Происхождение, генетическое разнообразие и миграционные пути культурной полбы Triticum dicoccum

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В период существенных климатических и экологических изменений и постоянного роста численности населения требуются новые эффективные подходы в селекции пшеницы, в частности углубленное изучение генетического и геномного разнообразия, а также происхождения и миграционных путей видов, генетически близких мягкой пшенице, которые могли бы быть донорами генов, контролирующих хозяйственно ценные признаки. К таким видам относится культурная полба Triticum dicoccum (Schrank) Schübl с субгеномами А и В (2n = 28), аналогичными соответствующим субгеномам гексаплоидной мягкой пшеницы. В обзоре рассматриваются вопросы генетического и геномного разнообразия культурной полбы, ее доместикации и путей распространения. Дана характеристика некоторых генов T. dicoccum, интродуцированных в мягкую и твердую пшеницу, и перспективных для дальнейшего использования в селекции.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Фисенко

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: fisenko800@mail.ru
Россия, Москва, 119991

А. Ю. Драгович

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук

Email: dragova@mail.ru
Россия, Москва, 119991

Список литературы

  1. Zohary D., Hopf M., Weiss E. Domestication of plants in the Old World, 4th ed. Oxford: Oxford Univ. Press, 2012. 316 p.
  2. Feldman M. The world wheat book. A history of wheat breeding. Paris: Lavoiser Publ. 2001. P. 3–56.
  3. Ozkan H., Brandolini A., Pozzi C. et al. A reconsideration of the domestication geography of tetraploid wheats //Theor. Appl. Genet. 2005. V. 110. № 6. P. 1052–1060. https://doi.org/10.1007/s00122-005-1925-8
  4. Luo M.-C., Yang Z.-L., You F.M. et al. The structure of wild and domesticated emmer wheat populations, gene flow between them, and the site of emmer domestication // Theor. Appl. Genet. 2007. V. 114. № 6. P. 947–959. https://doi.org/10.1007/s00122-006-0474-0
  5. Avni R. Nave M., Barad O. et al. Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication // Science. 2017. V. 357. P. 93–97. https://doi.org/10.1126/science.aan0032
  6. Salamini F., Ozkan H., Brandolini A. et al. Genetics and geography of wild cereal domestication in the Near East // Nat. Rev. Genet. 2002.V. 3. P. 429–441. https://doi.org/10.1038/nrg817
  7. Nesbitt M. When and where did domesticated cereals first occur in southwest Asia? // The Down of Farming in the Near East. Berlin: Ex oriente, 2002. P. 113–132.
  8. Гончаров Н.П., Кондратенко Е.Я. Происхождение, доместикация и эволюция пшениц // Вестник ВОГиС. 2008. Т. 12. № 1/2. С.159–179.
  9. Zohary D. Unconscious selection and the evolution of domesticated plants // Econ. Bot. 2004. V. 58(1). P. 5–10. https://doi.org/10.1663/0013-0001(2004)058[0005:usateo]2.0.co;2
  10. Дорофеев В.Ф., Якубцинер М.М., Руденко М.И. и др. Пшеницы мира. Л.: Колос, 1976. 486 с.
  11. Lev-Yadun S., Gopher A., Abbo S. The cradle of agriculture // Science. 2000. V. 288. № 5471. P. 1602–1603. https://doi.org/10.1126/science.288.5471.1602
  12. Dubcovsky J., Dvorak J. Genome plasticity a key factor in the success of polyploid wheat under domestication // Science. 2007. V. 316. № 5833. P. 1862–1866. https://doi.org/10.1126/science.1143986
  13. Levy A. A., Feldman M. Evolution and origin of bread wheat // Plant Cell. 2022. V. 34. P. 2549–2567. https://doi.org/10.1093/plcell/koac130
  14. Arzani A., Ashraf M. Cultivated ancient wheats (Triticum spp.): A potential source of health‐beneficial food products // Comprehensive Rev. in Food Sci. and Food Safety. 2017.V. 16. № 3. P. 477–488. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12262
  15. Zhao X., Guo Y., Kang L. et al. Population genomics unravels the Holocene history of bread wheat and its relatives // Nat. Plants. 2023.V. 9.P.403–419. https://doi.org/10.1038/s41477-023-01367-3
  16. Weiss H., Wetterstrom W., Nadel D., Bar-Yosef O. The board spectrum revisited: Evidence from plant remains // Proc. Natl Acad. Sci. U S A. 2004. V. 101. P. 9551–9555. https://doi.org/10.1073/pnas.0402362101
  17. Snir A., Nadel D., Groman-Yaroslavski I. et al. The origin of cultivation and protoweeds, long before Neolithic farming //PLoS One. 2015. V. 10. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0131422
  18. Гончаров Н.П. Сравнительная генетика пшениц и их сородичей. Новосибирск: Гео, 2012. 523 с.
