Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Панин В.М. 1

---

1 ГНУ «НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии», Саратов, Россия

Показаны основные этапы генетических исследований полиморфизма глиадинов – спирторастворимых запасных белков зерна озимой твёрдой пшеницы. Идентифицированы серии аллельных кластеров глиадин-кодирующих генов, расположенных в четырёх полигенных локусах: Gli-A1dw, Gli-B1dw, Gli-A2dw и Gli-B2dw, которые контролируют блоки глиадинов. С помощью рекомбинационного анализа выявлены два «отщеплённых» локуса Gli-A1-2dw и Gli-A1-3dw, контролирующих, соответственно, два и один ω-глиадин. Определен порядок расположения пяти локусов на сегменте короткого плеча хромосомы 1А: Hg - Bla1 -Gli-A1dw - Gli-A1-3dw - Gli-A1-2dw. Показана сопряжённость глиадин-кодирующих локусов генома А с элементами продуктивности колоса и уборочным индексом. В северных регионах с резко континентальным климатом (Саратов, Харьков) преобладают сорта и формы, относящиеся к разновидности hordeiforme, характеризующиеся специфичным набором блоков («северным» глиатипом). В южных районах России, Украины и в Молдавии наиболее распространены белоколосые разновидности с другим набором блоков («южным» глиатипом). Набор блоков глиадинов и морфологические признаки первого сорта озимой твёрдой пшеницы саратовской селекции Янтарь Поволжья соответствуют вышеуказанным закономерностям.

Статья в формате PDF

1699 KB

озимая твёрдая пшеница

генетика

селекция

глиадины

морфология колоса

генетическое сцепление

геногеография

1. Кобальтова Е.А. Характеристика межвидового скрещивания (T. durum Desf. яровая × T. vulgare Will. озимая) // Тр. Всесоюзн. Съезда по ген. сел. и плем. животнов., Ленинград, 10–16 янв. 1929. – Л., 1930. – Т.4. – С. 159–175.

2. Кудрявцев А.М., Попова Т.А. Генетическое сцепление между глиадин-кодирующими генами и генами окраски и опушения колоса у яровой твёрдой пшеницы (Triticum durum Desf.) // Генетика. – 1994. – Т. 30. – № 12 – С. 1587–1592.

3. Кудрявцев А.М. Создание генетических маркеров твёрдой пшеницы (T. durum Desf.) и её применение в научных исследованиях и практических разработках: авт. дис. … док. биол. наук. – М., 2007. – 47 с.

4. Мудрова А.А. Селекция озимой твёрдой пшеницы на Кубани. – Краснодар: КНИИСХ, 2004. – 190 с.

5. Панин В.М., Салтыкова Н.Н. Популяционно-генетический анализ разнообразия глиадинов зерна озимой твердой пшеницы Эритромелан 8/72 // Селекция и семеноводство полевых культур: сб. науч. работ Сарат. с.-х. ин-та. – Саратов, 1983. – С. 28–36.

6. Панин В.М. Генетический полиморфизм глиадина в популяциях озимой твёрдой пшеницы: с. Одесская Юбилейная // Физиолого-генетические основы интенсификации селекционного процесса: Материалы Всес. конф., 4–6 июля 1983 г. – Саратов, 1984. – Ч. 2. – С. 47.

7. Панин В.М., Салтыкова Н.Н. Гибридологический анализ наследования глиадинов озимой твердой пшеницы // Доклады ВАСХНИЛ. – 1986. – № 5. – С. 4–7.

8. Панин В.М., Салтыкова Н.Н. Особенности организации аллеля глиадинкодирующего локуса хромосомы 1А твёрдой озимой пшеницы Харьковская 1 // Доклады ВАСХНИЛ. – 1986. – № 10. – С. 7–9.

9. Панин В.М., Нецветаев В.П. Генетический контроль глиадина и некоторых морфологических признаков колоса твёрдой озимой пшеницы // Науч.-техн. бюлл. ВСГИ. – 1986. – № 2 (60). – С. 31–36.

