RUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesRUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство2312-797X2312-7988Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba1954410.22363/2312-797X-2020-15-1-62-85Genetics and plant breedingГенетика и селекция растенийResearch ArticleMolecular analysis of gibberellin receptor gene GID1 in Dasypyrum villosum and development of DNA marker for its identificationМолекулярный анализ гена GID1 у Dasypyrum villosum и создание ДНК-маркера для его идентификацииRazumovaOlga VladimirovnaРазумоваОльга Владимировна

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

razumovao@gmail.comBazhenovMikhail SergeevichБаженовМихаил Сергеевич

Candidate of Biological Sciences, senior researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

mikhabazhenov@gmail.comNikitinaEkaterina AleksandrovnaНикитинаЕкатерина Александровна

Laboratory Assistant, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

лаборант-исследователь лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

shhket@gmail.comNazarovaLyubov AndreevnaНазароваЛюбовь Андреевна

Junior Researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

младший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельско-хозяйственных растений

lpukhova@yandex.ruRomanovDmitry ViktorovichРомановДмитрий Викторович

Candidate of Biological Sciences, senior researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

akabos1987@gmail.comChernookAnastasiya GennadievnaЧерноокАнастасия Геннадьевна

Junior Researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

младший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

Irbis-sibrI@yandex.ruSokolovPavel AndreevichСоколовПавел Андреевич

Laboratory Assistant Researcher, Center for Molecular Biotechnology

лаборант-исследователь лаборатории центра молекулярной биотехнологии

pav2395147@yandex.ruKuznetsovaViktoria MaksimovnaКузнецоваВиктория Максимовна

Junior Researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

младший научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

vika-kuz367@yandex.ruSemenovOleg GrigorievichСеменовОлег Григорьевич

Candidate of Biological Sciences, professor, Technosphere Safety Department, Agrarian-technological Institute

кандидат биологических наук, профессор департамента техносферной безопасности Аграрно-технологического института

semenov_og@rudn.universityKarlovGennady IlyichКарловГеннадий Ильич

Doctor of Biological Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Director

доктор биологических наук, профессор, Академик РАН, директор

karlovg@gmail.comKharchenkoPetr NikolaevichХарченкоПетр Николаевич

Doctor of Biological Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Scientific Advisor

доктор биологических наук, профессор, Академик РАН, научный руководитель

iab@iab.ruDivashukMikhail GeorgievichДивашукМихаил Георгиевич

Candidate of Biological Sciences, leading researcher, Laboratory of Applied Genomics and Private Breeding of Agricultural Plants

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений

divashuk@gmail.comAll-Russia Research Institute of Agricultural BiotechnologyВсероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологииMoscow Botanical Garden of Academy of SciencesГлавный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАНRussian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural AcademyРоссийский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. ТимирязеваРeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народов15122020151VOL 15, NO1 (2020)ТОМ 15, №1 (2020)628517032020Copyright ©; 2020, Razumova O.V., Bazhenov M.S., Nikitina E.A., Nazarova L.A., Romanov D.V., Chernook A.G., Sokolov P.A., Kuznetsova V.M., Semenov O.G., Karlov G.I., Kharchenko P.N., Divashuk M.G.Copyright ©; 2020, Разумова О.В., Баженов М.С., Никитина Е.А., Назарова Л.А., Романов Д.В., Черноок А.Г., Соколов П.А., Кузнецова В.М., Семенов О.Г., Карлов Г.И., Харченко П.Н., Дивашук М.Г.2020Razumova O.V., Bazhenov M.S., Nikitina E.A., Nazarova L.A., Romanov D.V., Chernook A.G., Sokolov P.A., Kuznetsova V.M., Semenov O.G., Karlov G.I., Kharchenko P.N., Divashuk M.G.Разумова О.В., Баженов М.С., Никитина Е.А., Назарова Л.А., Романов Д.В., Черноок А.Г., Соколов П.А., Кузнецова В.М., Семенов О.Г., Карлов Г.И., Харченко П.Н., Дивашук М.Г.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://agrojournal.rudn.ru/agronomy/article/view/19544

