The effect of allelic polymorphism of Ppd-A1 and Ppd-D1 genes on the yield of winter soft wheat under different cultivation technologies in the Orel region

Full Text

Обоснование

Мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) является одной из важнейших сельскохозяйственных культур, обеспечивающих продовольственную безопасность России и формирующих значительную долю её экспортного потенциала [1]. Увеличение валовых сборов зерна невозможно без создания сортов, адаптированных к разнообразным почвенно-климатическим условиям страны. Ключевым фактором адаптации выступают сроки цветения и созревания, которые определяют успешность прохождения растением вегетационного периода и избегание природных стрессоров. Генетический контроль времени цветения у пшеницы осуществляется сложной сетью взаимодействующих генов, среди которых главную роль играют локусы фотопериодической чувствительности (Ppd-1) и яровизации (Vrn-1) [2, 3].

Гены Ppd-1 – Photoperiod sensitivity (Pseudo Response Regulator, PRR), расположенные на хромосомах 2-й гомеологичной группы (2A, 2B, 2D), регулируют ответ растения на продолжительность светового дня [2]. Доминантные аллели этих генов (Ppd-A1a, Ppd-B1a, Ppd-D1a), возникшие в результате мутаций, снижают или устраняют чувствительность к короткому дню, что приводит к ускорению цветения. Рецессивные аллели (Ppd-A1b, Ppd-B1b, Ppd-D1b), напротив, обусловливают чувствительность к фотопериоду, задерживая цветение до наступления длинного дня [2, 4–7]. Распространение различных аллелей Ppd имеет чёткую географическую приуроченность: доминантный Ppd-D1a часто встречается в сортах Южной Азии и Китая, тогда как рецессивный Ppd-D1b характерен для европейских сортов [8–11]. Помимо влияния на сроки колошения, гены Ppd обладают плейотропными эффектами на компоненты продуктивности: массу 1000 зёрен [12], архитектонику корневой системы [5] число зёрен в колосе [13 – 15] и длину колоса [16, 17].

Гены яровизации Vrn-1 – Vernalization (локусы на хромосомах 5A, 5B, 5D) кодируют MADS-бокс транскрипционные факторы и определяют потребность растений в длительном воздействии низких положительных температур для перехода к цветению [3, 18, 19]. Доминантные аллели (Vrn-A1a, Vrn-B1a, Vrn-D1a) детерминируют яровой тип развития, при котором цветение наступает без яровизации, тогда как рецессивные аллели (vrn-A1, vrn-B1, vrn-D1) свойственны озимым формам, требующим холодовой индукции [3, 18, 19]. Совместное действие генов Vrn-1 с генами Vrn-2, Vrn-3 (FT) и Ppd-1 формирует сложную регуляторную сеть, интегрирующую сигналы температуры и фотопериода [4, 20]. Аллельный состав локусов Vrn также имеет географические закономерности [7, 10, 21] и оказывает косвенное влияние на урожайность через продолжительность вегетационного периода [21 – 23].

Важность выбора оптимального сочетания аллелей генов Vrn и Ppd для адаптации сортов к различным климатическим условиям возрастает в связи с изменением климата и увеличением частоты стрессовых факторов (засуха, жара, заморозки). Сроки колошения, контролируемые генами Ppd, играют критическую роль: слишком раннее цветение (например, под влиянием аллеля Ppd-D1a) повышает риск повреждения заморозками, а слишком позднее – приводит к попаданию фазы налива зерна в засушливый период, следовательно, необходим регионально-специфичный баланс [24, 25]. Эффект фотопериодически нечувствительных аллелей (Ppd-A1a, Ppd-B1a и Ppd-D1a) может существенно варьировать в зависимости от генетического фона (донора) [25] и технологии возделывания. Это подчёркивает необходимость учёта агротехнического фона при маркер-ориентированной селекции, особенно в странах с разнообразными климатическими условиями и разным уровнем интенсификации сельского хозяйства (например, США, Канада, Россия) [26].

Внедрение молекулярных маркеров в полевую селекцию повышает эффективность отбора ценных генотипов, развитие молекулярно-генетических методов, в частности высокопроизводительного генотипирования на основе KASP (Kompetitive Allele Specific PCR), позволяет эффективно идентифицировать аллельные варианты генов Ppd и Vrn и использовать полученную информацию в маркер-ориентированной селекции (MAS) [27, 28]. Это особенно актуально для признаков, сильно модифицируемых средой, таких как урожайность и её компоненты [6, 10, 29, 30]. Разработка и применение алгоритмов маркерной селекции для озимой пшеницы активно ведутся в последние годы [31]. Таким образом, становится возможным целенаправленно отбирать аллели нечувствительности к фотопериоду среди существующих сортов и внедрять их в целевой сорт.

Несмотря на обширные мировые данные о полиморфизме генов Ppd и Vrn, детальный анализ их аллельного состояния в современных селекционных пулах озимой пшеницы России с одновременной оценкой влияния выявленных генотипов на продуктивность в различных агротехнологических фонах до настоящего времени проведён не был. Актуальность такого исследования определяется необходимостью оптимизации подбора родительских форм для гибридизации и создания сортов с высоким адаптивным потенциалом и стабильной урожайностью.

Цель исследования

Целью настоящей работы являлось изучение аллельного полиморфизма генов Ppd-A1, Ppd-B1, Ppd-D1, Vrn-A1, Vrn-B1 и Vrn-D1 в коллекции озимой мягкой пшеницы АО «Щёлково Агрохим» и оценка влияния выявленных аллельных вариантов на урожайность в условиях различных технологий выращивания.

