Глиадины зерна как маркеры хозяйственно полезных признаков у озимой пшеницы

Генетически детерминированные электрофоретические варианты белков, в качестве маркеров полиморфизма кодирующих их структурных генов, на протяжении последних десятилетий используются в селекционных программах для решения многих вопросов.

Сорта растений являются носителями уникальных ассоциаций генов, созданных в процессе селекции и собранных в одном геноме, что обеспечивает их адаптацию к условиям среды и необходимый уровень развития хозяйственно полезных признаков. Набор аллельных состояний структурных генов растения и особенности нуклеотидных последовательностей некодирующих фрагментов ДНК, по сути, являются его „генетическим паспортом“. Для идентификации образцов используют системы генетических маркеров, среди которых наиболее эффективными и надежными являются молекулярно-генетические — белки и фрагменты ДНК, характерная особенность которых — четкая генетическая детерминация и независимость их проявления от условий окружающей среды.

Из числа применяемых в настоящее время в генетико-селекционных исследованиях злаков генетических маркеров наиболее информативными оказались группы высокополиморфных запасных белков. У пшеницы они представлены спирторастворимыми глиадинами и высокомолекулярными (ВМ) глютенинами.

В данном сообщении анализируются только локусы, кодирующие глиадины. Глиадин пшеницы контролируется шестью основными кластерами генов — Gli 1A, Gli 1B, Gli 1D, Gli 6A, Gli 6B, Gli 6D, расположенными в коротких плечах хромосом 1 и 6 гомеологичных групп [8].

В результате многолетних исследований в Селекционно-генетическом институте (г.Одесса) было установлено, что гены, кодирующие синтез запасных белков, собраны в кластеры и наследуются по моногенной схеме в виде единого блока. По сути блок электрофоретических компонентов является фенотипическим маркером соответствующего полигенного локуса на уровне белковых молекул и приравнивается к понятию «аллель» для кластерного локуса. По каждому из кластеров были идентифицированы серии аллельных (полиаллельных) вариантов, каждый из которых контролирует группу четко наследуемых электрофоретических компонентов, различающихся по их числу, подвижности и интенсивности.

На этой основе были разработаны принципы генетической классификации злаков, которые впервые позволили на практике использовать особенности компонентного состава запасных белков для идентификации генотипов посредством записи генетической формулы и осуществить генетическую классификацию сортов пшеницы [5].

Было показано, что аллельный состав локусов запасных белков во многих случаях связан с хозяйственно полезными признаками сорта, в частности, такими как урожайность, качество муки, зимостойкость, адаптивность, устойчивость к болезням [2, 5, 9, 10, 12]. При анализе коллекции озимой мягкой пшеницы, а также при изучении искусственной популяции изоглиадиновых линий была выявлена сопряженность аллельной изменчивости глиадинкодирующих локусов с эколого-географическими условиями произрастания пшеницы и показана зональная изменчивость в распространении аллелей.

Авторы этой работы провели анализ генотипической структуры возделываемых в Украине 67 сортов озимой мягкой пшеницы с использованием белковых генетических маркеров. Электрофорез глиадина проводили по модифицированной методике [9] в 10% ПААГе в присутствии 7 М мочевины в глицин-ацетатном буфере. Для идентификации аллельных вариантов глиадинкодирующих локусов использовали номенклатуру и каталог аллелей, разработанные Т. А. Собко и Поперелей Ф.А.

В результате проведенной работы было установлено, что значительная часть изученных сортов (32 из 67 или 47,8%) оказалась полиморфной, т.е. имела внутрисортовую гетерогенность по локусам запасных белков, причем для ряда сортов отмечена гетерогенность более, чем по одному локусу. Из сортов селекции Полтавской аграрной академии гетерогенным по локусу Gli 1A оказался Коломак 3, а сорт Коломак 5 показал гомогенность по всем изученным локусам запасных белков.

Таким образом, почти половина изученных сортов, в основном, украинской селекции являются по существу сортами-популяциями и при длительном возделывании в производстве без надлежащего контроля за их сортовой чистотой может произойти изменение соотношения биотипов вплоть до полной элиминации отдельных из них, что приведет к изменению некоторых свойств и особенностей сорта.

