Поделки из колосков пшеницы: Поделка из колосков пшеницы своими руками — ISaloni — студия интерьера, салон обоев

Разное
alexxlab

Содержание

Поделки своими руками: настенные композиции

Композиции, о которых пойдет речь, предназначены для украшения стен. Любители изящных идей наверняка оценят необычное сочетание веток дерева с нежными бубенчиками льна, колосками пшеницы и других сухих цветов.

Шаг за шагом вы узнаете все тонкости поделок, которые предлагается выполнить. Они весьма просты и совсем необязательно их точно копировать. Пусть они подтолкнут вас к созданию своих собственных поделок.

Эти композиции придадут вашему дому свежесть, подчеркнут стильность обстановки и обеспечат хорошее настроение.

Композиции с бубенчиками льна и колосками пшеницы –  мастер класс

Вам потребуются: 14 веток коричного дерева по 30 см каждая, мешковина, пеньковая тесьма, побеги эвкалипта, веточки брома, веточки скрофуларии и льна, колоски пшеницы, нигелла дамасская, протея, бечевка, силиконовый пистолет, ножницы.

  1. Ветки коричного дерева собираем в пучок и перевязываем бечевкой. Делаем аккуратную петельку, при помощи которой композиция будет крепиться на стене.
  2. Две веточки эвкалипта размещаем вдоль пучка из веток корицы и приклеиваем горячим силиконом.

                                

3. Собираем в букетик и перевязываем бечевкой четыре метелки брома.

4. Закрепляем букет над ветками так, как показано на рисунке.. Аккуратно подрезаем концы стеблей. Должно получиться вот так.

   

5. Собираем второй букетик из пяти-шести колосков пшеницы. Перевязываем бечевкой и закрепляем в поделке по диагонали. По обеим диагоналям приклеиваем веточки льна.

 

6. Приклеиваем поверх веток корицы пять коробочек нигеллы дамасской.

   

7. Отрезаем полоску мешковины длиной около 60 см и сворачиваем ленту в кольцо.

8. Сжимаем кольцо посередине и перевязываем бечевкой. Получается бант.

                         

9. Наматываем на палец пеньковую тесьму так, чтобы она приобрела форму спирали.

       

10. Отрезаем от спирали три кусочка длиной примерно по 20 см каждый и приклеиваем силиконом в центре банта.

11. Цветок протеи придаст банту особый шик. Аккуратно приклеиваем его в середину банта.

12. Горячим силиконом приклеиваем готовый бант к композиции из веток коричного дерева.

Настенная композиция своими руками готова.

Поделка Веер на стене – мастер класс

Эта оригинальная композиция станет прекрасным настенным украшением. В качестве основы используется веер, на котором крепятся листья, колосья и сухие цветы. Обратите внимание на изысканную цветовую гамму: в композиции доминируют сиреневые, пурпурные и фиалковые тона.

Вам потребуется: Веер из тростника, мешковина, 3 округлых листа, 2 веточки эвкалипта микрофолиа, 5 колосков пшеницы, несколько веточек нигеллы ориенталь и нигеллы дамасской, татарник, декоративные тыковки, бечевка, силиконовый пистолет, ножницы.

Порядок работы:

1. Размещаем на веере три больших листа округлой формы и приклеиваем их горячим силиконом.

2. Подрезаем и приклеиваем две веточки эвкалипта микрофолиа.

3. Горячим силиконом приклеиваем колоски пшеницы так, чтобы «усики» не выходили за край веера.

4. Приклеиваем коробочки нигеллы ориенталь.

5. Приклеиваем восемь веточек нигеллы дамасской.

6. Приготовленные заранее соцветия татарника приклеиваем в нижней части веера.

7. Отрезаем полоску мешковины длиной 80 см и складываем так, как показано на фото.

8. Перевязываем в середине бечевкой так, чтобы получился бант.

              

9. Отделяем от стебля декоративные тыковки, вставляем одну в другую и приклеиваем силиконом к банту из мешковины.

                                   

10. Закрепляем готовый бант в нижней части веера.

Поделка Веер на стену — готова к украшению помещения.

Поделки из природного материала – композиция в сельском стиле

Эта композиция в сельском стиле, составленная из натуральных грубых материалов, не только украсит ваш дом, но и придаст ему свежесть и стильность.

Вам потребуется: Древесный круг диаметром 25 см, мешковина, 1 большой корень и 3 куска древесной коры, 4 небольших кокосовых листа, волокна кактуса, метелки сорго и брома, колоски пшеницы, татарник, 4 коробочки лотоса и несколько головок мака, 3 бадама, 2 люффы и 2 протеи, 2 корешка, 1 небольшой початок кукурузы, оазис, бечевка, плоскогубцы и проволока, ножницы и нож, крючок, молоток, силиконовый пистолет.

Композиции из природного материала своими руками

1. Прежде чем начать работу, накрываем стол чем-нибудь мягким, чтобы не поцарапать во время работы его поверхность. Вбиваем в древесный круг крючок, с помощью которого вся композиция будет крепиться на стене.

      

2. Вырезаем оазис размером 14 х 9 см и оборачиваем мешковиной так, как это показано на фото.

3. Горячим силиконом приклеиваем оазис к деревянному кругу.

     

4. Затем как можно прочнее приклеиваем большой корень. Не пожалейте силикона, так как это самый тяжелый элемент во всей поделке.

5. Приклеиваем три куска древесной коры.

      

6. Закрепляем 4 кокосовых листа.

7. Волокна кактуса слегка скручиваем и делаем бант-завиток. Прикрепляем проволокой к оазису. Для поделки потребуется три таких банта.

8. Аккуратно размещаем банты и добавляем в букет две люффы.

9. Втыкаем в оазис в произвольном порядке метелки сорго.

       

Украшение композиции колосками

10. Обрезаем колоски брома и втыкаем их в оазис.

11. Равномерно распределяем по периметру оазиса соцветия татарника.

12. Затем закрепляем в оазисе букетик из девяти колосков пшеницы.

        

13. Заостряем концы двух декоративных корешков и втыкаем их в оазис.

       

14. Закрепляем в оазисе бадам.

15. Рядом с колосками втыкаем 4 головки мака.

16. Добавляем в букет две корзиночки протеи.

17. Горячим силиконом приклеиваем маленький початок кукурузы.

18. Закрепляем еще раз несколько маковых головок.

19. И наконец, завершают композицию четыре коробочки лотоса.

Композиция в сельском стиле на стену из природных материалов своими руками готова.

Если вам понравились поделки в этой статье, вы можете выразить свое мнение в комментариях. Или даже поделиться своими возможностями в этом виде творчества.

Женщина залила колосья пшеницы водой… В мгновение ока она смастерила чудо из чудес!

Жатва не за горами, и мы настоятельно рекомендуем читателям запастись золотыми колосьями пшеницы. Для чего? Сейчас расскажем! Колоски пшеницы — настоящая сокровищница стильных идей для дома и не только, которая свела с ума всю нашу редакцию.

«Копилочка Полезных Советов » создала для тебя потрясную подборку идей пшеничного декора на любой случай. Черпай вдохновение вместе с нами!

Колосья пшеницы

  1. Первое и самое простое, что можно сделать из колосков пшеницы, это сплести их в уютный венок.
    А смешав множество колосьев различных цветов, можно получить нечто очень оригинальное!

    Если ты считаешь круглые венки слишком скучными, попробуй сплести венок в форме сердца. Смотрится ну очень необычно.

    А заготовив и засушив немного колосьев на год вперед, можно сделать удивительный венок к светлому празднику Пасхи. Дополни его птицами, пестрыми перьями и праздничными яйцами, и ты не прогадаешь!

  2. Если венки ну совсем приелись, дверь можно украсить чудесным букетом из колосков. А яркая лента задаст нужное настроение!
  3. Не обходится без уютных колосков и свадебный декор. Засушенные колосья пшеницы хорошо впишутся в деревенский стиль свадьбы.
    Таким нехитрым и очень оригинальным способом можно оформить центральные декорации праздничного стола, приглашения для гостей и посадочные карточки.

    Только взгляни, как это восхитительно!

    А тематический свадебный торт, украшенный колосьями пшеницы, станет настоящей изюминкой праздника. Гости будут в восторге!

  4. Из засушенных колосьев пшеницы можно собрать оригинальный букет невесты.
    Ну и куда же без бутоньерки для жениха в кантри стиле!

  5. Добавь немного ярких красок в букет из колосков, и обычное застолье превратится в красочный праздник. Такой букет станет отличным дополнением детской вечеринки.

    Это целое произведение искусства! Тут и пшеница, и мак, и тыква… Всё выглядит очень натурально и по-домашнему.

    Еще одна превосходная идея осеннего декора. Пышные снопы во главе стола!

  6. При помощи колосков пшеницы, бобов и бечевки можно оригинально украсить баночку для сыпучих.
    Такой подсвечник совсем несложно смастерить. 10 минут — и на твоем столе уютный очаг, который станет верным спутником теплых домашних посиделок.

Бытует мнение, что композиция из колосков на окне или венок на входной двери оберегают жилище от злых духов, приносят удачу и любовь. Красиво украшенный дом или оформленное с душой событие способны не только поднять настроение, но и добавить уюта. Главное — прояви фантазию, и твоя жизнь наполнится теплом и радостью!

Понравилась статья? Поделись ею с друзьями в соцсетях.

Аппликация «Колосок» из цветной бумаги

А давайте соберём букет! Яркий, красочный из цветных колосков! Вы удивлены? Где же нам взять разноцветные колоски для такого букета? Конечно же сделать своими руками! Если вы готовы, то давайте поскорее начнём работу!

Материалы:

  • двухсторонняя цветная бумага;
  • ножницы;
  • клей;
  • спица или длинная шпажка.

Как сделать:

1. Приготовьте лист двухсторонней цветной бумаги. Мы взяли оранжевый цвет, вы выбирайте цвет желаемого колоска.

2. Согнём лист бумаги пополам, и затем ещё три раза пополам. Теперь разверните листок, он как бы расчерчен линиями сгиба на прямоугольники. 

3. Разрежьте бумагу по линиям сгиба. У вас получится 16 прямоугольных листочка. Из них мы и будем собирать наш колосок.

4. Сложим все прямоугольники пополам по длинной стороне.

5. На одном сложенном прямоугольнике нарисуем форму лепесточка и вырежем его, не разгибая бумагу. Это будет наш шаблон лепестка. Все остальные прямоугольники тоже обрежем по шаблону.

6. Приготовим широкую полоску зелёной бумаги. Накрутим её на спицу или длинную шпажку и закрепим на конце с помощью клея. Это будет стебель колоска.

7. К верхней части стебля приклеим первый лепесток.

8. Намазывать на лепестки клей надо только на нижнюю часть, на фото это заштрихованная часть лепестка.

9. Продолжим приклеивать лепестки колоска. Каждый следующий лепесток приклеивается напротив предыдущего. 10. Когда колосок готов, вырежем из зелёной бумаги два продолговатых листа.  Приклеим их у основания стебелька. Колосок готов!

Теперь можно сделать много разноцветных колосков и составить яркий букет. А можно добавлять эти колосочки в другие цветочные композиции. В любом случае положительные эмоции от изготовления и созерцания такой красоты гарантированы!

  •  Посмотрите какой  легкий и простой в исполнеии Хлебный колосок мы сделали! Мы использовали только желтую цветную бумагу и желтый пластилин!
  • Все наши мастер-классы на тему цветов смотрите здесь —>  «Цветы и букеты» !  Кактусы, водяные лилии, розы, ромашки, герберы и многие другие цветы нашли воплощения в наших мастер-классах!
  • Посмотрите наш новый обзор Адвент календари 2019 года с активными ссылками, ценами и нашим впечателнием!

Дидух из колосков пшеницы | Страна Мастеров

Соломенный оберег — Дидух, символ хорошего урожая, мира и согласия в семье, достатка в доме.
Само слово произошло от двух «дух дедов». То есть дидух символизирует связь поколений.
Дидуха начинали плести после сбора урожая и хранили до Рождества. В Святой вечер хозяин дома торжественно заносит его в дом, приговаривая: «Дідух до хати — біда із хати».
Дидух состоит из трёх частей. Одна символизирует прошлое, вторая — настоящее, третья — будущее.
Это моя вторая работа плетения Дидуха.
Когда представила первую работу https://stranamasterov.ru/node/587311 в комментариях попросили МК….с радостью принялась за дело!!!:-)
Размер Дидуха 40см, сплела его из маленьких колосков пшеницы, которые остались от первого Дидуха (55см). Колоски могут быть самые разные- ячменя, ржи, пшеницы…могут присутствовать и лекарственные растения.

Подсушила колоски, из такой охапки получилось два Дидуха:-)
Если плести из свежих колосков- высохнув оберег может распасться.

Делю колоски на одинаковые снопики, смотрю по размеру колоса.
В снопике должно быть семь колосков (по дням недели), плотно связываю их возле колоса.
На оберег пошло 17 снопиков.

Итак, начинаю плести первый ряд — будущее. Будущее будет состоять из 5 снопиков.
Беру снопик из семи колосков…

…к нему, приблизительно на 5 см ниже, прилаживаю вокруг снопа ещё 4 снопика

Все снопики связываю вместе, возле колоса.

Оплетаю плотно шпагатом 4-5см.
Термопистолетом клею начало плетения, потом клей не использую.

Подготовила снопики для второго и третьего ряда.
Эту операцию можно сделать в начале работы, но я ещё не знала сколько пойдёт в изделие снопиков…. Вы уже знаете:-) Всего 17 снопиков….5 использовала на «будущее», осталось 12:-)

Приступаю крутить второй ряд — настоящее.
Беру снопик, плотно притягиваю его к «будущему» продолжая крутить шпагат…

Вот так плотненько, чтоб не было видно стебля.

К нему подставляю ещё снопики.
Теперь плотно накручиваю «настоящее»….

….приблизительно 4 см.

А, это я перехожу плести третий ряд- прошлое.
Его решила сделать по спирали…как бы ступеньками: снопик — три оборота шпагатом, опять снопик….три оборота и тд.

Так я прятала шпагат, чтоб не было узлов.
Подняла в верх несколько соломин, и с помощью карандаша просунула во внутрь шпагат.

Смотрится аккуратно.

Сделала поясок (там где видны стебельки:-) Делала на всякий случай, чтоб потом украсить… Начинаю плести «штанишки» (3см)

Делаю три ножки.
Для этого равномерно поделила стебли и аккуратно отогнула в стороны.
Чтоб две ножки не мешали и не путались, пока буду крутить первую, зафиксировала их монтажной лентой.

Первая ножка готова (7см).
Помните? Узлы не делаю, прячу с помощью карандаша:-)

Вторая готова:-)

Все ножки накручены шпагатом.
Сложила их вместе и зафиксировала монтажной лентой…

…с помощью пилы с мелкими зубьями, в одном направлении аккуратно отпилила лишнее.

Детишки обязательно захотят посмотреть…подержать в ручках, и чтоб не где не укололо, легонько, в одном направлении прошлась наждачной бумагой:-)

Немного отогнула вниз ту часть снопиков, которая играет роль «прошлого».
Таким образом получается — «прошлое» смотрит вниз, «настоящее» находится в горизонтальном положении, а «будущее» устремлено в верх.
Дидух готов!!!
Украсила его засушенными ромашками, на ножках скрутила бусины из шпагата, на поясе атласная лента и красивый цветок из листьев кукурузы.
Как его делала смотрите https://stranamasterov.ru/node/603840

Вид с верху.
С какой стороны не посмотреть- аккуратная работа, нигде нет узлов, пробелов….всё затянуто и ровненько.
Любуюсь:-)

Вид с обратной стороны

Рядом с Дидухом стоит Берегиня сделанная из листьев кукурузы.
МК https://stranamasterov.ru/node/604025
Очень рада,что коллекция оберег пополняется….
Буду рада, если мой МК поможет пополнить и Вашу коллекцию хранителей мира и согласия в семье, достатка в доме — оберег:-)

Поделка Колосья пшеницы из макарон (аппликация)

2018-07-08

Колосья пшеницы из макарон и пластилина (аппликация)

Эту поделку можно изготовить вместе с малышом от 2 до 5 лет. Можно, конечно, и с более взрослыми детьми, но для них эта работа покажется слишком простой и неинтересной. А вот младшие отнесутся к такому заданию, как к интересному приключению.  Чтобы исключить разные неприятные моменты, как то съеденный пластилин или испачканная мебель, настоятельно рекомендую поучаствовать в рукоделии вместе с малышом.

Приготовьте для работы: специальную дощечку для работы с пластилином или кусок цветного картона, несколько кусочков желтого пластилина, фигурные макароны в форме листиков.

А теперь за дело.

Шаг 1. Подготовьте заранее рабочее место. Приучайте ребенка к тому, что перед началом работы, рабочую поверхность нужно покрыть клеенкой или бумагой. Кладем перед собой дощечку и раскатываем на ней в колбаску три кусочка пластилина. Заранее оторвите эти кусочки от бруска, ребенку это сделать очень трудно. Колбаску сначала раскатывайте между ладошками, а потом на дощечке. Ваш малыш сделает это неумело и некрасиво, но не отбирайте сразу у него пластилин, не старайтесь все переделать и довести до совершенства. Располагаем три колбаски на картоне.

Шаг 2. Теперь нужно примять пластилин к картону. Пальчиками вдавливаем колбаски в картон. Обычно дети приходят в восторг от этого действия, легко справляясь с задачей.

Шаг 3. Вот теперь берем в руки макароны и постепенно вдавливаем их в пластилин. Первый колосок лучше сделать взрослому, чтобы показать, как  должны расположиться «зернышки» в колоске. Может случиться так, что ребенок не совсем правильно разместит макароны в колоске. Присмотритесь повнимательнее к последней фотографии: именно так получилось у нас. Пусть так останется, ведь важно то, что ребенок справился с заданием. Просто его колоски особенные, в них зернышки живут иначе.

В процессе работы занимайте ребенка полезными разговорами: называйте словами все процессы, которые вы выполняете, побуждайте малыша к активным действиям, задавайте вопросы: что он делает, какого цвета колосок,  сколько зернышек в каждом колоске, что делают из пшеницы, где она растет…  Таким образом вы ненавязчиво пополняете словарный запас ребенка, формируете у него понимание различных процессов.

Назначеные фильтры

Навык
  • Чувство цвета
  • Фантазия
  • Словарный запас
  • Развитие речи
  • Пространственное восприятие
  • Память
  • Мелкая моторика
  • Логика
  • Координация
  • Воображение
Способности
  • Уникальные
  • Физические
  • Художественно-изобразительные
  • Литературные
  • Музыкальные
  • Конструктивно-технические
  • Математические
  • Умственные и специальные
  • Учебные и творческие

Галерея картинок

Похожие статьи

алмазная вышивка, салфетки для декупажа на OLX Украина

Житомир, Промавтоматика Сегодня 00:54

Цветы

Антиквариат / коллекции » Поделки / рукоделие

Константиновка Сегодня 00:51

Мулине

Антиквариат / коллекции » Поделки / рукоделие

Киев, Оболонский Сегодня 00:50

Пуговицы

Антиквариат / коллекции » Поделки / рукоделие

Киев, Оболонский Сегодня 00:47

Киев, Оболонский Сегодня 00:46

100 грн.

Договорная

Ирпень Сегодня 00:46

Шкатулки

Антиквариат / коллекции » Поделки / рукоделие

100 грн.

