Marker-Assisted Development of Spring Soft Wheat Hybrids with Colored Grain for the Selection of Varieties with Increased Anthocyanin Content in Western Siberia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Using DNA markers, homozygous plants with combinations of Pp-D1 and Pp3 genes exhibiting purple pericarp, as well as the Pp-D1, Pp3 and Ba1 genes resulting in black grain color of due to anthocyanins accumulation in pericarp and aleurone layer were isolated from six hybrid F2 populations obtained with participation of spring soft wheat varieties: Novosibirskaya 31, Sibirskaya 21 and Leader 80. Hybrid plants with a high level of anthocyanins, phenolic compounds, and antioxidant activity were isolated; these can be used to obtain improved commercial soft wheat varieties with increased content of biologically active components in grain, adapted to the conditions of Western Siberia. It was shown that the dominant allele Pp-D1 was found in 20% of Russian varieties and in 15 of 37 analyzed varieties of European selection, which will allow for the application of a simplified scheme for obtaining new hybrids with purple pericarp by controlling only the transfer of the Pp3 gene.

About the authors

E. V. Chumanova

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: chumanova@bionet.nsc.ru
Novosibirsk, 630090 Russia

T. T. Efremova

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: chumanova@bionet.nsc.ru
Novosibirsk, 630090 Russia

K. V. Sobolev

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: chumanova@bionet.nsc.ru
Novosibirsk, 630090 Russia

E. A. Kosyaeva

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: chumanova@bionet.nsc.ru
Novosibirsk, 630090 Russia