Генотипы половины сортов имеют аллель Gli 1A4, впервые идентифицированный в Украине у сорта Безостая 1. С относительно высокой частотой встречаются аллели Gli 1A2 и Gli 1A3. На долю трех вышеуказанных аллелей приходится около 82 % изменчивости локуса Gli 1A в данной выборке сортов озимой пшеницы.

Из аллелей локуса Gli 1B выделяется по частоте встречаемости аллель Gli 1B1. Заметна также доля сортов с аллелем Gli 1B3, маркера 1B1/1RS транслокации. Эти два варианта присутствовали у 85% сортов. Среди аллелей локуса Gli 1D по частоте доминирует аллель Gli 1D1 и значительное распространение получили также аллели Gli 1D4 и Gli 1D5.

Главное направление использования белковых маркеров в селекции пшеницы и других злаковых культур — оценка хлебопекарных качеств зерна, т.к. запасные белки принимают участие в формировании клейковинного комплекса пшеницы — основного фактора, определяющего качество хлеба. На основании многочисленных экспериментальных данных был определен вклад отдельных аллелей локусов запасных белков в формирование показателей мукомольно-хлебопекарных характеристик зерна и муки, а также проведено ранжирование аллелей глиадинкодирующих локусов по степени их влияния на качество [4, 5, 9].

Среди сортов озимой мягкой пшеницы, внесенных в Реестр, преобладают сильная и ценная пшеницы, на долю каждой из них приходится около трети сортов, пятую часть составляют сорта-филлеры и наименьшее количество сортов отнесено к группе кормовых пшениц. В группе сортов сильных пшениц по частоте встречаемости выделяется аллель Gli 1A4 (68%) и при ухудшении качества зерна встречаемость этой аллели заметно снижается при одновременном увеличении у ценных, филлеров и кормовых пшениц доли аллелей Gli 1A2, Gli1A3 и Gli 1A9.

По локусу Gli 1B практически все сорта сильных пшениц имеют только один аллель — Gli 1B1. С ухудшением качества наблюдается резкое снижение частоты встречаемости этого аллеля, где доминирует аллель Gli 1B3. Низкие хлебопекарные качества филлеров и кормовых сортов обусловлены тем, что аллель Gli 1B3 выступает маркером ржано-пшеничной транслокации 1BL/1RS в геноме пшеницы и снижение качества таких сортов объясняется наличием в их клейковине белков ржи. Тем не менее, у целого ряда возделываемых сортов, особенно, селекции Мироновского института пшениц им. В.Н.Ремесла присутствует аллель Gli 1B3 (Мироновская 28, 33, 61, Мирлебен, Ивановская остистая, Киевская 7, Веселка), вероятно, в силу того, что он одновременно является маркером генов устойчивости к возбудителям ржавчинных болезней [13].

Урожай сортов с ржаной транслокацией по результатам предварительного и конкурсного сортоиспытания 1981—1983 гг. был более высоким по сравнению с сортами, имеющими другие аллели [11]. Авторы считают, что преимущества присутствия транслокации связаны с устойчивостью к стрессам в период после цветения.

Однако, следует учитывать, что влияние 1BL/1RS на проявление уровня качества существенно зависит от генетического фона генома пшеницы.

Для низкокачественных пшениц характерно также увеличение доли аллеля Gli 1B4.

В локусе Gli 1D у высококачественных пшениц распространены аллели Gli 1D4, Gli 1D5, Gli 1D7, Gli 1D10, которые встречаются у 77,8 % сортов сильных пшениц, при этом доминирует аллель Gli 1D4 (44,4%). Аллель Gli 1D5 равномерно распределена среди сортов разных групп по качеству при наименьшей его частоте у сильных пшениц, что является неблагоприятным фактором, т.к. этот аллель обнаруживает определенную сопряженность с показателями зимостойкости [10]. Таким образом, необходимым условием создания сильной хлебопекарной пшеницы следует отнести присутствие в генотипе сорта таких аллелей глиадинкодирующих локусов, как Gli 1A4, Gli 1B1 а также аллелей Gli 1D4, Gli D5, Gli 1D7, Gli 1D10. Кроме того, твердозерная консистенция эндосперма является обязательным условием получения высококачественной пшеницы.