Договорная

Ахтырка Сегодня 00:45

Бровары Сегодня 00:45

Мулине

Антиквариат / коллекции » Поделки / рукоделие

Киев, Оболонский Сегодня 00:45

Николаев, Ингульский Сегодня 00:45

Киев, Оболонский Сегодня 00:43

Колоски в интерьере (67 фото) » НА ДАЧЕ ФОТО

Пшеница в азах в интерьере


Декор свадебного стола колосьями


Букет из колосьев пшеницы


Композиция из цветных Колосков


Декор из колосьев


Букет Тритикум колоски


Колосья в вазе в интерьере


Композиции из колосьев


Букет с колосками пшеницы


Натюрморт с колосьями


Пшеница сухоцвет


Пампасная трава сухоцветы Эстетика



Композиции с пшеницей


Ваза с колосьями в интерьере


Композиции с пшеницей


Колоски в интерьере


Ваза с колосками


Композиции из сухоцветов для интерьера


Букет с колосками пшеницы


Сухоцветы колоски


Соломенный оберег Дидух


Прическа пшеничный сноп


Безостая пшеница Колос


Поделки из Колосков


Ваза с пшеницей в интерьере


Декор из пшеничных Колосков


Осенние композиции из Колос


Букет из Колосков


Композиции из колосьев пшеницы


Колосья для декора


Декор из пшеницы


Композиции из сухоцветов для интерьера


Композиция из Колосков


Букеты из пшеничных Колосков


Колосья пшеницы для декора



Цветочные композиции с колосками


Ваза с колосками пшеницы


Сухоцвет камыш декор


Снопы декоративные


Композиция из Колосков


Колоски в интерьере


Декор из пшеницы


Букет из Колосков


Колоски декор


Декор для дома своими руками оригинальные идеи


Букет из пшеницы


Композиции из сухоцветов для интерьера


Колосья для декора


Колоски декор


Букет сухоцвет сноп


Колоски в интерьере


Пшеница сухоцвет


Сухоцветы колоски


Колоски пшеницы в доме


Постер сухоцветы


Колосья пшеницы в интерьере


Декор из колосьев осень


Пшеница сухоцвет


Колосья пшеницы для декора


Композиции с пшеницей


Декор из колосьев


Колоски в интерьере


Колосок в интерьере для Инстаграм


Колосья пшеницы пучок


Композиция из Колосков

Строение цветков и колосьев пшеницы. (A) Колосья пшеницы. (B) цветочек ….

Гетерозис может улучшить стрессоустойчивость, качество и урожайность сельскохозяйственных культур, а мужскую стерильность пшеницы можно использовать для ускорения процесса разведения гибридов. Чтобы определить, участвуют ли митохондриальные гены в фертильности цитоплазматической линии с мужской стерильностью K-типа (CMS) и линии термочувствительной мужской стерильности (TMS) YS-типа у пшеницы, мы секвенировали и собрали митохондриальные геномы K519A, 519B, и YS3038 с помощью секвенирования следующего поколения (NGS).Были проанализированы несинонимичные мутации, и было проведено секвенирование первого поколения для проверки сайтов несинонимичных мутаций. Кроме того, были проанализированы паттерны экспрессии генов с несинонимичными мутациями. Наконец, гены-кандидаты подавляли молчание с помощью подавления гена, индуцированного вирусом мозаики полос ячменя (BSMV-VIGS), чтобы проверить функции генов-кандидатов. Результаты показали, что митохондриальные геномы K519A, 519B и YS3038 имеют длину 420 543, 433 560 и 452 567 п.н. соответственно.Кроме того, 33, 31 и 37 генов, кодирующих белок, были идентифицированы в K519A, 519B и YS3038 соответственно. Было обнаружено 14 генов, кодирующих белок, и 83 последовательности открытой рамки считывания (ORF), которые различались между K519A и 519B, и 10 генов, кодирующих белок, и 122 последовательности ORF, которые различались между K519A и YS3038. На двухъядерной стадии семь генов (nad6, ORF256, ORF216, ORF138, atp6, nad3 и cox1) были подавлены в K519A по сравнению с 519B, и 10 генов (nad6, atp6, cox3, atp8, nad3, cox1, rps3, ORF216 , ORF138 и ORF224) были подавлены в YS3038 по сравнению с K519A.Кроме того, шесть генов (nad6, ORF138, cox3, cox1, rps3 и ORF224) были подавлены в фертильных условиях по сравнению со стерильными условиями в YS3038. Анализ сайленсинга генов показал, что молчание cox1 значительно снижает скорость завязывания семян YS3038, указывая на то, что ген cox1 может участвовать в трансформации фертильности YS3038.

Колосок — обзор | ScienceDirect Topics

17.3.2.3 Репродуктивное развитие

Репродуктивные органы семейства Poaceae (травы) являются основными единицами, определяющими урожай зерновых культур.Колоски являются основными единицами соцветий риса и обычно состоят из цветка, состоящего из переплетенных чешуек и палеи, образующих шелуху, двух лодикул, шести тычинок и одного пестика. Как сверхэкспрессия miR396 с результирующим подавлением его генов-мишеней, так и двойные мутанты osgrf6 osgrf10 показали аномальные колоски с открытой шелухой, длинные стерильные чешуйки и аномальное количество пестиков и тычинок (Liu et al., 2014). В частности, было высказано предположение, что открытая шелуха является результатом того, что лемма и палеа не растут достаточно нормально, чтобы дотянуться друг до друга.

Часть функции OsGRF6 и OsGRF10 в развитии цветков риса может быть объяснена прямой регуляцией транскрипции домена 2 рисового джумонжи (JMJD2) семейства jmjC , гена 706, который кодирует деметилазу h4K9 ( OsJMJ706 ; Sun and Zhou, 2008) и O. sativa crinkly4 рецептор-подобная киназа ( OsCR4 ; Pu et al., 2012), два гена, необходимые для целостности шелухи, идентичности и количества органов цветка. Эта регуляция транскрипции, по-видимому, опосредуется прямым связыванием OsGRF6 или OsGRF10 с GA-чувствительными элементами (TAACARA, R = G или A), присутствующими в промоторах OsJMJ706 и OsCR4 , как было продемонстрировано in vitro с помощью сдвига электрофоретической подвижности. анализ (EMSA) и in vivo с помощью ChIP или репортерных анализов в протопластах Arabidopsis .Интересно, что авторы также показали, что взаимодействие с OsGIFs усиливает транскрипционную активность как GRF6, так и GRF10 на промоторах OsJMJ706 и Os CR4 .

Было показано, что мутант риса rdh2 с измененной датой заголовка (эквивалентной времени цветения) имеет пониженные уровни OsGRF1 (Luo et al., 2005). Целенаправленное подавление OsGRF1 посредством РНК-интерференции привело к появлению маленьких листьев и задержке цветения, что указывает на то, что OsGRF участвует не только в регуляции роста и развития органов на вегетативной и репродуктивной фазах, но также может участвовать в регуляции времени цветения. в рисе (Луо и др., 2005).

Стоит отметить, что некоторые из выявленных к настоящему времени ТФ, которые, по-видимому, регулируют транскрипцию GRF в Arabidopsis , участвуют в идентичности цветочной меристемы и формировании цветочного паттерна (Pajoro et al., 2014; Schiessl et al., 2014 ; Winter et al., 2011; Янт и др., 2010). Удивительно, но ни у одного или нескольких мутантов GRF , проанализированных до сих пор у этого растения, фенотипы формирования цветочного узора не наблюдались (Liang et al., 2014; Kim et al., 2003). В любом случае, две линии доказательств подтверждают роль GRFs в развитии двудольных цветов.

Во-первых, Arabidopsis gif1 gif2 gif3 Тройной мутант имеет дефекты в развитии цветков, включая уменьшенное количество органов в каждом обороте, маленькие чашелистики и лепестки, неслитые или отсутствующие плодолистики, короткие кожные покровы семяпочек, дефектные гаметогенез и органы с мозаичной идентичностью, среди прочего (Lee et al., 2009, 2014; Liang et al., 2014).Во-вторых, сверхэкспрессия miR396 вызвала аналогичные фенотипы у Arabidopsis (Pajoro et al., 2014; Liang et al., 2014; Рисунок 17.3E) и табака (Yang et al., 2009), которые полностью дополнялись сверхэкспрессией нечувствительный к miR396 GRF (Liang et al., 2014).

Интересно, что некоторые из фенотипов, наблюдаемых у однодольных и двудольных растений, которые имели дефекты в комплексах GRF-GIF, такие как открытая шелуха у риса или маленькие лепестки и короткие покровы у Arabidopsis , были интерпретированы как результат дефекта в пролиферация клеток на уже установленных зачатках органов.Вместо этого др. Фенотипы, такие как мозаичные органы и количество дефектных органов в каждом обороте, подчеркивают роль сети miR396– GRF GIF в формировании паттерна и спецификации цветочных органов.

Конечным продуктом репродуктивного развития являются семена, и их размер является основным фактором, определяющим урожайность сельскохозяйственных культур. Анализ экспрессии генов в различных линиях рапса ( Brassica napus ) выявил положительную корреляцию между содержанием масла и экспрессией BnGRF2 (Liu et al., 2012). Гетерологичная сверхэкспрессия BnGRF2 в Arabidopsis от промотора, специфичного для семян, увеличивала размер семян и содержание масла приблизительно. 30% из-за большего количества клеток в эмбрионе, не влияя на его структуру или размер клеток (Liu et al., 2012).

Ppd-1 является ключевым регулятором архитектуры соцветий и развития парных колосков у пшеницы

  • 1

    Добли, Дж., Гаут, Б. С. и Смит, Б. Д. Молекулярная генетика одомашнивания сельскохозяйственных культур. Cell 127 , 1309–1321 (2006).

    CAS Статья Google ученый

  • 2

    Фоллбрехт, Э., Шпрингер, П. С., Гох, Л., Баклер, Э. С. IV, и Мартиенсен, Р. Архитектура систем цветочных ветвей кукурузы и родственных трав. Природа 436 , 1119–1126 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 3

    Ashikari, M. et al. Цитокининоксидаза регулирует производство зерна риса. Наука 309 , 741–745 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 4

    Miura, K. et al. OsSPL14 способствует ветвлению метелки и повышению урожайности зерна риса. Природа Генет . 42 , 545–549 (2010).

    CAS Статья Google ученый

  • 5

    Ramsay, L. et al. INTERMEDIUM-C, модификатор фертильности боковых колосков ячменя, является ортологом гена одомашнивания кукурузы TEOSINTE BRANCHED 1 . Природа Генет . 43 , 2011, стр. 169–172.

    CAS Статья Google ученый

  • 6

    Turner, A., Beales, J., Faure, S., Dunford, R.P. & Laurie, D.A. Регулятор псевдореклика Ppd-h2 обеспечивает адаптацию к фотопериоду ячменя. Наука 310 , 1031–1034 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 7

    Билс, Дж., Turner, A., Griffiths, S., Snape, J. W. & Laurie, D. A. Регулятор псевдоответа неправильно экспрессируется в нечувствительном к фотопериоду мутанте Ppd-D1a пшеницы ( Triticum aestivum L.). Теор. Прил. Genet . 115 , 721–733 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 8

    Шарман, Б.С. Разветвленные головки у пшеницы и гибридов пшеницы. Природа 153 , 497–498 (1944).

    Артикул Google ученый

  • 9

    Шарман Б.С. Интерпретация морфологии различных естественных аномалий соцветий пшеницы ( Triticum ). Кан. Дж. Бот . 45 , 2073–2080 (1967).

    Артикул Google ученый

  • 10

    Добровольская, О. и др. FRIZZY PANICLE загоняет лишние колоски в мягкой пшенице ( T.aestivum L.). Физиология растений . http://dx.doi.org/10.1104/pp.114.250043 (2014).

  • 11

    Йен, К. и Янг, Дж. Л. Сущность органов у злаковых, теория множественных вторичных осей: новая концепция. J. Sichuan Agric. Унив . 10 , 544–565 (1992).

    Google ученый

  • 12

    Корич, С. Гены ветвления у Triticum aestivum . Proc. Int. Пшеница Генет. Symp.4-е, Колорадо, Миссури, 283–288 (1973).

    Google ученый

  • 13

    Пеннелл, А.Л. и Халлоран, Г.М. Наследование лишних колосков у пшеницы. Euphytica 32 , 767–776 (1983).

    Артикул Google ученый

  • 14

    Иглз, Х. А., Кейн, К. и Валланс, Н. Поток аллелей важных генов фотопериода и яровизации через австралийскую пшеницу. Crop Pasture Sci . 60 , 646 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 15

    Huang, B.E. et al. Многопородная межкрестная популяция передового поколения для генетического анализа пшеницы. Завод Биотех. J . 10 , 826–839 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 16

    Wingen, L.U. et al. Молекулярно-генетическая основа стручковой кукурузы ( Туникатная кукуруза ). Proc. Natl Acad. Sci. США 109 , 7115–7120 (2012).

  • 17

    Вербила, А. П., Куллис, Б. Р. и Томпсон, Р. Анализ QTL путем одновременного использования полной карты сцепления. Теор. Прил. Genet . 116 , 95–111 (2007).

    Артикул Google ученый

  • 18

    Pastina, M. M. et al. Анализ QTL смешанной модели для данных испытаний нескольких участков сбора урожая сахарного тростника. Теор. Прил. Genet . 124 , 835–849 (2011).

    Артикул Google ученый

  • 19

    Verbyla, A. P., Taylor, J. D. & Verbyla, K. L. RWGAIM: эффективный подход к картированию интервалов случайных полногеномных средних значений (QTL) с высокой размерностью. Genet. Res . 94 , 291–306 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 20

    Накамичи, Н., Kita, M., Ito, S., Yamashino, T. & Mizuno, T. РЕГУЛЯТОРЫ ПСЕВДО-ОТВЕТА, PRR9, PRR7 и PRR5, вместе играют важную роль, близкую к циркадным часам Arabidopsis thaliana . Физиология растительных клеток . 46 , 686–698 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 21

    Li, C., Distelfeld, A., Comis, A. & Dubcovsky, J. Репрессор цветения пшеницы VRN2 и промотор CO2 конкурируют за взаимодействия с комплексами NUCLEAR FACTOR-Y. Завод J . 67 , 763–773 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 22

    Диас, А., Зихали, М., Тернер, А.С., Исаак, П. и Лори, Д.А. Вариация числа копий, влияющая на гены Photoperiod-B1 и Vernalization-A1 связаны с измененным временем цветения у пшеницы ( Triticum aestivum ). PLoS ONE 7 , e33234 (2012).

    Артикул Google ученый

  • 23

    Шоу, Л.М., Тернер А. С. и Лори Д. А. Влияние нечувствительных к фотопериоду мутаций Ppd-1a на путь фотопериода в трех геномах гексаплоидной пшеницы ( Triticum aestivum ). Завод J . 71 , 71–84 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 24

    Шоу, Л. М., Тернер, А. С., Херри, Л., Гриффитс, С. и Лори, Д. А. Мутантные аллели Photoperiod-1 у пшеницы ( Triticum aestivum L.), которые придают фенотип позднего цветения в течение долгих дней. PLoS ONE 8 , e79459 (2013 г.).

    Артикул Google ученый

  • 25

    Ян Л. и др. Позиционное клонирование гена яровизации пшеницы VRN1 . Proc. Natl Acad. Sci. USA 100 , 6263–6268 (2003).

    CAS Статья Google ученый

  • 26

    Чжао, Т. et al. Характеристика и экспрессия 42 генов MADS-бокса в пшенице ( Triticum aestivum L.). Мол. Genet. Геномика 276 , 334–350 (2006).

    CAS Статья Google ученый

  • 27

    Kobayashi, K. et al. Идентичность меристемы соцветия у риса определяется перекрывающимися функциями трех AP1 / FUL -подобных генов MADS-бокса и PAP2 , гена SEPALLATA MADS-бокса. Растительная клетка 24 , 1848–1859 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 28

    Макстин П., Лауденсия-Чингкуанко Д. и Коласанти Дж. Цветочек под любым другим названием: контроль идентичности меристемы кукурузы. Тенденции Завод Sci . 5 , 61–66 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 29

    Эндо-Хигаси, Н.& Идзава, Т. Гены времени цветения Дата заголовка 1 и Дата раннего заголовка 1 вместе контролируют развитие метелки у риса. Физиология растительных клеток . 52 , 1083–1094 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 30

    Forster, B.P. et al. Фитомер ячменя. Ann. Бот . 100 , 725–733 (2007).

    Артикул Google ученый

  • CSIRO ИЗДАТЕЛЬСТВО | Функциональная биология растений

    Т.П. О’Брайен, М. Э. Саммут, Дж. У. Ли и М. Дж. Смарт


    Австралийский журнал физиологии растений 12 (5) 487 — 511
    Опубликовано: 1985

    Абстрактные

    Область прикрепления колоса среднего колоса разрезали серийно. Эти разделы использовались для построить точную трехмерную модель сосудистой системы, снабжающей органы цветков a и b, а рахилла цветков c и d.Все органы связаны между собой сосудистыми связями. ткани, но некоторые части системы — только флоэмы. В частности, подача на паз пучка околоплодника, который широко считается наиболее важным путем к зерну, проходит через кольцо из флоэма, с которой lemma, palea и lodicules связаны только с флоэмой. Сосудистая система достаточно отличается от паттерна, встречающегося в вегетативных узлах, чтобы требовать лечения sui generis. Взаимоотношения между разными типами клеток нуждаются в более тщательном гистологическом исследовании, особенно в сложных композитные жгуты.Этот анализ показывает, что форма пучка в поперечном сечении и расположение ксилемы и флоэмы резко различаются на очень коротких расстояниях (100 мкм). клетки переноса флоэмы согласны с предположением, что значительное перемещение растворенных веществ имеет место в регионах там, где встречаются сосуды, снабжающие разные органы. Область шейки яичника, охватывающая зона слияния запасов леммы, палеи и околоплодника становится зоной, требующей детального изучения, как в положении колосков внутри сорта с известными, но разными характеристиками зерна, так и в качестве региона для анализа для сравнения сортов.

    https://doi.org/10.1071/PP9850487

    © CSIRO 1985

    WAPO-A1 является причинным геном QTL 7AL для количества колосков на колос у пшеницы

    Abstract

    Улучшение нашего понимания генов, регулирующих урожай зерна, может способствовать созданию более продуктивных сортов пшеницы. Ранее очень значимый QTL, влияющий на количество колосков на колос (SNS), количество зерен на колос (GNS) и урожай зерна, был обнаружен на плече 7AL хромосомы в нескольких исследованиях ассоциаций по всему геному.Используя генетическую карту высокого разрешения, мы установили, что гомеолог A-генома ПШЕНИЧНЫЙ ОРТОЛОГ APO1 ( WAPO-A1 ) был ведущим геном-кандидатом для этого QTL. Используя мутанты и трансгенные растения, мы демонстрируем в этом исследовании, что WAPO-A1 является причинным геном, лежащим в основе этого QTL. Мутанты с потерей функции wapo-A1 и wapo-B1 показали снижение SNS у тетраплоидной пшеницы, и эффект усилился у wapo1 , сочетающего обе мутации.Напротив, шипы трансгенных растений пшеницы, несущие дополнительные копии WAPO-A1 , управляемые его нативным промотором, имели более высокий SNS, более компактную апикальную область шипа и меньший концевой колоск, чем у дикого типа. Взятые вместе, эти результаты показывают, что WAPO1 влияет на SNS, регулируя время формирования терминальных колосков. Как трансгенные, так и мутантные растения wapo1 показали широкий спектр аномалий цветков, что указывает на дополнительную роль WAPO1 в развитии цветков пшеницы.Ранее мы обнаружили три широко распространенных гаплотипа в области QTL (h2, h3 и h4), каждый из которых связан с определенным аллелем WAPO-A1 . Объединяя результаты этого исследования и предыдущие результаты, мы показываем, что аллель WAPO-A1 в гаплотипе h2 (делеция 115 п.н. в промоторе) экспрессируется на значительно более низких уровнях в развивающихся спайках, чем аллели в h3 и h4. гаплотипы, что приводит к снижению SNS. Полевые эксперименты также показали, что гаплотип h3 связан с наиболее сильными эффектами увеличения SNS и GNS (h3> h4> h2).Гаплотип h3 уже присутствует в большинстве современных сортов пшеницы, поэтому он может быть особенно полезен для твердых сортов пшеницы, где h3 встречается редко.