Методы

Дизайн исследования

Растительный материал. В работе использовалась коллекция мягкой озимой пшеницы (61 образец), предоставленная АО «Щёлково Агрохим» (Приложение 1).

Выделение ДНК. Выделение ДНК проводили в трёхкратной повторности из 4-дневных проростков пшеницы методом СТАБ [32] с целью выявления наличия или отсутствия гетерозиготных и гетерогенных образцов среди исследуемых генотипов.

Генотипирование. Для определения аллелей использовали KASP-маркеры: Vrn 9k-0001 и Vrn1_new — для Vrn-A1, Ppd-A1_1 — для Ppd-A1, Ppd-D1 — для Ppd-D1 (таблица 1); а также классическую ПЦР с праймерами: Intr1/B/F-Intr1/B/R3 и Intr1/B/F-Intr1/B/R4 — для Vrn-B1, Intr1/D/F-Intr1/D/R4 и Intr1/D/F-Intr1/D/R3 — для Vrn-D1, TaPpd-B1proinF1-TaPpd-B1proinR1 — для Ppd-B1 (таблица 2).

KASP ПЦР проводили в 96-луночном планшете. ПЦР-смесь объемом 10 мкл содержала 5 мкл Master mix KBS-1050-102 с присутствием красителей FAM, HEX, ROX («LCG Biosearch Technologies», Ходдесдон, Лондон, Великобритания), 1,5 пМ аллель-специфических праймеров и 3,75 пМ общего праймера, 5 мкл матричной ДНК (50 нг). Протокол амплификации 94° С - 15 мин, 10 циклов: 94° С - 20 сек, 61° С - 60 сек (со снижением температуры с каждым циклом на 0,6° С), 94° С - 30 сек, 35 циклов: 94° С - 20 сек, 55° С - 60 сек, считывание сигнала 37° С в течение 60 сек. ПЦР проводили в BIO-RAD CFX96 («Bio-Rad Laboratories, Inc.», Калифорния, США) с использованием программного обеспечения Bio-Rad CFX Manager 3.1.

Реакцию ПЦР проводили в 96-луночных планшетах (SSIbio, 3400-00, Калифорния, США), покрытых пленкой (Corning Incorporated (Axygen), PCR-TS, CyclerSeal Sealing Film, Корнинг, Нью-Йорк, США). Реакционная смесь имела объём 25 мкл, с присутствием 70 мМ буфера Tris–HCl (pH 8,6), 16,6 мМ (NH4)2SO4, 2,5 мМ MgCl2, 0,2 мМ каждого dNTP, 0,3 мМ прямого и обратного праймеров, 1,25 ед. окрашенной Taq-полимеразы (ООО Silex, Москва, Россия) и 100 нг ДНК-матрицы. Реакцию ПЦР проводили в приборе (T 100, Thermal Cycler. Bio-Rad, Калифорния, США). Температура отжига праймеров использовалась в соответствии с рекомендациями авторов молекулярных маркеров (таблица 2).

Продукты ПЦР разделяли в 1,5% агарозном геле в буфере TBE с использованием маркера молекулярного веса М-100 (ООО НПФ Синтол, Москва, Россия) и окрашивали бромистым этидием для последующей визуализации в Gel Doc XR+ (Bio-Rad Laboratories, Inc., Геркулес, Калифорния, США).

Климатические условия региона возделывания. Отмечены существенные колебания погодных условий за четыре сельскохозяйственных года (2020/2021-2023/2024). Наиболее суровой была зима 2020/2021 (февраль -9,9°C), тогда как сентябрь 2021 года характеризовался рекордными осадками (40 мм), а сентябрь 2023 года - их полным отсутствием. Снежный покров зимой 2020/2021 был мощным и сухим (до 28 см), а в 2023/2024 - мощным, но влажным (до 27,9 см), создавая разные риски для растений. Сумма активных температур (>10°C) достигла максимума в 3075.7°C в 2023/2024 и минимума в 2343°C в 2021/2022, при годовом количестве осадков от 517 мм до 779 мм. Эта высокая изменчивость обеспечивает достаточное разнообразие условий для оценки реакции сортов на экстремальные погодные явления (таблица 3, рисунки 1 – 4).

Условия проведения исследования

 Образцы коллекции озимой мягкой пшеницы АО «Щёлково Агрохим» выращивали в Орловской области (широта 52.9319, долгота 36.0189, высота 194 м) в 2021–2024 гг. Во все годы использовали три технологии: «Высоких урожаев (Максимальных возможностей)», «Традиционная» и «Щёлково Агрохим (оптимальных решений)». Дополнительно в 2021 году применяли также четвёртую технологию — «Высокоинтенсивных сортов». Для растений были получены данные об урожайности на разных вариантах выращивания.

Для оценки влияния погодных условий на формирование урожая озимой пшеницы был проведён анализ метеорологических данных за период с августа 2020 года по август 2024 года. В основу анализа легли четыре полных агрономических года, соответствующих биологическому циклу культуры от посева до уборки урожая (таблица 4).

Посев производился с помощью сеялки Клен - 1,5 (Россия, г. Луганск).  Площадь делянки составляла 63 м² и имела параметры: ширина 3 м, длина 21 м. Ширина междурядий установлена на 15 см, глубина заделки семян находилась на уровне 3-5 см. В качестве стандартов выступали сорта: 'Московская 39', 'Скипетр' и 'Гром'.