Метод анализа запасных белков позволяет не только проводить идентификацию генотипов, но и на основании их компонентного состава сделать заключение о их различимости, однородности и стабильности — основных критериях международного Dust-теста зерна.

В данной работе авторы приводять результаты исследований 85 недавно созданных сортов озимой мягкой пшеницы селекции ПДАА и других известных центров селекции Украины в области идентификации у них формул глиадина и глютенина и связи последних с признаками качества зерна и другими хозяйственно полезными признаками [1].

Мы приводим здесь дополнительную характеристику только тех аллелей локусов Gli (син. Gld ), которые присутствуют в анализируемых селекционных линиях полтавской селекции.

Локус Gli 1A. Наибольшее распространение среди украинских сортов озимой пшеницы имеет аллель этого локуса 1А4 (больше 70 % современных украинских сортов несет этот аллель), что объясняется его связью с высокой продуктивностью генотипов. Аллель Gli 1A4 должен присутствовать в идеальных генотипах с максимальной продуктивностью и качеством зерна.

Локус Gli 1D. Известно, что у озимой мягкой пшеницы геном D является ключевым в определении хлебопекарных свойств зерна. Наивысшее качество обеспечивают субъединицы Gli 4, 5, 7, 10, которые, кроме того, входят в геномы наиболее морозостойких (Одесская 16, Одом) и всех коммерческих сортов одесской селекции. Напротив, аллели Gli 1AD 1, 2 и 3, которые произошли от яровых форм, резко снижают морозостойкость генотипов озимой пшеницы.

Локус Gli 6A. Украинские сорта наиболее часто несут аллели Gli 6А3 и Gli А4, которые положительно влияют на качество зерна и зимостойкость. Все полтавские селекционные линии несут аллель Gli 6A3.

Локус Gli 6B. Полиморфизм по этому локусу сравнительно небольшой — всего 4 аллели, из которых наиболее распространен Gli 6B2 среди украинских (в т.ч. полтавских) и иноземных сортов озимой пшеницы, что указывает на большой адаптивный потенциал генотипов, несущих этот аллель. Все полтавские генотипы имели именно такой генотип.

Локус Gli 6D. На основании многолетних исследований компонентного состава глиадинов у сотен сортов озимой мягкой пшеницы Попереля Ф.А.[5] пришел к выводу, что сорт с идеальной формулой глиадинов у генотипов с высокими показателями продуктивности, качества зерна и адаптивным потенциалом должен иметь аллель Gli 6D2 или Gli 6D3 (последнюю аллель имеют все полтавские генотипы).

Белковые маркеры наряду с традиционной схемой (полевая апробация и др.) успешно используются для определения сортовой чистоты при семеноводстве и семенном контроле. Метод позволяет вести отбор элитных растений и потомств. Особенно эффективны белковые маркеры в последующих звеньях первичного семеноводства — питомниках испытания семей и питомниках размножения, где обязателен контроль за появлением нетипичных для сорта растений, которые могут быть выявлены путем позернового анализа. В ряде случаев при принятой схеме элитного семеноводства может нарушаться биотипный (генотипный) состав сорта, а значит, могут измениться его характеристики.

Контроль посредством электрофореза отдельных семян очень эффективен для решения этих практических вопросов и может резко поднять качество семеноводства и сократить сроки создания элиты с 7 до 5 лет, что продемонстрировано на многих примерах. Использование электрофореза белков в семеноводстве и семенном контроле описано в соответствующих указаниях и рекомендациях [3, 7].

Материал и методика

В качестве материала для исследования было взято 26 селекционных линий (СЛ) гибридного происхождения, выделенных из различных комбинаций скрещивания, в т.ч. 2 линии из сорта Левада и 2 линии из сорта Фора, полученных в результате повторного индивидуального отбора. Для сравнения в анализ были включены два новых универсальных высокоурожайных сильных сорта Российской (Зерноградской) селекции — Ермак и Станичная и сорт одесской селекции Леля.

В эксперименте серии 1 анализу полиморфизма глиадинов подвергали 10 СЛ поколения F6 из комбинации скрещивания Леля×Донецкая 46 после повторного индивидуального отбора и один из родительских сортов интенсивного типа Леля.