    РЕЗЮМЕ ДЛЯ АВТОРА Ранее было показано, что область на хромосоме 7А пшеницы влияет на количество колосков и зерен в колосе, а также на общий урожай зерна в нескольких селекционных программах. В этом исследовании мы показываем, что мутации с потерей функции в гене WAPO1 , расположенном в этой области, уменьшают количество колосков на спайк и что дополнительные трансгенные копии этого гена увеличивают это количество.Эти результаты демонстрируют, что WAPO1 является геном, ответственным за различия в количестве зерен и урожайности, связанные с областью хромосомы 7A. Среди трех основных вариантов, идентифицированных для этого гена, мы продемонстрировали в полевых экспериментах, что вариант h3 связан с наибольшим увеличением количества колосков и зерен на колосе. Вариант h3 WAPO1 часто используется в программах селекции мягкой пшеницы, но почти отсутствует в современных сортах макаронной пшеницы. Таким образом, введение h3 представляет собой многообещающую возможность улучшить урожай зерна в программах селекции макаронной пшеницы.

    ВВЕДЕНИЕ

    Пшеница является важнейшей культурой для обеспечения глобальной продовольственной безопасности. Он хорошо адаптирован к широкому спектру климатов и производственных систем и обеспечивает более 20% калорий и белков, потребляемых человеческим населением [1]. Хотя для того, чтобы прокормить постоянно растущее население, требуется дальнейшее повышение урожайности зерна, исторические исследования тенденций урожайности показали снижение относительных темпов прироста урожайности зерна в некоторых регионах выращивания пшеницы [2]. Это побудило новые усилия по пониманию и повышению продуктивности как обыкновенной ( Triticum aestivum , геномы AABBDD), так и твердой пшеницы ( T.turgidum ssp. durum , геномы AABB).

    Идентификация генов, контролирующих общий урожай зерна, является сложной задачей из-за низкой наследуемости этого признака [3, 4]. Однако урожай зерна можно разделить на более дискретные компоненты урожая с более высокой наследуемостью. Общий урожай зерна можно разделить на количество колосьев на единицу площади, количество колосков на колос (SNS), количество зерен на колосок и средний вес зерна. Среди этих признаков SNS обычно демонстрирует высокую наследуемость, потому что он устанавливается на ранней стадии репродуктивной фазы, когда формируется терминальный колоск [5], ограничивая влияние условий окружающей среды после этого момента.

    Высоко значимый и стабильный QTL для SNS был идентифицирован на хромосомном плече 7AL в нескольких полногеномных ассоциативных исследованиях (GWAS), включая панель мягкой красной озимой пшеницы в США [6], панели европейской озимой пшеницы [7-9 ], панель из США и CIMMYT нечувствительных к фотопериодам яровых пшениц, а также шести двупородных популяций, которые включали различные рыночные классы пшеницы [10]. В нашем предыдущем исследовании [10] мы создали две генетические карты с высоким разрешением, чтобы ограничить этот SNS QTL областью 87 т.п.н. (674,019,191 — 674,106,327 п.н., RefSeq v1.0), содержащий четыре гена-кандидата. Среди этих генов мы определили TraesCS7A02G481600 как наиболее многообещающий ген-кандидат на основании наличия несинонимичного полиморфизма, который совмещается с SNS в популяции двух родителей, сегрегированных по разным гаплотипам в кандидатной области [10].

    Ген пшеницы TraesCS7A02G481600 является ортологом гена Oryza sativa (рис) ABERRANT PANICLE ORGANIZATION1 ( APO1 ), поэтому он был обозначен как WHEAT ORTHOLOGМутанты в гене APO1 риса влияют на ветвление метелки и количество колосков [11], подтверждая, что WAPO-A1 является многообещающим геном-кандидатом для SNS QTL [10]. Ген риса APO1 и его гомолог в Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), UNUSUAL FLORAL ORGANS ( UFO ) кодируют белок F-бокса, который является компонентом SCF ( S kp1– C ullin– F -box-protein) убиквитинлигаза. Этот компонент важен для поддержания активности LEAFY (LFY), фактора транскрипции, который играет ключевую роль в цветении и развитии цветков [12].

    У риса мутации в APO1 или LFY (также известных как APO2 и RFL в рисе) приводят к уменьшению количества ветвей и колосков на метелке. Эффект сходен с двойным мутантом apo1 lfy , предполагая, что эти два гена действуют совместно, чтобы контролировать этот признак [13]. Мутации в этих генах также связаны с аномалиями цветков, но в этом случае двойной мутант apo1 lfy обнаруживает более тяжелые фенотипы, чем любой из двух одиночных мутантов, указывая тем самым, что эти гены также могут играть независимую роль в развитии цветков [13].Дефекты цветков у мутантов риса apo1 и Arabidopsis ufo сосредоточены во внутренних оборотах [14, 15].

    Быстрые изменения частот аллелей WAPO-A1 во время одомашнивания и селекции пшеницы предполагают, что этот регион имеет отношение к улучшению пшеницы. В области-кандидате 87 т.п.н. были идентифицированы три основных гаплотипа — h2, h3 и h4, каждый из которых связан с различными аллелями WAPO-A1 . Гаплотип h4 включает предковые аллели Wapo1-A1c и Wapo1-A1d , которые отличаются друг от друга двумя синонимичными заменами, двумя SNP в одном интроне и одним в промоторе, которые, вероятно, имеют ограниченное влияние на функцию гена [10 ].Гаплотип h4 присутствует у диплоидного донора генома A ( T. urartu ), культивируемого эммера ( T. turgidum subsp. dicoccon ) и дикого эммера ( T. turgidum subsp. dicoccoides ). и с низкой частотой у современных сортов твердой и мягкой пшеницы. Гаплотип h2, присутствующий в более чем 99% современных линий твердой пшеницы, имеет аллель Wapo-A1a , который характеризуется делецией 115 п.н. в промоторе и заменой аспарагиновой кислоты на аспарагин в положении 384 (D384N) относительно h4.Гаплотип h3, наиболее часто встречающийся в современных сортах мягкой пшеницы, несет аллель Wapo-A1b и отличается от предкового гаплотипа цистеином до полиморфизма фенилаланина в положении 47 аминокислоты (далее C47F) в консервативной области Мотив F-box. Анализ сцепления в шести разных популяциях двух родителей установил, что гаплотип h3 был связан с более высоким SNS, чем гаплотипы h2 и h4 [10].

    Наше предыдущее исследование установило WAPO-A1 как лучший ген-кандидат для 7AL SNS QTL [10], но функциональная проверка отсутствовала.В этом исследовании мы демонстрируем, что WAPO1 является геном, лежащим в основе SNS QTL, путем характеристики мутантов с потерей функции и трансгенных растений. Мы также описываем аномалии цветков, наблюдаемые у растений с полной потерей активности WAPO1 и у трансгенных растений с дополнительными генами WAPO1 . Наконец, мы охарактеризуем влияние различных природных аллелей WAPO-A1 на количество колосков и зерен в колосе и обсудим их потенциальное применение в программах селекции обычной и твердой пшеницы.

    РЕЗУЛЬТАТЫ

    Мутации EMS и CRISPR с потерей функции в

    WAPO1 уменьшают количество колосков на колос

    EMS-индуцированная мутация W216 *, идентифицированная в мутантной линии Kronos K4222, приводит к преждевременному стоп-кодону и усечению 51% белок WAPO-A1. Усеченная область включает последовательности, высоко консервативные среди трав, что позволяет предположить, что усеченный белок либо нефункционален, либо имеет очень пониженную активность. Модифицированная активность усеченного гена W216 * была подтверждена значительным снижением SNS в линиях, несущих мутантный аллель wapo-A1 , по сравнению с линиями, несущими аллель дикого типа (WT) в трех различных экспериментах (рис. 1).В тепличном эксперименте средний SNS линий F 3 , гомозиготных по wapo-A1 EMS-мутанту, был на 1,7 колоска ниже (снижение на 14%, P <0,001), чем у сестринских линий, гомозиготных по аллелю WT (рис. 1A). ). Аналогичное сокращение на 1,4 колоска (уменьшение на 7,3%, P <0,001) наблюдалось в полевом эксперименте с использованием гомозиготных сестринских линий F 4 для аллелей wapo-A1 и WT (рис. 1B).

    Рисунок 1.

    Различия в количестве колосков на спайк (SNS) между гомозиготными сестринскими линиями Kronos, расщепляющими по EMS-индуцированной мутации wapo-A1 W216 * или по CRISPR-индуцированной мутации wapo-A1 и wapo-B1 . A ) F 3 сестринских линий, оцененных в теплице. ( B ) F 4 сестринских линий, оцененных в полевых условиях. ( C ) BC 1 F 3 сестринских линий, оцененных в полевых условиях. ( D ) График взаимодействия, показывающий влияние мутантов CRISPR с потерей функции в wapo-A1 и wapo-B1 в тетраплоидных растениях Kronos пшеницы без трансгена. Факториальный дисперсионный анализ представлен в таблице S2A. ( E ) Степень доминирования [16] для WAPO-A1 (на фоне wapo-B1 ) и WAPO-B1 (на фоне wapo-A1 ).Столбцы — это средние значения для социальных сетей, а столбцы ошибок — s.e.m. * = P <0,05, ** = P <0,01 и *** = P <0,001. ** = P <0,01, *** P <0,001.

    Чтобы уменьшить потенциальную изменчивость, происходящую от фоновых мутаций, и более точно определить эффект усечения W216 *, мы дважды скрестили мутант K4222 с WT Kronos и выбрали гомозиготные BC 1 F 2 сестринских линий для дополнительной полевой оценки с использованием их BC 1 F 3 зерен.Растения BC 1 F 3 , гомозиготные по wapo-A1 , имели в среднем на 1,1 меньше колосков на колос по сравнению с сестринской линией WT (6,0% снижение, P = 0,0035, рис. 1C). Взятые вместе, эти три эксперимента демонстрируют, что потеря функции гомеолога A-генома WAPO1 достаточна для значительного снижения SNS.

    Чтобы проверить действие гомеолога WAPO-B1 и подтвердить результаты для EMS-индуцированного мутанта wapo-A1 , мы создали три независимых трансгенных растения Kronos T 0 CRISPR-Cas9 с направляющей РНК, нацеленной на обоих гомеологов. .Мы идентифицировали одну линию со вставкой «Т» в позиции 510 от ATG (4 п.н. выше сайта CGG PAM) как в WAPO-A1 , так и в WAPO-B1 , и выбрали ее для дальнейшей характеристики. Эта вставка со сдвигом рамки считывания изменяет 61,4% белковой последовательности (начиная с аминокислоты 171), что, вероятно, приводит к потере функции обоих гомеологов WAPO1 . Мы генотипировали 110 T 1 растений, полученных из отобранного трансгенного объекта, с использованием описанных маркеров WAPO-A1 и WAPO-B1 CAPS (таблица S1).Доля линий, гомозиготных по аллелям WT Wapo-A1 (2,7%) и / или Wapo-B1 (4,5%), была значительно ниже ожидаемых 25%, что предполагает непрерывное редактирование CRISPR. Эта гипотеза была подтверждена идентификацией новой делеции со сдвигом рамки считывания 5 п.н., начинающейся с позиции 505 в WAPO-B1 (4 п.н. выше сайта PAM) в линии T 1 -40, которая была повторно секвенирована. и скрестили с WT Kronos для устранения трансгена CRISPR-Cas9.

    Мы создали линии, гомозиготные по всем четырем возможным комбинациям гомеологов WAPO1 — WT, wapo-A1, wapo-B1 и wapo1 с двойным мутантом — путем отбора потомства F 2 , полученного от F 1 без трансгена CRISPR-Cas9.В эксперименте с камерой роста мы оценили эффекты двух гомеологов и их взаимодействия на SNS (рис. 1D), время заглатывания и количество листьев (таблица S2). Факторный дисперсионный анализ показал очень значимые различия для SNS (таблица S2A), но незначительные различия для даты заголовка (таблица S2B) или количества листьев (таблица S2C).

    Оба мутанта wapo-A1 и wapo-B1 имели значительно более низкий SNS, чем WT ( P < 0,0001, рис. 1D, таблица S2A), с большим сокращением wapo-B1 (3.7 колосков), чем в wapo-A1 (1,3 колоска). Уровни транскриптов двух гомеологов также различались, с более высокими уровнями WAPO-B1 , чем WAPO-A1 на разных стадиях развития спайков (рисунок S1). Эффект аллеля wapo-A1 на SNS был максимальным, когда гомеолог B-генома был гомозиготным по wapo-B1 , и наоборот, приводя к высокозначимому взаимодействию ( P = 0,0096, рис. 1D, таблица S2A. ). Частичное доминирование на WAPO-A1 (D = 0.61) и WAPO-B1 (D = 0,58) локусов (рис. 1E) указывают на частичную функциональную избыточность между двумя копиями в каждом из гомеологов WAPO1 .

    Трансгенные растения с дополнительными

    копиями WAPO1 показывают отложенное время заголовка и более высокое SNS

    Мы клонировали геномные области WAPO-A1 из диплоидной пшеницы T. monococcum (TmDV92) и тетраплоидного Лэнгдона с естественным (LDN- C47) и отредактировал аллель (LDN-F47) и преобразовал их в Kronos, чтобы проверить их влияние на дату заголовка и SNS.Клонированные области генома включают интронные и регуляторные области (см. Материалы и методы), а их кодирующие области несут разные несинонимичные полиморфизмы (Таблица 1).

    Таблица 1.

    Сравнение регуляторных и кодирующих областей WAPO-A1 в Kronos дикого типа (гаплотип h2) и трех геномных конструкций, используемых в трансгенных растениях.

    Мы получили четыре независимых трансгенных события для TmDV92, три для LDN-C47 и пять для аллеля, производного от LDN-F47, и оценили их соответствующее потомство T 1 в тепличном эксперименте (рис. 2).Трансгенные растения для всех трех конструкций показали аналогичное среднее увеличение SNS по сравнению с WT: LDN-C47 (13,4%), TmDV92 (15,1%) и LDN-F47 (15,5%) (рис. 2). Увеличение SNS было значительным для двух событий TmDV92, одного события LDN-C47 (рис. 2A) и четырех независимых событий LDN-F47 по сравнению с контролем WT (рис. 2C).

    Рис. 2.

    Влияние аллелей WAPO-A1 из TmDV92 и тетраплоидного LDN на количество колосков в колосе и дату колошения. ( A-B ) Тепличный эксперимент по сравнению четырех независимых трансгенных линий TmDV92 и трех независимых линий, несущих аллель LDN-C47, с их соответствующими нетрансгенными сестринскими линиями Kronos (объединенными из различных событий).( C-D ) Отдельный тепличный эксперимент, сравнивающий пять независимых трансгенных линий, несущих аллель LDN-F47, с пулом нетрансгенных сестринских линий. (A и C) Число колосков на колос. (B и D) Дата заголовка. Столбцы — это средние значения, а столбцы ошибок — s.e.m. Цифры внутри столбцов указывают количество растений, а звездочки указывают значения P (тест Даннета) относительно пула нетрансгенных сестринских линий, несущих ту же конструкцию. * = P <0,05, ** = P <0.01 и *** = P <0,001.

    Эффекты трансгенов на дату заголовка были меньшими и несколько менее значительными, чем эффекты для социальных сетей. Для даты заголовка задержка на 7,0% наблюдалась у трансгенных растений с конструкцией LDN-C47, задержка на 5,4% для TmDV92 и задержка на 6,3% для LDN-F47 (рис. 2B и D). Дата заголовка положительно коррелировала с SNS среди линий T 1 , сегрегированных для каждой из трех конструкций ( R = 0,49-089, P <0.01). Для события F47-2, которое показало самую сильную задержку времени колошения и высокий SNS (рис. 2C-D), мы подтвердили наличие значительно более высоких уровней транскрипта WAPO-A1 в развивающихся шипах трансгенных растений по сравнению с Сестринская линия WT (рисунок S2). Взятые вместе, эти результаты демонстрируют, что присутствие дополнительных копий WAPO1 в трансгенных растениях увеличивает SNS и задерживает дату заголовка.

    Мы также оценили SNS и дату заголовка в трансгенных растениях, экспрессирующих кодирующие области Wapo-A1c (C47) и Wapo-A1b (F47), каждая из которых слита с C-концевой меткой MYC и управляется конститутивной кукурузой . Промоутер UBIQUITIN .С помощью qRT-PCR мы измерили уровней транскрипта WAPO-A1 в листьях 11 независимых событий для UBI :: C47: MYC и 14 событий для UBI :: F47: MYC (рисунок S3A). Трансгенные линии для всех событий показали более высокие уровни транскрипта WAPO-A1 в листьях, чем нетрансгенные линии Kronos, где экспрессия WAPO-A1 не была обнаружена. Мы выбрали события с наивысшим уровнем расшифровки для дальнейшей оценки; E35 для UBI :: C47: MYC (11,5-кратный ACTIN ) и E53 для UBI :: F47: MYC (12.3-кратный ACTIN ). Трансгенное потомство T 2 этих линий возглавило значительно позже, чем нетрансгенные сестринские линии (рисунок S3B), но не показало значительных различий в SNS (рисунок S3C).

    CRISPR

    wapo1 мутант показывает измененную морфологию цветков

    Помимо продукции меньшего количества SNS, двойной мутант wapo1 показал большое разнообразие цветочных аномалий и дал ограниченное количество зерен. Чтобы установить частоту различных аномалий цветков, мы выделили 91 цветочек из 32 колосков, расположенных в разных положениях вдоль колоса, у 14 различных мутантных растений wapo1 .В то время как чешуйки, чешуйки и чешуйки были нормальными, в других органах цветков наблюдались множественные отклонения от нормы. Лодикулы, которых обычно по два на цветочек, варьировали от нуля до четырех (в среднем 1,95, рис. 3A) и часто сливались с тычинками (19,1%), листовой тканью (22,5%) или с обоими (5,6%, рис. 3B- D). Число тычинок на цветочек было меньше трех у 42% цветков (рис. 3 A-D), что в среднем составляло 2,15 тычинок на цветочек. Тычинки часто срастались друг с другом или с яичниками (6.6%), лодикулы (18,9%), листообразная ткань (9,2%) или комбинации двух из трех предыдущих категорий (4,6%, рис. 3B и C). У большинства цветков был один пестик с одной завязью, но у 43% цветков было несколько пестиков, вероятно, из-за потери детерминированности меристемы цветков. У 28,4% цветков завязи срослись с листовой тканью (рис. 3D).

    Рисунок 3.

