Статья: Внутрисортовой полиморфизм глиадина озимой пшеницы и возможности его использования в селекции

ВНУТРИСОРТОВОЙ ПОЛИМОРФИЗМ ГЛИАДИНА ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЕКЦИИ

Н.Н. ПЕТРОВА, С.В. КРАВЦОВ, Е.А. БЛОХИНА

Аннотация

В статье приведены белковые формулы с выявлением сбалансированных белковых биотипов, которые могут быть использованы при новом способе селекции на основе явления синергизма. Раскрыт механизм внутрипопуляционного полиморфизма. Показано, что спектром белков подтверждается индивидуальность биотипа сорта с обнаружением различной структуры сорта. Обсуждается материал по интрогрессиям и применению современных высокоточных методов определения генотипов, что позволит интенсифицировать труд селекционера.

The article presents protein phormulae with detection of balanced protein biotypes, which can be used for the new method of selection on the basis of synergism. We have discovered the mechanism of intra-population polymorphism. We have shown that the specter of proteins proves individuality of variety biotype with detection of different structure of variety. We have also discussed the material about introgressions.

Введение

В настоящее время многими исследователями установлено, что сорт, как правило, является популяцией, состоящей из биотипов, наследственно различающихся между собой по биологическим и хозяйственнополезным признакам. Проблема популяционности - присутствие в сорте разнородных, но сбалансированных биотипов - является новым обоснованием для семеноводства [16]. В настоящее время доказано, что даже потомство одного растения уже несет признаки популяционности. Было обнаружено, что при контролируемом самоопылении от конкретного биотипа, принадлежащего сорту, воспроизводятся все другие [12].

Цель исследований - изучить внутрисортовой полиморфизм глиадина в селекции на синергизм и оценить использование электрофоретического спектра для выявления интрогрессий.

Анализ источников Известно, что практически любой сорт озимой пшеницы является популяцией. Структурную основу популяции составляют биотипы - группы особей популяции, обладающих сходным генотипом. Термин предложен В. Иоганнсеном [4]. По его определению, чистая линия представляет собой единственный биотип как совокупность особей с одинаковым генотипом. «Чистолинейный» материал, как и любая популяция, характеризуется широким спектром изменчивости, т.е. может быть представлен различными биотипами. Исходя из признака, по которому отмечается гетерогенность, различают экоэлемент или морфотип, выделяемый по габитусу растений, высоте, особенностям соцветия и т.д.; феноэлемент - биотип, отличающийся конкретным генетически детерминированным феном (например, опушенность листа, биоизомеры и др.); гемифанерон - биотип, выделяемый по специфичным элемента структуры клеток и тканей; криптоэлемент - биотип, выделяемый на провокационных фонах; изогенные линии - по результатам гибридного и моносомного анализа [1]. В процессе народной селекции формировались местные сорта с высокой степенью полиморфности и более приспособленные к условиям климата [7]. В Краснодаре П.П. Лукьяненко на первых этапах селекции проводил отбор внутри местных сортов пшеницы и получил Краснодарскую 622, районированную на Северном Кавказе. Там же индивидуальным отбором отселектирован повсеместно известный сорт Безостая 1 из районированного сорта Безостая 4 [7]. По данным М.Л. Снитко [19], политипные сортообразцы, содержащие несколько биотипов, обладают внутрисортовой изменчивостью по высоте растений и комплексу признаков продуктивности. При дифференцированном испытании биотипов выявлены достоверные различия при сравнении их между собой и с исходным сортом. В ранней селекции присутствуют сорта с повышенной полиморфностью от 2 до 12 биотипов. Генетическая изменчивость этих сортов выражена варьированием 19 компонентов 4 субфракций глиадина б, в, г, щ. В современной селекции большинство сортов состоят из 2-3 белковых биотипов [2, 12]. Высоким внутрисортовым полиморфизмом глиадина обладает сорт Ершовская (9-4 биотипа). Сорта Надзея и Сузорье имеют по 3 биотипа. Монотипными по глиадину оказались образцы Омская озимая, Ивановская 16, TAW 142512/83 [19]. Политипность генетической структуры сорта является ярко выраженным признаком, практически независимым от среды репродуцирования. При этом соотношение между биотипами изменяется в зависимости от условий климата, почв и технологии [17]. Сложный биотипный состав имеют стародавние пшеницы и сорта народной селекции. Например, в некоторых (Крымок) выявлено до 25 биотипов. Сорт озимой пшеницы Селивановский Русак содержит 16 вариантов глиадиновых спектров (биотипов), Саратовская - 29-6 спектров глиадиновых биотипов, несмотря на фенотипическую однородность [7]. На основе современного представления о белках и нуклеиновых кислотах биохимические признаки используются (наряду с другими) для определения внутренней структуры популяции. Так, в результате проведенных исследований методом электрофореза у самоопылителей была установлена внутренняя неоднородность сортов по электрофоретическому спектру (ЭФС) запасных белков.