10. Панин В.М., Нецветаев В.П. Картирование локусов Gld3-1A и Gld4-1A у озимой твёрдой пшеницы // Науч.-техн. бюлл. ВСГИ. – 1987. – № 2 (64). – С. 29–35.

11. Панин В.М., Прейгель И.А. Сопряжённость блоков компонентов глиадина с элементами продуктивности твёрдой озимой пшеницы // Вопросы генетики и селекции зерновых и зернобобовых культур на Юго-Востоке РСФСР: сб. науч. работ. – Саратовский с.-х. институт им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 1987. – С. 80–86.

12. Панин В.М. Генетический контроль глиадина и аллельный состав глиадинкодирующих локусов твердой озимой пшеницы // Вопросы генетики и селекции зерновых культур на Юго-Востоке: сб. науч. работ. – Саратовский с.-х. институт им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 1991. – С. 27–33.

13. Панин В.М. Особенности сцепления генетических факторов, контролирующих компонентный состав глиадина и красную окраску колоса в генотипах твёрдой озимой пшеницы // Вопросы генетики и селекции зерновых культур на Юго-Востоке: сб. науч. работ. – Саратовский с.-х. институт им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 1993. – С. 16–21.

14. Салтыкова Н.Н. Озимая пшеница Поволжья. Теория формообразования и практическая селекция // Саратовская Гос. С.-Х.А. – 1994. – 208 с.

15. Собко Т.А., Созинов А.А. Генетический контроль морфологических признаков колоса и взаимосвязь аллельной изменчивости маркерных локусов хромосом 1А и 1В озимой мягкой пшеницы // Цитология и генетика. – 1993. – Т. 27. – № 5. – С. 15–22.

16. Собко Т.А., Созинов А.А. Картирование локусов, контролирующих морфологические признаки колоса и запасные белки зерна, в хромосоме 1А озимой мягкой пшеницы // Цитология и генетика. – 1997. – Т. 31. – № 4. – С. 18–26.

17. Созинов А.А., Попереля Ф.А. Полиморфизм проламинов и селекция // Вестн. с.-х. науки. – 1979. – № 10. – С. 21–34.

18. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции // М.: Наука. – 1985. – 272 с.

19. Leisle D. Inheritance and linkage relationships of gliadin proteins and glume color in durum wheat // Can. J. Genet. Cytol. – 1985. – V. 27. – № 6. – Р. 716–721.

20. McIntosh R.A. Catalog of gene symbols for wheat 1986 supplement // Wheat Inf. Serv. – 1987. – № 61–62. – P. 80–93.

21. Metakovsky E.V. Gliadin allele identification in common wheat II: Catalogue of gliadin alleles in common wheat // J. Genet. Breeding. – 1999. – V. 145. – P. 325–344.

В тоже время генетика этой культуры оставалась неизученной, хотя она представляет особый интерес, учитывая межвидовое происхождение озимой твёрдой пшеницы. В 80-х годах прошлого века в Проблемной лаборатории озимой твёрдой пшеницы, созданной при Саратовском СХИ им. Н.И. Вавилова, наряду с решением чисто селекционных задач, были начаты исследования по генетике полиморфизма глиадинов - спирторастворимых запасных белков зерна этой культуры.

В основе этих исследований был генетико-биохимический подход, разработанный в конце 70-х годов во Всесоюзном селекционно-генетическом институте (г. Одесса) и успешно применённый к изучению генетического контроля глиадинов озимой мягкой пшеницы [17]. В частности, они впервые показали, что глиадины наследуются кодоминантно и группами - блоками, контролируемыми тесно сцепленными группами генов - кластерами, расположенными в хромосомах первой и шестой гомеологической группы геномов A, B и D. Используя метод электрофореза глиадинов в крахмальном геле и гибридологический анализ их наследования, исследователи выявили множественный аллелизм этих полигенных структур, расположенных в шести гладин-кодирующих локусах. Это объясняло большое разнообразие компонентного состава глиадина и его высокую сортоспецифичность.