    Цветочные аномалии и профили экспрессии мутанта CRISPR с потерей функции Kronos wapo1 ( wapo-A1 wapo-B1 ).( A ) Мутант T 1 -101, первый цветочек базального колоска с тремя лодикулами, одной тычинкой и двумя сросшимися пестиками. ( B ) Мутант T 1 -101, 2 и цветочек из 3 rd самого дистального колоска. Лодикулы срослись с тычинками и листовой тканью. Пестики индетерминантные, сросшиеся с листовой тканью. ( C ) Мутант T 1 -13, 2 и цветочек базального колоска. Один листок слился с листовой тканью, а промежуточный орган слился с листовой тканью, а пестик слился с листовой тканью.( D ) Мутант T 1 -13, 3 rd цветочек базального колоска. Лодикулы с удлиненной листовой тканью, промежуточным органом и индетерминантными пестиками. Lm = лемма, Pa = palea, Ld = lodicule, St = тычинка, Pi = пестик, Lf = сросшаяся листовая ткань, + = сросшиеся органы. ( E-G ) Анализ экспрессии генов MADS-box класса A, -B, -C и -E у мутантов Kronos и wapo1 (номенклатура генов MADS-box основана на [17]). Праймеры перечислены в таблице S1. Столбцы представляют собой средние значения четырех повторов, а столбцы ошибок — s.Эм. Каждая повторность представляет собой пул из 12 меристем на стадии зачатков тычинок (∼W4.0 по шкале Ваддингтона). ns = не значимо, * = P <0,05, ** = P <0,01 и *** = P <0,001.

    Поскольку большинство цветочных аномалий в wapo1 было обнаружено во внутренних оборотах (лодикулах, тычинках и пестиках), мы исследовали влияние мутанта wapo1 на экспрессию класса-B, -C и -E MADS. -box цветочные гены в развивающихся шипах на стадии зачатков тычинок.По сравнению с WT мутант wapo1 показал значительную понижающую регуляцию генов класса B ( AP3-1 и PI1 ) и класса C ( AG1 и AG2 ) MADS-box генов ( Рис. 3E-G), но не было обнаружено значительных различий для контроля SEPALLATA MADS-box гены SEP1- 2, SEP1- 2, SEP1-4, SEP1-6 или SEP3-1 (Рис. 3H).

    Трансгенные растения WAPO1 демонстрируют аномальные шипованные и цветочные фенотипы

    Среди T 1 растений, сегрегированных на три трансгенных WAPO1 копий, управляемых их нативными промоторами, события, показывающие значительные различия в SNS, также показали аномалии шипов (рис. ).Одним из необычных фенотипов было наличие голых пестиков у основания колосков, расположенных в базальных положениях колоса (Рис. 4A-C). Эта аномалия наблюдалась у некоторых растений из событий TmDV92-1, LDN-C47-3, LDN-F47-2 и LDN-F47-6 (рис. 4A-C).

    Рисунок 4.

    Цветочные аномалии у растений Kronos, трансформированных геномными областями WAPO-A1 . ( A ) Спайки нетрансгенных контрольных (WT) и трансгенных линий TmDV92-1 и LDN-C47-3. ( B ) Деталь голых пестиков под базальными колосками в TmDV92-1 (желтые стрелки на A).( C ) Голый пестик под 2 и колоском в LDN-F47. ( D ) Деталь аномального дистального конца шипа TmDV92-1 (красные стрелки в A). ( E и F ) LDN-C47-3. ( E ) Первый цветочек в 5 -ом колоске от основания: уменьшенная палея, одна тычинка, без пестика. ( F ) Второй цветочек в 11 колоске от основания: без лодикул, лишние пестики срослись с небольшими пестиками. ( G и H ) TmDV92-1.( G ) Первый цветочек от базального колоска: небольшая палея и нормальный цветок. ( H ) 17 -й колоск от основания: одна лодикула, две тычинки и индетерминантные пестики. ( I и J ) LDN-F47-2. ( I ) Третий цветочек от базального колоска: 4 лодикулы, одна срослась с палеой. ( J ) Колоск 19 th : 2 маленькие тычинки и три пестика (одна срослась с палеа, а другая с леммой. Lm = лемма, Pa = палеа, Ld = lodicule, St = тычинка, Pi = пестик.

    Более частой аномалией колоса было наличие более мелких, плотно упакованных колосков в дистальной области колоса, заканчивающихся небольшим концевым колоском. Для простоты эту аномалию спайков в дальнейшем называют маленьким концевым колоском (красные стрелки на рис. 4A и D). Для события LDN-F47-3, которое не показало значимых различий в SNS, ни одно из растений T 1 не имело маленьких концевых колосков, тогда как этот фенотип наблюдался у 91,6% растений T 1 LDN-F47-5. , событие с наибольшим увеличением количества соцсетей (26%).Три других события LDN-47 показали значительное, но меньшее увеличение SNS (от 9 до 24%), чем сестринские линии WT, и имели небольшие концевые колоски примерно в половине линий T 1 (от 47 до 50%). Была обнаружена сильная корреляция между долей колосков, показывающих маленькие концевые колоски, и процентным увеличением SNS ( R = 0,85, n = 5), предполагая, что увеличение SNS у этих трансгенных растений было связано с дополнительными более мелкими колосками в дистальный отдел шипа.

    Рассечение колосков в различных положениях колоса выявило возрастающие цветочные аномалии от базальных положений до апикальной области у LDN-C47-3 (рис. 4 EF), TmDV92-1 (рис. 4 GH), LDN-F47-2 ( Рис. 4 IJ) и LDN-F47-4 (Рис. S4). Аномальные цветочные структуры включали (i) небольшие палеа, (ii) переменное количество лодикул, тычинок и пестиков на цветочек, и (iii) частые слияния этих трех органов, а также чешуек и пестиков (рис. 4 E-J). Трансгенная линия LDN-F47-4 имела самый экстремальный фенотип, показывающий множественные голые пестики, которые были больше у базальных колосков и переходили в прицветники в более дистальных колосках (рисунок S4A-B).В колосках около концевого колоска было больше пестиков и меньше других органов (рисунок S4C). Напротив, у базальных колосков LDN-F47-4 были более крупные чешуйки, чешуйки и тычинки, особенно в дистальных соцветиях (рисунок S4D-G).

    Мы также охарактеризовали колосья и соцветия трансгенных растений, трансформированных конструкциями UBI :: C47: MYC (E35) и UBI :: F47: MYC (E53). Неожиданно эти трансгенные растения показали более легкие дефекты колосьев и цветков (рисунок S5), чем растения, трансформированные геномными областями WAPO-A1 (фиг.4 и рисунок S4), возможно, из-за слитой MYC-метки.Большинство растений UBI :: C47: MYC и UBI :: F47: MYC имели небольшие концевые колоски (рисунок S5A-B), а небольшая часть растений имела голые пестики на нижней стороне базальных колосков (рисунок S5C). В то время как большинство цветков растений UBI :: C47: MYC и UBI :: F47: MYC имели небольшие и иногда изогнутые бледные области, количество органов было сходным с WT. Чаще всего наблюдались слияния органов между палеасами и лодикулами, тогда как слияния тычинок были (рисунок S5D-E). Явных аномалий на пестиках не обнаружено.

    Мы не наблюдали значительных фенотипических различий между трансгенными растениями, трансформированными UBI :: C47: MYC (E35) и UBI :: F47: MYC (E53), или между растениями, трансформированными тремя разными геномными конструкциями, что позволяет предположить, что все эти аллели кодируют активные белки. Большая вариабельность между различными событиями для одного и того же конструкта препятствовала обнаружению меньших количественных различий между конструкциями.

    Естественная вариация в

    WAPO-A1 связана с изменениями в SNS

    Характеристика естественных вариантов WAPO-A1 дополнила информацию, полученную в результате индуцированных мутаций и трансгенных событий, описанных выше.В нашем предыдущем исследовании мы установили, что аллель WAPO-A1 в гаплотипе h3 был связан с более высоким SNS, чем гаплотипы h2 и h4 [10], но мы не определяли относительное влияние гаплотипов h2 и h4 на SNS. . Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели два полевых эксперимента, организованных по схеме RCBD с разделенными участками в 2020 году (рис. 5A, таблица S3A) и 2021 году (рис. 5B-D, таблицы S3B-F). В обоих экспериментах было 10 повторов, каждая из которых включала восемь семейств в качестве основных участков и гомозиготные сестринские линии h2 и h4 в качестве подзаговоров.В эксперименте 2020 года средний SNS для растений, гомозиготных по гаплотипу h4, был на 6% выше, чем для гомозиготных по гаплотипу h2 в 2020 году (1,3 колоска) и на 7,3% выше в 2021 году (1,6 колоска). Общие различия в SNS были очень значимыми в оба года ( P <0,0001, рис. 5A и B, таблицы S3A и B). Внутри отдельных семей различия в SNS между h2 и h4 были значительными для шести из 8 семей в 2020 году и для всех семей в 2021 году (таблицы S3A и B).

    Рисунок 5.

    Влияние гаплотипов h2 (Kronos) и h4 (Rusty) WAPO-A1 на уровни транскриптов SNS и WAPO-A1 . ( A ) Полевой эксперимент RCBD 2020 г. ( B-D ) Полевой эксперимент RCBD в 2021 году. ( B ) Количество колосков на колос. ( C ) Число зерен на колосе. ( D ) Урожайность зерна (кг / га) ( E — F ) Два независимых эксперимента qRT-PCR, в которых сравниваются уровни транскриптов h2 и h4 WAPO-A1 относительно ACTIN с использованием метода 2 ▵Ct . C ) Пулы развивающихся шипов, собранные при наличии зачатков леммы (W3.25). ( D ) Пулы развивающихся колосьев, собранные при наличии зачатков цветков (W3.5). Столбцы представляют собой средние значения, а полосы ошибок — s.e.m. Цифры внутри столбцов указывают количество повторений. ns = не значимо, * = P <0,05 и *** = P <0,001. Комбинированный дисперсионный анализ ANOVA для C и D с использованием эксперимента в качестве блока показал значительные различия в экспрессии между h2 и h4 ( P = 0.0128).

    В эксперименте 2021 года у нас было больше доступных зерен, поэтому мы могли использовать небольшие участки (1,86 м 2 ) в качестве экспериментальных единиц для предварительной оценки урожайности зерна. В этом эксперименте генотип h4 показал увеличение GNS на 2,7% ( P = 0,0085, рис. 5C, таблица S3C) и снижение веса ядра на 1,7% ( P = 0,0319, таблица S3D) по сравнению с h2. Баланс этой отрицательной корреляции составлял увеличение урожая зерна на 5,0%, но разница была незначительно незначительной ( P = 0.0525, рис. 5D, таблица S3E). В этом эксперименте мы не обнаружили существенных различий во времени заголовка ( P = 0,5987, таблица S3F).

    Чтобы проверить, связаны ли различия в SNS между гаплотипами h2 и h4 с различиями в уровнях экспрессии WAPO-A1 , мы провели два независимых эксперимента qRT-PCR, сравнивая гомозиготные сестринские линии h2 и h4, полученные из HIF # 120. На стадии зачатков леммы (W3.25) для первого эксперимента и на стадии зачатков цветков (W3.5) для второго эксперимента (рис. 5E и F). В первом эксперименте уровни транскриптов в h4 были на 80% выше, чем в h2, но разница не была значимой ( P = 0,07, фиг. 5E). Во втором эксперименте уровни транскриптов в h4 были на 197% выше, чем в h2, и различия были очень значимыми ( P = 0,0003, фиг. 5F). Поскольку два эксперимента показали одну и ту же тенденцию, мы выполнили комбинированный дисперсионный анализ, используя эксперимент в качестве блока.Этот анализ подтвердил значительно более высокие уровни транскрипта WAPO-A1 в h4, чем в h2 ( P = 0,0128).

    В том же поле, которое использовалось для сравнения гаплотипов h2 и h4 в 2021 году, мы также сравнили относительные эффекты гаплотипов h3 и h2 в почти изогенных линиях (NIL) тетраплоидной пшеницы Kronos и гексаплоидной пшеницы GID4314513 (линия с высокой биомассой). от СИММИТ). В тетраплоиде BC 3 F 3 NIL мы не обнаружили значительных различий в датах заголовков (рис. 6A), но наблюдали 17.На 6% больше колосков на колос ( P <0,0001, рис. 6B) и на 6,7 зерен на колос ( P = 0,025, рис. 6C) в h3-NIL, чем в h2-NIL (таблица S4). Вес зерна на колос (количество зерен x вес зерна) был на 5,8% выше в h3-NIL, чем в h2-NIL, но различия не были значительными ( P = 0,11, рис. 6D, таблица S4). Общий урожай зерна в этом эксперименте не оценивался, поскольку экспериментальные единицы были однорядными.

    Рисунок 6.

    Эффект WAPO-A1 гаплотипов h3, интрогрессированных в тетраплоид Kronos (h2) и гексаплоидную линию с высокой биомассой GID4314513 (h2) в полевых экспериментах (2021).( A-D ) Гомозиготный BC 3 F 3 сестринских линий (CRD, n = 9, 1-метровые ряды, по 10 шипов в каждом ряду). ( A ) Дата заголовка. ( B ) Количество колосков на колос. ( C ) Число зерен на колосе. ( D ) Масса зерна на колос. ( E-F ) Гомозиготный BC 5 F 3 сестринских линий (RCBD, n = 10, 1,86 м 2 делянок, по 4 шипа на делянке). Планки погрешностей — s.e.m. ns = незначительно, * = P <0.05, ** = P <0,01, *** = P <0,001.

    В гексаплоиде BC 5 F 3 NIL мы обнаружили на 6,1% увеличение SNS в h3-NIL по сравнению с h2-NIL ( P = 0,0092, рис. 6E) и увеличение на 8,4%. урожай зерна, который был незначительным ( P = 0,0497, рис. 6F, S4E-F, таблица 4). Гаплотип h3 также был связан с незначительными различиями в GNS (+2,7%), количестве зерен в колоске (-3,3%), массе тысячи зерен (+1.8%) и массы зерна на колос (+4,4%, таблица S4G-J).

    ОБСУЖДЕНИЕ

    В нашем предыдущем исследовании мы идентифицировали WAPO-A1 как ведущий ген-кандидат для 7AL SNS QTL на основе двух генетических карт высокого разрешения [10]. В этом исследовании мы демонстрируем, что WAPO1 является одновременно необходимым и достаточным для увеличения SNS у пшеницы и, следовательно, что WAPO-A1 является причинным геном, лежащим в основе 7AL QTL для SNS.

    Возможные механизмы, участвующие в эффекте

    WAPO1 на SNS

    Различия в уровнях транскрипта WAPO-A1 в разных генотипах хорошо коррелируют с различиями в SNS.Сниженная экспрессия аллеля WAPO-A1 (делеция промотора 115 п.н.) в h2 по сравнению с гаплотипами h3 [10] и h4 (рис. 5) связана с более низким SNS в h2 по сравнению с двумя другими гаплотипами. Точно так же более высокие уровни транскрипта WAPO-B1 по сравнению с WAPO-A1 во время развития спайков связаны с более сильными эффектами мутации wapo-B1 на SNS по сравнению с wapo-A1 (рис. 2B). Эти результаты вместе с частичным кодоминантным эффектом WAPO1 на SNS (рис.1E) и повышенный уровень SNS в трансгенных растениях с дополнительными геномными копиями WAPO-A1 (рис. 2) подтверждают гипотезу о том, что более высокие уровни транскрипта WAPO1 могут приводить к увеличению SNS.

    Увеличение SNS означает задержку перехода меристемы соцветия (IM) в терминальный колоск. Три косвенных доказательства предполагают, что экспрессия WAPO1 в IM пшеницы, вероятно, участвует в этом механизме. Во-первых, экспериментов по гибридизации с in situ на рисе показали, что APO1 , ортолог WAPO1 риса, экспрессируется в IM [11].Во-вторых, мы ранее показали с помощью qRT-PCR, что WAPO-A1 экспрессируется на более высоких уровнях в дистальной части ранних развивающихся спайков, чем в более базальных областях [10]. Наконец, мы показываем, что трансгенные растения с конститутивной экспрессией WAPO-A1 , управляемой промотором UBIQUITIN , имеют более компактные кончики шипов и меньшие концевые колоски (рис. 4), подтверждая влияние этого гена на дистальную часть шип.

    В рисе APO1 физически взаимодействует с LFY (APO2), и два гена действуют совместно, контролируя количество колосков на метелку [13].Об аналогичных взаимодействиях in vitro и in vivo сообщалось между UFO и LFY, гомологами Arabidopsis [12, 18]. Мутанты для обоих генов обнаруживают сходные дефекты в структуре и морфологии соцветий, указывая тем самым, что эти два гена также действуют совместно, чтобы способствовать идентичности цветочно-меристемы [19]. Основываясь на результатах риса и арабидопсиса, мы предполагаем, что LFY может участвовать в механизме, с помощью которого WAPO1 регулирует SNS в пшенице. Было бы интересно исследовать взаимодействия между этими двумя генами и генами MADS-box из клад SQUAMOSA и SVP , которые, как было ранее показано, также влияют на SNS у пшеницы [20, 21].

    Аномалии цветков и колосков у мутантных и трансгенных

    WAPO-A1 растений

    Было показано, что помимо связывания с промотором AP1 , LFY связывается с регуляторными областями APETALA3 ( AP3 , класс a). -B цветочный ген) и AGAMOUS ( AG , цветочные гены класса C) у Arabidopsis [12, 22-24]. Активация экспрессии AP3 требует активности как LFY , так и UFO , что, вероятно, объясняет сообщенное подавление генов класса B у мутанта ufo у Arabidopsis [12, 15] и генов класса C у Arabidopsis. мутант apo1 в рисе [14].У пшеницы мы также наблюдали подавление генов класса B и -C, но не генов класса E в развивающихся шипах двойного мутанта wapo1 относительно WT, что свидетельствует о консервативном молекулярном механизме.

    У Arabidopsis гены MADS-box класса B и класса C связаны с идентичностью лепестков, тычинок и пестиков, что объясняет более сильные аномалии, обнаруженные у мутантов ufo в трех внутренних оборотах цветка. Было также показано, что эктопическая экспрессия как PI , так и AP3 устраняет дефекты идентичности органов цветка у мутанта Arabidopsis ufo [25].Более сильные дефекты цветков во внутренних оборотах цветков, чем в чешуях, чешуях и чешуях, были зарегистрированы у риса [14] и мутанта пшеницы wapo1 в этом исследовании. Родственные дефекты цветков, наблюдаемые у мутантов ufo, apo1 и wapo1 , подтверждают функциональную консервацию этих гомологичных генов в делении однодольных eudicot.

    Трансгенные растения пшеницы с дополнительными геномными копиями WAPO1 разделяли некоторые цветочные аберрации с мутантом wapo1 , включая различия в количестве лодикул, тычинок и пестиков и слиянии между органами.Эти результаты предполагают, что уменьшение или увеличение экспрессии WAPO1 может приводить к аномальному развитию трех внутренних оборотов цветочка. Трансгенные растения WAPO-A1 , как с нативным, так и с промотором UBI , показали дополнительные фенотипы, не наблюдаемые у мутанта wapo1 , в том числе уменьшенные и иногда изогнутые палео (гомологичные чашелистикам), компактный кончик шипа с небольшим концом колосков и значительная задержка времени колошения. Мы не знаем, являются ли эти дополнительные фенотипы в трансгенных растениях косвенным эффектом повышенных уровней экспрессии WAPO1 , или результатом эктопической экспрессии из-за промотора UBI или отсутствием важных регуляторных элементов в клонированном нативном растении. промоутерский регион.