Dasypyrum villosum is an annual cereal used as a donor of agronomic traits for wheat. Productivity is one of the most important traits that breeding is aimed at. It is a very complex trait, the formation of which is influenced by many different factors, both internal (the genotype of the plant) and external. The genes responsible for the gibberellin sensitivity played a large role in multiplying yields of cereal crops. Another such gene is the Gid1, which encodes a receptor for gibberellins. This article compares the DNA sequences of the Gid1 gene obtained from six Dasypyrum villosum samples. Using a sequence of wheat and rye taken from the GenBank database (NCBI), we selected primers for regions of different genomes (A, B, and D subgenomes of wheat and the R genome of rye), and carried out a polymerase chain reaction on D. villosum accessions of diverse geographical origin. The resulting PCR product was sequenced by an NGS method. Based on the assembled sequences, DNA markers have been created that make it possible to differentiate these genes of the V genome and homologous genes of wheat origin. Using monosomic addition, substitution, and translocation wheat lines, the localization of the Gid1 gene of D. villosum was established on the long arm of the first V chromosome. A phenotypic assessment of common wheat lines carrying substituted, translocated, or added D. villosum chromosomes in their karyotype was performed. Tendency of disappearance of the first chromosome of D. villosum in the lines with added chromosomes was revealed.

Dasypyrum villosum (VV) - однолетний злак, зарекомендовавший себя в качестве донора хозяйственно-ценных признаков для пшеницы. Один из важнейших показателей, на который направлена селекция,- урожайность, являющаяся сложным, комплексным признаком. На его формирование влияет множество различных факторов. Большую роль в росте урожайности злаковых культур сыграли гены, регулирующие физиологический ответ растений на гиббереллины, одним из которых стал ген Gid1 , являющийся рецептором активных форм этих фитогормонов. Приведено сравнение частичных ДНК-последовательностей гена Gid1 , секвенированных у двух образцов Dasypyrum villosum . Используя последовательности пшеницы и ржи, взятые из базы данных GenBank (NCBI), подобрали праймеры на участки разных геномов (субгеномы А, В и D пшеницы и геном R ржи) и провели полимеразную цепную реакцию на образцах дазипирума мохнатого различного происхождения. Полученный ПЦР-продукт был секвенирован методом NGS. На основе секвенированных нуклеотидных последовательностей создан ДНК-маркер, позволяющий дифференцировать данные гены генома V и гомологичные гены пшеничного происхождения. С использованием моносомно-дополненных, замещенных и транслоцированных линий пшеницы впервые установлена локализация гена Gid1 на хромосомах Dasypyrum villosum . Показано расположение данного гена на длинном плече первой хромосомы генома V (1VL). Проведена фенотипическая оценка линий мягкой пшеницы, имеющих в своем кариотипе замещенные, транслоцированные или дополненные хромосомы Dasypyrum villosum.

