Grassland management as the factor increasing the effectiveness of swards in the Magadan region

Использующаяся на сегодняшний день в хозяйствах Магаданской области система кормопроизводства не покрывает потребностей животноводческого комплекса в полной мере и в большинстве случаев ограничивается выращиванием силосных культур, корнеплодов и однолетних трав, в частности овса. Посевы однолетних кормовых трав позволяют получать в благоприятные по погодным условиям периоды довольно высокие урожаи, но отличаются крайне нестабильной продуктивностью по годам, что исключает их использование как основу для развития системы регионального кормопроизводства. В статье приводится анализ результатов многолетних исследований, проводимых в ФГБНУ «Магаданский НИИСХ», по разработке адаптивных технологий кормопроизводства аборигенных многолетних трав и формированию на их основе устойчивых, продуктивных и долголетних лугов. В основу региональной практики вошли пять видов дикорастущих многолетних злаковых трав: арктагростис широколистный (Arctagrostis latifolia (R. Brown) Griseb.), бекмания восточная (Beckmannia syzigachne (Steudal) Fern.), лисохвост тростниковый (Alopecurus arundinaceus Poir. (A. ventricosus Pers.), колосняк мягкий (Leymus mollis (Trinius) Hara), арктомятлик высокий (Arctopoa altus). Характерной особенностью этих видов, наряду с высокими качественными и количественными показателями продуктивности, является их приспособленность к суровым условиям Севера. Использование аборигенных трав в системе местного кормопроизводства позволит значительно сократить материальные затраты на регулярную закупку кормов и семян кормовых трав, увеличить экологический ареал эффективного луговодства за счёт их высокой способности к адаптации в сложных местных условиях на фоне снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. Формирование лугов на основе долголетних, нередко длиннокорневищных северных экотипов многолетних трав, создающих плотную дернину, с густым высоким травостоем с преобладанием при регулярной подкормке вегетативных побегов, наряду с обеспечением отрасли животноводства полноценными кормами собственного производства позволит защитить почву от деградации, воздействия водной и ветровой эрозии. Currently the sphere of forage production doesn’t fully satisfy the needs of animal husbandry in the Magadan region and mostly provides silage, root crops and perennial grasses such as oats. Annual crops produce rather high yields but only under favorable conditions. This article reports on the long-term investigation conducted at the Magadan Agricultural Research Institute. The aim was to develop a cultivation technique for wild perennial grasses to obtain stable and high-productive swards. Five wild gramineous were used in the experiment: Arctagrostis latifolia (R. Brown) Griseb., Beckmannia syzigachne (Steudal) Fern., Alopecurus arundinaceus Poir. (A. ventricosus Pers.), Leymus mollis (Trinius) Hara, Arctopoa altus. Along with high forage quality and productivity these species are well adapted to severe northern environment. Introduction of wild grasses into local forage production system is able to reduce significantly purchase costs for forage and seeds, broaden the area of grassland management due to their high resistance, and decrease anthropogenic impact on the environment. Northern ecotypes of perennial grasses often have long roots forming dense sod layers and tall swards with high proportion of vegetative shoots under regular fertilization. These qualities can protect soil from degradation as well as water and wind erosions.

Molecular Cytogenetic and Agronomic Characterization of the Similarities and Differences Between Wheat–Leymus mollis Trin. and Wheat–Psathyrostachys huashanica Keng 3Ns (3D) Substitution Lines

Psathyrostachys huashanica Keng (2n = 2x = 14, NsNs) and Leymus mollis Trin. (2n = 4x = 28, NsNsXmXm) are valuable resources for wheat breeding improvement as they share the Ns genome, which contains diverse resistance genes. To explore the behaviors and traits of Ns chromosomes from the two species in wheat background, a series of wheat–P. huashanica and wheat–L. mollis substitution lines were developed. In the present study, line DH109 (F7 progeny of wheat–P. huashanica heptaploid line H8911 × durum wheat Trs-372) and line DM131 (F8 progeny of wheat–L. mollis octoploid line M842 × durum wheat Trs-372) were selected. Cytological observation combined with genomic in situ hybridization experiments showed that DH109 and DM131 each had 20 pairs of wheat chromosomes plus a pair of alien chromosomes (Ns chromosome), and the pair of alien chromosomes showed stable inheritance. Multiple molecular markers and wheat 55K SNP array demonstrated that a pair of wheat 3D chromosome in DH109 and in DM131 was substituted by a pair of P. huashanica 3Ns chromosome and a pair of L. mollis 3Ns chromosome, respectively. Fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis confirmed that wheat 3D chromosomes were absent from DH109 and DM131, and chromosomal FISH karyotypes of wheat 3D, P. huashanica 3Ns, and L. mollis 3Ns were different. Moreover, the two lines had many differences in agronomic traits. Comparing with their wheat parents, DH109 expressed superior resistance to powdery mildew and fusarium head blight, whereas DM131 had powdery mildew resistance, longer spike, and more tiller number. Therefore, Ns genome from P. huashanica and L. mollis might have some different effects. The two novel wheat–alien substitution lines provide new ideas and resources for disease resistance and high-yield breeding on further utilization of 3Ns chromosomes of P. huashanica or L. mollis.