    Менее частым, но необычным фенотипом у трансгенных растений WAPO1 было присутствие голых пестиков, которые также были описаны у мутантов Arabidopsis ufo . У мутантов ufo структуры, напоминающие нормальные пестики, образовывались на конце первичных и соцветий побегов [15, 26]. Голые пестики у трансгенных растений пшеницы чаще встречались в базальных положениях колоса и оказывались рядом с основанием колосков. Парные колоски или ответвления также чаще встречаются в базальных колосках у других мутантов пшеницы, таких как фактор транскрипции AP2 / ERF с ветвистой головкой [27, 28] и ppd1 [29].Основываясь на конечном положении голых пестиков у мутантов Arabidopsis ufo , мы предполагаем, что голые пестики у трансгенных растений пшеницы могут располагаться на конце короткой ветви, включающей один боковой колоск.

    Эффекты различных природных аллелей

    WAPO-A1 и их потенциальное применение в селекции пшеницы

    Наше предыдущее исследование показало, что гаплотип h3 был связан с большим увеличением SNS, чем гаплотипы h2 и h4 в нескольких сегрегированных популяциях.Благоприятное влияние h3 на SNS наблюдалось у яровой и озимой пшеницы, а также у различных рыночных классов пшеницы, но это увеличение не всегда приводило к увеличению урожайности зерна. В генотипах или средах с недостаточными ресурсами для заполнения лишних зерен увеличение GNS было компенсировано уменьшением веса зерна. Однако, когда h3 присутствовал в хорошо адаптированных и продуктивных генотипах, выращенных в благоприятных условиях, увеличение SNS было связано с увеличением урожайности зерна [10].В этом исследовании мы также наблюдали значительное увеличение урожайности зерна, когда гаплотип h3 был интрогрессирован в высокопродуктивную линию из программы высокой биомассы от CIMMYT. При благоприятных условиях орошения и удобрения, использованных в этом исследовании, увеличение SNS, связанного с гаплотипом h3, было связано с увеличением общего урожая зерна на 8,4%. Это многообещающий предварительный результат, но он должен быть дополнительно подтвержден более крупными испытаниями урожайности на различных генетических основах.

    Увеличение частоты гаплотипа h3 было ранее описано у мягкой пшеницы с менее чем 50% у старых староместных сортов до более чем 80% у современных сортов пшеницы [10]. Это говорит о том, что отбор на высокий SNS, GNS или урожай зерна, возможно, ускорил увеличение частот h3. Напротив, у тетраплоидной пшеницы гаплотип h2 заменил гаплотип h4 и стал почти фиксированным у современных твердых сортов (99%) [10]. Это увеличение частоты h2 нельзя объяснить выбором более высоких SNS или GNS, потому что наш полевой эксперимент показал, что h2 имеет значительно более низкие SNS и GNS, чем h4 (рис. 5).Поскольку у твердой пшеницы зерна намного больше, чем у мягкой пшеницы, мы предполагаем, что отбор на более крупные зерна мог привести к косвенному отбору для уменьшения количества зерен в пользу аллеля h2. Этот косвенный отбор, вероятно, был вызван отрицательной корреляцией между количеством зерен и массой, компромисс усиливается в сортах с ограниченным источником и / или в неоптимальных условиях.

    Низкая частота h3 у твердой пшеницы может быть результатом того же непрямого отбора для меньшего и большего количества зерен, но также возможно, что h3 никогда не тестировался должным образом на современных сортах твердой пшеницы.Гаплотип h3 уже был редкостью у культивируемых эммеров, где только один образец h3 (из Сирии) был идентифицирован при обследовании 364 сортов твердой пшеницы [10]. В этом исследовании мы показываем, что перенос h3 из мягкой пшеницы в тетраплоидную пшеницу Kronos был связан со значительным увеличением SNS и GNS. О подобном благоприятном влиянии h3 по сравнению с h2 на SNS ранее сообщалось в сегрегированной популяции, полученной от скрещивания культивируемой пшеницы emmer и твердой пшеницы в полевых испытаниях в Фарго (Северная Дакота) [10].Это многообещающие результаты, но они все еще требуют проверки на различных сортах твердой древесины и более крупных испытаний урожайности. Чтобы облегчить интрогрессию гаплотипа h3 в твердой пшенице, мы депонировали Kronos NIL с интрогрессией h3 в Национальную коллекцию мелкого зерна (число PI ожидается).

    Таким образом, проверка WAPO-A1 как причинного гена 7AL SNS QTL и положительного влияния гаплотипа h3 на количество колосов и количество зерен в колосе предоставляет селекционерам пшеницы новый инструмент для улучшения свойств поглощения без существенно влияет на время движения курса.Мы предполагаем, что интрогрессия гаплотипа h3 в сорта, которые не ограничены по исходным признакам (например, сорта с высокой биомассой), может привести к увеличению общего урожая зерна в благоприятных условиях.

    МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

    Мутации, индуцированные этилметансульфонатом (EMS) в

    WAPO-A1

    Мы проверили базу данных секвенированных EMS-индуцированных мутаций в тетраплоидном сорте пшеницы Kronos [30] с использованием последовательности WAPO-A1 ( TraesCS7A02G481600 ).Для гомеолога A-генома ( WAPO-A1 ) мы идентифицировали линию K4222, несущую мутацию, которая приводит к замене триптофана на преждевременный стоп-кодон в положении 216 белка (W216 *). Для гомеолога B-генома ( WAPO-B1 ) мы идентифицировали пять мутаций, которые приводили к аминокислотным изменениям, но ни одна из них не приводила к преждевременным стоп-кодонам или измененным сайтам сплайсинга; следовательно, наши последующие исследования включали только мутант WAPO-A1 . Мы скрестили мутант K4222 с немутагенизированным Kronos, самоопылились с F 1 , и из сегрегированных растений F 2 мы выбрали сестринские линии, гомозиготные по мутанту ( wapo-A1 ) и аллелям WT ( Wapo-A1 ).Полученные растения F 3 оценивали в теплице, а растения F 4 в поле. Для дальнейшего снижения фоновых мутаций мы создали гомозиготные сестринские линии BC 1 F 2 путем обратного скрещивания F 1 с Kronos, самоопыления BC 1 и отбора гомозиготных растений в следующем поколении. Производные BC 1 F 3 зерен были посажены в полевом эксперименте.

    Для тепличного эксперимента мы использовали два растения F 3 на горшок (3.8 л) и измеренное среднее значение SNS на растение. В первом полевом эксперименте мы высаживали гомозиготные мутантные и сестринские линии WT F 4 по полной рандомизированной схеме (CRD) с 10 повторами на каждый генотип. Каждая повторность включала ряд из 2-5 растений, расположенных на расстоянии 0,3 метра друг от друга. Среднее SNS на ряд рассчитывали путем измерения SNS по 3 шипам на растение. Во втором полевом эксперименте мы посадили BC 1 F 3 растений на расстоянии 0,3 м друг от друга, разделяя по аллелям WAPO-A1 .Генотипирование этих растений выявило 11 гомозиготных wapo-A1 и 8 гомозиготных WT в пределах того же семейства №54 BC 1 . Для каждого растения мы определили средний SNS по четырем шипам. Оба полевых эксперимента были проведены на экспериментальной полевой станции Калифорнийского университета в Дэвисе, далее именуемой UC Davis, в течение месяцев с октября 2019 года по июнь 2020 года.

    Генерация двойных мутантов

    wapo-A1 wapo-B1 с использованием CRISPR- Cas9

    Чтобы лучше охарактеризовать функцию WAPO1 , мы отредактировали оба гомеолога тетраплоидной разновидности Kronos с помощью CRISPR-Cas9 [31].Мы разработали одну направляющую РНК между положениями 494 и 512 от начального ATG кодирующей области (таблица S1), чтобы вызвать двухцепочечные разрывы в первом экзоне как WAPO-A1 , так и WAPO-B1 . Затем эту направляющую РНК клонировали в вектор, который включал ген Cas9 и химеру GRF4-GIF1 , повышающую эффективность регенерации пшеницы для трансформации, опосредованной Agrobacterium- [32]. Три независимых трансгенных растения Kronos Т 0 были получены из центра трансформации растений UCD и проверены на мутации путем секвенирования следующего поколения (NGS) и переваривания рестрикционными ферментами.Для скрининга NGS мы использовали праймеры g641-NGS-F и R, которые амплифицируют оба генома (таблица S1), и проанализировали данные с помощью CRISgo (https://github.com/pinbo/CRISgo), как опубликовано ранее [33]. Для скрининга рестрикционных ферментов мы использовали пару праймеров, специфичных для A-генома CAPS- WAPO-A1 -F и R1, и пару специфичных для B-генома праймеров CAPS- WAPO-B1 -F и R2 (таблица S1) с последующим перевариванием. с рестрикционным ферментом Xcm I. Те же самые праймеры и расщепление рестрикционным ферментом использовали в качестве маркеров последовательности амплифицированного полиморфизма расщепления (CAPS) для последующих поколений.

    Генерация

    трансгенных линий WAPO1

    Чтобы проверить роль WAPO-A1 в регуляции SNS, мы создали трансгенные растения, экспрессирующие ген WAPO-A1 , управляемый его природным промотором. Геномная область WAPO-A1 , которая включала 4,8 т.п.н. выше стартового кодона, полную кодирующую область с его интроном и 1,5 т.п.н. ниже стоп-кодона, была клонирована в бинарный вектор устойчивости к гигромицину pLC41. Три различных аллеля WAPO-A1 , каждый из которых кодирует другой белок WAPO-A1 (таблица 1), были клонированы и трансформированы в Kronos.Первая геномная область WAPO-A m 1 была получена из библиотеки ВАС диплоида T. monococcum ssp. monococcum , образец DV92, далее TmDV92 (геном A m ) [34]. Белок WAPO-A m 1, кодируемый аллелем TmDV92, отличается от WAPO-A1 полиплоидной пшеницы на три аминокислоты, но в остальном сходен с гаплотипом h4 (таблица 1). Вторая геномная область WAPO-A1 была клонирована из библиотеки ВАС T.turgidum ssp. durum сорт Лэнгдон [35]. Эта конструкция, обозначенная в дальнейшем как LDN-C47, кодирует предковый аллель Wapo-A1d (h4), который не имеет делеции в промоторной области, и предковые аминокислоты C47 и D384 (таблица 1)

    Третья конструкция, названная LDN-F47 был создан посредством сайт-направленного мутагенеза конструкции LDN-C47 с использованием праймеров, описанных в таблице S1. Замена предкового цистеина (C47) на фенилаланин (F47) привела к образованию белка, идентичного тому, который кодируется аллелем Wapo-A1b в гаплотипе h3 (Таблица 1).Однако клон LDN-F47 отличается от естественной геномной области h3 тремя SNP в промоторной области и двумя в первом интроне [10]. В таблице 1 представлены сводные данные о различных конструкциях WAPO-A1 и их сравнение с эндогенным аллелем Wapo-A1a (h2), присутствующим в трансформированном разнообразии Kronos.

    Чтобы проверить эффект конститутивной экспрессии WAPO-A1 , мы создали две дополнительные конструкции WAPO-A1 с использованием того же вектора pLC41.Эти конструкции включали промотор убиквитина кукурузы (UBI), синтезированные кодирующих областей WAPO1 для гаплотипов h4 (C47) и h3 (F47), а также тег MYC, далее обозначаемый как UBI :: C47: MYC и UBI :: F47: MYC соответственно. Кодирующая область WAPO1 была синтезирована Genewiz в вектор pUC57. Кодирующую область WAPO1 амплифицировали с использованием праймеров BP, перечисленных в таблице S1. Амплифицированный продукт ПЦР экстрагировали в геле (Qiagen) и рекомбинировали в pDONRzeo с использованием Life Technologies BP Clonase II в соответствии с протоколом производителя.Вектор pDONRzeo, содержащий желаемую кодирующую область WAPO1, рекомбинировали в вектор pLC41 с использованием Life Technologies LR Clonase II, следуя протоколу производителя. Клоны проверяли секвенированием по Сэнгеру на каждом этапе клонирования.

    Конструкции

    трансформировали в Kronos с использованием трансформации, опосредованной Agrobacterium- (EHA105), в центре трансформации растений Калифорнийского университета в Дэвисе, как описано ранее [32]. Праймеры, перечисленные в таблице S1, использовали для генотипирования трансгенных растений и подтверждения присутствия трансгена.Трансгенные растения T 0 были продвинуты до T 1 и охарактеризованы в теплице по дате колошения, SNS, а также морфологии колоса и цветков. Уровни транскриптов UBI :: C47: MYC и UBI: F47 MIC в листьях определяли с помощью qRT-PCR с использованием праймеров в таблице S1. Экстракцию и анализ экспрессии РНК проводили, как описано ранее [36].

    Популяции, использованные для сравнения эффектов гаплотипов

    WAPO-A1 в полевых условиях

    В нашем предыдущем исследовании гаплотип WAPO-A1b h3 был связан со значительно более высоким SNS, чем гаплотипы h2 и h4 у мягкой пшеницы, но Относительное влияние h4 и h2 на SNS не проверялось [10].Чтобы сравнить влияние гаплотипов h2 и h4 на SNS, мы разработали популяцию, разделяющую гаплотип h2 из Kronos и гаплотип h4 из сорта твердой пшеницы Rusty (Таблица 1), который нес тот же аллель Wapo-A1d , что и Лэнгдон [10]. От скрещивания Kronos x Rusty [37] 75 растений F 2 были продвинуты до F 4 методом спуска одного семени (SDS) и генотипированы по гаплотипу WAPO-A1 с использованием молекулярного маркера, ранее разработанного для WAPO. Делеция промотора -A1 [10].Мы выбрали восемь гетерозиготных растений F 4 (ID = 12, 19, 51, 55, 69, 113, 120, 128) для создания восьми гетерозиготных инбридных семейств (HIF). Для каждого HIF F 4: 5 мы выбрали две гомозиготные сестринские линии (F 4: 6 ) — одна фиксированная для h2, а другая фиксированная для h4.

    Зерна F 4: 6 были использованы для двух полевых испытаний, проведенных на экспериментальной полевой станции Калифорнийского университета в Дэвисе, которые были посажены в октябре и собраны в июне следующего года. В экспериментах будут использованы урожайные годы 2020 и 2021 годов.Оба полевых эксперимента были организованы в виде разделенного участка, рандомизированного полного блочного дизайна (RCBD) с 10 повторениями, с использованием восьми HIF в качестве основных графиков и сестринских линий, фиксированных для гаплотипов h2 и h4 в качестве подзаголовков. Мы использовали отдельные ряды в качестве экспериментальных единиц в эксперименте 2020 года и небольшие участки (3 ряда = 1,86 м 2 ) в эксперименте 2021 года. В 2021 году мы также измеряли дату колошения как время от первого дождя после посева до момента, когда половина растений на участке взошла, количество зерен на колос (каждая повторность была в среднем из 3 колосов) и общий урожай зерна. в кг / га (небольшие участки убирали комбайном Wintersteiger).

    Чтобы сравнить эффект h3 по сравнению с h2, мы разработали NIL, разделяющие эти гаплотипы как у тетраплоидной, так и у гексаплоидной пшеницы. Тетраплоидные NIL были разработаны путем интрогрессии гаплотипа WAPO-A1 h3 из селекционной линии UCD мягкой пшеницы UC1110 (также называемой CAP1, используемой как самка) в тетраплоидный сорт пшеницы Kronos с использованием обратного скрещивания с помощью маркеров. После трех обратных скрещиваний с Kronos мы самоопыляли растения BC 3 и выбрали растения BC 3 F 2 , гомозиготные по гаплотипам h2 и h3.Полученные зерна BC 3 F 3 были посеяны в Калифорнийском университете в Дэвисе в ноябре 2020 года по полностью рандомизированной схеме (CRD) с девятью повторениями, используя 1-метровые ряды в качестве экспериментальных единиц (10 колосьев были измерены в каждом ряду и усреднены). Гексаплоидные NIL были разработаны путем обратного скрещивания гаплотипа h3 пять раз с гексаплоидной линией GID4314513 (h2) из ​​программы CIMMYT с высокой биомассой. Мы выбрали линию с высокой биомассой в качестве повторяющейся родительской линии, чтобы увеличить вероятность того, что увеличение SNS и GNS будет транслироваться в повышение урожайности зерна.Мы разработали BC 5 F 3 гомозиготных NIL, используя GID4314513 в качестве рекуррентного родителя, и сравнили их в полевых условиях в Калифорнийском университете в Дэвисе в 2021 году, используя RCBD с 10 повторениями и 3-рядными небольшими участками (1,86 м 2 ) в качестве экспериментальных. единицы. Мы измерили 4 колоса на делянке (подвыборки) и собрали небольшие делянки комбайном.

    Исследования экспрессии

    Чтобы проверить, связаны ли различия в SNS между h4 и h2 с разными уровнями экспрессии WAPO-A1 , мы сравнили уровни транскриптов этого гена в развивающихся спайках гомозиготных сестринских линий h2 и h4, полученных из HIF №120. WAPO-A1 Уровни транскрипта определяли с помощью qRT-PCR с использованием специфичных для A-генома праймеров UFO-A-RT-F2 и UFO-A-RT-R2 и условий ПЦР, описанных в нашем предыдущем исследовании [10]. Реакции проводили на системе ABI 7500 Fast Real-Time PCR System (Applied Biosystems) с использованием Fast SYBR GREEN Master Mix. Уровни транскрипта выражали в виде кратных уровней ACTIN с использованием метода 2 ΔCT .

    Растения выращивали в конусах объемом 1,4 л, помещенных в камеры для выращивания CONVIRON, при 16-часовом освещении при 22 ° C (интенсивность 330 моль) и 8-часовом темноте при 17 ° C в течение 25-30 дней.Для каждой повторности мы объединили 3-8 развивающихся шипов от основного побега, когда зачатки леммы были видны (W3.25) в первом эксперименте и когда зачатки цветков присутствовали (W3.5) во втором эксперименте. Стадии развития спайков основаны на шкале Waddington [38]. Мы проанализировали два эксперимента отдельно и в комбинированном ANOVA, используя эксперименты в качестве блока.

    Чтобы сравнить уровни транскриптов генов MADS-box класса B, -C и -E у Kronos и мутанта wapo1 , мы экстрагировали РНК из растений, выращенных в камере для выращивания CONVIRON в аналогичных условиях, как описано выше.Экстракцию и анализ экспрессии РНК проводили, как описано ранее [36]. Меристемы вскрывали, когда растения находились на стадии 6-7 листьев на стадии зачатков тычинок (∼W4.0). В каждой повторности объединяли 12 меристем.

    Статистический анализ

    Взаимодействия между WAPO-A1 и WAPO-B1 тестировали с использованием факторного дисперсионного анализа 2 × 2 с использованием гомеологов в качестве факторов и аллелей (мутанты WT и CRISPR) в качестве уровней. Четыре возможных гомозиготных класса — WT, wapo-A1, wapo-B1 и двойной мутант wapo1 — были отобраны из потомства F 2 растения F 1 от скрещивания wapo1 x Kronos WT. без трансгена CRISPR-Cas9.

    Для трансгенных линий TmDV92, LDN-C47 и LDN-F47 мы получили от трех до пяти различных трансгенных событий. Поскольку количество нетрансгенных сестринских линий Т 1 было небольшим для каждого события, мы объединили нетрансгенные сестринские линии из разных событий, созданных с помощью одной и той же конструкции. Затем мы сравнили различные трансгенные объекты с объединенными нетрансгенными линиями с той же конструкцией, используя тесты Даннета. Все статистические анализы были выполнены с помощью SAS версии 9.4. Однородность дисперсии проверялась с использованием критерия Левена, а нормальность остатка — с помощью теста Шапиро-Уилкса, реализованного в SAS v9.4. При необходимости данные были преобразованы, чтобы восстановить предположения ANOVA.

