doi: 10.15389/agrobiology.2017.5.952rus
УДК 633.174:631.527.56:577.21
Для секвенирования в работе использовано оборудование ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» (ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии, г. Санкт-Петербург).
ПОЛИМОРФИЗМ ПО ПРИЗНАКАМ, АССОЦИИРОВАННЫМ С
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ЦМС-Rf, У ЗЕРНОВОГО СОРГО
ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ВИР
И.Н. АНИСИМОВА1, Д.Н. РЯБОВА1, Е.В. МАЛИНОВСКАЯ2,
Н.В. АЛПАТЬЕВА1, Ю.И. КАРАБИЦИНА1, Е.Е. РАДЧЕНКО1
У зернового сорго (Sorghum bicolor L. Moench) известны семь различных типов цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), однако в селекции используется лишь А1 (milo). Генетический контроль восстановления фертильности ЦМС А1 обусловлен действием двух или трех генов Rf (Restoration of Fertility), а также ряда модификаторов. Молекулярные механизмы ЦМС А1 и восстановления фертильности изучены очень мало. На молекулярном уровне до настоящего времени был идентифицирован только ген-кандидат Rf1 (R.R. Klein et al., 2005). В представленной работе мы впервые показали нуклеотидный полиморфизм в кодирующих последовательностях рецессивного и доминантного аллелей гена Rf2, а также гена-кандидата RFL-PPR, характеризующихся гомологией с геном Rf1 риса. Материалом служили образцы сорго из мировой коллекции ВИР (Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова): восстановители фертильности к-928 и к-929, полувосстановитель к-1362, стерильные линии А-10598 и А-83 (ЦМС А1) и их фертильные аналоги, устойчивые к Schizaphis graminum Rond. сестринские линии F8-F12 BC1-BC2, выделенные из гибридов от скрещиваний линии Н-81 (ЦМС А1) с линиями к-929 и к-928, а также гибриды между сестринскими линиями. Для изучения характера изменчивости генов-кандидатов, ассоциированных с генетической системой ЦМС-Rf, из биоинформационной базы данных (http://www.ncbi.nlm.hih.gov) отобрали четыре референсные последовательности, сконструировали восемь пар специфичных праймеров и секвенировали фрагменты, амплифицированные на ДНК генотипов, различавшихся по способности к супрессии фенотипа ЦМС. У линий ЦМС и восстановителей фертильности обнаружен значительный нуклеотидный полиморфизм (18 полиморфных сайтов) фрагмента кодирующей последовательности гена Rf2 длиной 825 п.н. (референсный фрагмент XM_002459403.1, хромосома SDI02), а также PPR-гена, локализованного в 3-й хромосоме (референсный фрагмент XM_002458104.1). Секвенированные участки структурного ядерного гена ALDH2b, кодирующего альдегиддегидрогеназу, — гомолога гена Rf2 кукурузы и митохондриального гена a-субъединицы АТФ-синтазы F0F1 у линий ЦМС и восстановителей фертильности оказались идентичными. Сравнение изменчивости показателей фертильности пыльцы с использованием окрашенных ацетокармином цитологических препаратов показало, что устойчивые к S. graminum линии, а также их гибриды различались по частоте формирования окрашенных (фертильных), аномально крупных (диаметром 54-70 мкм), гигантских (до 84 мкм) и деформированных пыльцевых зерен. Так, у фертильных линий F8-F12 BC1-BC2 на основе гибридов с к-929 и к-928 доля окрашенных пыльцевых зерен была относительно высокой, составив в первом случае 72,2-83,8 %, во втором — 57,4 и 63,4 % (у двух линий); крупные пыльцевые зерна с разной частотой встречались у пяти линий, гигантские — у двух. Наблюдавшаяся изменчивость может быть обусловлена различиями в аллельном составе генов Rf, полученных от рекуррентного родителя.
Ключевые слова: Sorghum bicolor L. Moench, зерновое сорго, ЦМС, восстановление фертильности, Rf, фертильность пыльцы, гены-кандидаты, нуклеотидный полиморфизм.
I.N. Anisimova1, D.N. Ryabova1, E.V. Malinovskaya2, N.V. Alpatieva1,
Yu.I. Karabitsina1,
E.E. Radchenko1
Seven different types of cytoplasmic male sterility (CMS) are known for the grain sorghum (Sorghum bicolor L. Moench), however, only A1 (milo) is used in heterotic hybrid breeding. The genetic control of pollen fertility restoration of CMS A1 is complex and determined by two or three Rf (Restoration of Fertility) genes, and also by a number of modifiers. It is very little known about molecular mechanisms of CMS A1 and fertility restoration. Only one gene, Rf1, is identified at the molecular level (R.R. Klein et al., 2005). In the present paper we have demonstrated for the first time the nucleotide polymorphism in the coding regions of the recessive and dominant alleles of Rf2 gene and also of the candidate RFL-PPR gene homologous to the rice Rf1 gene. Here, we studied polymorphism of the CMS-Rf genetic system related traits in sorghum accessions from the VIR collection, including the fertility restorers k-928 and k-929; a half-restorer k-1362, the sterile lines A-10598 and A-83 (CMS A1) and their fertile analogs, the F8-F12 BC1-BC2 sister lines resistant to Schizaphis graminum Rond. which have been isolated among the hybrids derived from crosses between the sterile (CMS A1) line N-81 and lines k-929 and k-928, and also hybrids between the sister lines. For investigating variability of candidate genes associated with the CMS-Rf genetic system the reference sequences were selected from the bioinformatic database (http://www.ncbi.nlm.hih.gov), the eighth specific primers were designed, and the fragments amplified on the DNA of genotypes differing by the ability to suppression of the CMS phenotype were sequenced. In the CMS lines and fertility restorers a significant polymorphism (18 polymorphic sites) was revealed in the 825 bp fragment of the Rf2 coding region (reference fragment XM_002459403.1, chromosome SDI02) and also in RFL-PPR candidate gene located in the chromosome 3 (reference fragment XM_002458104.1). The sequenced regions of the structural nuclear gene ALDH2b encoding mitochondrial aldehyde dehydrogenase, the maize Rf2 gene homolog, and also of the mitochondrial F0F1 ATPase alpha subunit were identical in the CMS and fertility restorer lines. Variability of pollen fertility indices was studied using acetocarmine stained cytological preparations. The lines resistant to S. graminum, and their hybrids differed in the percentage of stained (fertile) pollen grains, the presence of anomalous large pollen grains (54-70 mm in diameter), giant pollen grains (up to 84 mm in diameter) and deformed pollen grains. In the fertile F8-F12 BC1-BC2 lines which derived from the hybrids produced in crossings with fertility restorers, the frequency of stained pollen grains was relatively high and reached 72.2-83.8 % for k-929, and 57.4 and 63.4 % in two lines, respectively, for k-928; large pollen grains occurred at different frequency in five lines, and the giant ones were observed in two lines. The variability in pollen fertility could be due to the differences in the alleles derived from the recurrent parent.
Keywords: Sorghum bicolor L. Moench, grain sorghum, CMS, fertility restoration, Rf, pollen fertility, candidate genes, nucleotide polymorphism.
1ФГБНУ ФИЦ Всероссийский институт |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