На основе полученных данных в ВСГИ (Одесса) был составлен каталог блоков глиадинов озимой мягкой пшеницы, который постоянно пополнялся. С помощью набора выявленных блоков были определены белковые по форме и генетические по сути формулы десятков сортов этой культуры. Гибридологический и дисперсионный анализы глиадинов озимой мягкой пшеницы в поколениях F₃ - F₇ позволил выявить сопряжённость отдельных блоков с рядом морфологических и хозяйственно-ценных признаков: опушением и красной окраской колосковых чешуй, устойчивостью к болезням, показателями качества клейковины и силы муки, а также некоторыми элементами продуктивности растений и урожайностью с делянки [18]. Таким образом, для озимой мягкой пшеницы впервые была создана на генетической основе система белковых маркеров, позволяющая не только изучать структуру генотипа, но и повысить эффективность селекционного процесса этой культуры.

Именно такой подход реализовывался в Проблемной лаборатории на материале озимой твёрдой пшеницы. Задача усложнялась тем, что к началу 80-х годов ещё не была изучена генетика запасных белков тетраплоидных пшениц, а электрофоретические спектры (ЭФС) глиадинов яровой твёрдой пшеницы существенно отличались от спектров глиадина озимой мягкой пшеницы, то есть не было сортов-тестеров, позволяющих с ходу начать гибридологический анализ глиадинов озимой твёрдой пшеницы. В то же время были и положительные моменты: сортов этой культуры в то время было мало, и в спектрах их глиадинов встречались группы компонентов, фенотипически сходные с некоторыми блоками озимой мягкой пшеницы. Что было вполне ожидаемо, так как в родословной первых сортов озимой твёрдой пшеницы были яровая твёрдая и озимая мягкая.

Первым этапом наших исследований стало изучение разнообразия полиморфизма глиадинов коллекции сортов озимой твёрдой пшеницы с целью выявления гомозиготных линий как потенциальных тестеров с визуально узнаваемыми блоками глиадинов. Наиболее полезными с этой точки зрения оказались сорта южной селекции - Кристалл, Кристалл 2 (Краснодарский НИИСХ), Мичуринка, Новомичуринка, Одесская Юбилейная (ВСГИ), Кишинёвская Крупнозёрная, Кишинёвская 2 (Молдавский НИИ Экологической Генетики). К сожалению, все они, кроме некоторых биотипов Одесской Юбилейной, почти полностью вымерзали. Единственный сорт, достаточно стабильно перезимовывавший на Саратовском Правобережье, был сорт Харьковская 1 (Харьковский НИИ РСГ им. Юрьева). Но биотипы этого сорта содержали ЭФС глиадинов, непохожие на спектры глиадинов озимой мягкой пшеницы [5].

Популяционный анализ глиадинов ряда сортов и гибридных форм озимой твёрдой пшеницы показал высокую гетерогенность глиадиновых спектров не только у гибридных форм, но и у сортов озимой твёрдой пшеницы, что подтверждало наличие активного формообразовательного процесса в генофонде этой молодой культуры [6]. Частая встречаемость в образцах гетерозиготных по составу глиадинов зёрен натолкнула на возможность поиска в исследуемых популяциях колосьев гетерозиготных по этому признаку растений, зёрна с которых можно было рассматривать как потомство F₂. Поэтому классический популяционный анализ разнообразия генотипов по ЭФ-спектрам глиадинов был дополнен элементами гибридологического анализа, выявляющего особенности генетического контроля этих белков. Такой двухуровневый популяционный анализ подтвердил кодоминантный и блочный характер наследования глиадинов у озимой твёрдой пшеницы, выявил четыре независимо наследуемых группы сцепления глиадин-кодирующих генов, по целому ряду признаков, обозначенных как локусы Gli-A1dw, Gli-B1, Gli-A2dw и Gli-B2dw, позволил не только подобрать линии-тестеры, но и спланировать пары для скрещивания [5].