Образцы озимой мягкой пшеницы выращивались на полях АО «Щёлково Агрохим» в 2020-2021, 2021-2022, 2022-2023, 2023-2024 годах. В качестве основной обработки применялось комплексное удобрение из азота, фосфора и калия NPK(S) (N5:P17:K36:S2, 700 кг/га), затем вид удобрения менялся в зависимости от технологии выращивания. Сульфат аммония (150 кг/га) и ЖКУ 11-37 (100 кг/га) использовались осенью (фаза кущения) при технологии «Высоких урожаев» и не применялись в технологии «Щёлково Агрохим» и «Традиционной». Весной вносилась аммиачная селитра (150 кг/га) и КАС-32 (150 кг/га) (при возобновлении весенней вегетации) во всех технологиях выращивания и сульфат аммония (150 кг/га) (фаза весеннего кущения) только в технологии «Высоких урожаев». ЖКУ 11-37 вносился по 100 кг/га в технологии «Высоких урожаев» и по 50 кг/га в технологии «Щёлково Агрохим» (фаза выхода в трубку, 1–2-е междоузлие). Сульфат магния (10 кг/га) вносился в технологии «Высоких урожаев» и «Щёлково Агрохим» (фаза выхода в трубку). Карбамид (20 кг/га) применялся в технологии «Высоких урожаев» и (30 кг/га) в технологии «Щёлково Агрохим» (фаза флагового листа). При летней обработке был использован карбамид два раза по 20 кг/га в технологии «Щёлково Агрохим» (фаза колошения, и начала налива зерна), в технологии «Высоких урожаев» его использовали 3 раза: первый раз (10 кг/га) (фаза колошения) и следующие два (по 20 кг/га) (фаза цветения и начала налива зерна). Сульфат магния вносился (10 кг/га) один раз в технологии «Щёлково Агрохим» (фаза колошения) и два раза в технологии «Высоких урожаев» (фаза колошения и цветения).

Статистические процедуры

Запланированный размер выборки. Размер выборки предварительно не рассчитывали.

Статистические методы. Для каждого изученного признака были рассчитаны средние значения и доверительный интервал при уровне значимости 0,01. Статистическую оценку данных проводили с использованием однофакторного и двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA), для оценки влияния генов и их взаимодействия на урожайность использовали общую линейную модель (GLM). Статистическая модель включала основные инвариантные эффекты генотипа в Ppd-A1, генотипа в Ppd-D1, года, сорта растения, технологии выращивания, и взаимодействия этих факторов. Попарные сравнения средних выполняли по методу наименьших квадратов с использованием критерия наименьшей значимой разницы Фишера (Fisher least significant difference – LSD) при уровне значимости p < 0,05. Все расчёты проведены с использованием программного пакета Statistica 12.

Результаты

Основные результаты исследования

Генотипирование. В результате генотипирования 61 образца озимой мягкой пшеницы было установлено, что все изученные сорта, за исключением одного (Зодиак), несут рецессивные (озимые) аллели генов vrn-A1, vrn-B1 и vrn-D1 (рисунки 5, 6, 7). Отсутствие полиморфизма по данным локусам не позволило оценить их влияние на урожайность в рамках данной коллекции.

Анализ генов фотопериодической чувствительности выявил различную степень полиморфизма. По локусу Ppd-B1 все изученные образцы оказались мономорфны и несли аллель чувствительности к фотопериоду Ppd-B1b. Напротив, для генов Ppd-A1 и Ppd-D1 был обнаружен полиморфизм. Аллель нечувствительности к фотопериоду Ppd-A1a идентифицирован у 11 сортов, тогда как аллель Ppd-D1a встречался значительно чаще – 41 образец. У части сортов (2 по локусу Ppd-D1) наблюдалось гетерозиготное состояние, которые их исключили из расчетов.

Статистический анализ. Дисперсионный анализ (ANOVA) выявил достоверное влияние генов Ppd-A1, Ppd-D1 и технологии возделывания на урожайность озимой пшеницы, однако степень и характер этого влияния однако степень и характер этого влияния были неодинаковы в разные годы, а также различались в зависимости от локуса (р < 0,001) (таблицы 5,6).

В 2021 году вклад локуса Ppd-D1 в общую изменчивость урожайности составил 5,88% (F = 12,25; p < 0,001), тогда как влияние технологии достигло 14,01% (F = 10,64; p < 0,001). Для локуса Ppd-A1 эффект был ниже, но также статистически значим: 2,88% (F = 5,81; p = 0,017). Взаимодействие аллельных вариантов изучаемых локусов с технологией возделывания в этот год не было достоверным (p > 0,05), что указывает на независимый вклад изучаемых факторов.

При объединённом анализе данных за 2022–2024 гг. влияние гена Ppd-D1 сохраняло высокую достоверность (F = 18,65; p < 0,001), тогда как эффект Ppd-A1 не достигал уровня значимости (p = 0,29). Это подтверждает ведущую роль локуса Ppd-D1 в контроле продуктивности в условиях данного региона.

Сравнительный анализ средних значений (тест LSD, p < 0,05) позволил количественно оценить преимущество нечувствительных аллелей.

