Молекулярные маркеры в селекции сортов ячменя, устойчивых к ионной токсичности (обзор)

В обзоре рассмотрены перспективы использования ДНК-маркеров в селекции ячменя на устойчивость к токсичности ионов алюминия, бора, марганца и кадмия. В настоящее время идентифицировано достаточно много генов и локусов количественных признаков (QTLs), связанных с ионоустойчивостью ячменя. Стандартными ген-специфичными маркерами устойчивости к ионам алюминия признаны маркеры 1kb-insertion и HvMATE21indel, которые сцеплены с геном HvAACT1. Известные QTLs пока требуют валидации, но в перспективе могут служить основой для пирамидирования нескольких локусов устойчивости к ионам алюминия в одном генотипе. Также разработаны молекулярные маркеры, специфичные к генам устойчивости ячменя к бору (HvBot1, HvNIP2;1 и HvBot2), выявлен и валидирован QTL устойчивости ячменя к ионной токсичности марганца QSur.yf.3, идентифицированы QTLs, гены и маркеры, связанные с низким накоплением в растениях ячменя кадмия. Основное внимание в большинстве исследований уделено скорее поиску и разработке маркеров, сцепленных с ионоустойчивостью, чем их практическому применению в селекции новых линий и сортов. Тем не менее, в селекционных программах уже используются маркеры, связанные с устойчивостью ячменя к высоким концентрациям ионов алюминия и бора. Маркер-вспомогательная селекция (MAS) имеет высокий потенциал, а достижения научного прогресса с течением времени делают ее технологии доступнее, проще и дешевле.

маркер ассоциированная селекция, ячмень, абиотический стресс, алюминий, бор, марганец, кадмий

1. Хлесткина Е. К. Молекулярные маркеры в генетических исследованиях и в селекции. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015;17(4/2):1044-1054. Режим доступа: https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/220#

2. Mir R. R., Hiremath P. J., Riera-Lizarazu O., Varshney R. K. Evolving molecular marker technologies in plants: from RFLPs to GBS. Diagnostics in Plant Breeding. Springer, Dordrecht, 2013. pp. 229-247. DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-007-5687-8_11

3. Амосова Н. В., Николаева О. Н., Сынзыныс Б. И. Механизмы алюмотолерантности у культурных растений (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2007;(1):36-42. Режим доступа: http://agrobiology.ru/articles/1-2007amosova.pdf

4. 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

5. Карманенко Н. М. Сортовая реакция зерновых культур на низкие температуры, условия закисления и ионы алюминия. Сельскохозяйственная биология. 2014;(5):66-77. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/sortovaya-reaktsiya-zernovyh-kultur-na-nizkie-temperatury-usloviya-zakisleniya-i-iony-alyuminiya

6. Азаренко Ю. А., Гаврильченко О. Л. Влияние высоких концентраций бора и легкорастворимых солей на поступление микроэлемента в растения и их продуктивность. Омский научный вестник. 2003;(3 (24)):176-179. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vysokih-kontsentratsiy-bora-i-legkorastvorimyh-soley-na-postuplenie-mikroelementa-v-rasteniya-i-ih-produktivnost

7. Побилат А. Е., Волошин Е. И. Марганец в почвах и растениях южной части Средней Сибири. Микроэлементы в медицине. 2017;18(2):43-47. Режим доступа: http://journal.microele-ments.ru/trace_elements_in_ medicine/2017_2/43_18(2)_2017.pdf

8. Черных Н. А., Челтыгмашева И. С., Баева Ю. И. Загрязнение почв тяжелыми металлами и качество растениеводческой продукции. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2003;(9):179-187. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=9912206

9. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Шалыго Н. В., Радюк М. С., Будакова Е. А., Лайдинен Г. Ф., Таланова В. В., Таланов А. В., Венжик Ю. В., Батова Ю. В. Устойчивость растений семейства POACEAE к кадмию. Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века: мат-лы Всеросс. конф. (22–27 сентября 2008 г.). Т. 6. Ч. 6. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2008. С. 129-131. Режим доступа: http:// www.krc.karelia.ru/doc_download.php?id=1602&table_name=section&table_ident=579