References

  1. Liu J., Yu L.L., Wu Y. Bioactive components and health beneficial properties of whole wheat foods // J. Agricultural and Food Chemistry. 2020. V. 68. № 46. P. 12904–12915. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c00705
  2. Gamel T.H., Muhammad S., Saeed G. et al. Purple wheat: Food development, anthocyanin stability, and potential health benefits // Foods. 2023. V. 12. № 7. https://doi.org/10.3390/foods12071358
  3. Полонский В.И., Лоскутов И.Г., Сумина А.В. Селекция на содержание антиоксидантов в зерне как перспективное направление для получения продуктов здорового питания // Вавил. журн. генетики и селекции. 2018. Т. 22. № 3. С. 343–352. https://doi.org/10.18699/VJ18.370
  4. Shoeva O.Y., Gordeeva E.I., Khlestkina E.K. The regulation of anthocyanin synthesis in the wheat pericarp // Molecules. 2014. V. 19. № 12. P. 20266–20279. https://doi.org/10.3390/molecules191220266
  5. Gordeeva E.I., Shoeva O.Y., Khlestkina E.K. Marker- assisted development of bread wheat near-isogenic lines carrying various combinations of purple pericarp (Pp) alleles // Euphytica. 2015. V. 203. № 2. P. 469–476. https://doi.org/10.1007/s10681-014-1317-8
  6. Zong Y., Xi X., Li S. et al. Allelic variation and transcriptional isoforms of wheat TaMYC1 gene regulating anthocyanin synthesis in pericarp // Front. Plant Sci. 2017. V. 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01645
  7. Jiang W., Liu T., Nan W. et al. Two transcription factors TaPpm1 and TaPpb1 co-regulate anthocyanin biosynthesis in purple pericarps of wheat // J. Experim. Bot. 2018. V. 69. № 10. P. 2555–2567. https://doi.org/10.1093/jxb/ery101
  8. Salvatore E., Samuela P., Paolo V. et al. Identification and development of functional markers for purple grain genes in durum wheat (Triticum durum Desf.) // Theor. Appl. Genet. 2024. V. 137. № 9. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s00122-024-04710-0
  9. Ye G.J., Wei L., Chen W.J. et al. Frame-shift mutation causes the function loss of TaMYB-A1 regulating anthocyanin biosynthesis in Triticum aestivum // Cereal Res. Commun. 2017. V. 45. № 1. P. 35–46. https://doi.org/10.1556/0806.44.2016.042
  10. Zeven A.C. Wheats with purple and blue grains: A review // Euphytica. 1991. V. 56 № 3. P. 243–258. https://doi.org/10.1007/bf00042371
  11. Zheng Q., Li B., Mu S. et al. Physical mapping of the blue-grained gene(s) from Thinopyrum ponticum by GISH and FISH in a set of translocation lines with different seed colors in wheat // Genome. 2006. V. 49. № 9. P. 1109–1114. https://doi.org/10.1139/g06-073
  12. Yu K., Liu D., Yang W. et al. Development of an integrated linkage map of einkorn wheat and its application for QTL mapping and genome sequence ancho- ring // Theor. Appl. Genet. 2017. V. 130. P. 53–70. https://doi.org/10.1007/s00122-016-2791-2
  13. Shen Y., Shen J., Dawadondup et al. Physical localization of a novel blue-grained gene derived from Thinopyrum bessarabicum // Mol. Breed. 2013. V. 31. № 1. P. 195–204. https://doi.org/10.1007/s11032-012-9783-y
  14. Liu X., Zhang M., Jiang X. et al. TbMYC4A is a candidate gene controlling the blue aleurone trait in a wheat-Triticum boeoticum substitution line // Front. Plant Sci. 2021. V. 12. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.762265
  15. Kumari A., Sharma S., Sharma N. et al. Sensory characteristics of chapatti (indian flatbread) // Molecules. 2020. V. 25. № 21. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/molecules25215071
  16. Paznocht L., Kotíková Z., Burešová B. et al. Phenolic acids in kernels of different coloured-grain wheat ge- notypes // Plant, Soil and Environment. 2020. V. 66. № 2. P. 57–64. https://doi.org/10.17221/380/2019-pse
  17. Sharma A., Yadav M., Tiwari A. et al. A compa- rative study of colored wheat lines across laboratories for validation of their phytochemicals and antioxidant activity // J. Cereal Sci. 2023. V. 112. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2023.103719
  18. Arbuzova V.S., Maystrenko O.I., Popova O.M. Development of near-isogenic lines of the common wheat cultivar ‘Saratovskaya 29’ // Cereal Res. Commun. 1998. V. 26. № 1. P. 39–46. https://doi.org/10.1007/bf03543466
  19. Efremova T.T., Morozov S.V., Chernyak E.I., Chumanova E.V. Combining the genes of blue aleurone and purple pericarp in the genotype of spring bread wheat Saratovskaya 29 to increase anthocyanins in grain // J. Cereal Sci. 2023. V. 109. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2022.103616
  20. Sharp P.J., Kreis M., Shewry P.R., Gale M.D. Location of β-amylase sequences in wheat and its relatives // Theor. Appl. Genet. 1988. V. 75. № 2. P. 286–290. https://doi.org/10.1007/bf00303966
  21. Li X., Qian X., L.X. et al. Upregulated structural and regulatory genes involved in anthocyanin biosynthesis for coloration of purple grains during the middle and late grain-filling stages // Plant. Physiol. Biochem. 2018. V. 130. P. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.07.011