  19. Arranz-Otaegui A., Colledge S., Ibanez J.J., Zapata L. Crop husbandry activities and wild plant gathering, use and consumption at the EPPNB Tell Qarassa North (south Syria) // Veget. Hist. Archaeobot. 2016. V. 25. P. 629–645. https://doi.org/10.1007/s00334-016-0564-0
  20. Harlan J.R., Zohary D. Distribution of wild wheats and barley // Science. 1966. V. 153. P. 1074–1080.
  21. Bar-Yosef O. The Natufian culture in the Levant, threshold to the origins of agriculture // Evolut. Anthropol. 1998. V. 6. P. 159–177. https://doi.org/10.1002/(sici)1520-6505(1998)6:5<159::aid-evan4>3.0.co;2-7
  22. Riehl S., Zeidi M., Conard N.J. Emergence of agriculture in the foothills of the Zagros Mountains of Iran // Science. 2013. V. 341. P. 65–67. https://doi.org/10.1126/science.1236743
  23. Jones M.K., Allaby R.G., Brown T.A. Wheat domestication // Science. 1998. V. 279. № 5349. P. 302–303.
  24. Oliveira H.R., Jacocks L., Czajkowska B.I. et al. Multiregional origins of the domesticated tetraploid wheats //PLoS One. 2020. V. 15. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0227148
  25. Ozkan H., Brandolini A., Schafer-Pregl R., Salamini F. AFLP analysis of a collection of tetraploid wheat indicated the origin of emmer and hard wheat domestication in southeastern Turkey // Mol. Biol. Evol. 2002. V. 19. P. 1797–1801. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.molbev.a004002
  26. Mori N., Ishii T., Ishido T. et al. Origins of domesticated emmer and common wheat inferred from chloroplast DNA fingerprinting // Proc. 10th Intern. Wheat Genet. Symp. (1–6 September 2003, Paestum, Italy). Rome: Instituto Sperimentale per la Cereali coltura, 2003. P. 25–28.
  27. Heun M., Schaefer-Pregl R., Klawan D. et al. Site of einkorn wheat domestication identified by DNA fingerprinting // Science. 1997.V. 278. № 5341. P. 1312–1314. https://doi.org/10.1126/science.278.5341.1312
  28. Civáň P., Ivaničová Z., Brown T.A. Reticulated origin of domesticated emmer wheat supports a dynamic model for the emergence of agriculture in the fertile crescent // PLoS One. 2013.V. 8. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0081955
  29. Badaeva E.D., Keilwagen J., Knüpffer H. et al. Chromosomal passports provide new insights into diffusion of emmer wheat //PLoS One. 2015.V. 10. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0128556
  30. Iob A., Botiguе L. Genomic analysis of emmer wheat shows a complex history with two distinct domestic groups and evidence of differential hybridization with wild emmer from the western Fertile Crescent // Veget. History and Archaeobotany. 2023. V. 32. P. 545–558. https://doi.org/10.1007/s00334-022-00898-7
  31. Zhou Y., Zhao X., Li Y. et al. Triticum population sequencing provides insights into wheat adaptation // Nat. Genetics. 2020. V. 52. P. 1412–1422. https://doi.org/10.1038/s41588-020-00722-w
  32. Cheng H., Liu J., Wen J. et al. Frequent intra- and inter-species introgression shapes the landscape of genetic variation in bread wheat // Genome Biol. 2019. V. 20. P. 1–16. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1744-x
  33. Мак Кей Дж. Генетические основы систематики пшениц // С.-х. биология. 1968. Т. 3. № 1. С. 12–25.