The chromosome-scale genome resource for two endophytic Fusarium species: F. culmorum and F. pseudograminearum

The genus Fusarium (Ascomycota, Hypocreales, Nectriaceae) includes many economically important plant pathogens, which cause devastating diseases of a wide range of crops and trees. Interestingly, there is increasing evidence that some Fusarium species also live as endophytes and benefit plant growth and stress tolerance. In this work, we sequence the whole genomes of endophytic F. culmorum and F. pseudograminearum, isolated from a coastal dunegrass (Leymus mollis), using long-read SMRT (single-molecule real-time) sequencing technology (PacBio). Their genomes are assembled into four chromosomes and a mitochondrial genome with a total assembly size of 40.05 M and 42.90 M, respectively. This resource should not only facilitate the functional studies designed to better understand what makes the two Fusarium species such successful plant beneficial fungus, but also reveal their genome evolution and adaptation.

Forage production in the Magadan region: state, issues, prospects

Дана оценка современного состояния посевных площадей кормовых культур с указанием факторов, влияющих на развитие отрасли кормопроизводства на территории Магаданской области. Показана перспективность расширения ассортимента сенокосных и пастбищных культур для районов севера Дальнего Востока за счёт включения многолетних трав аборигенной флоры, позволяющих увеличить производство дешёвых и высококачественных кормов, повысить экологическую устойчивость агроландшафтов кормовых угодий. Предложены основные перспективные виды многолетних кормовых трав: арктагростис широколистный (Arctagrostis latifolia (Rob. Brown) Griseb), бекмания восточная (Beckmannia syzigachne (Steudel) Fern.), лисохвост тростниковый (Alopecurus arundinaceus Poir. (ventricosus Pers.), колосняк мягкий (Leymus mollis Trin.), арктомятлик высокий (Arctopoa eminens (J. Presl) Prob.) — для использования местными предприятиями-производителями сельскохозяйственной продукции. Даны рекомендации по применению основных агротехнических приёмов для северных экотипов многолетних кормовых трав в условиях Магаданской области. Основным направлением увеличения производства собственных кормов хозяйствами региона является повышение урожайности кормовой массы и семян многолетних трав аборигенной флоры за счёт создания высокопродуктивных, адаптированных к местным условиям сортов этих видов. В результате селекционной работы наиболее перспективным из изученных северных экотипов стала арктополевица широколистная сорта Приохотская, отличающаяся высокой кормовой продуктивностью и способная формировать хозяйственно ценный урожай семян в экстремальных условиях Магаданской области. Необходимо дальнейшее изучение особенностей адаптации различных экотипов субполярных многолетних трав в целях выявления наиболее ценных форм для дальнейшего использования в селекционном процессе при создании региональных сортов кормовых культур. This paper reports on the condition of farmlands as well as factors affecting forage production in the Magadan region. Introduction of wild perennial crops into hay and green forage production systems resulted in low-cost fodder of high quality in the Far East and stress resistant farm ecosystems. The most promising perennial grasses are: Arctagrostis latifolia (Rob. Brown) Griseb), Beckmannia syzigachne (Steudel) Fern., Alopecurus arundinaceus Poir. (ventricosus Pers.), Leymus mollis Trin., Arctopoa eminens (J. Presl) Prob. The report contains the recommendations on cultivation techniques for northern ecotypes of perennial forage grasses in the Magadan region. To increase the production of regional feeds new local varieties are required carrying traits of wild genotypes, having high forage mass and seed yields as well as resistance to stress conditions. A. latifolia (“Priokhotskaya”) performed the best having high mass and seed productivity under the extreme conditions of the Magadan region. It is necessary to further tests the adaptive potential of various ecotypes to select the most valuable genotypes required for the breeding of local varieties.

