Результаты генотипической и фенотипической оценки сортов ячменя по устойчивости к алюминию

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.

1. Bian 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/s11032-013-9859-3

2. Fatemi 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/app12105189

3. Яковлева 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: VRVUCP

4. Kochian 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/s11104-004-1158-7

5. Kochian 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-043014-114822

6. Jaskowiak 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.0193156

7. Reid 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/10.5555/19781939706

8. Яковлева 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: PGAGWI

9. Ma 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/erh152

10. Furukawa 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/pcm091

11. Новоселова 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: MPDYNN

12. Raman 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/AR02226

13. Wang 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/s00122-007-0562-9

14. Fujii 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/ncomms1726

15. Kashino-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.18.00651

16. Bian 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/s12863-015-0254-4

17. Леонова 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: RUHMKD

18. Шуплецова 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: NNMCAD

19. Шуплецова 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/10.30766/2072-9081.2018.65.4.42-48

20. Шуплецова 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: WYCWFJ

21. Зайцева 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: ILFAWP

22. Liu 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/BF00224088

23. Navakode 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_Cereals

24. Кононенко 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: LGPVFJ

25. Park 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