Устойчивые к перезимовке и весенне-летней засухе линии-тестеры с необходимым набором глиадинов удалось выделить из селекционного материала, созданного Н.Н. Салтыковой первоначально в НИИСХ Юго-Востока. Наиболее удачной оказалась форма Эритромелан 8/72 [14]. В ходе её популяционного анализа были выбраны несколько линий, гомозиготных, но контрастных по ЭФ-спектрам глиадинов и морфологическим признакам колоса. Скрещивая их между собой, а также с несколькими линиями, выделенными из сортов Одесская Юбилейная, Харьковская 1 и, годом позже, с линиями тургидной пшеницы Новинка 2, впервые удалось провести гибридологический анализ глиадинов тетраплоидных пшениц [7].

За 80-е годы были изучены гибриды 14 комбинаций скрещивания сначала на зёрнах F₂, а затем на растениях F₂. Среди них были как моногибридные, так и дигибридные по глиадин-кодирующим локусам комбинации (рис. 1).

На полученном гибридном материале также впервые на тетраплоидном уровне был выполнен рекомбинационный анализ сцепления глиадин-кодирующих локуса Gli-A1dw и выявленных локусов Gli-A1-2dw и Gli-A1-3dw между собой и с локусами, контролирующими красную окраску колосковой чешуи (Rg1), опушение колосковой чешуи (Hg) и чёрную окраску остей (Bla1) [8-10]. В результате был составлен фрагмент карты сцепления пяти локусов на коротком плече хромосомы 1А озимой твёрдой пшеницы (рис. 2).

Рис. 1. Фенотипы ЭФС глиадинов зёрен F₂ комбинаций М6 (а) и М14 (б) и схемы идентифицированных блоков глиадинов

Проведённые гибридологический и рекомбинационный анализы позволили генетически корректно идентифицировать 28 блоков глиадинов T.durum и T.turgidum по четырём основным и двум «отщеплённым» локусам, тесно сцепленным с локусом Gli-A1. Ещё 27 блоков выявлены предварительно, без генетического анализа, по их расположению на электрофоретическом спектре (рис. 3).

Впоследствии эти данные были включены в международный каталог генетических символов под редакцией Р.А. Макинтоша [20] и были подтверждены рядом других исследователей на сортах яровой твёрдой пшеницы [2].

Также нашло подтверждение выявленное в озимой твёрдой пшенице варьирование частоты кроссинговера локуса Gli-B1 и локуса Rg1 [13] от 2%, как у озимой мягкой пшеницы [15; 16], до 12%, как у яровой твёрдой [19]. Такое варьирование указывает на различное происхождение хромосомы 1В в разных генотипах озимой твёрдой пшеницы.

Рис. 2. Карта сцепления пяти локусов в коротком плече 1А хромосомы озимой твёрдой пшеницы сорта Харьковская 1 и электрофореграммы двух линий ЛХ-1, ЛХ-2 и сорта Безостая 1. Hg - ген опушения колосковой чешуи, Bla1 - ген чёрной окраски остей, Gli-A1-1dw, Gli-A1-2dw, Gli-A1-3dw - локусы, контролирующие компоненты блока GLI-A1dw6. GLD-1D1 - блок глиадинов локуса на хромосоме 1D озимой мягкой пшеницы

В гибридах F₂ ряда комбинаций показана сопряжённость глиадин-кодирующих локусов генома А с элементами продуктивности колоса и уборочным индексом [11].

