Ефективність урожайності рекомбінантних ліній твердої пшениці-Thinopyrum ponticum за допомогою хромосомної інженерії в ряді контрастних середовищ, що живляться дощем у трьох країнах

Анотація

Вступ

Розробити тверді генотипи з поліпшеною врожайністю та пристосованістю до більш частої частоти посухових та теплових стресів та/або зміненого розподілу опадів (Habash et al., 2009; Tadesse et al., 2016), підвищення генетичного фону за рахунок цілеспрямованих вторгнень є потужним стратегія, враховуючи, що культивована гермплазма представляє лише дуже малу частку мінливості, присутньої в природі (Royo et al., 2009 та посилання там; Zaim et al. 2017). Проведені в минулому експерименти з інтрогресією пшениці, виявлені вагомим підходом до використання генетичного різноманіття чужорідних, переважно диких, сегментів генетичних фондів, пов’язаних із пшеницею (Ceoloni et al., 2014b, 2017a; Dempewolf et al., 2017; Prohens et al., 2017; Zhang et al., 2017). Для цього можна використати додавання/заміщення/транслокацію/рекомбінантні лінії, що містять частини чужорідних геномів, щоб полегшити введення бажаних генів у стабільні та адаптовані генотипи (наприклад, Ceoloni et al., 2015). Цілеспрямована та точна експлуатація корисних генів з цих матеріалів легко можлива за допомогою ефективних сексуальних засобів, насамперед цитогенетичних методологій «інженерії хромосом» (Ceoloni et al., 2005, 2014a, 2014b). Цей підхід, інтегрований з постійно розвиваються методами аналізу геномів та хромосом (наприклад, селекція за допомогою маркерів, картографування асоціацій, секвенування наступного покоління, гібридизація in situ), представляє унікальну платформу для створення нових та сприятливих для селекціонерів генетичних запасів.

До цього часу використання диких родичів для поліпшення врожайності пшениці було епізодичним, оскільки їх врожайність погана, і помітний вплив на урожайність пшениці спостерігається рідко (Ceoloni et al., 2015; Dempewolf et al., 2017; Zhang et al., 2017). Примітні приклади стосуються в основному гексаплоїдної хлібної пшениці, що більш широко культивується, і отримує переваги від більш високого рівня плоїдності по відношенню до твердих сортів пшениці, отже, вищої буферної здатності щодо хромосомних маніпуляцій (розглянуто в Ceoloni et al., 2014a, 2015; Mondal et al., 2016). Одним з найбільш помітних і задокументованих випадків інтрогреції інопланетян із позитивним впливом на врожайність пшениці, є перенесення частини з плеча хромосоми групи 7 (= 7AgL або 7el1L) декаплоїдного багаторічного виду Thinopyrum ponticum (Popd.) Barkworth & DR Дьюї (2n = 10x = 70, геноми E e E e E x StSt, див. Ceoloni et al., 2014b) на плечі хліба 7DL та 7AL відповідно і твердих сортів пшениці. У хлібній пшениці значна транслокація 7AgL з назвою T4 (

70% групи реципієнта 7DL, що містять гени Lr19 + Sr25 + Yp), призвели до збільшення врожаю зерна, біомаси та кількості зерна (10-35%) у ряді середовищ, що не відрізняються вологістю, та в різних середовищах зародкової плазми CIMMYT ( Monneveux et al., 2003; Reynolds et al., 2001; Singh et al., 1998; Tripathi et al., 2005; Miralles et al., 2007). Однак під впливом водного стресу врожайність похідних CIMMYT T4 виявилася нижчою, ніж лінії контролю (Monneveux et al., 2003; Singh et al., 1998), як це було у випадку з похідними T4, розробленими в австралійському адаптованому генетичному середовищі, коли випробувано у високо- і низьковрожайних середовищах (Rosewarne et al., 2015).

Не маючи інформації з інших середовищ про експресію 7AgL та її вплив на врожайність у твердих сортах пшениці, метою даної роботи було оцінити показники врожайності тих самих трьох твердих сортів пшениці-Th. ponticum рекомбінантів у цілому ряді середовищ, що живляться дощем, розташованих у трьох різних країнах, та для оцінки можливих асоціацій, пов’язаних із середовищем/сегментом, з кінцевим урожаєм та ознаками, що сприяють індивідуальному врожаю, з огляду на використання цих рекомбінантів у середовищах або в програмах розведення, спрямованих на місце.

Матеріали і методи

Рослинні матеріали

Три твердих сорти пшениці. ponticum NIRL, названі R5-2-10, R112-4 та R23-1 (далі - R5, R112 та R23, відповідно), розроблені на тлі cv. Сімето шляхом повторного зворотного схрещування (БК) (Ceoloni et al., 2005) використовувались протягом чотирьох років і трьох країн. Сімето (родовід: селекція з Capeiti 8 x Valnova) - сорт, випущений в 1988 році, добре пристосований до італійських умов вирощування. NIRL мають порції Th. ponticum 7AgL-хромосома, що замінює 23%, 28% і 40% їх дистальної руки 7AL, відповідно, і всі три лінії включають гени Lr19 + Yp + Sr25 у субтеломерній області. Подібно до рослинного матеріалу, описаного в Kuzmanović et al. (2016), кожен з проаналізованих генотипів, що відповідає тут потомкам BC5F5-9 (R5 і R112) та BC4F5-9 (R23), був представлений як гомозиготним носієм (“+”), так і не носієм (“- ”) Даного сегмента 7AgL. Кожне “+” та “-” NIRL включало дві сім’ї, що походять із сестринських ліній.

