Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences68219710.31857/S0016675825040025UBPHCRГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙResearch ArticleComparative analysis of recombination events in common wheat lines produced with the involvement of different genome composition hexaploid Triticum speciesСравнительный анализ рекомбинационных событий у линий мягкой пшеницы, полученных с участием гексаплоидных видов Triticum с различным составом геномаOrlovskayaО. А.ОрловскаяО. А.
Belarus
O.Orlovskaya@igc.byVakulaS. I.ВакулаС. И.
Belarus
O.Orlovskaya@igc.byLeonovaI. N.ЛеоноваИ. Н.
Russian Federation
O.Orlovskaya@igc.byInstitute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут генетики и цитологии Национальной академии наук БеларусиBelarusian State Technological UniversityБелорусский государственный технологический университетFederal Research Center, Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesФедеральный исследовательский центр, Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук27042025614122203062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/682197

The species of the genus Triticum and synthetic wheat produced with their involvement are a source of new genes contributing to the improvement of cultivated T. aestivum varieties. In this work, the nature of substitutions and translocations in hybrid lines derived from the cross of common wheat varieties with Triticum spelta and T. kiharae was studied. It was shown that in the chromosomes of the B genome (especially in chromosomes 4B and 7B), spelt fragments had, as a rule, a greater length than the fragments of synthetic wheat T. kiharae. In the lines produced with the involvement of synthetic wheat, recombination events occurred more often between A and At genomes compared to the B and G genomes of T. aestivum and T. kiharae respectively, indicating a closer relationship between the homeologous A/At chromosomes. The data obtained indicate that the length of introgressed fragments in the D-genome of all the lines studied is, as a rule, less than in A and B genomes. With regard to the lines developed with the involvement of spelt, a high meiotic index was noted (95.83–97.27%), which is determined by the close relationship of T. spelta and T. aestivum. The lines based on synthetic wheat had fewer normal tetrads (77.093.0%), which is due not only to the reduced homology of chromosomes between the genomes of their original forms, but also the reduced cytological stability of T. kiharae compared to the rest of parent genotypes. There were no significant disturbances in the process of gamete formation in introgression lines, and the meiotic index for the vast majority of genotypes was high (more than 90%). The studied lines are of interest for the selection of promising material characterized by economically valuable characters.

Виды рода Triticum и созданные с их участием синтетические пшеницы являются источником новых генов для улучшения культивируемых сортов T. aestivum. В настоящей работе был изучен характер замещений и транслокаций у гибридных линий, полученных от скрещивания сортов мягкой пшеницы с Triticum spelta и T. kiharae. Было показано, что в хромосомах В-генома (особенно в хромосомах 4В и 7В) фрагменты спельты, как правило, имели большую протяженность, чем фрагменты синтетической пшеницы T. kiharae. У линий, созданных с участием синтетической пшеницы, рекомбинационные события чаще происходили между А- и At-геномами в сравнении с В- и G-геномами T. aestivum и T. kiharae соответственно, что указывает на более тесное родство между гомеологичными хромосомами А/At. Полученные нами данные свидетельствуют, что протяженность интрогрессий в D-геноме у всех изученных линий, как правило, меньше, чем в геномах А и В. Для линий, созданных с участием спельты, отмечен высокий мейотический индекс (95.83–97.27%), что связано с близким родством T. spelta и T. aestivum. Линии на основе синтетической пшеницы имели меньше нормальных тетрад (77.0–93.0%), что обусловлено не только сниженной гомологией хромосом между геномами исходных форм, но и пониженной цитологической стабильностью T. kiharae по сравнению с остальными родительскими генотипами. Существенного нарушения процесса формирования гамет у интрогрессивных линий не обнаружено, и мейотический индекс для подавляющего числа генотипов находился на высоком уровне (более 90%). Изученные линии представляют интерес для отбора перспективного материала, характеризующегося хозяйственно ценными признаками.

