Genetic Diversity of Wheat Varieties of Krasnodar Scientific Breeding School and Their Breeding Value

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The Krasnodar wheat and triticale breeding school is one of the oldest in Russia. Over a century of National Center of Grain’s research and breeding, about 300 wheat cultivars have been developed, many of which have been widely cultivated both domestically and internationally and actively used in breeding programs. Currently, 124 of these cultivars are registered and approved for commercial use. One of the critical challenges in wheat breeding programs is the identification of optimal allelic combinations of genes controlling main agronomic traits. However, the allelic composition of recently identified genes or novel allelic variants of known genes affecting productivity and adaptability remains poorly characterized in commercially successful cultivars. The P.P. Lukyanenko National Grain Centre (NGC) plays a leading role in Russia in developing highly demanded cultivars, including novel crop – winter durum wheat. Genes involved in winter and frost resistance play a special role for the Krasnodar region. In this study, we conducted a molecular genetic analysis of a collection of bread and durum wheat cultivars developed by the Wheat and Triticale Breeding and Seed Production Department of the P.P. Lukyanenko NGC. The distribution of allelic variants was assessed for genes associated with plant height (Rht-B1, Rht-D1), regulation of the transition to flowering (Vrn-A1, Ppd-A1, Ppd-D1), frost resistance (Fr-A2), and grain size (GW2, NLP3-B1, TaGS2-A1), as well as for the presence of wheat–rye translocations (1RS.1BL, 1RS.1AL). The results of the study demonstrate the features of the allelic landscape in the most commercially successful varieties of bread and durum wheat bred by the P.P. Lukyanenko Scientific Center for Plant Breeding.

About the authors

L. A. Bespalova

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Email: Bespalova_l_a@rambler.ru
Krasnodar, Russia