Для гена Ppd-A1: достоверное преимущество аллеля Ppd-A1a зафиксировано только в 2021 году в технологии «Высокоинтенсивных сортов», где растения с нечувствительным аллелем сформировали урожайность 85,8 ц/га, что на 5,46% выше, чем у носителей Ppd-A1b (80,3 ц/га; p < 0,05). В остальные годы и на других технологических фонах эффект Ppd-A1a был статистически незначим (p > 0,05). В 2024 году технология «Высоких урожаев» показала, что она не обеспечивает высокую урожайность среди носителей Ppd-A1a/ PpdA1b: -6,68% (92,0 ц/га против 98,7 ц/га) соответственно. Скорее всего, это связано с количеством высеваемых сортов, входящих в выборку, и составивших всего 3 сорта в этом году, а также с чрезвычайно высокой температурой в сезоне 2023/2024 (3075,7 °C – максимальный период наблюдений). Это, вероятно, ускорило прохождение фенологических стадий у растений с Ppd-A1a, что привело к сдвигу периода формирования зерна в неблагоприятные условия (высокие температуры и/или пересыхание почвы). Похожий эффект аллеля Ppd-A1a был замечен и в другом исследовании [33].

Для гена Ppd-D1: при технологии «Высоких урожаев» носители аллеля Ppd-D1a стабильно превосходили по урожайности генотипы с аллелем Ppd-D1b во все годы исследований. Наибольшая прибавка урожайности зафиксирована в 2024 году, где урожайность составила 102,0 ц/га против 91,30 ц/га у чувствительных генотипов, что соответствует преимуществу в 10,7% (p < 0,05). В 2022 году преимущество Ppd-D1a в этой же технологии составило 7,4% (108,6 ц/га против 101,2 ц/га; p < 0,05), а в 2023 году – 9,0% (102,0 ц/га против 90,0 ц/га; p < 0,05) (рисунок 8, таблица 7). Таким образом, результаты подтверждают, что аллель Ppd-D1a является основным драйвером повышения урожайности в изученной коллекции, тогда как вклад Ppd-A1a проявляется эпизодически и сильно зависит от условий внешней среды и технологического фона. Выявленные отрицательные эффекты в отдельные годы подчёркивают необходимость учёта климатических рисков при работе с данными аллелями в селекционных программах.

Влияние технологий и условий среды. Независимо от аллельного состава генов Ppd, технология «Высоких урожаев» обеспечивала стабильно и достоверно более высокую урожайность по сравнению с другими изученными технологическими фонами во все годы испытаний. В то же время, продуктивность сортов в технологиях «Традиционная» и «Щёлково Агрохим» в отдельные годы значимо не различалась между собой, что указывает на определяющую роль уровня интенсификации.

ОБСУЖДЕНИЕ

Резюме результатов исследования

Проведённое нами исследование представляет собой первый детальный анализ аллельного полиморфизма ключевых генов системы цветения (Ppd-1 и Vrn-1) в современной селекционной коллекции озимой мягкой пшеницы АО «Щёлково Агрохим» и оценку их влияния на продуктивность в различных агротехнологических условиях Центрального региона России.

Интерпретация результатов исследования

Аллельный состав генов Vrn-1 и Ppd-1: обнаруженное практически полное доминирование рецессивных (озимых) аллелей по всем трём локусам Vrn-1 (за исключением сорта Зодиак) является ожидаемым и закономерным для коллекции озимых форм [3, 18]. Это подтверждает адаптированность изученных генотипов к условиям осеннего посева и необходимости прохождения стадии яровизации. Единичный случай наличия ярового аллеля Vrn-D1a у сорта Зодиак может указывать на особенности его генетического происхождения и потенциально влиять на его реакцию на сроки посева, что требует дополнительного изучения [19, 21], однако в рамках данного эксперимента не позволило провести сравнительный анализ из-за отсутствия полиморфизма.

Напротив, выявленный полиморфизм по генам Ppd-A1 и Ppd-D1 представляет наибольший интерес. Высокая частота встречаемости нечувствительного к фотопериоду аллеля Ppd-D1a (41 сорт) в изученной коллекции отражает общемировую тенденцию его широкого распространения в селекционных программах, особенно в регионах с умеренным климатом [8–11]. Это, вероятно, связано с его плейотропным положительным влиянием не только на сокращение времени до цветения, но и на потенциальную продуктивность, что согласуется с данными других исследователей [5, 13–15]. Значительно более низкая доля генотипов с аллелем Ppd-A1a (11 сортов) может объясняться его более поздней интрогрессией в европейский генофонд или наличием нежелательных сцеплений с другими локусами, что требует дальнейшего изучения [16]. Отсутствие полиморфизма по Ppd-B1 (чувствительный аллель у всех сортов) позволяет предположить, что в условиях Центральной России данный локус либо не подвергался интенсивному отбору, либо его аллель нечувствительности к фотопериоду Ppd-B1a не даёт селективного преимущества в текущих климатических условиях [6, 7].

Роль локуса Ppd-D1: доминантный аллель Ppd-D1a проявил себя как мощный и стабильный фактор повышения урожайности, особенно в условиях интенсивной технологии «Высоких урожаев». Это подтверждает его ключевую роль в адаптации растений к условиям длинного дня и оптимизации сроков прохождения фенологических фаз [3, 6]. Можно предположить, что ускоренное развитие под влиянием Ppd-D1a позволяет растениям эффективнее использовать ресурсы ранневесеннего периода и избежать воздействия поздневесенних или раннелетних стрессоров (например, засухи), что в конечном итоге способствует формированию более высокой зерновой продуктивности [15, 25]. Более слабое и незначимое проявление его эффекта в менее интенсивных технологиях «Традиционная» и «Щёлково Агрохим», это хорошо видно при сравнении урожайности на (рисунке 8Б), указывает на то, что реализация генетического потенциала, заложенного в этом аллеле, требует оптимального минерального питания и защиты растений. В условиях лимитирующих факторов среды его преимущество может нивелироваться [6].