  34. Watanabe N., Ikebata N. The effects of homoeologous group 3 chromosomes on grain colour dependent seed dormancy and brittle rachis in tetraploid wheat // Euphytica. 2000. V. 115. P. 215–220. https://doi.org/10.1023/A:1004066416900
  35. Watanabe N., Sugiyama K., Yamagishi Y., Sakata Y. Comparative telosomic mapping of homoeologous genes for brittle rachis in tetraploid and hexaploid wheats // Hereditas. 2002. V. 137. P. 180–185. https://doi.org/10.1034/j.1601-5223.2002.01609.x
  36. Li W., Gill B.S. Multiple genetic pathways for seed shattering in the grasses // Funct. Integr. Genomics. 2006. V. 6. P. 300–309. https://doi.org/10.1007/s10142-005-0015-y
  37. Tsujimoto H. Production of near-isogenic lines and marked monosomic lines in common wheat (Triticum aestivum) cv. Chinese spring // J. Heredity. 2001. V. 92. P. 254–259. https://doi.org/10.1093/jhered/92.3.254
  38. Kosuge K., Watanabe N., Melnik V.M. et al. New sources of compact spike morphology determined by the genes on chromosome 5A in hexaploid wheat // Genet. Resour. Crop Evol. 2012. V. 59. P. 1115–1124. https://doi.org/10.1007/s10722-011-9747-9
  39. Simonetti M.C., Bellomo M.P., Laghetti G. et al. Quantitative trait loci influencing free-threshing habit in tetraploid wheats // Genet. Resour. Crop Evol. 1999. V. 46. P. 267–271. https://doi.org/10.1023/A:1008602009133
  40. Matsuoka Y. Evolution of polyploid Triticum wheats under cultivation: The role of domestication, natural hybridization and allopolyploid speciation in their diversification // Plant Cell Physiol. 2011. V. 52. P. 750–764. https://doi.org/10.1093/pcp/pcr018
  41. Nevo E. Evolution of wild emmer wheat and crop improvement // J. Systematics and Evolution. 2014.V. 52 № 6. P. 673–696. https://doi.org./10.1111/jse.12124
  42. Peng J., Ronin Y., Fahima T. et al. Domestication quantitative trait loci in Triticum dicoccoides, the progenitor of wheat // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2003.V. 100. P. 2489–2494. https:doi.org.10.1073/pnas.252763199
  43. Ling H.-Q., Zhao S., Liu D. et al. Draft genome of the wheat A‐genome progenitor Triticum urartu // Nature. 2013. V. 496. P. 87–90. https://doi.org/10.1038/nature11997
  44. He F., Pasam R., Shi F. et al. Exome sequencing highlights the role of wild-relative introgression in shaping the adaptive landscape of the wheat genome // Nat. Genetics. 2019. V. 51. P. 896–904. https://doi.org/10.1038/s41588-019-0382-2
  45. Nyine M., Adhikari E., Clinesmith M. et al. Genomic patterns of introgression in interspecific populations created by crossing wheat with its wild relative // Genes Genomes Genetics Early Online. 2020. g3.401479.2020. https://doi.org/10.1534/g3.120.401479
  46. Tanno K., Willcox G. How fast was wild wheat domesticated? // Science. 2006.V. 311. № 5769. P. 1886. https://doi.org/10.1126/science.1124635
  47. van Zeist W., Bakker-Heeres J.A.H. Archaeobotanical studies in the Levant. 1. Neolithic sites in the Damascus basin: Aswad, Ghoraife, Ramad // Palaeohistoria. 1975. V. 24. P. 165–256.
