Статья: 60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1

60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1

Плотников Владимир Константинович

д.б.н., доцент

Салфетников Анатолий Алексеевич

д.c.-х.н., профессор

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Обзорная статья посвящена 60-летнему юбилею шедевра мировой селекции - сорту озимой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) Безостая 1. Этот сорт инициировал и был много лет участником исследований молекулярно-биологических механизмов формирования морозоустойчивости пшеницы. В статье обобщены данные об особенностях функционирования белоксинтезирующего аппарата её проростков (колеоптилей) под влиянием закаливающей температуры (4оС): трансляционная активность полирибосом in vitro, степень полиаденилирования и стабильность суммарной мРНК и специфической мРНК субъединицы ? фактора элонгации трансляции 1 (eEF-1) в сравнении с проростками ряда сортов пшеницы, ранжированными по морозоустойчивости в системе ommp (in vitro), адекватно отражающей относительную стабильность мРНК in vivo. Показано, что влияние холода и света на стабильность мРНК сортоспецифично, и, по-видимому, определяется соотношением доминантных и рецессивных генов vrn и ppd, детерминирующих количество катионов магния (Mg++) в РНК. Установлено, что морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы имеет положительную взаимосвязь с количеством РНК и ДНК и отрицательную взаимосвязь с количеством катионов магния в зрелом зерне, что может служить простым маркёром морозоустойчивости. Для сорта Безостая 1 характерна относительно узкая амплитуда изменений параметров белокситезирующего аппарата при сравнительно высоком содержании катионов магния в РНК. Полученные знания при исследовании сорта Безостая 1 способствуют пониманию молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи

Ключевые слова: ОЗИМАЯ ПШЕНИЦА, TRITICUM AESTIVUM L., СОРТ БЕЗОСТАЯ 1, ПОЛИРИБОСОМЫ, РНК, МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ

Введение

Селекционер зачастую отбирает из широчайшего разнообразия форм уникальные генотипы, изучение которых значительно обогатило бы фундаментальную науку. Но практика жизни нередко вынуждает его отказаться от сортов, не выдерживающих предъявляемых требований. Как в калейдоскопе, появляются редкие по красоте картины, но небольшое движение уничтожает их навсегда, так как вернуться к ним нет практической возможности. Утрачиваются великолепные объекты и возможности понять законы природы. Основной результат работы селекционера сорт - продукт «скоропортящийся». Со временем сорта утрачивают свои ценные свойства.

Исключением из этой закономерности являются сорта долгожители - шедевры селекции. Один из таких - сорт озимой мягкой пшеницы Безостая 1, созданный ровно 60 лет назад, но до сих пор не покинувший поля.

В 1955 году Павлом Пантелеймоновичем Лукьяненко и Надеждой Дмитриевной Тарасенко было получено авторское свидетельство на новый сорт озимой мягкой пшеницы Безостая 1. Таким образом, 60 лет назад выдающийся селекционер ХХ века дважды Герой Социалистического Труда, академик АН СССР и ВАСХНИЛ П.П. Лукьяненко создал сорт озимой мягкой пшеницы Безостая 1 - шедевр мировой селекции. Это было вершиной творчества великого селекционера, на многие годы определившее тактику и стратегию селекции озимой пшеницы и предопределившее «зелёную революцию» в селекции других культур. Академику П.П. Лукьяненко удалось отыскать в безбрежном море генетического разнообразия озимой пшеницы уникальный генотип и на его основе создать сорт, который в широких ареалах проявляет высокую продуктивность. После внедрения этого сорта и удвоения урожаев создание более урожайного сорта представляло значительную трудность.

Озимая пшеница Безостая 1 была получена путём скрещивания сортов отдалённого эколого-географического происхождения. В создании её приняли участие 17 пшеничных сортов и гибридов, так что это была довольно длинная история.

П.П. Лукьяненко писал о происхождении Безостой 1: «При селекции устойчивых к ржавчине и полеганию сортов озимой пшеницы нами скрещивались ввезённые в СССР в 30-е годы академиком Н.И. Вавиловым аргентинские яровые пшеницы, в частности … сорт Клейн 33». От скрещиваний этого сорта с североамериканским сортом Канред Фулькастер, проведённые в 1935 году, отобраны три сорта озимой пшеницы Скороспелка 1, Скороспелка 2 и Скороспелка 3. В 1953 году на Краснодарской Госселекстанции академиком П.П. Лукьяненко был получен сорт озимой пшеницы Безостая 4, который являлся исходным для создания Безостой.