Сезон 2022 года характеризовался уникальным сочетанием погодных условий: максимальной годовой суммой осадков (777 мм) и минимальной за исследуемый период суммой активных температур (2343 °C), что в целом создало относительно прохладный и влажный фон (таблицы 3). В этих условиях аллель Ppd-D1a не реализовал своего преимущества по урожайности на менее интенсивных технологических фонах. Так, в технологиях «Щёлково Агрохим» и «Традиционная» носители чувствительного аллеля Ppd-D1b показали более высокую урожайность — на 3,57% и 3,55% соответственно — по сравнению с генотипами, несущими Ppd-D1a (таблица 7). Однако данные различия не достигли статистической значимости (p > 0,05).

Предположительно, это связано с тем, что нечувствительный к фотопериоду аллель Ppd-D1a ускоряет переход к цветению, сокращая фазу вегетативного роста, что согласуется с литературными данными [2, 33]. При недостаточном уровне минерального питания (технологии «Щёлково Агрохим» и «Традиционная») раннее начало генеративной стадии не было компенсировано ресурсами, что привело к снижению продуктивности. Напротив, в условиях интенсивной технологии «Высоких урожаев», где минеральное питание было усилено, растения с аллелем Ppd-D1a смогли полностью реализовать свой потенциал и сформировали достоверно более высокую урожайность.

Зафиксированная межгодовая вариабельность продуктивности, особенно в отношении аллеля Ppd-A1a, подчёркивает важность взаимодействия «генотип-среда» [4, 7, 26]. Анализ метеорологических данных выявил существенные различия по температурному режиму, количеству осадков и характеру снежного покрова за годы исследований. Так, годы с экстремально высокими (2023/2024) или низкими (2021/2022) суммами активных температур могли по-разному влиять на скорость развития растений с различными аллелями Ppd, что в конечном итоге отражалось на их продуктивности [4, 25]. Выявленная разнонаправленность эффекта аллеля Ppd-D1a в зависимости от года и технологии возделывания указывает на наличие сложного взаимодействия «генотип – среда», где под средой понимаются как погодные условия, так и агротехнологический фон. Данный феномен находится в фокусе современных селекционных исследований, поскольку его понимание необходимо для создания сортов с высокой адаптивностью не только к климатическим условиям, но и к конкретным уровням интенсификации производства.

Практическая значимость и перспективы: полученные данные имеют непосредственное практическое значение для селекции. Подтверждена высокая эффективность использования KASP-маркеров для скрининга аллельного состава генов Ppd в селекционном материале [27, 28, 31]. Выявленное преимущество генотипов, сочетающих оба нечувствительных аллеля (Ppd-A1a/Ppd-D1a), с возможностью достижения ими максимальной продуктивности, позволяет рекомендовать данные аллели в качестве целевых при создании новых высокопродуктивных сортов озимой пшеницы, адаптированных к интенсивным технологиям возделывания в условиях Центрального региона России. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение вклада этих аллелей в отдельные компоненты продуктивности (масса 1000 зёрен, озернённость колоса) и их взаимодействие с другими генами, контролирующими адаптационный потенциал и качество зерна [12–14, 16, 17].

Таким образом, полученные результаты подчёркивают, что использование аллелей Ppd-A1a и Ppd-D1a является эффективной стратегией для создания высокопродуктивных сортов озимой пшеницы, адаптированных к интенсивным технологиям возделывания в Центральном регионе России. Однако её эффективность зависит от комплекса факторов, включая климатические условия года и уровень агротехнологического фона, что необходимо учитывать при планировании селекционных программ.

Вклад генов Ppd в формирование продуктивности: наши результаты убедительно демонстрируют, что наличие нечувствительных к фотопериоду аллелей генов Ppd ассоциировано с более высокой урожайностью, однако степень и стабильность этого эффекта существенно различаются между локусами Ppd-A1 и Ppd-D1.

Роль локуса Ppd-A1: влияние аллеля Ppd-A1a на урожайность носило менее выраженный и более вариабельный характер. Хотя в целом прослеживалась тенденция к его положительному эффекту, статистически значимые различия фиксировались лишь в отдельные годы и преимущественно в технологии «Высоких урожаев». Это может быть связано с несколькими причинами. Во-первых, меньшая представленность этого аллеля в выборке (4 - 8 сортов) снижает мощность статистического анализа. Во-вторых, эффект Ppd-A1a может быть сильнее модифицирован условиями внешней среды, особенно температурным режимом и влагообеспеченностью в критические фазы развития [25, 33]. Например, мы отметили наблюдаемое в 2024 году снижение урожайности у носителей Ppd-A1a в технологии «Высоких урожаев», но было всего 3 сорта, а также статистический анализ показал незначимое влияние (рисунок 8А, таблица 7) по сравнению с носителями Ppd-A1b, что может быть связано с аномальными погодными условиями, которые по-разному повлияли на сорта с разными сроками цветения [25]. В-третьих, возможно, что вклад Ppd-A1a в архитектонику растений и распределение ассимилятов менее значим, чем у Ppd-D1a [5, 13].

Высокое стандартное отклонение для Ppd-A1a в технологии «Высоких урожаев» в 2024 г. (±47,78 ц/га) обусловлено малым числом образцов (n=3) и значительным разбросом индивидуальных значений (от 70,5 до 104,2 ц/га). Это подчёркивает необходимость учитывать ограниченность выборки при оценке эффекта данного аллеля.