  48. Feldman M., Kislev M.E. Domestication of emmer wheat and evolution of free-threshing tetraploid wheat // Israel J. Plant Sci. 2007. V. 55. P. 207–221. https://doi.org/10.1560/IJPS.55.3-4.207
  49. Lev-Yadun S., Gopher A., Abbo S. How and when was wild wheat domesticated? // Science. 2006. V. 313. № 5785. P. 296–297. https://doi.org/10.1126/science.313.5785.296b
  50. Flavell R., Oʹdell M., Sharp P. et al. Variation in the intergenic spacer of ribosomal DNA of wild wheat, Triticum dicoccoides, in Israel // Mol. Biol. Evol. 1986.V. 3. P. 547–558.
  51. Dong P., Wei Y.-M., Chen G.-Y. et al. Sequence‐related amplified polymorphism (SRAP) of wild emmer wheat (Triticum dicoccoides) in Israel and its ecological association // Biochem. Syst. Ecol. 2010. V. 38. P. 1–11.
  52. Dong P., Wei Y.-M., Chen G.-Y. et al. 2009. EST–SSR diversity correlated with ecological and genetic factors of wild emmer wheat in Israel // Hereditas. 2009. V. 146. P. 1–10. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.2009.02098.x
  53. Haudry A., Cenci A., Ravel C. et al. Grinding up wheat: A massive loss of nucleotide diversity since domestication // Mol. Biol. Evol. 2007.V. 24. P. 1506–1517. https://doi.org/10.1093/molbev/msm077
  54. Ozkan H., Willcox G., Graner A. et al. Geographic distribution and domestication of wild emmer wheat (Triticum dicoccoides) // Genet. Resour. Crop Evol. 2011. V. 58. P. 11–53. https://doi.org/10.1007/s10722-010-9581-5
  55. Ganugi P., Palchetti E., Gori M.et al. Molecular diversity within a mediterranean and European panel of tetraploid wheat (T. turgidum subsp.) landraces and modern germplasm inferred using a high-density SNP array // Agronomy. 2021. V. 11. P. 414. https://doi.org/10.3390/agronomy11030414
  56. Thuillet A.C., Bataillon T., Poirier S. et al. Estimation of long-term effective population sizes through the history of durum wheat using microsatellite data // Genetics. 2005.V. 169. P. 1589–1599. https://doi.org/10.1534/genetics.104.029553
  57. Столетова E.A. Полба-эммер, Triticumdicoccum Schrank // Тр. поприкл. ботанике, генетике и селекции. 1924. Т. 14. Вып. 1. С. 27–98.
  58. Фляксбергер К.А. Пшеницы – род Triticum L. // Культурная флора СССР. Т. 1. Хлебные злаки. Л.: Сельхозгиз, 1935. С. 19–434.
  59. Цвелев Н.Н., Пробатова Н.С. Злаки России. М.: KMK., 2019. 649 с.
  60. Вавилов Н.И. Пшеницы Абиссинии и их положение в общей системе пшениц: к познанию 28-хромосомной группы культурных пшениц. Л.: ВИР., 1931. С. 221–228.
  61. Scott M.F., Botigué L.R., Brace S. et al. 3000-year-old Egyptian emmer wheat genome reveals dispersal and domestication history // Nat. Plants. 2019. V. 5. P. 1120–1128. https://doi.org/10.1038/s41477-019-0534-5
  62. Yadav I.S., Singh N., Wu S. et al. Exploring genetic diversity of wild and related tetraploid wheat species Triticum turgidum and Triticum timopheevii // J. Adv. Research. 2023. V. 48. P. 47–60. https://doi.org/10.1016/j.jare.2022.08.020
  63. Cavalli-Sforza L.L., Menozzi P., Piazza P. The history and geography of human genes. Princeton: PrincetonUniv. Press, 1994.
  64. Вавилов Н.И. Центры происхождения культурных растений // Тр. По прикл. ботанике и селекции. 1926. Т. 16. № 2. 248 c.
  65. Mellaart J. The Neolithic of the Near East. London: ThamesandHudson, 1975. 101 p.
  66. Harris D.R., Masson V.M., Berezin Y.E. et al. Investigating early agriculture in Central Asia: New research at Jeitun, Turkmenistan // Antiquity. 1993. V. 67. № 255. P. 324–338.