Польові досліди

Опис місць та польових експериментів, проаналізованих у цьому дослідженні (NIRL, біля ізогенної рекомбінантної лінії).

Проаналізовано погодні умови для вегетаційних періодів у дев’яти середовищах, отриманих з метеорологічних станцій на експериментальних майданчиках або лише у випадку MOR14, завантажених із сайту НАСА для прогнозування світових енергетичних ресурсів (http://power.larc.nasa.gov) . Абревіатури навколишнього середовища описані в таблиці 1.

Вимірювання ознак врожайності

Риси та деталі зразків, оцінені в дев'яти середовищах, проаналізованих у цьому дослідженні [TH, загальний урожай ділянки; 25С, 25 куль; G, зразок зерна (1 або 2); IC, окремі кульми (5-10); FL, окремі листки прапора (5-10)]. Абревіатури навколишнього середовища описані в таблиці 1.

Статистичний аналіз

Регресійні лінії, що показують взаємозв'язок окремих урожаїв зерна шести НІОЛ та дев'яти аналізованих середовищ (а), а також відсоткове зміна врожайності шести НІОР відносно середнього значення (b). Абревіатури навколишнього середовища описані в таблиці 1.

При середній врожайності зерна в середовищах від 1,03 до 7,05 т/га (рис. 1б), середовища були довільно класифіковані як: низьковрожайні (урожай зерна нижче 2 т/га), середньоурожайні (врожайність зерна від 2 до 5 т/га), і високоврожайних (урожайність зерна вище 5 т/га). Продуктивність R5 та R112 NIRL, як правило, була вищою, ніж екологічні показники, як показує приріст їхньої врожайності в межах 3-30% та 2-27%, відповідно. Урожайність R23 NIRL (як «+», так і «-») завжди була нижчою за середнє значення для сайту (від -1 до -47%). Однак у чотирьох із восьми середовищ (усі, крім AUS14, таблиця 1), наявність сегмента R23 7AgL, очевидно, мала позитивний ефект, зменшуючи недолік фонової залежності врожайності (рис. 1b). Дві більш продуктивні лінії-носії 7AgL (R5 + і R112 +) показали приріст урожайності по відношенню до своїх контрольних NIRL у 5 та 3 відповідно з дев'яти середовищ. Найвищий приріст R5 + (і з усіх ліній 7AgL +) спостерігався у низькопродуктивного AUS13 (+ 30%), аналогічне значення, яке було зафіксовано у середньо урожайного MOR15 (+ 26%). У тому ж MOR15 R112 + показав найвищий коефіцієнт посилення (+ 21%). Навпаки, помітне покарання за врожайність спостерігали для R112 + у низькопродуктивних AUS14 (-18%) та для R23 + у середньо урожайних MOR15 (-47%).

7AgL-асоційовані ефекти на врожайність та ознаки, пов’язані з урожайністю

Основні ознаки, пов’язані з урожайністю, одиниця площі -1 та колос -1 у 7AgL-носія проти 7AgL-неносія твердих сортів пшениці-Th. ponticum NIRL у різних середовищах (HI, індекс врожаю; SNM2, число колосків m -2; BM2, біомаса m -2; GYM2, урожай зерна m -2; GNM2, номер зерна m -2; TGW, маса зерна; GYS, зерно колос врожайності -1; ГНС, колосовий номер зерна -1, ВНП, номер зерна колосок -1, SPN номер колоска колосок -1, PH, висота рослини; HD, дата заголовка). У восьми з дев'яти середовищ аналізували всі три рекомбінанти та їх відповідні контролі (ALL); в AUS14 були включені лише NIRL R5 та R112. Позитивні та негативні ефекти 7AgL виділені зеленим та червоним відповідно. * P Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно
Завантажте PowerPoint

Точкові графіки середніх показників урожайності зерна та числа зерен m −2 порівняно з основними компонентами врожайності зерна з трьох твердих сортів пшениці-Th. ponticum NIRL, оцінені в дев'яти середовищах (GYM2, урожай зерна m -2; BM2, біомаса m -2; SNM2, номер колоска m -2; GNM2, номер зерна m -2; TGW, маса тисяч зерен; GNS, скок числа зерна -1). * P −1), середні (GY 2-5 т га −1) і високі (GY> 5 т га −1) середовища, що дають, представлені символами квадрата, кола та трикутника відповідно.