common wheatspeltsynthetic wheat T. kiharaeintrogression wheat linesgenotyping with SNP markerscytological stabilityмягкая пшеницаспельтасинтетический вид T. kiharaeинтрогрессивные линии пшеницыгенотипирование маркерами SNPцитологическая стабильностьБелорусский республиканский фонд фундаментальных исследованийBelarusian Republican Foundation for Fundamental ResearchБ18Р-028Petersen G., Seberg O., Yde M., Berthelsen K. Phylogenetic relationships of Triticum and Aegilops and evi-dence for the origin of the A, B, and D genomes of common wheat (Triticum aestivum) // Mol. Phylogenet. Evol. 2006. V. 39. P. 70–82. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.01.023Zhang H., Mittal N., Leamy L.J. et al. Back into the wild − apply untapped genetic diversity of wild relatives for crop improvement // Evol. Appl. 2016. V. 10. P. 5–24. https://doi.org/10.1111/eva.12434Arzani A., Ashraf M. Cultivated ancient wheats (Triticum spp.): А potential source of health – beneficial food products // Comprehensive Rev. in Food Sci. and Food Safety. 2017. V. 16. № 3. P. 477–488. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12262Uauy C., Distelfeld A., Fahima T. et al. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zinc, and iron content in wheat // Science. 2006. V. 314. № 5803. P. 1298–1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649Marais G.F., Pretorius Z.A., Wellings C.R. et al. Leaf rust and stripe rust resistance genes transferred to common wheat from Triticum dicoccoides // Euphytica. 2005. V. 143. P. 115–123. https://doi.org/10.1007/s10681-005-2911-6Maestra B., Naranjo T. Structural chromosome differentiation between Triticum timopheevii, T. turgidum and T. aestivum // Theor. Appl. Genet. 1999. V. 98. P. 744–750. https://doi.org/10.1007/s001220051130Friebe B., Qi L., Nasuda S. et al. Development of a complete set of Triticum aestivum – Aegilops speltoides chromosome addition lines // Theor. Appl. Genet. 2000. V. 101. P. 51–58. https://doi.org/10.1007/s001220051448Леонова И.Н., Будашкина Е.Б. Изучение признаков продуктивности у интрогрессивных линий Triticum aestivum / Triticum timopheevii, устойчивых к грибным болезням // Вавил. журн. генетики и селекции. 2016. Т. 20. № 3. С. 311–319. https://doi.org/10.18699/VJ16.120Abdel-Aal E.S.M., Hucl P. Amino acid composition and in vitro protein digestibility of selected ancient wheats and their end products // J. Food Compos. Anal. 2002. V. 15. P. 737–747. https://doi.org/10.1006/jfca.2002.1094Zielinski H., Ceglińska A., Michalska A. Bioactive compounds in spelt bread // Euroр. Food Res. Technol. 2008. V. 226. P. 537–544. https://doi.org/10.1007/s00217-007-0568-1Wiwart M., Suchowilska E., Lajszner W., Graban Ł. Identification of hybrids of spelt and wheat and their parental forms using shape and color descriptors // Comp. Electron. Agric. 2012. V. 83. P. 68–76. https://doi.org/10.1016/j.compag.2012.01.015Diordiieva I., Riabovol L., Riabovol I. et al. The characteristic of wheat collection created by Triticum aestivum L. / Triticum spelta L. hybridization // Agronomy Res. 2018. V. 16. P. 2005–2015. https://doi.org/10.15159/AR.18.181Jafarzadeh J., Bonnett D., Jannink J.L. et al. Breeding value of primary synthetic wheat genotypes for grain yield // PLoS One. 2016. V. 11. № 9. P. 62–86. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0162860Ogbonnaya F.C., Abdalla O., Mujeeb-Kazi A. et al. Synthetic hexaploids: Harnessing species of the primary gene pool for wheat improvement // Plant Breed. Rev. 2013. V. 37. P. 35–122. https://doi.org/10.1002/9781118497869.ch2Yang W., Liu D., Li J. et al. Synthetic hexaploid wheat and its utilization for wheat genetic improvement in China // J. Genet. Genomics. 2009. V. 36. № 9. P. 539 –546. https://doi.org/10.1016/S1673-8527(08)60145-9Li A., Liu D., Yang W. et al. Synthetic hexaploid wheat: Yesterday, today, and tomorrow // Engineering. 2018. V. 4. P. 552–558. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.001Liang D., Zhang M., Liu X. et al. Development and identification of four new synthetic hexaploid wheat lines with solid stems // Sci. Rep. 2022. V. 12. Р. 4898. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08866-xLazar M.D., Worrall W.D., Peterson G.L. et al. Registration of ‘TAM 110’ wheat // Crop Science. 2004. V. 44. № 1. P. 355–357. https://doi.org/10.2135/cropsci1997.0011183X003700060055xRudd J.C., Devkota R.N., Baker J.A. et al. ‘TAM 112’ wheat, resistant to green bug and wheat curl mite and adapted to the dryland production system in the southern high plains // J. Plant Registrations. 2014. V. 8. № 3. P. 291–297. https://doi.org/10.3198/jpr2014.03.0016crcДорофеев В.Ф., Филатенко А.А., Мигушова Э.Ф. и др. Культурная флора СССР. Л., 1979. 347 с.Brown-Guedira G.L., Singh S., Fritz A.K. Performance and mapping of leaf rust resistance transferred to wheat from Triticum timopheevii subs. parmeniacum // Phytopathology. 2003. V. 93. P. 784–789. https://doi.org/10.1094/PHYTO.2003.93.7.784Uhrin A., Szakács E., Láng L. et al. Molecular cytogenetic characterization and SSR marker analysis of a leaf rust resistant wheat line carrying a 6G(6B) substitution from Triticum timopheevii (Zhuk.) // Euphytica. 2012. V. 186. P. 45–55. https://doi.org/10.1007/s10681-011-0483-1Cao W., Fedak G., Armstrong K. et al. Registration of spring wheat germplasm TC 67 resistant to Fusarium head blight // J. Plant Regist. 2009. V. 3. P. 104–106. https://doi.org/10.3198/jpr2008.08.0465crgJärve K., Peusha H.O., Tsymbalova J. et al. Chromosomal location of a T. timopheevii-derived powdery mildew resistance gene transferred to common wheat // Genome. 2000. V. 43. P. 377–381. https://doi.org/10.1139/g99-141Peusha H., Enno T., Priilinn O. Chromosomal location of powdery mildew resistance genes and cytogenetic analysis of meiosis in common wheat cultivar Meri // Hereditas. 2000. V. 132. P. 29–34. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.2000.00029.xЮдина Р.С., Леонова И.Н., Салина Е.А., Хлесткина Е.К. Изменение солеустойчивости мягкой пшеницы в результате интрогрессии генетического материала Aegilops speltoides и Triticum timopheevii // Вавил. журн. генетики и селекции. 2015. Т. 19. № 2. С. 171–175.Обухова Л.В., Будашкина Е.Б., Ермакова М.Ф. и др. Качество зерна и муки у интрогрессивных линий яровой мягкой пшеницы с генами устойчивости к листовой ржавчине от Triticum timopheevii Zhuk. // С.-хоз. биология. 2008. № 5. С. 38–42.Naz A.A., Dadshani S., Ballvora A. et al. Genetic analysis and transfer of favorable exotic QTL alleles for grain yield across D genome using two advanced backcross wheat populations // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00711Rawat N., Schoen A., Singh L. et al. TILL-D: An Aegilops tauschii TILLING resource for wheat improvement // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01665Suneja Y., Gupta A.K., Bains N.S. Stress adaptive plasticity: Aegilops tauschii and Triticum dicoccoides as potential donors of drought associated morpho-physiological traits in wheat // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.2289/fpls.2019.00211Бадаева Е.Д., Будашкина Е.Б., Билинская Е.Н., Пухальский В.А. Закономерности межгеномных замещений хромосом у межвидовых гибридов пшеницы и их использование для создания генетической номенклатуры хромосом Triticum timopheevii // Генетика. 2010. Т. 46. № 7. С. 869–886. https://doi.org/10.1134/S102279541007001XPestsova E., Ganal M.W., Röder M.S. Isolation and mapping of microsatellite markers specific for the D genome of bread wheat // Genome. 2000. V. 43. № 4. P. 689–697. https://doi.org/10.1139/gen-43-4-689Wang S., Wong D., Forrest K. et al. Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density90000 single nucleotide polymorphism array // Plant Biotechnol. J. 2014. V. 12. № 6. P. 787–796. https://doi.org/10.1111/pbi.12183Winfield M.O., Allen A.M., Burridge A.J. et al. High-density SNP genotyping array for hexaploid wheat and its secondary and tertiary gene pool // Plant Biotechnol J. 2016. V. 14. № 5. P. 1195–1206. https://doi.org/10.1111/pbi.12485Orlovskaya О.A., Leonova I.N., Solovey L.A., Dubovets N.I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines created by crossing of Triticum aestivum with T. dicoccoides and T. dicoccum // Vavilov J. Genet. Breed. 