10. Казнина Н. М., Титов А. Ф., Лайдинен Г. Ф., Батова Ю. В. Влияние кадмия на некоторые физиологические показатели растений ячменя в зависимости от их возраста. Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2010;(2):27-31. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-kadmiyana-nekotorye-fiziologicheskie-pokazateli-rasteniy-yachmenya-v-zavisimosti-ot-ih-vozrasta

11. Казнина Н. М., Титов А. Ф., Лайдинен Г. Ф., Батова Ю. В. Влияние кадмия на водный обмен растений ячменя. Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2011;(3):57-61. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-kadmiya-na-vodnyy-obmen-rasteniy-yachmenya

12. Minella E., Sorrells M. E. Aluminum tolerance in barley: genetic relationships among genotypes of diverse origin. Crop Science. 1992;32(3):593-598. DOI: https://doi.org/10.2135/cropsci1992.0011183X003200030005x

13. Minella E., Sorrells M. E. Inheritance and chromosome location of Alp, a gene controlling aluminum tolerance in ‘Dayton’barley. Plant Breeding. 1997;116(5):465-469. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.1997.tb01032

14. Tang Y., Sorrels M. E., Kochian L. V., Garvin D. F. Identification of RFLP markers linked to the barley aluminum tolerance gene Alp. Crop Science. 2000;40(3):778-782. URL: https://dl.sciencesocieties.org/publications/cs/abstracts/40/3/778

15. Raman H., Moroni J. S., Sato K., Read B., Scott B. Identification of AFLP and microsatellite markers linked with an aluminium tolerance gene in barley (Hordeum vulgare L.). Theoretical and Applied Genetics. 2002;105(2-3)458-464. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-002-0934-0

16. Raman H., Karakousis A., Moroni J. S., Raman R., Read B. J., Garvin D. F., Kochian L. V., Sorrells M. E. 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

17. Reid D. A. Genetic control of reaction to aluminum in winter barley. Int Barley Genet Symp Proc. 1971. pp. 409-413.

18. Raman H., Moroni J. S., Raman R., Karakousis A., Read B., Sato K., Scott B. J. A genomic region associated with aluminium tolerance in barley. Proceedings of the 10th Australian Barley Technical Symposium. 2001. URL: http://www.regional.org.au/au/abts/2001/t3/raman.htm

19. Furukawa J., Yamaji N., Wang H., Mitani N., Murata Y., Sato K., Katsuhara M., Takeda 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

20. Wang J., Raman H., Zhou M., Ryan P. R., Delhaize E., Hebb D. M., Coombes N., Mendham N. 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

21. Navakode S., Weidner A., Varshney R. K., Lohwasser U., Scholz U., Roder M. S., Borner A. A genetic analysis of aluminium tolerance in cereals. Agriculturae Conspectus Scientificus. 2010;75(4):191-196. URL: https://hrcak.srce.hr/file/98749

22. Navakode S., Weidner A., Varshney R. K., Lohwasser U., Scholz U., Borner A. A QTL analysis of aluminium tolerance in barley, using gene-based markers. Cereal Research Communications. 2009;37(4):531-540. DOI: https://doi.org/10.1556/CRC.37.2009.4.6

23. Cai S., Wu D., Jabeen Z., Huang Y., Huang Y., Zhang G. Genome-wide association analysis of aluminum tolerance in cultivated and Tibetan wild barley. PLoS One. 2013;8(7): e69776. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069776

24. Zhou G., Broughton S., Zhang X.-Q., Ma Y., Zhou M., Li C. Genome-wide association mapping of acid soil resistance in barley (Hordeum vulgare L.). Frontiers in plant science. 2016;7:406. DOI: https://doi.org/10.3389/ fpls.2016.00406

25. Soto-Cerda B. J., Penaloza E. H., Montenegro A. B., Rypayan A. R., Gallardo M. H., Salvo-Garrido H. An efficient marker-assisted backcrossing strategy for enhancing barley (Hordeum vulgare L.) production under acidity and aluminium toxicity. Molecular breeding. 2013;31(4):855-866. DOI: https://doi.org/10.1007/s11032-013-9839-7