  67. Zaharieva M., Ayana N.G., Al Hakimi A. et al. Cultivated emmer wheat (Triticum dicoccon Schrank), an old crop with promising future: a review // Genet. Resour. Crop Evol. 2010. V. 57. P. 937–962. https://doi.org/10.1007/s10722-010-9572-6
  68. Stevens C.J., Murphy C., Roberts R. et al. Between China and South Asia: A middle Asian corridor of crop dispersal and agricultural innovation in the Bronze Age // Holocene. 2016. V. 26. P. 1541–1555. https://doi.org/10.1177/0959683616650268
  69. Mani B. R. Further evidence on Kashmir Neolithic in the light of recent excavations at Kanishkapura // J. Interdisciplinary Studies in History and Archaeology. 2004. V. 1. P. 137–143.
  70. Nesbitt M., Samuel D. From staple crop to extinction? The archaeology and history of the hulled wheat // Hulled wheats: Promoting the Conservation and used of underutilized and neglected crops / Eds Padulosi S., Hammer K., Heller J. Rome: IPGRI, 1996. P. 40–99.
  71. Mehra K.L. The origin, domestication and selection of crops for specific Yemeni environments // Indigenous Knowledge and Sustainable Agriculture in Yemen / Eds Al-Hakimi A., Pelat F. Sana: Centre Français dʹArchéologie et de Sciences Sociales, Cahiers du CEFAS, 2003. P. 9–14.
  72. Hammer K., Gebauer J., Al Khanjari S., Buerkert A. Oman at the cross-road of inter-regional exchange of cultivated plants // Genet. Res. Crop Evol. 2009. V. 56. P. 547–560. https:doi.org.10.1007/s10722-008-9385-z
  73. Вавилов Н.И. Мировые ресурсы сортов хлебных злаков, зерновых бобовых, льна и их использование в селекции. М.: Наука, 1964. 122 с.
  74. Драгович А.Ю., Фисенко А.В., Янковская А.А. Гены яровизации (VRN) и фотопериода (PPD) у староместных яровых сортов гексаплоидной пшеницы // Генетика. 2021. T. 57. № 3. C. 332–344. https:doi.org.10.31857/S0016675821030061
  75. Пухальский В.А., Билинская Е.Н. Материалы по изучению генов гибридного некроза у сортообразцов вида Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl // Генетика. 1999. Т. 35. № 10. С. 1390–1395.
  76. 76. Weninger B., Clare L., Gerritsen F. et al. Neolithisation of the Aegean and Southeast Europe during the 6600–6000 calBC period of Rapid // Documenta Praehistorica XLI. 2014. V. 41. P. 1–31. https://doi.org/10.4312/dp.41.1
  77. Палагута И.В. Мир искусства древних земледельцев Европы. Культуры балкано-карпатского круга в VII–III тыс. до н.э. СПб.: Алетейя, 2012. 336 с.
  78. Periс S. Drenovac: A Neolithic settlement in the Middle Morava Valley, Serbia // Antiquity. 2017. V. 91. № 357. P. 11–33. https//doi.org/10.15184/aqy.2017.41
  79. Marinova E. Archaeobotanical data from the early Neolithic of Bulgaria // The Origins and Spread of Domestic Plants in Southwest Asia and Europe / Eds Colledge S., Connelly J. London: Institute of Archaeology, 2007. P. 93–109.
  80. Pashkevich G.F. Agriculture in East European steppe and forest-steppe in the Neolithic-Bronze Ages: paleoethnobotanical evidence // Stratum Plus. 2000. V. 2. P. 404–418.
  81. Baldia M.O. The Central and North European Neolithic. Copper Age Chronology // The Comparative Archaeology Web. 2006. https://www.comp-archaeology.org/Central_European_Neolithic_Chronology.html
  82. Тагиева E.H., Велиев C.C. Природные условия и первые земледельческо-скотоводческие культуры Азербайджана //Изв. РАН. Серия геогр. 2014. № 2. C. 103–115.