I. B. Ablova

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

O. Yu. Puzyrnaya

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

A. A. Mudrova

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

V. A. Filobok

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

A. S. Yanovskii

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

E. A. Guenkova

National Center of Grain named after P. P. Lukyanenko

Krasnodar, Russia

M. A. Samarina

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

A. A. Arkhipov

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

V. A. Korobkova

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

M. Alkubesi

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

A. S. Ermolaev

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

T. D. Mokhov

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

A. G. Chernook

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

P. Yu. Kroupin

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, 0 Russia

M. G. Divashuk

All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology

Moscow, Russia

References

  1. Беспалова Л.А. Вклад генетики в «Зеленые прорывы» в селекции // VII Съезд Вавил. об-ва генетиков и селекционеров, посвященный 100-летию кафедры генетики СПбГУ, Санкт-Петербург, 18–22 июня 2019 г. СПб., 2019. С. 423.
  2. Borlaug N.E. Wheat breeding and its impact on world food supply // Proс. 3rd Int. Wheat Genet. Symp. Canberra, Austrf lia: Acad. Sci. Canberra, 1968. P. 1–36.
  3. Gale M.D., Youssefian S. Dwarfing genes in wheat I // Progress in Plant Breeding. London, 1985. P. 1–35. https://doi.org/10.1016/B978-0-407-00780-2.50005-9
  4. Пучков Ю.М., Беспалова Л.А., Волков А.Я., Ли Е.Н. Особенности селекции полукарликовых сортов озимой пшеницы // Селекция и генетика пшеницы. Cб. ст. к 80-летию со дня рождения акад. П.П. Лукьяненко. Краснодар: КНИИСХ, 1982. C. 20–28.
  5. Пучков Ю.М., Беспалова Л.А., Ли Е.Н. Селекция полукарликовых сортов озимой пшеницы на продуктивность и качество зерна // Селекция и генетика пшеницы. Краснодар: КНИИСХ, 1985. С. 3–10.
  6. Bazhenov M.S., Bespalova L.A., Kocheshkova A.A. et al. The association of grain yield and agronomical traits with genes of plant height, photoperiod sensitivity and plastid glutamine synthetase in winter bread wheat (Triticum aestivum L.) collection // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 19. https://doi.org/10.3390/ijms231911402
  7. Divashuk M., Bespalova L., Vasilyev A. et al. Reduced height genes and their importance in winter wheat cultivars grown in southern Russia // Euphytica. Netherlands J. Plant Breeding. 2013. V. 190. P. 137–144.
  8. Диващук М.Г., Васильев А.В., Беспалова Л.А., Карлов Г.И. Идентичность генов короткостебелъности Rht-11 и Rht-Ble // Генетика. 2012. Т. 48. № 7. С. 847–901.
  9. Bazhenov M., Litvinov D., Karlov G., Divashuk M. Evaluation of phosphate rock as the only source of phosphorus for the growth of tall and semi-dwarf durum wheat and rye plants using digital phenotyping // Peer J. 2023. V. 11. https://doi.org/10.7717/peerj.15972
  10. Chernook A.G., Kroupin P.Yu., Bespalova L.A. et al. Phenotypic effects of the dwarfing gene Rht-17 in spring durum wheat under two climatic conditions // Vavilov J. Gen. and Breeding. 2019. V. 23. № 7. P. 916–925. https://doi.org/10.18699/VJ19.567
  11. Distelfeld A., Li C., Dubcovsky J. Regulation of flowering in temperate cereals // Curr. Opinion in Plant Biol. 2009. V. 12. № 2. P. 178–184. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2008.12.010
  12. Yan L., Helguera M., Kato K. et al. Allelic variation at the VRN-1 promoter region in polyploid wheat // Theor. and Applied Gen. 2004. V. 109. P. 1677–1686. https://doi.org/10.1007/s00122-004-1796-4
  13. Shitsukawa N., Ikari C., Mitsuya T. et al. Wheat SOC1 functions independently of WAP1/ VRN1, an integrator of vernalization and photoperiod f lowering promotion pathways // Physiologia Plantarum. 2007. V. 130. № 4. С. 627–636. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2007.00927.x
  14. Miroshnichenko D., Timerbaev V., Klementyeva A. et al. CRISPR/Cas9-induced modification of the conservative promoter region of VRN-A1 alters the heading time of hexaploid bread wheat // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1048695
  15. Beales J., Turner A., Griffiths S. et al. A pseudo-response regulator is misexpressed in the photoperiod insensitive Ppd-D1a mutant of wheat (Triticum aestivum L.) // Theor. and Applied Gen. 2007. V. 115. P. 721–733. https://doi.org/10.1007/s00122-007-0603-4
  16. Brasier K.G., Tamang B.G., Carpenter N.R. et al. Photoperiod response gene Ppd-D1 affects nitrogen use efficiency in soft red winter wheat // Crop Science. 2018. V. 58. № 6. P. 2593–2606. https://doi.org/10.2135/cropsci2018.03.0207
  17. Worland A., Börner A., Korzun V. et al. The influence of photoperiod genes on the adaptability of European winter wheats // Euphytica. Netherlands J. Plant Breeding. 1998. V. 100. P. 385–394.
  18. Cane K., Eagles H., Laurie D. et al. Ppd-B1 and Ppd-D1 and their effects in southern Australian wheat // Crop and Pasture Sci. 2013. V. 64. № 2. P. 100–114. https://doi.org/10.1071/CP13086
  19. Kroupin P.Yu., Karlov G.I., Bespalova L.A. et al. Effects of Rht17 in combination with Vrn-B1 and Ppd-D1 alleles on agronomic traits in wheat in black earth and non-black earth regions // BMC Plant Biology. 2020. V. 20. № S1. P. 304. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02514-0