Ограничения исследования

Следует отметить некоторые ограничения настоящего исследования. Количество генотипов, несущих аллель нечувствительности к фотопериоду Ppd-A1a, составило всего (4-8) образцов, что снижает статистическую мощность анализа и требует осторожности при интерпретации результатов. Для получения более надёжных выводов целесообразно проведение дальнейших исследований на расширенных выборках.

Заключение

Впервые на коллекции озимой мягкой пшеницы (61 образец) селекции АО «Щёлково Агрохим» изучен аллельный полиморфизм генов Vrn-1 и Ppd-1. Все сорта, кроме одного (Зодиак), несут рецессивные (озимые) аллели Vrn-A1, Vrn-B1 и Vrn-D1. По Ppd-B1 все образцы мономорфны (Ppd-B1b). Нечувствительный к фотопериоду аллель Ppd-A1a выявлен у 11 сортов, Ppd-D1a – у 41 сорта. Наличие этих аллелей в большинстве случаев ассоциировано с более высокой урожайностью, причём вклад локуса Ppd-D1 более стабилен и выражен. Эффект зависит от года и технологии возделывания, что указывает на значимость взаимодействия «генотип – среда – агротехника». Полученные результаты подтверждают целесообразность использования молекулярных маркеров для отбора генотипов с Ppd-A1a и Ppd-D1a при создании высокопродуктивных сортов озимой пшеницы.

Таблицы

Таблица 1. Последовательности использованных KASP праймеров

 

Название гена		Название праймера	Аллель	5`-3`	Ссылка
Ppd-A1	Ppd-A1_1		Sensitive	gaaggtgaccaagttcatgct CATTAGTTTCTTTTGGTTTCTGGCA	[34]
			Insensitive	gaaggtcggagtcaacggatt CAATCAGATCAGCAGCTCGAAC
				CCTGAAGTCAGAGATATGCAGCAAC
Ppd-D1	Ppd-D1		Insensitive	gaaggtgaccaagttcatgctCAAGGAAGTATGAGCAGCGGTT	[2]
			Sensitive	gaaggtcggagtcaacggattAAGAGGAAACATGTTGGGGTCC
				GCCTCCCACTACACTGGGC
Vrn-A1	Vrn-A1_9K0001		Winter	gaaggtgaccaagttcatgctAGAGTTTTCCAAAAAGATAGATCAATGTAAAT	[35]
			Spring	gaaggtcggagtcaacggattGAGTTTTCCAAAAAGATAGATCAATGTAAAC
				GTTAGTAGTGATGGTCCAATAATGCCAAA
Vrn-A1	Vrn1_new		Short vernalization	gaaggtgaccaagttcatgctCAACTCCTTGAGATTCAAAGATTCAAG	[35]
			Long vernalization	gaaggtcggagtcaacggattGCAACTCCTTGAGATTCAAAGATTCAAA
				CATCCTGCATCTGCAGGCATCTC

Примечание: жирным курсивом отмечены последовательности для красителей FAM и HEX.

 

Таблица 2. Последовательности использованных праймеров для классической ПЦР

 

Название праймера	Последовательности праймера	Ожидаемый фрагмент	Ссылка
Vrn-B1	Intr1/B/F ATCATCTTCTCCACCAAGGG Intr1/B/R3 CTCATGCCAAAAATTGAAGATGA	Vrn-B1 – 709 п.н.; vrn-B1 не амплифицируется	[18, 27]
	Intr1/B/F CAAGTGGAACGGTTAGGACA Intr1/B/R4CAAATGAAAAGGAATGAGAGCA	vrn-B1 – 1149 п.н.; Vrn-B1 не амплифицируется	[3]
Vrn-D1	Intr1/D/F GTTGTCTGCCTCATCAAATCC Intr1/D/R4 AAATGAAAAGGAACGAGAGCG	vrn-D1 – 997 п.н.; Vrn-D1 не амплифицируется	[3]
	Intr1/D/F GTTGTCTGCCTCATCAAATCC Intr1/D/R3 GGTCACTGGTGGTCTGTGC	Vrn-D1 – 1671 п.н.; vrn-D1 не амплифицируется	[3]
Ppd-B1	TaPpd-B1proinF1 CAGCTCCTCCGTTTGCTTCC TaPpd-B1proinR1 CAGAGGAGTAGTCCGCGTGT	Чувствительность к фотопериоду – 312 п.н.	[36]

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. Сумма активных температур (>10°C) и осадков за четыре агрономических года

Начало агрономического года	Конец агрономического года	Сумма активных температур (>10°C)	Годовые суммы осадков	Примечание
авг.20	июл.21	2910,0°C	517 мм	Минимальное значение осадков за период наблюдений
авг.21	июл.22	2343°C	777 мм	Минимальное значение суммы активных температур за период наблюдений
авг.22	июл.23	2551,6°C	702 мм	-
авг.23	июл.24	3075,7°C	779 мм	Максимальное значение суммы активных температур и осадков за период наблюдений

 

 

Таблица 4. Биологический цикл культуры от посева до уборки урожая

 

Год урожая	Начало агрономического года	Конец агрономического года
2021	Август 2020	Июль 2021
2022	Август 2021	Июль 2022
2023	Август 2022	Июль 2023
2024	Август 2023	Июль 2024

 

Таблица 5. Результаты дисперсионного анализа (ANOVA), влияния генов Ppd-A1, Ppd-D1 на урожайность озимой пшеницы в 2021 году

 