26. 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

27. Fujii M., Yokosho K., Yamaji N., Saisho D., Yamane N., Takahashi H., Sato K., Nakazono M., Ma J. F. Acquisition of aluminium tolerance by modification of a single gene in barley. Nature Communications. 2012;3:713. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1726

28. Bian M., Waters I., Broughton S., Zhang X.-Q., Zhou M., Lance R., Sun D., Li C. Development of genespecific 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

29. Ma Y., Li C., Ryan P. R., Shabala S., You J., Liu J., Liu C., Zhou M. A new allele for aluminium tolerance gene in barley (Hordeum vulgare L.). BMC genomics. 2016;17(1);186. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-016- 2551-3

30. Ferreira J. R., Faria B. F., Junior M. C., Delatorre C. A., Minella E., Pereira J. F. Is a non-synonymous SNP in the HvAACT1 coding region associated with acidic soil tolerance in barley? Genetics and molecular biology. 2017;40(2):480-490. DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1678-4685-gmb-2016-0225

31. Bian M., Jin X., Broughton S., Zhang X.-Q., Zhou G., Zhou M., Zhang G., Sun D., Li C. A new allele of acid soil tolerance gene from a malting barley variety. BMC genetics. 2015;16(1):92-102. DOI: https://doi.org /10.1186/s12863-015-0254-4

32. Щенникова И. Н., Лисицын Е. М. Внутривидовая вариабельность генетического контроля алюмоустойчивости ячменя и овса. Структурные и функциональные отклонения от нормального роста и развития растений под воздействием факторов среды: мат-лы Междунар. науч. конф. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. С. 287-290. Режим доступа: http://www.krc.karelia.ru/doc_download.php?id= 5198&table_name= publ&table_ident=9714

33. Dai H., Cao F., Chen X., Zhang M., Ahmed I. M., Chen Z.-H., Li C., Zhang G., Wu F. Comparative proteomic analysis of aluminum tolerance in Tibetan wild and cultivated barleys. PloS one. 2013;8(5):e63428. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0063428

34. Goldberg S. Reactions of boron with soils. Plant and soil. 1997;193(1-2):35-48. DOI: https://doi.org/ 10.1023/A:1004203723343

35. Yau S. K., Ryan J. Boron toxicity tolerance in crops: a viable alternative to soil amelioration. Crop Science. 2008;48(3):854-865. URL: http://www.plantstress.com/Articles/up_toxicity_files/BoronTox-CropSci08.pdf

36. Jefferies S. P., Barr A. R., Karakousis A., Kretschmer J. M., Manning S., Chalmers K. J., Nelson J. C., Islam A. K. M. R., Langridge P. Mapping of chromosome regions conferring boron toxicity tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). Theoretical and applied Genetics. 1999;98(8):1293-1303. DOI: https://doi.org/10.1007/ s001220051195

37. Sutton T., Baumann U., Hayes J., Collins N. C., Shi B.-J., Schnurbusch T., Hay A., Mayo G., Pallotta M., Tester M., Langridge P. Boron-toxicity tolerance in barley arising from efflux transporter amplification. Science. 2007;318(5855):1446-1449. DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.1146853

38. Reid R. Identification of boron transporter genes likely to be responsible for tolerance to boron toxicity in wheat and barley. Plant and cell physiology. 2007;48(12);1673-1678. DOI: https://doi.org/10.1093/pcp/pcm159

39. Schnurbusch T., Hayes J.,Hrmova M., Baumann U., Ramesh S. A., Tyerman S. D., Langridge P., Sutton T. Boron toxicity tolerance in barley through reduced expression of the multifunctional aquaporin HvNIP2; 1. Plant Physiology. 2010;153(4):1706-1715. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.110.158832