Метод распознает морфологически неразличимые биотипы и поддерживает их исходный состав в процессе семеноводства [16]. Белковый биотип (биотип группы) - это совокупность спектров одного типа, характеризующаяся одинаковым электрофоретическим спектром глиадина, отличающаяся от другого типа по наличию одного из идентифицированных компонентов или по резко выраженной его интенсивности [12].

Присутствие биотипов в сорте связано с внешними и внутренними факторами. К внешним следует отнести отбор по фенотипу, за которым могут быть скрыты разные генотипы. Внутренние факторы, определяющие состав биотипов, заключены в организации генетической структуры сорта. Это множественность аллелей по нескольким или многим генам, определенная степень перекрестноопыляемости и остаточная гетерозиготность [12]. Кроме того, здесь будут скрытые запасы генетической изменчивости, созданные в процессе эволюции и селекции: комбинативная и мутационная изменчивость, различные структурные преобразования генных ассоциаций через мобильные элементы генома; неравный кроссинговер, дупликации; избыточное количество ДНК в геноме самоопыляющихся видов и др. [6, 11].

Механизм полиморфизма ЭФС глиадина обусловлен множественным аллелизмом [20]; межлокусными взаимодействиями, точковыми мутациями, внутрихромосомными и межхромосомными перекомбинациями [11]; внутренним генетическим балансом растения за счет закрепленной гетерозиготности, переопыления и расщепления [11, 12].

По мнению Н.В. Тупицына [21], селекция растений должна быть ориентирована на создание гетерогенных и узко адаптивных сортов при условии увеличения их численности в регионах. Огромная микроэкологическая пестрота регионов должна охватываться соответствующим числом сортов. Пока это будущее нашей селекции. В настоящее время использование высокопластичных, гетерогенных сортов, включающих взаимодействие биотипов с эффектом синергизма (взаимопомощи, «дружелюбия» растений), служит для сохранения в разных почвенных и климатических условиях уровня урожайности.

Мировым эволюционистом Э. Майером [10] приводятся сведения о популятивности и беспрерывной изменчивости у растений, их сохранении в условиях среды. Открытие популяции он считал крупнейшим эволюционным достижением. Автор отмечает, что полиморфизм - это биологическое явление, крайне необходимое для обеспечения выживаемости популяции. Поэтому селекция должна обеспечивать оптимальный состав сбалансированных биотипов сорта. Необходимое разнообразие требуется для явления синергизма растений, которое повышает урожайность и позволяет создать отличимость, однородность и стабильность, необходимые для районирования сорта. Кириченко Ф.Т. и Литвиненко Н.А. [5] предложили способ получения популяций самоопыляющихся культур, устойчивых к неблагоприятным факторам, путем многократного пересева смеси гетерогенных генотипов и последующего индивидуального отбора. В.Н. Ходас и другие ученые [22] разработали способ селекции пшеницы, включающий смешанный посев короткостебельных и длинностебельных компонентов, отличающихся тем, что с целью повышения урожайности посев осуществляют смесью компонентов, полученных из растений, сходных по морфологическим и физиологическим признакам.

Методы исследования. В исследованиях применялся метод электрофоретического анализа глиадинов пшеницы. В 1986-2007 гг. использовалась методика, разработанная в ВИРе [3], посредством которой выявляется 30-компонентный спектр. Начиная с 2008 г. исследования проводились по методике, разработанной в испытательной лаборатории качества семян УО БГСХА [15], позволяющей получить 100-компонентный спектр, дающий больший объем информации о генотипе. В любом случае, метод, используемый в 2-х методиках, послужил нам для выявления внутрисортового полиморфизма сорта, его отличимости, однородности и стабильности. Работа велась в рамках темы научных исследований с РУП «Гомельская областная сельскохозяйственная опытная станция» [17]. В качестве материала для исследований использованы районированные сорта, сортообразцы, местные и инорайонные.

полиморфизм глиадина пшеница биотип

Основная часть

В настоящее время является возможным из морфологически однородных сортов методом электрофореза глиадинов выделять биотипы, которые несут генетические маркеры признаков сортовой принадлежности [3, 16]. На рисунке 1 представлены схемы ЭФС у некоторых современных районированных сортов озимой пшеницы [15]. Результатом исследований является краткий каталог ЭФС глиадина, в котором приведены схемы спектров 81 сорта отечественной и инорайонной селекции озимой мягкой пшеницы и тритикале [15].

Рис. 1. Схемы электрофоретических спектров глиадина у некоторых районированных сортов озимой пшеницы в 2001-2007 гг. Щара 2-го биотипа (тип 2) и первого у сортов Премьера, Узлет, Сукцесс, Дон 93, Ларс

По результатам многолетних исследований составлены биохимические «паспорта генотипа», под которыми подразумеваются формулы аллельного состояния фиксированных локусов, отображающие их дифференцируемость и идентифицируемость на индивидуальность. В таблице 1 представлены белковые формулы, выявленные по методике ВИР [3] у некоторых сортов озимой пшеницы, районированных по Могилевской области на 2005 г. [16].