    Количество зерен и распределение урожайности по колосу остаются стабильными, несмотря на селекцию на высокую урожайность озимой пшеницы

    Abstract

    Две популяции озимой пшеницы ( Triticum aestivum L.), т. Е. 180 генетических ресурсов и 210 элитных сортов, были сравнены в полевых испытаниях для анализа того, как количество зерен и распределение урожайности вдоль колоса менялись в процессе селекции и как это связано с чертами, связанными с урожайностью.Элиты показали в среднем на 38% больше доходности по сравнению с ресурсами. Это селекционное улучшение в основном связано с увеличением количества зерен и урожайности с колоса в дополнение к зернам и урожайности с колоса. Эти приросты составили 19, 23, 21 и 25% соответственно. У элит наблюдался незначительный прирост массы тысячи зерен (4%) по сравнению с ресурсами. Число колосков на колос не коррелировало или даже отрицательно коррелировало с большинством признаков, за исключением зерен на колос, что позволяет предположить, что этот признак не был предпочтительным во время селекции.Распределение количества зерен и урожайности зерен вдоль шипа (GDAS и GYDAS) измеряли и сравнивали с помощью нового математического инструмента. GDAS и GYDAS измеряют отклонение интересующего шипа от архитектуры модельного шипа с равномерным распределением зерна и урожайности по всем колоскам, соответственно. Обе черты положительно коррелировали. Элиты показали в среднем только 1% улучшение значений GDAS и GYDAS по сравнению с ресурсами. Это сравнение показало, что разведение увеличивало количество зерен и урожайность равномерно вдоль колоса без изменения относительной урожайности отдельных колосков, тем самым поддерживая общую архитектуру колоса.

    Образец цитирования: Philipp N, Weichert H, Bohra U, Weschke W., Schulthess AW, Weber H (2018) Количество зерна и распределение урожайности зерна вдоль колоса остаются стабильными, несмотря на селекцию для получения высокой урожайности озимой пшеницы. PLoS ONE 13 (10): e0205452. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452

    Редактор: Аймин Чжан, Институт генетики и биологии развития Китайской академии наук, КИТАЙ

    Поступила: 15 июня 2018 г .; Одобрена: 25 сентября 2018 г .; Опубликован: 10 октября 2018 г.

    Авторские права: © 2018 Philipp et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в рукописи и ее файлах с вспомогательной информацией.

    Финансирование: AWS был поддержан Федеральным министерством образования и исследований Германии в рамках GeneBank2.0 Проект (Грант FKZ031B0184A). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

    Введение

    Пшеница ( Triticum spp.) Составляет 30% мирового производства зерна и 45% питательных веществ зерновых, таким образом, представляя собой один из основных видов продовольственных культур [1]. За последние годы фактические темпы производства пшеницы увеличились всего на 0.5% в год, что намного меньше требуемых 1,4%, которые необходимы для того, чтобы справиться с все еще растущей популяцией людей [2, 3]. Следовательно, повышение урожайности пшеницы должно быть достигнуто за счет дальнейшего увеличения урожайности зерна с площади. Однако текущий рост урожайности пшеницы замедляется, и индекс урожая приближается к теоретическому пределу. Более того, доступный генетический фонд, по-видимому, в значительной степени исчерпан, а современное разведение еще больше привело к снижению генетической изменчивости [1]. В этом отношении использование генетических ресурсов пшеницы может быть многообещающим для преодоления этого недостатка [4].

    Урожайность зерна пшеницы в основном ограничена поглотителем, и зерно растет в условиях насыщенного источника [5]. Повышенное разделение ассимилятов на развивающиеся колосья и зерно оказало наибольшее влияние на повышение потенциала урожайности пшеницы в прошлом, что привело к увеличению индекса урожая, но с гораздо меньшим приростом биомассы [6]. Прирост урожая в прошлом в основном связан с увеличением количества зерен на единицу площади, а не с увеличением размера зерен [7]. Урожайность зерна — сложный признак и результат мультипликативного взаимодействия компонентов [8].Несколько исследований на пшенице выявили некоторые количественные признаки, влияющие на урожай зерна, которые совмещены с локусами, связанными с его компонентами, что предполагает частично общий генетический контроль этих признаков [9–12]. Компоненты урожайности пшеницы многогранны [13] и охватывают два основных параметра: урожай зерна с площади и урожай зерна с колоса. Урожайность зерна с площади включает количество зерен с колоса, массу зерна и колосьев с площади; тогда как урожай зерна на колос включает количество колосков на колосе, количество зерен и размер зерна на колосе и / или колоске.Между различными компонентами урожайности существует множество взаимодействий и механизмов компенсации, зависящих от взаимодействий генотип x среда x агрономия [13]. В этом смысле важные, связанные с урожайностью характеристики, такие как масса и количество зерен, часто имеют отрицательную корреляцию [14].

    Колосья пшеницы содержит от 24 до 28 колосков, каждый с несколькими цветочками. Зерна могут различаться по стадии развития, весу, количеству и эффективности плодоношения при сравнении между разными колосками и даже в пределах отдельных колосков [15].Средние колоски имеют больше и более тяжелые зерна, чем базальные и верхние колоски [16]. Количество колосков, масса зерен и количество зерен в колоске также оказывают значительное влияние на массу тысячи зерен (TGW) и количество зерен в колосе. Степень и скорость заполнения зерен в отдельных колосках сильно различаются в зависимости от их положения на колоске [17].

    Естественная изменчивость, представленная в генетических ресурсах пшеницы, представляет собой важный инициатор генетического прогресса [18].Сравнение связанных с урожайностью признаков генетических ресурсов и элитных сортов может помочь оценить и понять прогресс в селекции и селекции. Цели этого исследования заключались в (i) количественной оценке различий в урожайности зерна и связанных с урожайностью признаков между двумя популяциями 180 генетических ресурсов и 210 элитных сортов озимой пшеницы ( Triticum aestivum L.), (ii) выявление наиболее релевантных компоненты урожая, ответственные за повышение урожайности зерна у элитных сортов, и (iii) изучить, каким образом количество зерна и распределение урожая зерна вдоль колоса изменялись во время селекции.

    Материалы и методы

    Растительный материал

    Настоящее исследование включает две популяции озимой пшеницы. Первый включает 180 генетических ресурсов, отобранных случайным образом из немецкого Федерального банка генов ex situ сельскохозяйственных и садовых культур, который поддерживается Институтом генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур в Гатерслебене. Вторую популяцию составляют 210 европейских элитных сортов, выведенных из проектов GABI-WHEAT [19] и VALID [20] (таблица S1).Большинство образцов популяции генетических ресурсов происходят из Западной Европы (43%), Восточной Европы (20%), Южной Европы (7%) и Северной Европы (6%), а 5% и 4% — из Азии. и Северная Америка соответственно. Происхождение 15% образцов было неизвестно (рис. 1А). Разновидности элитной популяции происходили из Западной Европы (41%), Северной Европы (33%) и Восточной Европы (23%), а для остальных 3% происхождение было неизвестно (рис. 1B).

    Полевые испытания

    Популяции были протестированы вместе с использованием неполного блочного дизайна (альфа-решетка) с двумя повторностями в Гатерслебене, Германия (51 ° 49 ’19 широты.74 «северной широты, 11 ° 17 ‘11,80» восточной долготы, 110,5 м над уровнем моря, чернозем глинистого суглинка, среднегодовая температура 9 ° C, среднегодовое количество осадков 490 мм). Разновидность Apache повторяли десять раз в каждой репликации, чтобы заполнить количество участков на репликацию до 400 для оптимальной рандомизации в неполных блоках. Опытная единица соответствовала делянку площадью 5 м 2 с густотой посева 220 семян на м 2 . Удобрения, регуляторы роста, гербициды и фунгициды применялись в соответствии с местными сельскохозяйственными методами.Перед сбором урожая с каждого участка в каждой повторности отбирали пять основных шипов и хранили для дальнейших исследований. После обмолота зерна, собранные с каждого участка, взвешивали, и урожай зерна выражали в Mg ha -1 .

    Исследование спайковой архитектуры

    Всего было исследовано около 4000 колосков (10 на генотип; 100 разновидностей наполнителя Apache) на количество колосков на колос, количество зерен на колосок и урожай зерна с колоса (г). Колоски осторожно удаляли пошагово снизу вверх.С каждого колоска зерна удаляли, очищали и взвешивали. Были рассчитаны урожай зерна на колосе и количество зерен на колосе, а также мера распределения зерна вдоль колоса (GDAS) и распределение урожайности зерна вдоль колоса (GYDAS). Среднее значение признака по пяти исследованным пикам на участке было использовано для дальнейшего анализа. Зерна со всех пяти колосьев одного участка были объединены и проанализированы с помощью анализатора семян MARVIN (www.gta-sensorik.com) на TGW (г), длину зерна (мм), ширину зерна (мм) и площадь зерна (мм 2 ). ).

    Колоски на колосе различаются по плодовитости. Это можно измерить по количеству зерен и урожайности зерен (г) отдельных колосков. Следовательно, общее количество зерен и общий урожай зерна колоса более или менее равномерно распределены по колючке. Чтобы количественно определить, какой вид распределения (четный или неравномерный) был выбран селекционерами растений, мы разработали меру для сравнения равномерности GYDAS и GDAS среди колосьев. Эта мера представляет собой математический термин, основанный на косинусе угла двух векторов и может быть подробно описан следующим образом:

    Был принят модельный колос с идеальной GYDAS с абсолютно равномерным распределением урожая зерна по всем колоскам и использован для сравнения с интересующим колосом.Сравнение интересующего спайка с модельным спайком происходит в векторном пространстве размерности n , размеры которого определяются общим числом колосков интересующего спайка. Геометрическая разница в GYDAS между двумя пиками основана на скалярном произведении этих двух векторов: (1) где направления двух векторов отличаются друг от друга на определенный угол, что отражает различие в распределении урожайности зерна между интересующим шипом a и модельным шипом b .Термин основан на разнице косинуса угла между модельным спайком и интересующим спайком. Помимо количества колосков на колос, термин использует параметры урожайности зерна на колос и урожай зерна на колос для описания GYDAS или количества зерен на колос и количества зерен на колос для описания GDAS. Для примера GYDAS это можно записать как: (2) где a i и b i — урожай зерна (или количество зерен) i -го колоса (из общего числа n колосков) колоса интереса и всплеска модели соответственно.Из-за равномерного распределения урожая зерна по всем колоскам в модельном колосе b i строго равно единице, а последнее уравнение сводится к следующему: (3) где равно урожайности зерна интересующего шипа (GYS): (4) Значение косинуса является мерой распределения вдоль шипа. Чем выше значение косинуса, тем лучше (более ровно) GYDAS или GDAS (рис. 2). При значении 1 угол разницы равен 0 °, что означает, что интересующий спайк имеет то же распределение, что и модельный спайк.

    Рис. 2. Контрастные значения распределения урожайности зерна вдоль колоса (GYDAS).

    (A) Генетический ресурс TRI_1218 и (B) элитный сорт Лимерик, а также (C) пример колоса, показывающий нумерацию колосков в соответствии с положением на колосе.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452.g002

    Оценка соответствующих количественных генетических параметров

    Для анализа фенотипических данных мы применили следующую линейную смешанную модель для каждого признака: (5) где y ijk — полевые характеристики i -го генотипа в j -м блоке и k -м блоке, μ пересечение, g i эффект i -й генотип, r j эффект j -я репликация, b k ( j ) эффект k -й блок, вложенный в j -ю репликацию , а e ijk , это ошибка y ijk .Для коррекции выбросов генотип принимался за фиксированный фактор, а репликация и блокировка считались случайными. Записи удалялись как выбросы, если их стандартизированные остатки превышали определенный порог согласно [21]. Впоследствии модель в уравнении (5) была адаптирована снова, чтобы оценить наилучшие линейные несмещенные оценки (BLUE). Для оценки компонентов дисперсии данные, скорректированные на выбросы, были дополнены следующей модифицированной моделью, чтобы отдельно оценить компоненты генетической дисперсии для популяции генетических ресурсов и элитных сортов: (6) где y ijkl — полевые характеристики i -го генотипа в j -й репликации, k -м блоке и l -й популяции, μ пересечение, p l влияние l -й популяции, g i ( l ) влияние i -го генотипа на l -ю популяцию, r j эффект j -я репликация, b k ( j ) эффект k -го блока, вложенного в j -ю репликацию, и e ijkl , ошибка из y ijkl .Фиктивные переменные [22] кодировали наличие (1) генотипов в -й популяции и отсутствие (0) генотипов, принадлежащих другой популяции, и не отображались в модели. Для оценки компонентов дисперсии генотипов, блоков репликации и ошибок они были приняты как случайные факторы, тогда как среднее значение по совокупности рассматривалось как фиксированный фактор. Компоненты дисперсии использовались для оценки повторяемости как: (7) где относится к генотипической дисперсии, к дисперсии ошибок и Nr . rep к количеству повторов. Значимость разницы в средних популяциях между генетическими ресурсами и элитными сортами была проверена с помощью t-критерия для сравнения двух выборок на основе оцененных значений BLUE. Значимость компонентов генетической дисперсии оценивалась с помощью теста отношения правдоподобия, который учитывал соответствующие правдоподобия полной и сокращенной моделей. Генетические отклонения считались значительно различающимися между популяциями, если их приблизительные доверительные интервалы (генетические отклонения плюс / минус удвоенные стандартные ошибки) не перекрывались.Корреляции Пирсона между СИНИМИ признаками были рассчитаны отдельно для генетических ресурсов и элитных сортов.

    Чтобы проанализировать вклад отдельных колосков в общее количество зерен и урожайность колоса в популяциях генетических ресурсов и элитных сортов, мы применили следующую модель: (8) где y ijkl — количество зерен или урожай зерна i -го колоса (шаг веретена) в j -й популяции, k -й репликации и l -й блок, μ точка пересечения , ( sp ) ij эффект колоса i ( s ) в популяции j ( p ), r k влияние k -я репликация, b l эффект l -го блока, вложенного в k -ю репликацию, и e ijkl ошибка y ijkl .Для оценки BLUE ( sp ) ij было принято как фиксированный коэффициент, все остальные как случайные факторы. Линейные смешанные модели были реализованы с использованием ASReml-R [23], а все статистические процедуры выполнялись в среде R [24].

    Результаты

    Генетические ресурсы и элитные сорта различаются средней разницей урожайности зерна 38,11%

    Качество данных, как показывают оценки повторяемости, было от среднего до высокого и варьировалось от 0.46 для GDAS и 0,94 для длины зерна в популяции генетических ресурсов и от 0,63 для GDAS до 0,93 для длины зерна в популяции элитных сортов (Таблица 1). Все компоненты генетической дисперсии достоверно отличались от нуля (значение P <0,001). Различия в генетической дисперсии между популяциями были значительными (значение P <0,05) только для урожайности зерна на колос, TGW, ширины зерна, площади зерна и урожайности зерна. В то время как генетическая дисперсия урожайности зерна на колос в элитной популяции была увеличена на 109%, генетическая дисперсия других упомянутых признаков снизилась до 59% по сравнению с популяцией генетических ресурсов.Различия в средних значениях между двумя популяциями были значительными (значение P <0,05) для всех исследованных признаков, за исключением длины зерна. Незначительное увеличение средств элитной популяции по сравнению с генетическими ресурсами наблюдалось для GDAS (1,06%), GYDAS (1,03%), площади зерна (2,21%), ширины зерна (2,36%) и TGW (3,80%) (Таблица 1, рис 3). Значительно более высокий рост наблюдался для зерен на колос (19,05%) и урожайности зерна на колос (23,22%), а также зерна на колос (21,25%) и урожайность зерна на колос (25.03%), а наибольший прирост был отмечен по урожайности делянки (38,11%). Единственным признаком с незначительным снижением среднего значения по сравнению с генетическими ресурсами были колоски на колос (-1,95%).

    Рис. 3.

    Распределение наилучших линейных несмещенных оценок (BLUE) 12 признаков, связанных с урожайностью (A-L), измеренных в двух популяциях озимой пшеницы из 180 генетических ресурсов (Ресурс) и 210 элитных сортов (Элита). P-value указывает на существенно разные средние значения между популяциями; нс, не имеет значения.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452.g003

    Таблица 1. Статистика первой и второй степени a из 12 признаков, связанных с урожайностью, исследованных в двух популяциях озимой пшеницы со 180 генетическими ресурсами и 210 элитные сорта, а также различия средних и дисперсионных популяций b по отношению к популяции генетических ресурсов.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452.t001

    Основной вклад в количество зерен и урожайность зерна с колоса дает нижняя половина колосков

    Анализируя вклад отдельных колосков в общий урожай зерна и количество зерен в колосе (уравнение 8), было замечено, что урожайность зерна как в элите, так и в ресурсах была неравномерно распределена по колоскам колоса.В частности, вклад в урожай зерна был в основном сконцентрирован в колосках от четырех до четырнадцати (рис. 4A). То же самое верно и для распределения количества зерен вдоль шипа (рис. 4В). Среднее сравнение показало, что и количество зерен, и урожайность зерна увеличились в элитах во всех колосках вдоль колоса. Однако относительный вклад в урожай на один колоск, то есть процентное соотношение вкладов отдельных колосков в общий урожай колоса, было практически одинаковым для элит и ресурсов (рис. 4C).Обратите внимание, что GDAS и GYDAS являются мерой для сравнения равномерности числа зерен и распределения урожая зерна вдоль шипа между популяциями, показанными на рис. 4A и рис. 4B, соответственно. Средний вес отдельных колосков, рассчитанный путем деления урожайности колосков (Рис. 4A) на количество зерен на колосок (Рис. 4B), был незначительно увеличен для элитных растений в базовой и средней части колоса (Рис. 4D). Взятые вместе, результаты показывают, что преимущество в урожайности элитных колосьев в основном достигается за счет большего количества зерен вдоль всего колоса, тогда как относительный вклад отдельных колосков вдоль колоса почти не изменился.

    Рис. 4. Распределение признаков урожайности вдоль колоса для популяции 180 генетических ресурсов (Ресурс) и 210 элитных сортов (Элита).