Dasypyrum villosumremote hybridizationGid1gibberellin receptorDasypyrum villosumGid1дазипирум мохнатыйотдаленная гибридизациярецепторгиббереллиновая кислотаThe research was performed as part of state assignment No. 0574–2019–0001.Работа выполнена в рамках государственного задания № 0574–2019–0001.Ray DK, Mueller ND, West PC, Foley JA.Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PloS one. 2013; 8(6): e66428. doi: 10.1371/journal.pone.0066428Minelli S, Ceccarelli M, Mariani M, De Pace C, Cionini PG. Cytogenetics of Triticum× Dasypyrum hybrids and derived lines. Cytogenetic and genome research. 2005; 109(1-3):385-392. doi: 10.1159/000082424Li H, Dong Z, Ma C, Tian X, Qi Z, Wu N, et al. Physical Mapping of Stem Rust Resistance Gene Sr52 from Dasypyrum villosum Based on ph1b-Induced Homoeologous Recombination. International Journal of Molecular Sciences. 2019; 20(19):4887. doi: 10.3390/ijms20194887Djanaguiraman M, Prasad PV, Kumari J, Sehgal SK, Friebe B, Djalovic I, et al. Alien chromosome segment from Aegilops speltoides and Dasypyrum villosum increases drought tolerance in wheat via profuse and deep root system. BMC plant biology. 2019; 19(1):242. doi: 10.1186/s12870-019-1833-8Zhang R, Fan Y, Kong L, Wang Z, Wu J, Xing L, et al. Pm62, an adult-plant powdery mildew resistance gene introgressed from Dasypyrum villosum chromosome arm 2VL into wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2018; 131(12):2613-2620. doi: 10.1007/s00122-018-3176-5Li G, Gao D, Zhang H, Li J, Wang H, La S, et al. Molecular cytogenetic characterization of Dasypyrum breviaristatum chromosomes in wheat background revealing the genomic divergence between Dasypyrum species. Molecular Cytogenetics. 2016; 9(1):6. doi: 10.1186/s13039-016-0217-0Zhang H, Li G, Li D, Gao D, Zhang J, Yang E, et al. Molecular and cytogenetic characterization of new wheat - Dasypyrum breviaristatum derivatives with post-harvest re-growth habit. Genes. 2015;6(4):1242-1255. doi: 10.3390/genes6041242Blanco A, Simeone R, Resta P. The addition of Dasypyrum villosum (L.) Candargy chromosomes to durum wheat (Triticum durum Desf.). Theoretical and applied genetics. 1987; 74(3):328-333. doi: 10.1007/ BF00274714Friebe B, Cermeno MC, Zeller FJ. C-banding polymorphism and the analysis of nucleolar activity in Dasypyrum villosum (L.) Candargy, its added chromosomes to hexaploid wheat and the amphiploid Triticum dicoccum - D. villosum. Theoretical and applied genetics. 1987; 73(3):337-342. doi: 10.1007/BF00262498Liu C, Qi L, Liu W, Zhao W, Wilson J, Friebe B, et al. Development of a set of compensating Triticum aestivum-Dasypyrum villosum Robertsonian translocation lines. Genome. 2011; 54(10):836-844. doi: 10.1139/ g11-051Zhang R, Hou F, Feng Y, Zhang W, Zhang M, Chen P., et al. Characterization of a Triticum aestivum - Dasypyrum villosum T2VS2DL translocation line expressing a longer spike and more kernels traits. Theoretical and applied genetics. 2015; 128(12):2415-2425. doi: 10.1007/s00122-015-2596-8De Pace C, Snidaro D, Ciaffi M, Vittori D, Ciofo A, Cenci A, et al. Introgression of Dasypyrum villosum chromatin into common wheat improves grain protein quality. Euphytica. 2001; 117(1):67-75. doi: 10.1023/A:1004095705460Okuno A, Hirano K, Asano K, Takase W, Masuda R, Morinaka Y, et al. New approach to increasing rice lodging resistance and biomass yield through the use of high gibberellin producing varieties. PLoS One. 2014; 9(2): e86870. doi: 10.1371/journal.pone.0086870Wu Y, Wang Y, Mi XF, Shan JX, Li XM, Xu JL, et al. The QTL GNP1 encodes GA20ox1, which increases grain number and yield by increasing cytokinin activity in rice panicle meristems. PLoS genetics. 2016; 12(10): e1006386. doi: 10.1371/journal.pgen.1006386Hedden P. The genes of the Green Revolution. TRENDS in Genetics. 2003; 19(1):5-9. doi: 10.1016/ S0168-9525(02)00009-4Peng J, Richards DE, Hartley NM, Murphy GP, Devos KM, Flintham JE, et al. ‘Green revolution’ genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature. 1999; 400(6741):256-261. doi: 10.1038/22307Gallego-Giraldo C, Hu J, Urbez C, Gomez MD, Sun TP, et al. Role of the gibberellin receptors GID1 during fruit-set in Arabidopsis. The Plant Journal. 2014; 79(6):1020-1032. doi: 10.1111/tpj.12603Harberd NP, Belfield E, Yasumura Y. The angiosperm gibberellin-GID1-DELLA growth regulatory mechanism: how an “inhibitor of an inhibitor” enables flexible response to fluctuating environments. The Plant Cell. 2009; 21(5):1328-1339. doi: 10.1105/tpc.109.066969Murray MG, Thompson WF. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic acids research. 1980; 8(19):4321-4326. doi: 10.1093/nar/8.19.4321Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, et al. SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing. Journal of computational biology. 2012; 19(5):455-477. doi: 10.1089/cmb.2012.0021Zaharia M, Bolosky WJ, Curtis K, Fox A, Patterson D, Shenker S, et al. Faster and more accurate sequence alignment with SNAP. 2011. Available from: http://www.icsi.berkeley.edu/pubs/networking/ICSI_ fasterandmoreaccurate11.pdfNicholas KB, Nicholas HB. Genedoc: a tool for editing and annotating multiple sequence alignments. 1997. Available from: www.nrbsc.org/gfx/genedoc/index.htmlZhang R, Sun B, Chen J, Cao A, Xing L, Feng Y, et al. Pm55, a developmental-stage and tissue-specific powdery mildew resistance gene introgressed from Dasypyrum villosum into common wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2016; 129(10):1975-1984. doi: 10.1007/s00122-016-2753-8Sokolov PA, Krupin PY, Divashuk MG, Karlov GI. Using PLUG-markers to analyze the collection of soft wheat lines disomically complemented with Dasypyrum villosum chromosomes. Izvestiya of Timiryazev agricultural academy. 2017; (4):147–157. (In Russ).Соколов П.А., Крупин П.Ю., Дивашук М.Г., Карлов Г.И. Использование plug-маркеров для анализа коллекции дисомно дополненных линий мягкой пшеницы хромосомами Dasypyrum villosum // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2017. № 4. С. 147-157