Этот сорт оказался редким долгожителем. Таких долгожителей советской и российской селекции наберётся не более 4-5 сортов. Среди них знаменитые пшеницы: озимая Мироновская 808 и яровая Саратовская 29. Но только Безостая 1 оказалась относительно подробно исследована современными методами молекулярной биологии. Поэтому в год её 60-летнего триумфального присутствия на полях многих стран мира есть возможность и необходимость проанализировать особенности биологии этого сорта на основе сравнительных экспериментальных данных, полученных в основном на примере двух сортов озимой мягкой пшеницы Безостая 1 и Краснодарская 39 и приведших в конечном итоге к разработке основ молекулярно-биологической базы морозоустойчивости озимой мягкой пшеницы.

Выведение выдающегося по комплексу признаков сорта Безостая 1 открыло большие возможности для создания более совершенного продуктивного типа степных и лесостепных пшениц, которые обладали бы её ценными свойствами и в то же время отличались достаточно высокой зимостойкостью. Повышение потенциала продуктивности часто достигается устранением самого слабого звена в его структуре. Наиболее слабым звеном для увеличения урожайности озимой пшеницы в северной зоне Краснодарского края была недостаточно высокая зимоморозоустойчивость. Поэтому стратегической задачей селекции было создание сорта с повышенной и высокой зимоморозоустойчивостью, сохранив адаптивный и продуктивный потенциал уникального сорта Безостая 1 [30].

На этом пути важным этапом явилось создание сорта Краснодарская 39 (Лютесценс 39). Этот сорт дал начало целому направлению в селекции. Морозоустойчивость его на уровне сортов Саратовская 3, Одесская 16 и выше Мироновской 808 [30]. Этот сорт был получен под руководством академика П.П. Лукьяненко путём скрещивания Саратовской 3 (пшенично-ржаной гибрид), выведенной научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Юго-Востока (г. Саратов), с Безостой 1. Одна линия из гибридов этого скрещивания и получила название Краснодарская 39.

Сорт Краснодарская 39 отличается очень большой амплитудой физиологических реакций по сравнению с другими сортами пшеницы и в целом с другими биологическими объектами. Сравнительные исследования этого сорта позволили увидеть новые молекулярно-биологические аспекты в регуляции экспрессии генов эукариот, которые в течение 20-ти лет ускользали от внимания исследователей [22].

Венцом селекции зимоморозоустойчивых сортов было создание сорта Зимородок. По комплексу положительных биологических и хозяйственных признаков ему нет равных.

В фундаментальных науках всегда большое значение имел объект исследования. Удачность выбора объекта (или случай) определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации. Большое значение при этом имеет контрастность объектов для сравнения изучаемых свойств и параметров. Таковой контрастной по свойствам белоксинтезирующего аппарата клетки оказалась пара сортов озимой мягкой пшеницы: Безостая 1 и Краснодарская 39 (Зимородок).

морозоустойчивость пшеница биосинтез белок

Биосинтез белка - основной молекулярный механизм реализации экспрессии генов в клетках эукариот

Нормальный рост и развитие эукариот, а также способность адекватно отвечать на изменение условий внешней среды требуют точной и оперативной регуляции экспрессии многих генов. Количество мРНК в клетке зависит как от частоты транскрипции гена, так и от нормы распада мРНК в цитоплазме. У эукариот наиболее лабильным компонентом системы регуляции экспрессии генов является изменение стабильности мРНК, зависящей от гена, которому она принадлежит, и от условий окружающей среды. Методы генной инженерии в последние 30 лет позволили многое узнать о структурных различиях стабильных и нестабильных молекул мРНК [14, 27, 32, 33].

Однако широкое изучение самого феномена изменения стабильности мРНК под влиянием факторов внешней среды и в онтогенезе существенно сдерживалось отсутствием простого метода оценки относительной стабильности мРНК, который был бы достаточно адекватен, точен, воспроизводим и не зависел от основного клеточного метаболизма.