    (A) урожай зерна на колоск, (B) зерна на колоск, (C) относительный вклад урожая на колосок и (D) средний вес зерна на колоск.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452.g004

    Корреляция урожайности зерна в популяции элитных сортов в целом снизилась

    Две группы корреляций были четко определены в матрице корреляции признаков (таблица 2): корреляции, значения которых сохранялись между популяциями, и те, значения которых различались при переходе от ресурсов к элитному материалу (таблица 2).Существенных изменений знака арифметики (+, -), т.е. когда положительная значимая корреляция смещается в сторону отрицательной значимой при переходе от ресурсов к элитному материалу или наоборот, не наблюдалось. В этом разделе мы выделили несколько интересных примеров, отражающих эти результаты. В популяции элитных сортов самые высокие и достоверные корреляции (значение P <0,001) наблюдались между GDAS и GYDAS (0,97), урожайностью зерна на колос и зерном на колос (0,85), зерном на колоске и зерном на колосе (0.88), зерна на колос и урожай зерна на колос (0,77), урожай зерна на колос и урожай зерна на колос (0,90), а также урожай зерна на колосок и зерна на колоск (0,83). Корреляция между характеристиками размера зерна: TGW, длина зерна, ширина зерна и площадь зерна в целом были высокими с коэффициентами корреляции до 0,90 между площадью зерна и TGW. В этом отношении только корреляция между шириной зерна и длиной зерна была низкой (0,29). Аналогичные корреляции наблюдались и в популяции генетических ресурсов.Интересно, что колоски на колос имеют отрицательную корреляцию с GDAS и GYDAS и положительно коррелируют с количеством зерен на колос и урожайностью зерна с колоса в обеих популяциях. Тем не менее, эти корреляции находились на уровне от низкого до умеренного. В элитной популяции GDAS умеренно коррелировал с зерном на колос (0,51), урожайностью зерна на колос (0,51), зерном на колос (0,69) и урожайностью зерна на колос (0,65). В отличие от популяции генетических ресурсов GDAS значительно меньше коррелировал с зерном на колос (0.27), урожай зерна с колоса (0,28), зерна с колоса (0,40) и урожай зерна с колоса (0,37). Аналогичная тенденция наблюдалась и для корреляций указанных признаков с GYDAS в обеих популяциях. Не наблюдалось заметной корреляции для GDAS или GYDAS с урожаем зерна для обеих популяций, так как связь между GDAS и урожайностью зерна (0,18) едва значима. В популяции генетических ресурсов урожайность зерна умеренно коррелировала с урожайностью зерна с колоса (0.39), урожайность зерна на колос (0,43), ширину зерна (0,41) и TGW (0,28), в то время как в элитной популяции эти корреляции были примерно вдвое меньше для урожайности зерна на колос (0,26), урожайности зерна на колос (0,20) и зерна ширина (0,16). И последнее, но не менее важное: корреляция между урожайностью зерна и TGW не была значимой для элитного населения.

    Таблица 2. Коэффициенты корреляции Пирсона между 12 признаками, связанными с урожайностью, измеренными в двух популяциях озимой пшеницы 180 генетических ресурсов (верхний треугольник) и 210 элитных сортов (нижний треугольник).

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205452.t002

    Обсуждение

    Сравнение связанных с урожайностью признаков генетических ресурсов и элитных сортов может помочь оценить и понять прогресс селекции и селекции. В этом исследовании мы сосредоточились на разработке, описании и проверке двух новых агрономических признаков, GDAS и GYDAS, на основе двух популяций 180 генетических ресурсов и 210 элитных сортов озимой пшеницы. С помощью данных, собранных в этом контексте, мы смогли сделать выводы, в какой степени количество зерен и распределение урожайности зерна вдоль колоса изменялись в процессе селекции и как это связано с другими признаками, связанными с урожайностью.Учтите, что все найденные ассоциации ограничены одной средой и могут модулировать в других средах. Поэтому мы внимательно отнеслись к их интерпретации и полагались на вспомогательную литературу.

    Повышенное количество зерен на колосе объясняет примерно половину повышения урожайности у элитных

    Примерно половина 38% -ного повышения урожайности, достигнутого селекцией в элите, была связана с сопутствующим 23% -ным увеличением урожайности зерна с одного колоса (Таблица 1, Рис. 3).Это увеличение урожайности зерна на колос, в свою очередь, было связано с одновременным увеличением количества зерен на колос (прирост на 19%), количества зерен (21%) и урожайности зерна на колос (25%). Другая половина повышения урожайности, наблюдаемого в элите, может быть в основном связана с увеличением количества колосьев на 1 м 2 , поскольку этот признак, наряду с урожайностью зерна на колос, соответствует одному из основных компонентов урожайности зерна у пшеницы. Более того, часто сообщалось, что существует более тесная связь между урожаем зерна и количеством зерен, чем между урожаем зерна и массой зерна [7, 25–28].Например, современные сорта английской озимой пшеницы содержат на 59% больше зерен за счет 30% дополнительных зерен на колось и на 14% больше колосьев на м. 2 , но с аналогичным TGW [29], в то время как сравнение старых и современных сортов твердой пшеницы в Италии и Испании выяснилось, что селекция увеличила количество зерен на один колос на 23% из-за более высокого количества зерен на колос [30]. Наблюдение, что повышение урожайности зерна в элитах сопровождалось увеличением количества зерен на колос, но без особого прироста TGW (3.Прирост 8%) в нашем исследовании подтверждает эти прошлые выводы. Хотя история селекции показывает, что генетическое улучшение связано с увеличением количества зерен на площадь, элитные сорта, похоже, не производят больше общей биомассы, что указывает на снижение отношения источника к поглотителю [31]. Таким образом, повышение урожайности зерна происходит за счет увеличения количества биомассы, распределяемой между зернами. Наиболее важным было создание полукарликовых линий путем введения аллелей Rht , которые изменили распределение ассимилятов в ушах и увеличили фертильность колосьев [28].Другой ключевой особенностью, способствовавшей увеличению урожайности зерна, было увеличение количества водорастворимых углеводов в стеблях и листьях при цветении. Это увеличивает запасы источника и, следовательно, доступный углерод, предназначенный для наполнения зерен [7]. Эти ключевые улучшения сместили отрицательную взаимосвязь между TGW и количеством зерен на площадь в элитах, которые заполняют больше зерен без больших потерь в TGW [28].

    Увеличение количества зерен в колосе достигается за счет повышения плодовитости отдельных колосков, а не увеличения количества колосков на колос

    Поскольку повышенное количество зерен на колосе связано с более высоким урожаем, увеличение количества колосков на колос потенциально может увеличить количество зерен на колос.Однако количество колосков на колос уменьшилось в элите на 2% и, следовательно, не было предпочтительной целью отбора. Несмотря на то, что количество колосков на колос умеренно коррелирует с количеством зерен на колос в элитах (+0,45) и ресурсами (+0,46), корреляция с урожайностью зерна и другими характеристиками, связанными с урожаем, слабая или даже отрицательная (Таблица 2). Это указывает на то, что большее количество колосков на один колос неблагоприятно сказывается на урожайности зерна. Соответственно, для австралийской пшеницы количество колосков связано с количеством зерна, а не с урожаем зерна [32, 33].Развитие колосков у озимой пшеницы зависит от яровизации и может быть увеличено за счет увеличения периода вегетации, расстояния между растениями, температуры, азотного питания и интенсивности света [34, 35]. Это демонстрирует, что конкуренция ассимилятов в развивающемся спайке играет роль [36]. Низкая связь с урожайностью зерна и тот факт, что количество колосков связано с более длительным вегетационным периодом [32] и фазой развития колоса [37], может объяснить, почему увеличение количества колосков не было предпочтительным.

    Селекция изменила средние значения многих признаков, связанных с урожайностью элитных сортов

    Выбор растительного материала для получения высокой урожайности и TGW мог также косвенно повлиять на родственные признаки (Таблицы 1, 2, Рис. 3). Этот так называемый коррелированный ответ на отбор является функцией корреляции между признаками и наследуемостью признаков [38, 39]. Совместный отбор мог повлиять на средние характеристики признаков между двумя популяциями и их генетические различия. Например, отбор на более высокий TGW значительно увеличил среднее значение и уменьшил генетическую вариативность TGW, но также положительно увеличил ширину зерна коррелированных признаков и площадь зерна.Эффекты совместного отбора признаков не всегда очевидны. Заметным исключением является совместный отбор урожайности зерна и его составляющего признака урожайности на колосе. Даже несмотря на то, что селекционеры отдавали приоритет отбору растительного материала с высоким урожаем зерна и, таким образом, совместно отбирали более высокий урожай с каждого колоса; генетическая изменчивость урожайности зерна снизилась (-54,35%), но вариация урожайности на колос одновременно увеличилась в элитах (108,77%). Одно правдоподобное объяснение этому состоит в том, что недостаточный урожай с одного колоса может быть компенсирован увеличением количества колосьев на метр 2 в растительном материале с многостебельным характером роста [8, 40].В этом смысле отбор высокоурожайного материала мог допускать отбор генотипов, которые не обязательно имеют высокий урожай на колос, что, в свою очередь, увеличивало генетическую дисперсию урожайности на колос в элитах. Поскольку количество выступов на 1 м 2 здесь не оценивалось, мы не можем исключить другие причины. И последнее, но не менее важное: несколько корреляций характеристик изменились по величине, то есть стали слабее или сильнее при сравнении ресурсов с элитными (таблица 2). Тем не менее, эти сдвиги могут быть просто искусственными из-за усечения значений признаков [41] и массового отбора селекционерами.

    Селекция не повлияла на неравномерное распределение количества зерен и урожайности по колосу

    В течение большей части периода налива зерна пшеница скорее ограничена поглотителем, чем источником [42]. Снятие ограничения поглощения недавно было одобрено для дальнейшего повышения урожайности зерна [43]. Анализ архитектуры шипа как у элиты, так и у ресурсов показывает, что количество зерен, урожай зерна и средний вес зерна на колоск различаются в зависимости от положения колоска в колосе (Рис. 4A – 4D).И у элиты, и у ресурсов распределение урожайности зерна колосков очень похоже: с четырех по четырнадцатым колоскам приходится 64% урожая на один колос. Это обнадеживает, если учесть, что эти колоски, расположенные в нижней половине колоса, составляют примерно 44% от общего количества колосков. В этом смысле улучшение архитектуры шипов в сторону большей отдачи в верхних частях шипов может быть многообещающим для преодоления ограничений по опусканию.

    GDAS и GYDAS как меры равномерности количества зерен и распределения урожайности зерна вдоль колоса, соответственно, были очень похожи и сильно коррелировали как по элите, так и по ресурсам (рис. 3A – 3B).И GDAS, и GYDAS только немного улучшились — на 1% в элите, что указывает на то, что сохраняется стабильная спайковая архитектура (рис. 3A и 3B; таблица 1). Таким образом, процент и вклад отдельных колосков в общий урожай колосков остается почти неизменным как для элит, так и для ресурсов (рис. 4C). Другими словами, селекция улучшила количество зерен и повысила урожайность вдоль колоса без изменения относительной отдачи урожая отдельных колосков. Такое ограниченное изменение предполагает, что эти признаки не были задействованы в селекции, вероятно, из-за низкой корреляции с урожайностью зерна (Таблица 2).С другой стороны, поддержание стабильного распределения зерна и урожайности может отражать тот факт, что характерные особенности физиологии и развития колоса нелегко изменить путем селекции с одновременным увеличением урожайности. Поскольку зерна в колосках и колосках развиваются асинхронно, а степень и скорость заполнения сильно варьируется в зависимости от положения иглы, дистальные зерна остаются меньше, чем базальные, из-за более позднего заполнения и более медленной начальной скорости заполнения, а также из-за синхронного созревания между разными зернами [44, 45 ].Более низкая скорость заполнения дистальных зерен связана с более низкими концентрациями абсцизовой кислоты и более высокими концентрациями этилена и 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты [17]. О конкуренции за ассимиляты внутри шипа сообщалось по снижению доступности ассимилятов из-за низкой освещенности, что уменьшало TGW в верхних зернах по сравнению с базальными зернами, тогда как высокая температура уменьшает размер зерна во всех положениях [42]. Возможные ограничения транспортных возможностей и конкуренция за ассимиляты между колосками и / или цветками могут повлиять на урожайность [2].Потенциальной проблемой может быть сопротивление ассимиляции движения в шипах и / или колосках [46]. Несоответствие размеров сосудистых пучков в разных сегментах шипа может иметь решающее значение, влияя на конечный размер и количество зерен вдоль рахиса [47]. В конце концов, увеличение генетической урожайности не сопровождалось аналогичным увеличением размера сосудистой сети шипа. Соответственно, не было обнаружено четкой связи между генетическим улучшением и величиной сосудистой системы в стеблях колоса [48].

    Вес в тыс. Зерен был второстепенным целевым показателем селекции

    Хотя селекционный прогресс в элите в основном достигается за счет увеличения количества зерен на колоске и зерен на колос, TGW был улучшен лишь незначительно (Таблица 2), а длина зерен не изменилась (Рис. 3H и 3I).TGW сильно коррелирует с шириной зерна, площадью и урожайностью зерна с колоса и колоса, но лишь умеренно с длиной зерна как в элитах, так и в ресурсах (Таблица 2), [14]. Регулировка длины и ширины зерна в значительной степени независима. Длина определяется очень рано в развитии зерна и определяется удлинением перикарпия [49, 50]. Ширина определяется позже при заполнении зерна и определяется делением клеток эндосперма, движущей силой для сахарозы между сосудистой сетью и эндоспермом и накопительной активностью [51, 52].Повышение TGW, по-видимому, было достигнуто, главным образом, за счет улучшения ширины зерна (2,36%) и площади (2,21%), а не длины (Таблица 1). Множественные компоненты урожая и характеристики колоса связаны с геном Q , присутствующим во всех современных сортах пшеницы. Q связан с уменьшенным соотношением длины зерна к весу, что приводит к более коротким и округлым зернам [53]. TGW и ширина зерна являются показателями качества помола. Более крупные и короткие зерна улучшают степень извлечения муки и качество конечного потребления [16, 54, 55].Таким образом, TGW был выбран в основном как параметр качества, а не как признак повышения урожайности зерна. Кроме того, средний вес зерна на один колос увеличивается только в нижнем и среднем колосе, с одного колоска до тринадцати (рис. 4D). Часто сообщалось о компромиссе между количеством и массой зерна в пшенице, что объясняется неконкурентоспособными причинами [54, 56]. Когда количество зерен и урожайность были увеличены, доля более мелких зерен в дистальных положениях шипов также увеличивалась, тем самым снижая средний вес зерна [57].Однако такая точка зрения не может быть подтверждена здесь, потому что прирост зерна и урожайность в элитах пропорционально распределены по всему колосу, а не предпочтительно выше в дистальных областях (рис. 4C). Присутствие более мелких дистальных зерен можно скорее отнести к ограничению и / или конкуренции снабжения ассимилятов на уровне всего колоса, поскольку количество зерен может быть изменено ассимилятами, выделенными на колосе [58]. Эктопическая экспрессия переносчика сахарозы в эндосперме пшеницы увеличивала индивидуальную массу зерна, но уменьшала количество зерен на колос [59, 60].Таким образом, эти генотипы могут пострадать от конкуренции между зерном за ассимиляты и, следовательно, от потенциальных ограничений в поставке колоса. Различные функции могут контролировать поступление ассимилятов, такие как загрузка и разгрузка в сосудистой системе и транспортировка на короткие расстояния в спайке, рахисе и колосках [61].

    Необходима дальнейшая валидация GDAS и GYDAS для подтверждения практического использования в селекции растений

    Так как количество зерен в колоске коррелирует с урожайностью колосков (0.73 для генетических ресурсов и 0,83 для элитных сортов) GDAS и GYDAS очень похожи. Таким образом, на практике обе характеристики можно измерить как взаимозаменяемые. Хотя селекция практически не изменила GDAS и GYDAS, это не исключает использования этих признаков для косвенного отбора урожая зерна. Чтобы оценить способность GDAS и GYDAS в качестве косвенных признаков для отбора урожая зерна, следует провести эксперимент, в котором достаточно вариаций по этим трем признакам в пределах базовой популяции, а растительный материал отбирается исключительно на основе косвенных признаков или сам урожай зерна.Сравнение генетических выгод, достигнутых обеими процедурами, покажет преимущества непрямого отбора с использованием GDAS и GYDAS по сравнению с прямым отбором по урожайности зерна.

    Заключение

    Селекция существенно увеличила количество зерен на площади в элитах за счет увеличения количества зерен на колос и колоски без особого увеличения TGW. Очевидно, что не было предпочтительного выбора большего количества колосков на колос, потому что это может увеличить количество зерен на колос, но не урожайность, и с потенциальной компенсацией в TGW и / или зернах на колос.Несмотря на то, что ограничение поглощения было уменьшено за счет выделения большего количества ассимилятов в колосья, неравномерный вклад отдельных колосков в урожайность оставался стабильным. Ограниченный успех в улучшении архитектуры колоса предполагает, что либо этот признак не был нацелен на селекцию, либо его поддержание отражает характерные особенности физиологии и развития колоса, которые нелегко изменить с одновременным увеличением урожайности. Манипулирование неравномерным числом зерен или распределением урожайности колосков вдоль колоса может дать повышение урожайности, возможно, за счет решения проблемы загрузки ассимилятов, разгрузки в сосудистой системе и переноса на короткие расстояния в колоске, рахисе и колосках.Эти особенности контролируют и ограничивают транспортные возможности и конкуренцию между колосками и зерном.