40. Hayes J. E., Pallotta M., Garcia M., Oz M. T., Rongala J., Sutton T. Diversity in boron toxicity tolerance of Australian barley (Hordeum vulgare L.) genotypes. BMC plant biology. 2015;15(1):231. DOI: https://doi.org /10.1186/s12870-015-0607-1

41. Karakousis A., Barr A. R., Chalmers K. J., Ablett G. A., Holton T. A., Henry R. J., Lim P., Langridge P. Potential of SSR markers for plant breeding and variety identification in Australian barley germplasm. Australian journal of agricultural research. 2003;54(12):1197-1210. DOI: https://doi.org/10.1071/AR02178

42. Karakousis A., Barr A. R., Kretschmer J. M., Manning S., Jefferies S. P., Chalmers K. J., Islam A. K. M., Langridge P. Mapping and QTL analysis of the barley population Clipper× Sahara. Australian Journal of Agricultural Research. 2003;54(12):1137-1140. DOI: https://doi.org/10.1071/AR02180

43. Emebiri L. C., Michael P., Moody D. B. Enhanced tolerance to boron toxicity in two-rowed barley by marker-assisted introgression of favourable alleles derived from Sahara 3771. Plant and Soil. 2009;314(1-2):77-85. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-008-9707-0

44. McDonald G. K., Eglinton J. K., Barr A. R. Assessment of the agronomic value of QTL on chromosomes 2H and 4H linked to tolerance to boron toxicity in barley (Hordeum vulgare L.). Plant and Soil. 2010;326(1-2):275-290. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-009-0006-1

45. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПб.: изд-во ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.

46. Huang X., Fan Y., Shabala L., Rengel S., Shabala S., Zhou M. X. A major QTL controlling the tolerance to manganese toxicity in barley (Hordeum vulgare L.). Molecular breeding. 2018;38(2):16. URL: https://link.springer. com/article/10.1007%2Fs11032-017-0767-9

47. Басов Ю. В., Козявина К. Н. Способы снижения фитотоксичности соединений свинца и кадмия. Образование, наука и производство. 2014;(4(9)):17-20. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/ sposoby-snizheniya-fitotoksichnosti-soedineniy-svintsa-i-kadmiya

48. Шур П. З., Фокин В. А., Новоселов В. Г. К вопросу об оценке допустимого суточного поступления кадмия с продуктами питания. Здоровье населения и среда обитания. 2015;(12 (273)):30-33. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25005087

49. Verbruggen N, Hermans S, Schat H. Molecular mechanisms of metal hyperaccumulation in plants. New Phytol. 2009;181(4):759–776. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2008.02748.x

50. Wu D., Sato K., Ma J. F. Genome-wide association mapping of cadmium accumulation in different organs of barley. New Phytologist. 2015;208(3):817-829. DOI: https://doi.org/10.1111/nph.13512

51. Wang X.-K., Gong X., Cao F., Wang Y., Zhang G., Wu F. HvPAA1 Encodes a P-Type ATPase, a Novel Gene for Cadmium Accumulation and Tolerance in Barley (Hordeum vulgare L.). International journal of molecular sciences. 2019;20(7):1732. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms20071732

52. Mills R. F., Peaston K. A., Runions J., Williams L. E. HvHMA2, a P1B-ATPase from barley, is highly conserved among cereals and functions in Zn and Cd transport. PLoS One. 2012:7(8):e42640. DOI: https://doi.org/ 10.1371/journal.pone.0042640

53. Wu D., Yamaji N., Yamane M., Kashino-Fujii M., Sato K., Ma J. F. The HvNramp5 transporter mediates uptake of cadmium and manganese, but not iron. Plant physiology. 2016;172(3):1899-1910. DOI: https://doi.org/ 10.1104/pp.16.01189

54. Леонова И. Н. Молекулярные маркеры: использование в селекции зерновых культур для идентификации, интрогрессии и пирамидирования генов. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014;17(2):314-325. Режим доступа: https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/153/155

55. Сиволап Ю. М. Молекулярные маркеры и селекция. Цитология и генетика. 2013;47(3);71-80. Режим доступа: https://doi.org/10.3103/S0095452713030080