  20. Lozada D.N., Carter A.H., Mason R.E. Unlocking the yield potential of wheat: Influence of major growth habit and adaptation genes // Crop Breeding, Genetics and Genomics. 2021. Т. 3. № 2. https://doi.org/10.20900/cbgg20210004
  21. Stelmakh A.F., Musicz V.N., Avsenin V.I. Effect of Vrn and Ppd genes on frost resistance in bread wheat // Цитология и генетика. 1998. V. 32. № 6. P. 59.
  22. Michel S., Löschenberger F., Hellinger J. et al. Improving and maintaining winter hardiness and frost tolerance in bread wheat by genomic selection // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01195
  23. Würschum T., Longin C.F.H., Hahn V. et al. Copy number variations of CBF genes at the Fr-A2 locus are essential components of winter hardiness in wheat // The Plant J. 2017. V. 89. № 4. P. 764–773. https://doi.org/10.1111/tpj.13424
  24. Pearce S., Zhu J., Boldizsár Á. et al. Large deletions in the CBF gene cluster at the Fr-B2 locus are associated with reduced frost tolerance in wheat // Theor. and Applied Gen. 2013. V. 126. № 11. P. 2683–2697. https://doi.org/10.1007/s00122-013-2165-y
  25. Sieber A.-N., Longin C.F.H., Leiser W.L., Würschum T. Copy number variation of CBF-A14 at the Fr-A2 locus determines frost tolerance in winter durum wheat // Theor. and Applied Gen. 2016. Т. 129. P. 1087–1097. https://doi.org/10.1007/s00122-016-2685-3
  26. Belan I., Rosseeva L., Rosseev V. et al. Examination of adaptive and agronomic characters in lines of common wheat Omskaya 37 bearing translocations 1RS. 1BL and 7DL-7Ai // Vavilov J. Gen. and Breeding. 2014. V. 16. № 1. P. 178–186.
  27. Korobkova V.A., Bespalova L.A., Yanovsky A.S. et al. Permanent spreading of 1RS.1AL and 1RS.1BL translocations in modern wheat breeding // Plants. 2023. V. 12. № 6. https://doi.org/10.3390/plants12061205
  28. Crespo-Herrera L.A., Garkava-Gustavsson L., Åhman I. A systematic review of rye (Secale cereale L.) as a source of resistance to pathogens and pests in wheat (Triticum aestivum L.) // Hereditas. 2017. V. 154. P. 1–9. https://doi.org/10.1186/s41065-017-0033-5
  29. Howell T., Hale I., Jankuloski L. et al. Mapping a region within the 1RS.1BL translocation in common wheat affecting grain yield and canopy water status // Theor. and Applied Gen. 2014. V. 127. P. 2695–2709. https://doi.org/10.1007/s00122-014-2408-6
  30. Villareal R.L., Bañuelos O., Mujeeb-Kazi A., Rajaram S. Agronomic performance of chromosomes 1B and T1BL. 1RS near-isolines in the spring bread wheat seri M82 // Euphytica. Netherlands J. Plant Breeding. 1998. V. 103. P. 195–202.
  31. Zarco-Hernandez J.A., Santiveri F., Michelena A., Peña R.J. Durum wheat (Triticum turgidum, L.) carrying the 1BL/1RS chromosomal translocation: Agronomic performance and quality characteristics under Mediterranean conditions // Europ. J. Agronomy. 2005. V. 22. № 1. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.eja.2003.12.001
  32. Bazhenov M., Nazarova L., Mokhov T. et al. A molecular marker within the NLP3-B1 gene is associated with earliness in spring wheat (Triticum aestivum L.) // Agronomy. 2024. V. 14. № 12. https://doi.org/10.3390/agronomy14122888
  33. Hu M., Zhao X., Liu Q. et al. Transgenic expression of plastidic glutamine synthetase increases nitrogen uptake and yield in wheat // Plant Biotechnol. J. 2018. V. 16. № 11. P. 1858–1867. https://doi.org/10.1111/pbi.12921
  34. Li X.-P., Zhao X.-Q., He X. et al. Haplotype analysis of the genes encoding glutamine synthetase plastic isoforms and their association with nitrogen-use-and yield-related traits in bread wheat // New Phytologist. 2011. V. 189. № 2. P. 449–458.
  35. Zhang Y., Li D., Zhang D. et al. Analysis of the functions of Ta GW 2 homoeologs in wheat grain weight and protein content traits // Plant J. 2018. V. 94. № 5. P. 857–866. https://doi.org/10.1111/tpj.13903
  36. Su Z., Hao C., Wang L. et al. Identification and development of a functional marker of TaGW2 associated with grain weight in bread wheat (Triticum aestivum L.) // Theor. and Applied Gen. 2011. V. 122. P. 211–223. https://doi.org/10.1007/s00122-010-1437-z
  37. Murray M., Thompson W. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA // Nucl. Ac. Res. 1980. V. 8. № 19. P. 4321–4326. https://doi.org/10.1093/nar/8.19.4321
  38. Pearce S., Saville R., Vaughan S.P. et al. Molecular characterization of Rht-1 dwarfing genes in hexaploid wheat // Plant Physiology. 2011. V. 157. № 4. P. 1820–1831. https://doi.org/10.1104/pp.111.183657
  39. Zhang W., Zhao J., He J. et al. Functional gene assessment of bread wheat: Breeding implications in Ningxia Province // BMC Plant Biology. 2021. V. 21. P. 1–14.
  40. Rasheed A., Wen W., Gao F. et al. Development and validation of KASP assays for genes underpinning key economic traits in wheat // Theor. and Applied Gen. 2016. V. 129. P. 1843–1860. https://doi.org/10.1007/s00122-016-2743-x
  41. Weng Y., Azhaguvel P., Devkota R., Rudd J. PCRbased markers for detection of different sources of 1AL.1RS and 1BL.1RS wheat–rye translocations in wheat background // Plant Breeding. 2007. V. 126. № 5. P. 482–486. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.2007.01331.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».