  22. Korzun V., Roder M., Worland A.J., Börner A. Intrachromosomal mapping of genes for dwarfing (Rht12) and vernalization response (Vrn1) in wheat by using RFLP and microsatellite markers // Plant Breeding. 1997. V. 116. № 3. P. 227–232. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.1997.tb00987.x
  23. Гордеева Е.И., Шоева О.Ю., Шаманин В.П., Хлесткина Е.К. Использование молекулярных маркеров в селекции мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) с различной антоциановой окраской зерновок // Письма в Вавил. журн. генетики и селекции. 2023. Т. 9. № 2. С. 86–99. https://doi.org/10.18699/LettersVJ-2023-9-11
  24. Röder M.S., Korzun V., Wendehake K. et al. A microsatellite map of wheat // Genetics. 1998. V. 149. № 4. P. 2007–2023. https://doi.org/10.1093/genetics/149.4.2007
  25. Шоева О.Ю., Гордеева Е.И., Хлесткина Е.К. Внутригенный ДНК-маркёр для отбора пшеницы с повышенным содержанием антоцианов в перикарпе зерновки. Патент № 2774444, 29.11.2021.
  26. Abdel-Aal E.-S.M., Hucl P. A rapid method for quantifying total anthocyanins in blue aleurone and purple pericarp wheats // Cer. Chem. 1999. V. 76. № 3. P. 350–354. https://doi.org/10.1094/cchem.1999.76.3.350
  27. Kukoeva T.V., Molobekova C.A., Totsky I.V. et al. Enrichment of grain anthocyanin content through marker-assisted breeding for Ant1, Ant2 or HvMyc2 genes in barley (Hordeum vulgare L.) // Agronomy. 2024. V. 14. № 6. https://doi.org/10.3390/agronomy14061231
  28. Гордеева Е.И., Шаманин В.П., Хлесткина Е.К., Шоева О.Ю. Об особенностях селекции фиолетовозерной пшеницы на основе сортов c антоциановой окраской колеоптиля и стебля // С.-хоз. биология. 2024. Т. 59. № 3. С. 507–524. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2024.3.507rus
  29. Василова Н.З., Асхадуллин Д.Ф., Асхадул- лин Д.Ф. и др. Фиолетовозерный сорт яровой мягкой пшеницы Надира // Зернобобовые и крупяные культуры. 2021. Т. 40. № 4. С. 66–75. https://doi.org/10.24412/2309-348X-2021-4-66-75
  30. Потоцкая И.В., Нардин Д.С., Юркинсон А.В. и др. Перспективы «цветной пшеницы» для функционального питания // Сб. тезисов Междунар. конф. «Вавиловские чтения – 2022». С. 190–194.
  31. Рубец В.С., Ворончихина И.Н., Игонин В.Н. и др. Характеристика фиолетовозерных сортов яровой мягкой пшеницы в условиях центрального района нечерноземной зоны России // Междунар. с.-хоз. журн. 2022. Т. 65. № 5. С. 525–529. https://doi.org/10.55186/25876740_2022_65_5_525
  32. Žofajová A., Havrlentová M., Ondrejovič M. et al. Variability of quantitative and qualitative traits of coloured winter wheat // Agriculture. 2017. V. 63. № 3. P. 102–111. https://doi.org/10.1515/agri-2017-0010
  33. Gordeeva E., Shamanin V., Shoeva O. et al. The strategy for marker-assisted breeding of anthocyanin-rich spring bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in Wes-tern Siberia // Agronomy. 2020. V. 10. № 10. https://doi.org/10.3390/agronomy10101603
  34. Abdel-Aal E.-S.M., Young J.C., Rabalski I. Anthocyanin composition in black, blue, pink, purple, and red cereal grains // J. Agric. Food Chem. 2006. V. 54. № 13. P. 4696–4704. https://doi.org/10.1021/jf0606609
  35. Garg M., Chawla M., Chunduri V. et al. Transfer of grain colors to elite wheat cultivars and their characterization // J. Cereal Sci. 2016. V. 71. P. 138–144. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2016.08.004
  36. Wang X., Zhang X., Hou H. et al. Metabolomics and gene expression analysis reveal the accumulation patterns of phenylpropanoids and flavonoids in different colored-grain wheats (Triticum aestivum L.) // Food Res. Int. 2020. V. 138. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109711
  37. Sharma S., Chunduri V., Kumar A. et al. Anthocyanin bio-fortified colored wheat: Nutritional and functional characterization // PLoS One. 2018. V. 13. № 4. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0194367
  38. Sharma N., Tiwari V., Vats S. et al. Evaluation of anthocyanin content, antioxidant potential and antimicrobial activity of black, purple and blue colored wheat flour and wheat-grass juice against common human pathogens // Molecules. 2020. V. 25. № 24. https://doi.org/10.3390/molecules25245785
  39. Razgonova M.P., Zakharenko A.M., Gordeeva E.I. et al. Phytochemical analysis of phenolics, sterols, and terpenes in colored wheat grains by liquid chromatography with tandem mass spectrometry // Molecules. 2021. V. 26. № 18. https://doi.org/10.3390/molecules26185580
  40. Syed Jaafar S.N., Baron J., Siebenhandl-Ehn S. et al. Increased anthocyanin content in purple pericarp × blue aleurone wheat crosses // Plant Breeding. 2013. V. 132. № 6. P. 546–552. https://doi.org/10.1111/pbr.12090
  41. Garg M. NABIMG-9-Blue; BW/2*/PBW621 (IC0620914; INGR17001), a wheat (Triticum aestivum) germplasm with blue grain (aleurone) color. // Ind. J. Plant Genetic Resour. 2018. V. 31. № 3. P. 332–333.

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».