Врожайність зерна всіх НДРЛ, як правило, була вищою в середовищах, де було зафіксовано більше опадів, особливо починаючи з напрямку (наприклад, Центральна та Північна Італія; таблиці 1 і 2), що відповідає тому, що спостерігається для твердих сортів пшениці, вирощених під середземноморським дощем. умови (Araus та ін., 2003b). Подібним чином попередні дослідження вказують на те, що похідні Т4 хлібної пшениці, чий значний сегмент 7AgL включає ті, що описані тут рекомбінантами твердої пшениці, отримують переваги завдяки більшій доступності води (Singh et al., 1998; Monneveaux et al., 2003; Rosewarne et al., 2015). Тим не менш, результати ANOVA від навколишнього середовища (табл. 4) виявили потенціал ліній твердої пшениці 7AgL +, взяті в цілому, для збільшення врожайності також в умовах спеки та посухи, таких як AUS13.

Однак можливість повного розблокування потенціалу врожайності R23 + для практичної експлуатації залишається дещо складною через зв'язок між геном (генами)/QTL для кількості зерна та плодючістю колосків та геном (генами), що спричинює спотворення сегрегації (Sd) і, можливо, корельована депресія ряду морфо-фізіологічних ознак, включаючи розвиток зерна (Ceoloni et al., 2014b; Kuzmanović et al., 2016). Тим не менше, цей зв'язок опору може бути порушений, напр. через індуковані мутації або подальшу гомеологічну рекомбінацію, або, можливо, протидіяно перенесенню сегмента R23 7AgL до різних сортів-реципієнтів, особливо, вибираючи ті, що демонструють високу масу зерна, ознака, яка переважно депресується у R23 + проти R23- в різних середовищах (Таблиця 5). З цієї точки зору, попередні докази того, що, подібно до випадку хлібної пшениці Т4, взаємодія сегмента R23 довжиною 40% 7AgL з різним генетичним фоном твердої пшениці призводить до поліпшення передачі рекомбінантної хромосоми з незначним або відсутністю впливу на фенотип рослин (Ceoloni et al., 2014b), обнадіює.

Окрім "стабілізації", що залежить від генотипу, що може знадобитися сегменту R23 7AgL, усі сегменти можуть бути легко переміщені в більш орієнтовані на ділянку (R112) або через середовище (переважно R5 і R23) селекційних трубопроводів для експлуатації їх Lr19 + Sr25 + Yp генів, а також для додаткових ознак, що сприяють збільшенню врожайності та стабільності. Більше того, всі три рекомбінанти можуть бути додатково збагачені іншими корисними чужорідними генами. Нещодавно методом хромосомної інженерії було отримано кілька нових рекомбінантів у хлібі та твердих сортах пшениці, в яких високоефективні гени (гени)/QTL для стійкості до опіку головки фузаріозу та гнилі крони, що походять від видів Thinopyrum, були пірамідовані на найбільш теломерних частинах описані тут сегменти 7AgL (Ceoloni et al., 2017b; Forte et al., 2014; Kuzmanović et al., 2017). Попередні результати показали нормальну плодючість нових рекомбінантів та ще більший урожай у порівнянні з контрольними рослинами. Ці дані сприяють посиленню обгрунтованості експлуатації чужорідних варіацій для підвищення потенціалу врожайності видів пшениці (Ceoloni et al., 2014a; Mondal et al., 2016; Zaïm et al., 2017, та посилання на них).

Висновки

Аналіз трьох ліній інтрогресії 7AgL у твердих сортах пшениці в різних варіативних середовищах підтвердив їх потенціал як донорів ознак, що сприяють урожайності, крім додаткових корисних властивостей, що походять з дикої Th. донор понтикуму. Будучи розробленим у сорту, найкраще пристосованому до італійських умов вирощування (Сімето), три рекомбінанти демонстрували мінливі показники в напружених умовах, таких як Південна Австралія та Марокко. Загалом, за відсутності значного водного стресу, лінії 7AgL добре реагували без значних втрат урожайності, головним чином, завдяки внесенню зерна та кількості колосків, а також, певною мірою, розміру та функції прапорця на пізніх стадіях наливу зерна. Також спостережуване значне збільшення врожайності зерна та кількості зерен для 7AgL + порівняно з 7AgL− NIRL у більш спекотному та посухостійкому середовищі, вказує на те, що вміст гена/QTL, пов'язаний з урожайністю 7AgL, також може бути корисним за несприятливих умов вирощування. Проаналізований набір NIRL представляє цінний набір інструментів для розшифровки фізіологічних механізмів та ідентифікації генів, що беруть участь у регулюванні врожайності зерна, оскільки вони демонструють суттєво різні фенотипи для ряду ознак, асоційованих із конкретними сегментами 7AgL.

Подяка

Фінансова підтримка від MIUR (Міністерство освіти, університету та досліджень Італії), грант PRIN (Progetti di Ricerca scientifica di rilevante Interesse Nazionale) 2010–11 на тему «Виявлення та характеристика генів, пов’язаних з урожайністю та стійкістю у твердих сортах пшениці», а також як із регіону Лаціо - проект FILAS “MIGLIORA”, вдячний. Автори висловлюють подяку По Чонгу та Алессандрі Бітті за технічну допомогу в австралійському та італійському випробуваннях відповідно.