Source	SS	Degr. of	MS	F	p
Intercept	585622,5	1	585622,5	11179,07	<0,001
Ppd-A1	304,4	1	304,4	5,81	0,016845
Технология	1232,4	3	410,8	7,84	0,000057
Ppd-A1*Технология	34,4	3	11,5	0,22	0,883310
Error	10267,6	196	52,4
Intercept	972688,9	1	972688,9	19155,16	<0,001
Технология	1621,0	3	540,3	10,64	0,000002
Ppd-D1	622,2	1	622,2	12,25	0,000575
Технология*Ppd-D1	31,4	3	10,5	0,21	0,892060
Error	9952,8	196	50,8

 

Таблица 6. Результаты дисперсионного анализа (ANOVA), влияния генов Ppd-A1, Ppd-D1 на урожайность озимой пшеницы по годам (2022-2024)

 

Source	SS	Degr. of	MS	F	p
Intercept	1394372	1	1394372	17973,36	<0,001
Технология	10777	2	5388	69,46	<0,001
Год	12568	3	4189	54,00	<0,001
Ppd-A1	87	1	87	1,12	0,290627
Технология*Год	2920	6	487	6,27	0,000002
Технология*Ppd-A1	2	2	1	0,01	0,989007
Год*Ppd-A1	130	3	43	0,56	0,641695
Технология*Год*Ppd-A1	252	6	42	0,54	0,776055
Error	34911	450	78
Intercept	2917905	1	2917905	40915,53	<0,001
Технология	21889	2	10945	153,47	<0,001
Год	25139	3	8380	117,50	<0,001
Ppd-D1	1330	1	1330	18,65	0,000019
Технология*Год	5397	6	899	12,61	0,000000
Технология*Ppd-D1	935	2	467	6,55	0,001567
Год*Ppd-D1	851	3	284	3,98	0,008155
Технология*Год*Ppd-D1	497	6	83	1,16	0,325890
Error	32092	450	71

 

 

 

 

 

Таблица 7. Средние значения (стандартное отклонение) урожая за четыре года для четырех методов выращивания с учетом влияния различных аллелей Ppd-A1 и Ppd-D1

 

Год и технология		Ppd-A1					Ppd-D1
		a	К.с.	b	К.с.	a-b	a	К.с.	b	К.с.	a-b
		Станд.отклон.		Станд.отклон.		a vs. b %	Станд.отклон.		Станд.отклон.		a vs. b %
2021	I	80,66 (ac)	7	77,75 (c)	44	2,91	79,34 (ab)	36	75,31 (bcde)	15	4,03
		±5,40		±7,79		3,75	± 8,15		±4,88		5,35
	II	75,83 (bc)	8	72,26 (b)	44	3,57	73,65 (cde)	37	70,60 €	15	3,05
		±4,79		± 7,52		4,94	±7,75		5,61		4,32
	III	76,23 (bc)	7	73,96 (b)	44	2,27	75,18 (cd)	35	72,09 (de)	16	3,09
		±6,30		±6,82		3,07	±7,27		±4,64		4,29
	IV	85,79 (a)	7	80,33 (ac)	44	5,46	82,59 (a)	36	77,43 (bc)	15	5,16
		±4,93		±7,72		6,8	±7,98		±5,20		6,66
2022	I	109,21 (a)	7	104,98 (a)	38	4,23	108,60 (a)	27	101,21 (b)	18	7,39
		±7,00		±10,85		4,03	±10,03		±9,56		7,3
	II	91,61 (bc)	7	89,03 (d)	27	2,58	88,01 (cdef)	38	91,56 (cd)	18	-3,55
		±9,02		±8,79		2,9	±9,10		±8,04		-3,88
	III	85,39 (cdef)	7	86,77 (cde)	38	-1,38	85,12 (ef)	27	88,69 (cdef)	18	-3,57
		±8,23		±8,55		-1,59	±8,57		±7,95		-4,03
2023	I	101,70 (ab)	4	97,85 (b)	32	3,85	102,03 (b)	21	93,03 (c)	15	9
		±5,40		±12,36		3,93	±9,2		±13,29		9,67
	II	86,46 (cdef)	4	84,28 (cef)	31	2,18	83,55 (fg)	21	85,89 (def)	14	-2,34
		±6,07		±7,08		2,59	±7,76		±5,70		-2,72
	III	76,49 (fg)	4	75,19 (g)	32	1,3	75,50 (hi)	21	75,11 (hi)	15	0,39
		±1,57		±7,53		1,73	±6,67		±7,93		0,52
2024	I	91,98 (bcde)	3	98,66 (b)	16	-6,68	102,01 (b)	23	91,30 (cde)	10	10,71
		±47,78		±11,96		-6,77	±8,40		±14,92		11,73
	II	73,25 (fg)	3	75,65 (g)	24	-2,56	78,01 (gh)	30	71,52 (hi)	19	6,49
		±8,42		±8,28		-3,38	±5,09		±10,54		9,07
	III	78,19 (def)	3	74,36 (g)	23	3,83	78,00 (gh)	16	69,69 (i)	10	8,31
		±5,67		±10,44		5,15	±7,51		±11,68		11,92

Примечание. Статистический анализ проведён отдельно для 2021 г. (с учётом всех четырёх технологий) и для 2022–2024 гг. (с учётом трёх технологий: «Высоких урожаев», «Традиционная», «Щёлково Агрохим»).

*Разные буквенные обозначения (a, b, c … ) в пределах каждой из указанных групп лет указывают на статистически значимые различия между средними значениями урожайности для разных генотипов (тест LSD Фишера, p < 0,05).

*Относительный эффект аллелей рассчитан по формуле: ((значение для аллеля a − значение для аллеля b) / значение для аллеля b) × 100%, где a – нечувствительный аллель, b – чувствительный аллель.

