых к токсичности алюминия и засухе. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(5):623–628. DOI: https://doi.org/10.18699/VJ16.183 EDN: WYCWFJShupletsova O. N., Shchennikova I. N. Results of using cell technologies for creation of new barley varieties resistant against aluminum toxicity and drought. Vavilovsky zhurnal genetiki i selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(5):623–628. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18699/VJ16.183Зайцева И. Ю., Панихина Л. В., Щенникова И. Н., Жилин Н. А. Селекционная ценность мутантных форм ярового ячменя в условиях Волго-Вятского региона. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2024;(3):49–62. DOI: https://doi.org/10.26897/0021-342X-2024-3-49-62 EDN: ILFAWPZaytseva I. Yu., Panikhina L. V., Shchennikova I. N., Zhilin N. A. Breeding value of mutant forms of spring barley in the conditions of the Volga-Vyatka region. Izvestiya Timiryazevskoy selskokhozyaystvennoy akademii = Izvestiya of Timiryazev Agricultural Academy. 2024;(3):49–62. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.26897/0021-342X-2024-3-49-62Liu Z. W., Biyashev R. M., Maroof M. A. S. Development of simple sequence repeat DNA markers and their integration into a barley linkage map. Theoretical and Applied Genetics. 1996;93(5):869–876. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00224088Liu Z. W., Biyashev R. M., Maroof M. A. S. Development of simple sequence repeat DNA markers and their integration into a barley linkage map. Theoretical and Applied Genetics. 1996;93(5):869–876. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00224088Navakode S., Weidner A., Varshney R. K., Lohwasser U., Scholz U., Röder M. S., Börner A. A genetic analysis of aluminium tolerance in cereals. Agriculturae Conspectus Scientificus. 2010;75(4):191–196. URL: https://www.researchgate.net/publication/50870030_A_Genetic_Analysis_of_Aluminium_Tolerance_in_CerealsNavakode S., Weidner A., Varshney R. K., Lohwasser U., Scholz U., Röder M. S., Börner A. A genetic analysis of aluminium tolerance in cereals. Agriculturae Conspectus Scientificus. 2010;75(4):191–196. URL: https://www.researchgate.net/publication/50870030_A_Genetic_Analysis_of_Aluminium_Tolerance_in_CerealsКононенко Н. В., Чабан И. А., Смирнова Е. А., Широких И. Г., Шуплецова О. Н., Баранова Е. Н. Тестирование устойчивости разных форм ячменя (Hordeum vulgare L.) к токсическому действию алюминия. Теоретическая и прикладная экология. 2019;(2):121–130. DOI: https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-2-121-130 EDN: LGPVFJKononenko N. V., Chaban I. A., Smirnova E. A., Shirokikh I. G., Shupletsova O. N., Baranova E. N. Testing the stability of different forms of Hordeum vulgare L. to the toxic action of aluminum. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya = Theoretical and Applied Ecology. 2019;(2):121–130. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-2-121-130Park S., Lee D., Baek H. J., Lee J., Farooq M. Study of the genetic diversity of Korean, Chinese and Japanese landraces of barley (Hordeum vulgare L.) using microsatellites. Biodiversity: Research and Conservation. 2011;23:3–13. DOI: https://doi.org/10.2478/v10119-011-0018-6Park S., Lee D., Baek H. J., Lee J., Farooq M. Study of the genetic diversity of Korean, Chinese and Japanese landraces of barley (Hordeum vulgare L.) using microsatellites. Biodiversity: Research and Conservation. 2011;23:3–13. DOI: https://doi.org/10.2478/v10119-011-0018-6

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