2023. V. 27. № 6. P. 553–564. https://doi.org/10.18699/VJGB-23-67Skolotneva E.S., Leonova I.N., Bukatich E.Yu., Salina E.A. Methodical approaches to identification of effective wheat genes providing broad-spectrum resistance against fungal diseases // Vavilov J. Genet. Breed. 2017. V. 21. № 7. P. 862–869. https://doi.org/10.18699/VJ17.307Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1988. 280 с.Orlovskaya О., Dubovets N., Solovey L., Leonova I. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae // BMC Plant Biol. 2020. V. 20. Suppl. 1. Р. 201. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02407-2Luo M.-C., Gu Y.Q., Puiu D. et al. Genome sequence of the progenitor of the wheat D genome Aegilops tauschii // Nature. 2017. V. 551. P. 498–502. https://doi.org/10.1038/nature24486Riaz A., Hathorn A., Dinglasan E. et al. Into the vault of the Vavilov wheats: Оld diversity for new alleles // Genet. Resour. Crop Evol. 2016. V. 64. № 3. P. 531–544. https://doi.org/10.1007/s10722-016-0380-5Grewal S., Hubbart-Edwards S., Yang C. et al. Detection of Triticum urartu introgressions in wheat and development of a panel of interspecific introgression lines // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01565King J., Grewal S., Yang C. et al. Introgression of Aegilops speltoides segments in Triticum aestivum and the effect of the gametocidal genes // Ann. Bot. 2018. V. 121. P. 229–240. https://doi.org/10.1093/aob/mcx149Бадаева Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическое исследование: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М.: Ин-т мол. биологии, 2000. 48 с.Ruban A.S., Badaeva E.D. Evolution of the S-Genomes in Triticum-Aegilops аlliance: Evidences from chromosome analysis // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01756Бадаева Е.Д., Прокофьева З.Д., Билинская Е.Н. и др. Цитогенетический анализ устойчивых к бурой ржавчине и мучнистой росе гибридов, полученных от скрещивания мягкой пшеницы (Triticum aestivum L., AABBDD) c пшеницами группы Timopheevi (AtAtGG) // Генетика. 2000. Т. 36. № 12. С. 1663–1673. https://doi.org/10.1023/A:1009019323942Гордеева Е.И., Леонова И.Н., Калинина Н.П. и др. Сравнительный цитологический и молекулярный анализ интрогрессивных линий мягкой пшеницы, содержащих генетический материал Triticum timopheevii Zhuk. // Генетика. 2009. Т. 45. № 12. С. 1616–1626. https://doi.org/10.1134/S1022795409120047Feldman M. Identification of unpaired chromosomes in F1 hybrids involving T. aestivum and T. timopheevii // Can. J. Genet. Cytol. 1966. V. 8. P. 144–151.Devi U., Grewal S., Yang C. et al. Development and characterisation of interspecific hybrid lines with genome-wide introgressions from in a hexaploid wheat background // BMC Plant Biol. 2019. V. 19. Р. 183. https://doi.org/10.1186/s12870-019-1785-zRodríguez S., Perera E., Maestra B. et al. Chromosome structure of Triticum timopheevii relative to T. turgidum // Genome. 2000. V. 43. P. 923–930. https://doi.org/10.1139/g00-062Jiang J., Gill B.S. Different species-specific chromosome translocations in T. timopheevii and T. turgidum support the diphyletic origin of polyploidy wheats // Chromosom Res. 1994. V. 2. P. 59–64. https://doi.org/10.1007/BF01539455Nyine M., Adhikari E., Clinesmith M.I. et al. Genomic patterns of introgression in interspecific populations created by crossing wheat with its wild relative // G3: Genes, Genomes, Genetics. 2020. V. 10. P. 3651–3661. https://doi.org/10.1534/g3.120.401479Дедкова О.С., Бадаева Е.Д., Митрофанова О.П. и др. Анализ внутривидовой дивергенции гексаплоидной пшеницы Triticum spelta L. с помощью метода дифференциального окрашивания хромосом // Генетика. 2004. Т. 40. № 10. С. 1352–1369. https://doi.org/10.1023/B:RUGE. 0000044755. 18085.7eRezaei M., Arzani A., Sayed-Tabatabaei B.E. Meiotic behaviour of tetraploid wheats (Triticum turgidum L.) and their synthetic hexaploid wheat derivates influenced by meiotic restitution and heat stress // J. Genet. 2010. V. 89:401. https://doi.org/10.1007/s12041-010-0058-2Лапочкина И.Ф., Иорданская И.В., Ячевская Г.Л., Адхамаль Лаббан Д. Цитогенетическое изучение коллекции синтетической пшеницы из Национальной коллекции злаков США (National small grain collection of USDA-ARS) в условиях Нечерноземной зоны России // С.-хоз. биология. 2014. № 3. С. 77–82.