Таблица 1. Электрофореграммы некоторых сортов озимой пшеницы, районированных в Могилевской области, 2005 г.

Примечание: - слабовыраженный компонент; - интенсивный компонент; - сдвоенный компонент

У сортов Капылянка, Гармония первый (основной) биотип по частоте встречаемости незначительно выше половины (62 и 57% соответственно). Оставшиеся два биотипа встречаются практически с одинаковой частотой (19 и 22% - второй биотип, 19 и 21% - третий биотип). Различия по компонентному составу фракций в наибольшей мере выявляются по б-, г- и щ-зонам. У сорта Гродненская 23 встречаемость первого биотипа 44%, что составляет приблизительно половину. Встречаемость второго биотипа - 23%, третьего - 14%, четвертого - 11%, что вместе с первым биотипом составляет 92%. Пятый биотип является довольно редким, его встречаемость составляет 8% [16]. Исследования по оценке гетерозиготности (табл. 2) велись на 10-ти колосьях каждого сортообразца Гродненской селекции. Зерновки с колоса брали по 2-3 из разных мест (верх, середина, низ). Степень гетерозиготности образца №91, Гродненской улучшенной, Зарицы на уровне 25,9-26,7%, а у Гродненской 23-34%. Показатель гетерозиготности более 30% показывает, что генотип представляет собой полиморфную систему с повышенной генетической изменчивостью. Это служит основанием для формирования более высокой адаптивности и урожайности. Присутствие гетерозиготности у сортообразцов связано с формообразовательным процессом, а также с возможной перекрестноопыляемостью; поддержанием постоянной структурной гибридности на основе взаимных транслокаций [11], но при испытании сортов в условиях северо-востока Могилевской области (1993-1997 гг.) [13, 17].

Таблица 2. Биотипный состав и степень гетерозиготности сортообразцов озимой пшеницы, 19971) [2]

1) материал для исследований был предоставлен селекционером, доктором сельскохозяйственных наук К.В. Коледой

По ЭФС глиадинов была обнаружена интрогрессия - включение генетического материала хромосомы 1R ржи в хромосому 1B пшеницы, что маркируется триплетом компонентов секалина щ234 в ЭФС. Установленная интрогрессия имеет проявление для сортов раннего и более современного периода селекции [13]. При интрогрессиях проявляется не только аллельная изменчивость (разные белковые биотипы), но и генная - это ржаные гены в аллельных вариантах. Такая изменчивость является одной из главных предпосылок пластичности, адаптивности и высокого потенциала формообразования. По мнению В.Г. Конарева [6], под влиянием интрогрессии возникает гетерозис, гомеостаз и другие важные биологические явления и свойства. Гены ржи в геноме пшеницы существенно повысили ее устойчивость к грибным патогенам, а также иммунитет и адаптивность к внешним факторам [23].

В настоящее время в селекции по усовершенствованию пшеницы рекомендовано использовать рожь [24]. У стародавнего сорта Степнячка изученный нами ржаной локус оказался следствием спонтанной интрогрессии. Этот сорт был получен в результате индивидуального отбора из хозяйственного сорта Банатки Херсонской за №0496. Появление Степнячки связано с повышенной полевой устойчивостью к ржавчине и пыльной, мокрой головне. Все эти качества имеют сопряженность с ржаным триплетом компонентов W234. Другие сорта имеют гибридную природу, и Омская 2 - результат индуцированного мутагенеза. В характеристике этих сортов присутствуют сведения о повышенной устойчивости к стеблевой и желтой ржавчине.

В табл. 3 приведены формулы глиадина образцов озимой мягкой пшеницы, имеющих родовой белковый маркер ржи - омега секалин 234. Присутствие этого триплета ведет к усложнению W-фракции ЭФС глиадина и резко увеличивает число его генетических вариантов. Выявлено, что гены ржи в геноме пшеницы могут присутствовать в разных аллельных состояниях. У сортообразцов из России выявлен один вариант - W - Ахтырчанка, 1 биотип, Ершовская 10, 2 биотип. Для Беларуси установлено несколько разных позиций: - Погоня, 1 биотип; - Каравай 3 (линия); - №100 (линия); - №10 (Л-4). В каждом отдельном случае для разных сортообразцов из регионов селекции Беларуси, Финляндии, Украины, Кавказа и Западной Сибири (Омская область) сформировано свое индивидуальное аллельное состояние, что имеет связь с географической зональностью. Полученные нами результаты подтверждают выводы А.А. Созинова [22] о распределении аллельных вариантов глиадина. Оригинальность наших сведений состоит в том, что эти закономерности имеют распространение на интрогрессию 1B/1R. По разным генам в геноме организма проходят параллельные изменения, необходимые для выработки адаптивных свойств генотипа.