Система ommp. В ходе работ по выделению полиаденилированной мРНК из проростков озимой пшеницы сорта Краснодарская 39 с помощью двуциклической аффинной хроматографии на колонке поли-У-сефарозы была отмечена закономерная Mg2+-зависимая вариабельность выхода мРНК второго цикла очистки в процентном отношении к мРНК первого цикла, т.е. % поли(А)++ от поли(А)+ . Эта расчетная величина получила название индекса стабильности (ИС) мРНК [15, 16, 35].

Отмеченная закономерность состоит в том, что вариабельность ИС определяется генотипом и условиями роста растения (температура, свет и др.). Этот факт послужил отправной точкой для развития простейшей системы для изучения дифференциальной стабильности мРНК [23, 27], которая получила название ommp от латинского выражения «omnia mea mecum porto» - «все свое несу с собой», предложенного академиком А.С. Спириным для характеристики мРНК как особого, самодостаточного во многих отношениях, компартамента клетки [36].

В 1972 году был разработан метод выделения поли-(А)-содержащей мРНК при помощи аффинной хроматографии [34]. Эта работа открыла новую главу в молекулярной биологии. Сорт озимой пшеницы Краснодарская 39 позволил увидеть новые возможности этого метода в экспериментах по оценке степени полиаденилирования мРНК её зелёных 4-х суточных проростков (колеоптелей) методом термальной ступенчатой аффинной хроматографии мРНК на колонке с поли-(У)-сефарозой. При этом выяснилось, что при элюции с колонки поли-(А)-содержащей мРНК происходит её Mg++-зависимый распад по тем же закономерностям, как и в живой клетке [1, 15-21, 23, 25, 35].

Зелёные проростки выращивали при температуре 20оС, но опытные проростки последние 8 часов подвергали воздействию закаливающей температуры (+4оС). Контрольные и опытные значительно различались по степени полиаденилирования и стабильности мРНК. Закаливающая температура вызывала усиление полиаденилирования мРНК и повышала её стабильность [2, 15, 18, 27].

Поскольку степень полиаденилирования мРНК не только определяет стабильность мРНК, но и является энхансером (усилителем) трансляционной активности мРНК, т.е. её способности образовывать полирибосомы, полученные результаты позволили понять феномен усиления трансляционной активности полирибосом в бесклеточной системе синтеза белка (in vitro) при закалке проростков пшеницы [5].

Трансляционная активность полирибосом in vitro. В научной литературе многими авторами было отмечено, что адаптация растений к стрессам непосредственно связана с работой белоксинтезирующего аппарата. Действие закаливающей низкой положительной температуры (0-5о) не вызывает распада полисом, а наоборот, увеличивает их количество в цитоплазме по сравнению с контрольными растениями, выращиваемыми при 20о. Одновременно происходит активация трансляционной активности полисом, наблюдаемая in vitro [27].

Данные о приросте трансляционной активности полисом под действием закаливающей температуры у контрастных по морозоустойчивости сортов озимой мягкой приведены в таблице 1. Очевидно, что у более морозоустойчивых сортов наблюдался более высокий прирост трансляционной активности полисом.

Таблица 1. Сортоспецифичность прироста in vitro трансляционной активности полисом проростков озимой мягкой пшеницы под действием закаливающей температуры (4°C, 8часов)

В животных и растительных клетках идентифицировано много частиц и предшественников (информосом), которые содержат запасную мРНК и синтез белка регулируется упорядоченным превращением предшественников в активные полисомы. Возможно, этому процессу способствует также снижение концентрации в клетке или удаление под влиянием закаливающих температур специфического ингибитора, препятствующего связыванию мРНК с рибосомами: увеличение степени полиаденилирования мРНК или в результате изменений в самих рибосомах, благодаря которым они приобретают способность связываться с РНК [5, 27, 29].

По-видимому, большое значение здесь имеет параллельная регуляция метаболизма при помощи каскада серин/треониновых протеинкиназ (mTOR), определяющих активацию РНК-полимераз (POL), усиливающих синтез белков рибосом, что приводит к стимуляции биогенеза рибосом. За последние годы был достигнут значительный прогресс в исследовании системы протеин-киназ у животных, получившей название mTOR (mammalian target of rapamycin), и в понимании молекулярных механизмов, путём которых факторы среды контролируют синтез и обмен мРНК. Аналогичная система протеинкиназ позднее найдена и у растений, так что mTOR - это историческое название протеинкиназной системы эукариот, участвующей в ответе организма на стрессовые условия среды [33]. Поэтому в настоящее время mTOR расшифровывается как «mechanic target of rapamycin".