An ice-binding protein from an Arctic population of American dunegrass, Leymus mollis

Several cold-hardy grasses have been shown to have ice-binding proteins (IBPs) that protect against freeze-thaw injury. Here, we looked for IBP activity in an Alaskan coastal grass, Leymus mollis (Pooidae), that had not previously been examined. Rhizome tissue had strong ice-structuring and ice recrystallization inhibiting (IRI) activities, indicating the probable presence of IBPs. The gene sequence of an IBP was obtained. The sequence encoded a 118-amino acid IRI domain composed of eight repeats and that was 80% identical to the IRI domain of the IBP of perennial ryegrass Lolium perenne. The predicted 3D structure of the IRI domain had eight beta-roll coils like those in L. perenne IBP

An ice-binding protein from an Arctic grass, Leymus mollis

Several cold-hardy grasses have been shown to have ice-binding proteins (IBPs) that protect against freeze-thaw injury. Here, we looked for IBP activity in an Alaskan coastal grass that had not previously been examined, Leymus mollis (Pooidae). Rhizome tissue had strong ice-structuring and ice recrystallization inhibiting (IRI) activities, indicating the probable presence of IBPs. The gene sequence of an IBP was obtained. The sequence encoded a 118-amino acid IRI domain that contained eight repeats. A 3D structure of the IRI domain was predicted from the structure of the IRI domain of the perennial ryegrass Lolium perenne. The predicted structure appeared to have the same eight beta-roll coils found in the L. perenne IBP.

Отдаленная гибридизация в селекции озимой пшеницы на зимостойкость

Важную роль в повышении зимостойкости и продвижении озимой пшеницы в районы Нечерноземья сыграла отдаленная гибридизация. Наиболее перспективным направлением отдаленной гибридизации стало скрещивание пшеницы с дикими сородичами. Проанализированы результаты работы по отдаленной гибридизации мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) с дикорастущими злаками, такими как пырей сизый [Agropyron glaucum (Desf. ex DC) Roem. and Schult.] и удлиненный (Agr. elongatum (Host) Beauv.), пырейник [Elymus farctus (Viv.) Runemark. ex Melderis], колосняк [Leymus mollis (Trin.) Pilg.]. В результате межвидовых скрещиваний с последующим беккроссом создан большой гибридный фонд, включающий разнообразные пшенично-пырейные гибриды (ППГ) как промежуточного, так и пшеничного типа. За период 2013 – 2019 гг. изучена зимостойкость у 209 образцов озимых ППГ. Наиболее неблагоприятные для перезимовки условия сложились в 2013, 2017 и 2019 гг. — в эти годы отмечена высокая положительная корреляция между показателями зимостойкости изучаемых сортов и их продуктивностью. В эти годы уровень перезимовки весной оценивали в среднем от 2,2 до 3,3 балла, а коэффициент корреляции между показателем зимостойкости и конечной урожайностью составил r = 0,59 – 0,78. Выделены образцы, показавшие хорошую зимостойкость даже в самые неблагоприятные годы: Инея, Рубежная, ППГ-260, ППГ-283, ППГ-284, ППГ-255, ППГ-278, ППГ-280, ППГ-281. Показано, что в происхождении этих сортов участвует либо многолетняя пшеница, включающая генетический материал пырея, либо пшенично-колосняковые гибриды. Доказаны перспективы работ по отдаленной гибридизации пшеницы с дикими злаками в селекции на зимостойкость в условиях Нечерноземья.

6-SFT, a Protein from Leymus mollis, Positively Regulates Salinity Tolerance and Enhances Fructan Levels in Arabidopsis thaliana

Fructans play vital roles in abiotic stress tolerance in plants. In this study, we isolated the sucrose:6-fructosyltransferase gene, which is involved in the synthesis of fructans, from Leymus mollis by rapid amplification of cDNA ends. The Lm-6-SFT gene was introduced into Arabidopsis thaliana cv. Columbia by Agrobacterium-mediated transformation. The transgenic plants were evaluated under salt stress conditions. The results showed that the expression of Lm-6-SFT was significantly induced by light, abscisic acid (ABA), salicylic acid (SA), and salt treatment in L. mollis plants. Overexpression of Lm-6-SFT in Arabidopsis promoted seed germination and primary root growth during the early vegetative growth stage under salt stress. We also found that the transgenic plants expressing Lm-6-SFT had increased proline and fructan levels. β-Glucuronidase staining and promoter analysis indicated that the promoter of Lm-6-SFT was regulated by light, ABA, and salt stress. Quantitative PCR suggested that overexpression of Lm-6-SFT could improve salt tolerance by interacting with the expression of some salt stress tolerance genes. Thus, we demonstrated that the Lm-6-SFT gene is a candidate gene that potentially confers salt stress tolerance to plants. Our study will aid the elucidation of the regulatory mechanism of 6-SFT genes in herb plants.