*К.с. : Количество сортов.

Высоких урожаев – I; Традиционная – II; Щёлково Агрохим – III; Высокоинтенсивных сортов – IV.

Рис. 1 Среднемесячная температура воздуха (август–декабрь 2020, январь–декабрь 2021–2024)

Рис. 2 Сумма активных температур (>10 °C) по годам (2020–2024)

Рис. 3 Месячные суммы осадков (мм)

Рис. 4 Характеристики снежного покрова и процент дней c влажным снегом

Рис. 5. Диаграмма результатов генотипирования с применением KASP маркеров по генам Ppd-A1, Ppd-D1 и Vrn-A1. (А) Оранжевые точки, аллель Ppd-A1b; синие точки, аллель Ppd-A1a; зеленые точки гетерозиготы. (Б) Оранжевые точки – аллель Ppd-D1b; синие точки – аллель Ppd-D1a; зеленые точки гетерозиготы. (В) Оранжевые точки – озимый аллель vrn-A1.  Черные точки обозначают отрицательный контроль (вода).

Рис. 6. Визуализация результатов генотипирования по гену Vrn-B1, при использовании пары праймеров Intr1/B/F +Intr1/B/R4 (A) размер целевого фрагмента 1149 п. н. для аллеля vrn-B1 и Vrn-B1 не амплифицируется; (Б) пара праймеров Intr1/B/F +Intr1/B/R3 размер целевого фрагмента 709 п. н.  для аллеля Vrn-B1 и vrn-B1 не амплифицируется. Дорожки: (А) 1,9 – 'Магант'; 2,10 – 'Алексеич'; 3,11 – 'Зодиак'; 4,12 – 'Нива Дона'; 5,13 – 'Граф'; 6,14 – 'Тимирязевская 150'; 7,15 – 'Вольный Дон', наличие vrn-B1, 8– вода; 16 – (контроль аллель Vrn-B1) 'Паллада'; 17 – (контроль аллель vrn-B1) 'Велена', (Б) аналогично, кроме 16 –'Велена'; 17 –'Паллада'; М – маркер молекулярного веса М 100-1000.

Рис. 7. Визуализация результатов генотипирования по гену Vrn-D1, при использовании пары праймеров Intr1/D/F + Intr1/D/R4 размер целевого фрагмента 997 п. н. для аллеля vrn-D1 и Vrn-D1 не амплифицируется. Наличие vrn-D1 дорожки: 1,9 – 'Магант'; 2,10 – 'Алексеич'; 4,12 – 'Нива Дона'; 5,13 – 'Граф'; 6,14 – 'Тимирязевская 150'; 7,15 – 'Вольный Дон'; наличие Vrn-D1 дорожки: 3,11 – 'Зодиак'; 8 – вода, 16 – (контроль Vrn-D1) 'Велена', М – маркер молекулярного веса 100-1000 п.н.

Рис. 4. Влияние аллелей генов Ppd-A1 (А) и Ppd-D1 (Б) на урожайность сортов озимой мягкой пшеницы в зависимости от технологии возделывания. Приведены средние данные за 2022–2024 гг. (Орловская область). Разные буквы над столбцами указывают на статистически значимые различия между аллельными классами в пределах каждой технологии (p < 0,05, тест LSD).

About the authors

Malak Alkubesi

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology; Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Author for correspondence.
Email: angel.malak.394@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4606-5654
SPIN-code: 2526-7738

младший научный сотрудник лаборатории генетических технологий и молекулярного сопровождения селекции зерновых и зернобобовых культур

Russian Federation, 127550, Россия, Москва, улица Тимирязевская, 42.

Pavel Yuryevich Kroupin

All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Biotechnology

Email: pavelkroupin1985@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6858-3941
SPIN-code: 3228-1320
Russian Federation, 127550, Россия, Москва, улица Тимирязевская, 42.

Anastasiya Gennadyevna Chernook

All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Biotechnology

Email: irbis-sibri@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8793-1742
SPIN-code: 4256-9031
Russian Federation, 127550, Россия, Москва, улица Тимирязевская, 42.

Valentina Mikhailovna Popova

JSC “Shchelkovo Agrochem”; V.R. Williams Research Institute of Crop Production,

Email: titova.vm2707@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-2981-1187
SPIN-code: 1044-9138
Russian Federation

Valentina Nikolaevna Deeva

NPO Betagran Seeds LLC, Dobry settlement; Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin

Email: milana-milann@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-4399-8519
SPIN-code: 9788-4615
Russian Federation

Alexander Ivanovich Pryanishnikov

JSC “Shchelkovo Agrochem”

Email: a_pryan@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-1467-5960
SPIN-code: 1873-5188
Russian Federation

Salis Dobayevich Karakotov

JSC “Shchelkovo Agrochem”

Email: info@betaren.ru
ORCID iD: 0000-0001-7062-4386
SPIN-code: 5004-0582
Russian Federation

Elena Aleksandrovna Vertikova

Russian State Agrarian University – K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: vertikova@rgau-msha.ru
ORCID iD: 0000-0003-2457-7253
SPIN-code: 5071-0494
Russian Federation

Gennady Ilyich Karlov

All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Biotechnology

Email: iab@iab.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-9016-103X
SPIN-code: 7043-2727
Russian Federation, 127550, Россия, Москва, улица Тимирязевская, 42.

Mikhail Georgievich Divashuk

All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Biotechnology

Email: divashuk@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6221-3659
SPIN-code: 8314-5270
Russian Federation

References

Supplementary files