  83. LisitsinaG.N. The Caucasus, a centre of ancient farming in Eurasia // Plants and Ancient Man. / Eds van Zeis W., Casparie W.A. Rotterdam: Balkema, 1984. P. 285–292.
  84. Туганаев В.В., Туганаев А.В. Агроэкосистемы Предуралья и Среднего Поволжья: от начала земледелия до современности // Бюлл. бот. сада Саратовского гос. ун-та. 2009. № 8. С.25–46.
  85. Зинько В.Н., Пашкевич Г.А. Палеоботанические материалы из ранних комплексов Тиритаки // Боспорские исследования. 2010. Вып. ХХIV. С. 65–83.
  86. Артамонов М.И. История хазар. Л.: Изд-во Гос. Эрмитажа, 1962. 523 с.
  87. Плетнева С.А. От кочевий к городам. Салтово-маяцкая культура. М.: Наука, 1967. 200 с.
  88. Damania A.B., Valkoun J., Willcox G. et al. The origin of agriculture and crop domestication. Aleppo: ICARDA, 1998. 352 р.
  89. Муслимов М.Г., Исмаилов А.Б. Полба – ценная зерновая культура // Зерновое хозяйство России. 2012. №. 3. С. 40–42.
  90. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т.1. “Сорта растений” (официальное издание). М., 2023. https://reestr.gossortrf.ru/
  91. Clark J.A., Martin J.H., Ball C.R. Classification of American Wheat Varieties // Bull. USDAN 1074. Washington, 1922. 238 p.
  92. Рабинович С.В. Современные сорта пшеницы и их родословные. Киев: Урожай, 1972. 327 с.
  93. Hsam S.L.K., Huang X.Q., Zeller. Chromosomal location of genes for resistance to powdery mildew in common wheat (Triticum aestivum L.). Alleles at the Pm5 locus // Theor. Appl. Genetics. 2001. V. 102. P. 127–133.
  94. Beuningen L.V., Bush R.H. Genetic diversity among North American spring wheat cultivars // Crop Sci. 1997. V. 37. P. 580–585. https://doi.org/10.2135/CROPSCI1997.0011183X003700030046X
  95. Luig N.H. A survey of virulence genes in wheat stem rust, Pucciniagraminis f. sp. Tritici // Suppl. to J. Plant Breed.: Advances in Plant Breeding. 1983. V. 11. 198 p.
  96. McIntosh R.A., Wellings C.R., Park R.F. Wheat rust. An atlas of resistance genes. Australia: CSIRO, 1995. 200 p.
  97. Сорта зерновых культур с известными генами устойчивости к грибным болезням // Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 453. Л.: ВИР, 1988. 79 с.
  98. Robe P., Doussinault G. Genetic analysis of powdery-mildew resistance of a winter wheat line, RE714, and identification of a new specific-resistance gene // Plant Breeding. 1995. V. 114. P. 387–391. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.1995.tb00817.x
  99. Liu X., Brown-Guedira G.L., Hatchett J.O. et al. Genetic characterization and molecular mapping of a Hessian fly-resistance gene transferred from T. turgidum ssp. dicoccum to common wheat // Theor. Appl. Genetics. 2005. V. 111. P. 1308–1315. https://doi.org/10.1007/s00122-005-0059-3

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Карта Передней Азии (использован рисунок из [6], с изменениями и добавлениями по [7, 8]). Пунктиром обозначены границы Плодородного Полумесяца; кружками обозначены места обнаружения только диких пшениц и ячменя, квадратами – места обнаружения диких и доместицированных форм ячменя и пшеницы, ромбами – места обнаружения только возделываемых форм ячменя и пшеницы. 1 – Армения, 2 – Азербайджан, 3 – Грузия, 4 – Россия, 5 – Каспийское море, 6 – горный массив Каракадаг.

Скачать (282KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Гены одомашнивания и морфотип колоса у тетраплоидных видов (по [13], с изменениями). 1 – мутации генов Br-1 при переходе от T. dicoccoides к T. dicoccum; 2 – мутации генов Tg при переходе от T. dicoccum к голозерным видам тетраплоидов.

Скачать (238KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024