Анализ динамики накопления аллельных блоков глиадинов и их сочетаний в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы в течение 10 лет, а также особенности их географического распространения (особенно в широтном

Рис. 3. Каталог блоков глиадинов озимой твёрдой пшеницы. Б-1 и Х-1 - схемы электрофоретических спектров глиадинов в крахмальном геле сортов Безостая 1 и Харьковская 1. * - блоки глиадинов, визуально, без генетического анализа, выявленные в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы

направлении) привели к предположению о существовании некоей оптимальной для зоны Саратовского Поволжья «белковой формулы» глиадинов - «идеальном» глиатипе [12]. На основе этих данных были сформулированы рекомендации о предпочтительном аллельном составе глиадин-кодирующих локусов для первого сорта озимой твёрдой пшеницы Янтарь Поволжья, переданного на сортоиспытание из Проблемной лаборатории в 1992 году и включённого в Госреестр селекционных достижений в 1996 г. В других селекцентрах также отмечают высокую зимо-, морозостойкость и засухоустойчивость этого сорта, как и ряда других форм саратовской селекции [4]. А его блоки глиадинов, в значительной степени унаследованные от сорта Харьковская 1, все эти годы устойчиво накапливались в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы России и Украины. Так, в одесских сортах Коралл и Айсберг состав блоков глиадинов аналогичен составу одного из глиатипов с. Харьковская 1 - GLI-A1dw2, GLI-B1dw3, GLI-A2dw3, GLI-B2dw3, а блоки GLI-B1dw3 и GLI-A2dw3 встречаются в сорте тургидной пшеницы Новинка 3, созданном в НПО «Дон» (Зерноград) [12] и ряде последующих сортов.

Таким образом, полиморфизм глиадин-кодирующих локусов существенно отражал геногеографию сортов озимой твёрдой пшеницы и их эволюцию на протяжении, по крайней мере, трёх её этапов с конца 50-х до конца 80-х годов прошлого столетия. За последние пятнадцать-двадцать лет на юге России и Украины продолжался интенсивный процесс создания новых сортов озимой твёрдой пшеницы. Это позволило поднять там урожайность в 1,5-2 раза прежде всего за счет изменения архитектоники растений, повышения устойчивости сортов к болезням и неблагоприятным климатическим факторам [4].

К сожалению, нет данных об особенностях полиморфизма глиадинов в этих сортах, так как эти исследования в селекцентрах не ведутся. Однако следует отметить, что очевидной особенностью большинства новых сортов озимой твёрдой пшеницы является их принадлежность к var. leucurum и практически полное исчезновение остальных разновидностей. Хотя в родословной всех новых сортов присутствуют черноостые и (или) красноколосые сорта и формы. Возможно, начало этому процессу положено сортом Айсберг одесский, который, имея глиадиновую формулу одного из глиатипов с. Харьковская 1, «потерял» её красную окраску колоса. Вероятно, в погоне за урожайностью селекционеры вынуждены освобождаться от энергетических и пластических затрат на «рубашку» колоса, что оказалось возможным в относительно благоприятных условиях юга России и Украины. Тем интереснее было бы проследить изменения состава глиадинов на новом этапе селекции озимой твёрдой пшеницы.

Созданная генетически обоснованная система белковых и морфологических маркеров может быть полезна не только для селекции и семеноводства озимой твёрдой пшеницы, но и для изучения генотипов гексаплоидного тритикале с геномами ABR, одним из родителей которого она является.

Таким образом, исследование генетического контроля глиадинов - запасных белков зерна, является эффективным инструментом изучения генетических особенностей озимой твёрдой пшеницы, создаёт генетически обоснованную систему регистрации сортов и форм этой культуры и способствует ускорению её селекционного процесса.

Рецензенты:

• Лазарев А.В., д.б.н., доцент, профессор кафедры биотехнологии и микробиологии, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.
• Кудрявцев А.М., д.б.н., зам. директора по науке, зав. отделом генетики растений Учреждения российской академии наук Института Общей Генетики им. Н.И. Вавилова РАН, г. Москва.

Работа получена 15.08.2011

Библиографическая ссылка