    Список литературы

    1. 1. Шармет Г. Одомашнивание пшеницы: уроки на будущее. C R Biol. 2011. 334 (3): 212–20. Epub 2011/03/08. pmid: 21377616.
    2. 2. Рейнольдс М., Фоулкс М.Дж., Слафер Г.А., Берри П., Парри М.А., Снейп Дж. В. и др. Повышение урожайности пшеницы. Журнал экспериментальной ботаники. 2009. 60 (7): 1899–918. Epub 2009/04/14. pmid: 19363203.
    3. 3. Рэй Д.К., Мюллер Н.Д., Западный ПК, Фоли Д.А. Тенденции урожайности недостаточны для удвоения мирового производства сельскохозяйственных культур к 2050 году. PloS one. 2013; 8 (6): e66428. pmid: 23840465
    4. 4. Longin CFH, Reif JC. Изменение использования генетических ресурсов пшеницы. Тенденции в растениеводстве. 2014. 19 (10): 631–6. pmid: 25052155
    5. 5. Borrás L, Slafer GA, Otegui ME. Реакция сухой массы семян на манипуляции с источником – поглотителем пшеницы, кукурузы и сои: количественная переоценка.Исследования полевых культур. 2004. 86 (2): 131–46.
    6. 6. Фоулкс М.Дж., Слафер Г.А., Дэвис В.Дж., Берри П.М., Сильвестр-Брэдли Р., Мартр П. и др. Повышение урожайности пшеницы. III. Оптимизация разделения зерна при сохранении устойчивости к полеганию. Журнал экспериментальной ботаники. 2011. 62 (2): 469–86. pmid: 20952627
    7. 7. Ширман В.Дж., Сильвестр-Брэдли Р., Скотт Р.К., Фоулкс М.Дж. Физиологические процессы, связанные с ростом урожайности пшеницы в Великобритании. Наука о растениеводстве. 2005. 45 (1): 175–85.PubMed PMID: WOS: 000226435300022.
    8. 8. Слафер Г.А., Кальдерин Д.Ф., доктор медицины Дж. Компоненты и компенсация урожайности пшеницы: возможности для дальнейшего увеличения потенциала урожайности. В: Р. М. П., Раджарам С., Макнаб А., редакторы. Повышение урожайности пшеницы: преодоление барьеров. Мексика Д.Ф .: Симмит; 1996. стр. 101–34.
    9. 9. Катберт Дж. Л., Сомерс Д. Д., Брюль-Бабель А. Л., Браун П. Д., Кроу Г. Х. Молекулярное картирование локусов количественных признаков для урожайности и компонентов урожая яровой пшеницы (Triticum aestivum L.). Теоретическая и прикладная генетика. 2008. 117 (4): 595–608. PubMed PMID: WOS: 000257960800013. pmid: 18516583
    10. 10. Сукумаран С., Драйзигакер С., Лопес М., Чавес П., Рейнольдс М.П. Полногеномное ассоциативное исследование урожайности зерна и связанных с ним признаков в элитной популяции яровой пшеницы, выращенной в орошаемых условиях умеренного климата. Теоретическая и прикладная генетика. 2015; 128 (2): 353–63. PubMed PMID: WOS: 000348447600015. pmid: 254
    11. 11. Kuchel H, Williams KJ, Langridge P, Eagles HA, Jefferies SP.Генетическое расчленение урожая зерна мягкой пшеницы. I. QTL-анализ. Теоретическая и прикладная генетика. 2007. 115 (8): 1029–41. pmid: 17713755
    12. 12. Schulthess AW, Reif JC, Ling J, Plieske J, Kollers S, Ebmeyer E, et al. Роли плейотропии и тесного сцепления выявлены ассоциативным картированием урожайности и коррелированных признаков пшеницы (Triticum aestivum L.). Журнал экспериментальной ботаники. 2017; 68 (15): 4089–101. pmid: 28922760
    13. 13. Слафер Г.А., Савин Р., Садрас В.О.Грубая и тонкая регуляция компонентов урожайности пшеницы в зависимости от генотипа и окружающей среды. Исследования полевых культур. 2014; 157: 71–83.
    14. 14. Гегас В.К., Назари А., Гриффитс С., Симмондс Дж., Фиш Л., Орфорд С. и др. Генетическая основа для изменения размера и формы зерна пшеницы. Растительная клетка. 2010. 22 (4): 1046–56. Epub 2010/04/07. pmid: 20363770; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPmc2879751.
    15. 15. Li Y, Cui Z, Ni Y, Zheng M, Yang D, Jin M и др. Влияние густоты растений на количество и массу зерна двух сортов озимой пшеницы в разных положениях колосков и зерен.ПлоС один. 2016; 11 (5): e0155351. pmid: 27171343
    16. 16. Боз Х., Герцекаслан К.Е., Караоглу М.М., Котанчылар Х.Г. Различия в некоторых физико-химических свойствах зерен пшеницы из разных частей колоса. Турецкий журнал сельского хозяйства и лесоводства. 2012. 36 (3): 309–16.
    17. 17. Ян Дж., Чжан Дж., Лю К., Ван З., Лю Л. Абсцизовая кислота и этилен взаимодействуют в зернах пшеницы в ответ на высыхание почвы во время насыпки зерна. Новый фитолог. 2006. 171 (2): 293–303.pmid: 16866937
    18. 18. Ван М., Ван С., Лян З., Ши В., Гао С., Ся Г. От генетического материала к редактированию генома: использование генов в пшенице. Тенденции в биотехнологии. 2018; 36 (2): 160–72. pmid: 241
    19. 19. Коллерс С., Родеманн Б., Линг Дж., Корзун В., Эбмейер Э., Аржилье О. и др. Полногеномное картирование устойчивости к фузариозу у озимой пшеницы европейской (Triticum aestivum L.) полногеномной ассоциацией. Plos One. 2013; 8 (2). PubMed PMID: WOS: 000316658800110. pmid: 23451238
    20. 20.Jiang Y, Schulthess AW, Rodemann B, Ling J, Plieske J, Kollers S и др. Подтверждение точности прогнозов маркерной и геномной селекции устойчивости к фузариозу у пшеницы с использованием независимого образца. Теоретическая и прикладная генетика. 2017; 130 (3): 471–82. PubMed PMID: WOS: 000395071800001. pmid: 27858103
    21. 21. Анскомб Ф.Дж., Тьюки Дж.В. Исследование и анализ остатков. Технометрика. 1963; 5 (2): 141–60.
    22. 22. Пьефо HP, Уильямс ER, Флек М.Заметка об анализе проведенных экспериментов со сложной структурой лечения. Hortscience. 2006. 41 (2): 446–52. PubMed PMID: WOS: 000236133800038.
    23. 23. Батлер Д., Куллис Б.Р., Гилмор А.Р., Гогель Б.Дж. Справочное руководство ASReml-R, выпуск 3.0 Брисбен: Департамент первичной промышленности Квинсленда. 2009.
    24. 24. Основная команда разработчиков R. R: язык и среда для статистических вычислений. Вена, Австрия: Фонд R для статистических вычислений. 2013.
    25. 25.Фейл Б. Прогресс селекции мелкозерновых злаков — сравнение старых и современных сортов. Селекция растений. 1992; 108 (1): 1–11.
    26. 26. Эдмидс GO. Прогресс селекции и урожайности зерновых. Наука о растениеводстве. 2010; 50: S85.
    27. 27. Донмез Э., Сирс Р., Шройер Дж., Паулсен Г. Генетический прирост показателей урожайности озимой пшеницы на Великих равнинах. Наука о растениеводстве. 2001; 41 (5): 1412–.
    28. 28. Бранкур-Хюльмель М., Дуссино Г., Леконт С., Берар П., Ле Буанек Б., Тротте М.Генетическое улучшение агрономических признаков сортов озимой пшеницы, выращенных во Франции с 1946 по 1992 год. Земледелие. 2003. 43 (1): 37–45.
    29. 29. Остин Р., А. Форд М., Морган С. Генетическое улучшение урожайности озимой пшеницы: дальнейшая оценка 1989. 295–301 с.
    30. 30. Исидро Дж., Альваро Ф., Ройо С., Вильегас Д., Мираллес DJ, Гарсия дель Мораль Л. Ф. Изменения продолжительности фаз развития твердых сортов пшеницы, вызванные селекцией в Испании и Италии в течение 20 века, и их влияние на урожайность.Энн Бот. 2011; 107 (8): 1355–66. pmid: 21444337
    31. 31. Слафер Г.А., Андраде Ф.Х. Изменения физиологических характеристик экономики сухого вещества мягкой пшеницы (Triticum aestivum) посредством генетического улучшения потенциала урожайности зерна в различных регионах мира. Euphytica. 1991. 58 (1): 37–49.
    32. 32. Роусон Х. Число колосков, его контроль и связь с урожайностью на колос пшеницы. Австралийский журнал биологических наук. 1970; 23 (1): 1–16. https://doi.org/10.1071 / BI9700001.
    33. 33. Роусон Х. Верхний предел количества колосков на колос у пшеницы, контролируемый фотопериодом. Австралийский журнал сельскохозяйственных исследований. 1971. 22 (4): 537–46. https://doi.org/10.1071/AR9710537.
    34. 34. Пакридж DW. Конкуренция за свет и его влияние на развитие листьев и колосков растений пшеницы. Австралийский журнал сельскохозяйственных исследований. 1968; 19 (2): 191.
    35. 35. Друг DJC. Длина колоса и количество колосков пшеницы, выращенной при разной температуре и освещенности.Канадский журнал ботаники. 1965. 43 (3): 345–53.
    36. 36. Лангер Р., Догерти С., редакторы. Физиология урожайности зерна пшеницы. Ботаника: Материалы собрания к пятидесятилетию Общества экспериментальной биологии; 2016: Эльзевир.
    37. 37. Льюис С., Фаричелли М.Э., Аппендино М.Л., Валарик М., Дубковски Дж. Хромосомная область, включающая локус Eps-Am1 как таковой ранней стадии развития, влияет на продолжительность ранних фаз развития и количество колосков у диплоидной пшеницы.Журнал экспериментальной ботаники. 2008. 59 (13): 3595–607. pmid: 18836186
    38. 38. Falconer DS, Mackay TFC. Введение в количественную генетику. 4-е изд. Эссекс: Прентис Холл; 1996.
    39. 39. Бернардо Р. Селекция по количественным признакам растений. 2-е изд. Вудбери, Миннесота: Stemma Press; 2010.
    40. 40. Дональд СМ. Выведение идеотипов сельскохозяйственных культур. Euphytica. 1968. 17 (3): 385–403.
    41. 41. Смещение Вестрейха Д. Берксона, смещение отбора и недостающие данные.Эпидемиология. 2012. 23 (1): 159–64. PubMed PMID: WOS: 000298156800024. pmid: 22081062
    42. 42. Софилд И., Эванс Л.Т., Кук М.Г., Уордлоу И.Ф. Факторы, влияющие на скорость и продолжительность насадки зерна пшеницы. Австралийский журнал физиологии растений. 1977; 4 (5): 785.
    43. 43. Reynolds M, Bonnett D, Chapman SC, Furbank RT, Manès Y, Mather DE, et al. Повышение урожайности пшеницы. I. Обзор консорциумного подхода и селекционных стратегий. Журнал экспериментальной ботаники.2011; 62. pmid: 20952629
    44. 44. Фэн Ф, Хан И, Ван С., Инь С, Пэн З., Чжоу М. и др. Влияние положения зерна на генетическое улучшение количества и массы зерна озимой пшеницы в Северном Китае. Границы науки о растениях. 2018; 9 (129). pmid: 29467787
    45. 45. Xie Q, Mayes S, Sparkes DL. Размер плодолистика, наполнение и морфология зерна определяют индивидуальный вес зерна пшеницы. Журнал экспериментальной ботаники. 2015; 66 (21): 6715–30. PubMed PMID: PMC4623684.pmid: 26246614
    46. 46. Бремнер П., Роусон Х. Вес отдельных зерен пшеничного колоса в зависимости от их потенциала роста, поступления ассимилята и взаимодействия между зернами. Функциональная биология растений. 1978; 5 (1): 61–72. https://doi.org/10.1071/PP9780061.
    47. 47. Asli DE, Houshmandfar A. Анатомическое исследование сосудистой системы колоса: распределение центральных и периферических сосудистых пучков вдоль позвоночника пшеницы. Успехи экологической биологии.2011: 1433–8.
    48. 48. Лопес-Гарридо Э., Молина-Кирос С., Де ла Пуэрта-Лопес П.Г., Видаль-Бернабе М., Гарсия-Дель-Мораль Л.-Ф. Количественная оценка сосудистых тканей стебля твердых сортов пшеницы улучшилась в течение двадцатого века. Международный журнал биологии развития. 2001; 45 (S1): S47 – S8.
    49. 49. Лизана XC, Ригель Р., Гомес Л.Д., Эррера Дж., Исла А., Маккуин-Мейсон С.Дж. и др. Экспрессия экспансинов связана с динамикой размера зерна у пшеницы (Triticum aestivum L.). J Exp Bot. 2010. 61 (4): 1147–57. Epub 2010/01/19. pmid: 20080826; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPmc2826655.
    50. 50. Пьело Р., Коль С., Манц Б., Руттен Т., Вейер Д., Тарковска Д. и др. Гормонально-опосредованная динамика роста околоплодника ячменя по данным магнитно-резонансной томографии и расшифровки профилей. J Exp Bot. 2015; 66 (21): 6927–43. Epub 2015/08/16. pmid: 26276866; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPmc4623697.
    51. 51. Мартинес-Карраско Р., Торн Г. Н.. Физиологические факторы, ограничивающие размер зерна пшеницы.Журнал экспериментальной ботаники. 1979. 30 (4): 669–79.
    52. 52. Brocklehurst PA. Факторы, контролирующие массу зерна пшеницы. Природа. 1977; 266 (5600): 348–9.
    53. 53. Xie Q, Li N, Yang Y, Lv Y, Yao H, Wei R и др. Плейотропные эффекты гена Q одомашнивания пшеницы на урожай и морфологию зерна. Planta. 2018. Epub 2018/01/22. pmid: 29353419.
    54. 54. Шулер С.Ф., Бэкон Р.К., Финни П.Л., Гбур Э. Зависимость веса пробы и свойств ядра от помола и хлебопекарных качеств мягкой красной озимой пшеницы.Земледелие. 1995. 35 (4): 949–53.
    55. 55. Мацуо Р.Р., Декстер Дж. Э. Взаимосвязь между некоторыми физическими характеристиками твердых сортов пшеницы и помольными свойствами манной крупы. Канадский журнал растениеводства. 1980. 60 (1): 49–53. PubMed PMID: WOS: A1980JK86500007.
    56. 56. Акрече М.М., Слафер Г.А. Вес зерна, улавливание радиации и эффективность использования в зависимости от силы погружения средиземноморской пшеницы, выпущенной с 1940 по 2005 год. Исследования полевых культур. 2009. 110 (2): 98–105.PubMed PMID: WOS: 000262601600002.
    57. 57. Quintero A, Molero G, Reynolds M, Le Gouis J, Calderini DF. Компромисс между весом зерна и количеством зерна и ключевыми характеристиками для увеличения потенциального веса зерна в популяции CIMCOG. Консорт по урожайности пшеницы. 2014; 114.
    58. 58. Гильоне Х.О., Гонсалес Ф.Г., Серраго Р., Мальдонадо С.Б., Чилкотт С., Кура Дж. А. и др. Аутофагия, регулируемая длиной светового дня, определяет количество плодовитых цветков у пшеницы. Журнал «Растение»: для клеточной и молекулярной биологии.2008. 55 (6): 1010–24. Epub 2008/06/13. pmid: 18547393.
    59. 59. Заальбах I, Мора-Рамирес I, Вайхерт Н., Андерш Ф., Гильдия G, Визер Х и др. Повышение урожайности зерна и концентрации микроэлементов в трансгенной озимой пшенице за счет эктопической экспрессии транспортера сахарозы ячменя. Журнал зерновых наук. 2014; 60 (1): 75–81. PubMed PMID: WOS: 000338612300012.
    60. 60. Weichert H, Hogy P, Mora-Ramirez I., Fuchs J, Eggert K, Koehler P, et al. Урожайность зерна и реакция качества пшеницы, экспрессирующей переносчик сахарозы ячменя, на комбинированные факторы изменения климата.Журнал экспериментальной ботаники. 2017. Epub 2017/10/27. pmid: 244.
    61. 61. Гильоне Х.О., Гонсалес Ф.Г., Серраго Р., Мальдонадо С.Б., Чилкотт С., Кура Дж. А. и др. Аутофагия, регулируемая длиной светового дня, определяет количество плодовитых цветков у пшеницы. Заводской журнал. 2008. 55 (6): 1010–24. pmid: 18547393

    Plantae | Повышение урожайности зерна: пара колосков имеет решающее значение, даже когда один бесплоден

    Мать-природа умеет сохранять, казалось бы, бесполезные структуры в течение миллионов лет.Такие структуры, вероятно, будут иметь неочевидное применение, хотя они также могут быть остатками эволюционного прошлого без сохранившейся функции или нефункциональными, но безвредными побочными продуктами другой адаптивной функции. В увлекательном исследовании первые авторы Тейлор Аубюшон-Элдер и Виктория Конева и их коллеги (AuBuchon-Elder, Coneva et al., 2020) сообщают о стерильном колосе сорго и родственных трав и поддерживают идею о том, что это Любопытная структура сохраняется более 15 миллионов лет, поскольку выполняет важную функцию.

    Сорго принадлежит к травяной трибе Andropogoneae, у которой парные колоски служат домом для цветков (Kellogg, 2015). У сорго стерильный (не содержащий семян) короткостебельный колоск на ножке (PS) сочетается с плодородным сидячим колосом без стебля (SS), который в конечном итоге несет зерно. Дополнительно СС навешивается. У пшеницы ости могут ассимилировать и передавать углерод зерну (Grundbacher, 1963). О функции PS или ости в сорго не сообщалось. С этими наблюдениями и неизвестными данными авторы решили понять значение PS и ости в сорго и родственных ему злаках.

    Может ли PS, ость или и то, и другое быть источником фотосинтата для SS? Чтобы выяснить это, авторы сначала провели серию экспериментов по маркировке 14 C и отслеживанию импульсов. Для маркировки 14 C, PS имел значительно большее поглощение 14 CO 2 по сравнению с SS или awns. Кроме того, 24-часовой эксперимент с преследованием пульса на интактных метелках показал снижение процента 14 C в PS и сопутствующее процентное увеличение SS. Это наблюдение показало, что 14 C транслоцировались с PS на SS.Идея о том, что PS может быть источником углерода, имела смысл, потому что авторы наблюдали устьица на поверхности PS, но не на SS или остях. Устьица — это поры эпидермиса, через которые CO 2 попадает в орган для фотосинтеза. Авторы обнаружили, что метка 14 C и результаты отслеживания импульсов, наряду с внешним видом устьиц, согласуются у двух видов, отдаленно связанных с сорго, Themeda triandra и Andropogon schirensis , что значительно расширило контекст их находок.

    Если PS является источником углерода, метаболиты, производимые фотосинтезом, должны быть обнаружены. Авторы исследовали эту гипотезу на интактных метелках сорго и T. triandra с временным воздействием 13 CO 2 с последующей ЖХ-МС / МС. Авторы широко ищут метаболиты из C 4 , C 3 , сахарозы или крахмальных путей. В соответствии с предыдущей маркировкой 14 C, у PS было больше 13 C, чем у SS или awns.Мечение с течением времени показало, что процент фракций немеченых изотопологов для отдельных метаболитов фотосинтеза снижался на ранних стадиях кормления 13 CO 2 , что указывает на ассимиляцию углерода. Точно так же метаболиты показали обогащение на 13 C в течение пяти минут после маркировки. Авторы провели транскриптомный анализ листа, PS, SS и ости двух видов и отфильтровали данные для дифференциально экспрессируемых генов, кодирующих центральные углеродные метаболические ферменты.В подтверждение они обнаружили накопленные PS транскрипты, связанные с фотосинтезом; аналогично, эти гены подавлялись у awns и SS.

    PS имеют особенности источника углерода; SS и ости имеют характеристики раковины. Как эти отношения могут повлиять на доходность? Чтобы ответить на этот вопрос, авт. Использовали четыре генотипа с различной морфологией колосков и просто либо отделили PS, либо оставили его нетронутым на метелках во время цветения. Когда метелки достигли зрелости, собирали массу семян.Важно отметить, что авторы обнаружили значительное снижение урожайности на ~ 8,8% между контролем (интактным) и обработкой (отделенным) для всех генотипов (см. Рисунок). Для отдельных генотипов средний вес семян снизился с 8-13%, что также свидетельствует о том, что генетическая изменчивость этого признака может быть использована для повышения урожайности.

    Фотосинтетические PS у Andropogoneae, хотя и уменьшенные в размерах, не остались незамеченными матерью-природой. Скорее, они представляют собой важные структуры, которые увеличивают урожайность домашнего сорго и приспособленность его диких родственников. AuBuchon-Elder, Coneva и коллеги (AuBuchon-Elder, Coneva et al., 2020) заложили прочную основу для будущих возможностей по улучшению сорго. При наличии эталонной последовательности генома (Paterson et al., 2009) и возможности геномной инженерии путем трансформации (Sander, 2019) перспективы увеличения урожайности сорго далеки от бесплодия.

    Джош Стрэбл

    Отдел биологии растений

    Школа интегративной науки о растениях

    Корнельский университет

    jjs369 @ Корнелл.edu

    ORCID: 0000-0002-0260-8285

    ССЫЛКИ

    AuBuchon-Elder, T., Coneva, V., Goad, D.M., Jenkins, L.M., Yu, Y., Allen, D.K. и Келлогг, Э. (2020). Стерильные колоски способствуют повышению урожайности сорго и родственных трав. Растительная клетка. DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.20.00424

    Grundbacher, F.J. (1963). Физиологическая функция зерновых ости. Бот. Ред. 29: 366-381.

    Kellogg, E.A. (2015). Poaceae. В книге К. Кубицки, изд., Семьи и роды сосудистых растений. Springer, стр. 1-416.

    Патерсон, A.H, et al. (2009). Сорго двухцветное Геном и разнообразие трав. Nature 457: 551-556.

    Сандер, J.D. (2019). Сорго: методы и протоколы. В З.Я. Чжао и Дж. Дальберг. ред. Редактирование генов в сорго с помощью Agrobacterium. Springer, стр. 155–168.

    .

    Related Post

    2021 © Все права защищены.