В серии 2 по спектрам глиадинов анализировали 18 сортообразцов, включая сорта Ермак и Станичная. Все анализируемые сортообразцы после двукратного индивидуального отбора и оценки по урожайности, качеству и комплексу других хозяйственно полезных признаков подвергались дальнейшей оценке в питомниках контрольном, предварительного и конкурсного сортоиспытания в 2005 г.

Генетический анализ спектров запасных белков глиадина выполнен в лаборатории качества зерна Института растениеводства им. В.Я.Юрьева (г. Харьков). Электрофорез глиадина проводили в полиакриламидном геле с использованием буфера уксусная кислота — глицин по методике Ф.А. Поперели

Результаты и обсуждение

Имеются данные, что блок Gli 1B5, присутствующий у всех 11 сортообразцов, несколько снижает качество зерна, а аллели Gli 1D5 наряду c Gli 1A4 способствует повышению качества зерна и одновременно оказывает положительное влияние на зимостойкость пшеницы. Блок Gli 6A3, также присутствующий в полтавских образцах, гарантирует их высокую морозостойкость (табл.1).

Серия 2. Мы приводим здесь дополнительную характеристику только тех аллелей локусов Gli, которые присутствуют в анализируемых 16 селекционных линиях полтавской селекции и сортах Ермак и Станичная (табл.2).

Локус Gli 1A. Наибольшее распространение среди украинских сортов озимой пшеницы имеет аллель этого локуса 1А4 (больше 70% современных украинских сортов несет этот аллель), что объясняется его связью с высокой продуктивностью генотипов. Аллель Gli 1A4 должен присутствовать в идеальных генотипах с максимальной продуктивностью и качеством зерна. Среди 16 сортообразцов полтавской селекции только один — л.10 (97р) имел довольно редкий для нашей зоны блок 1А13, влияние которого на качество зерна изучено слабо и л.154р из комбинации скрещивания Ho/m 12174/85×Ho/m 11926/85, представленная тремя биотипами: А4, А5 и А8.

Следует отметить, что аллель 1А5 имел знаменитый по своему качеству сорт озимой мягкой пшеницы Украинка, а также сорта Федоровка, Прима одесская (СГИ) и Херсонская безостая и Бериславна херсонской селекции [1]. Российский сорт Ермак, получивший признание в ряде регионов Украины, несет оригинальный аллель 1А7, возможно, близкий к аллелю 1А10 сорта Панна.

Локус Gli 1B. По этому локусу у полтавских сортообразцов наблюдался заметный полиморфизм: 11 линий (68,8%) несли аллель 1В1, которая в наибольшей степени распространена среди украинских и российских сортов озимой мягкой пшеницы из-за положительного влияния на адаптивность и продуктивность при достаточно высоком уровне качества. Две линии 69р и 70р, отобранные из сорта Фора, имели соответственно аллели 1В10 и 1В5, возможно, снижающие качественные показатели зерна.

Особого внимания, на наш взгляд, заслуживают линии 77 и 90р, находящихся третий год в конкурсном сортоиспытании и несущие в чистом виде аллель Gli 1B3, являющейся маркером ржаной транслокации 1BL/1RS, описанной выше. Отличительные признаки линий 77 и 90р по сравнению с другими сортообразцами, находящимися в различных питомниках сортоиспытания: наивысшая урожайность (8,4—9,6 т/га) и ее стабильность, высокая зимостойкость, высокий коэффициент кустистости, высокая устойчивость к болезням (бурая ржавчина, мучнистая роса, ВЖКЯ), хорошие показатели по качеству зерна (содержание белка 13,4%, содержание клейковины 29,5%, ИДК 70 ед., число падения 381).

Локус Gli 1D. Известно, что у озимой мягкой пшеницы геном D является ключевым в определении хлебопекарных свойств зерна. Наивысшее качество обеспечивают субъединицы Gli 4, 5, 7, 10, которые, кроме того, входят в геномы наиболее морозостойких (Одесская 16, Одом) и всех коммерческих сортов одесской селекции. Напротив, аллели Gli 1D 1, 2 и 3, которые произошли от яровых форм, резко снижают морозостойкость генотипов озимой пшеницы. 9 из 16 линий полтавской селекции имеют аллели Gli 1D4,5 (56,3%), что указывает на их высокую морозостойкость.

Локус Gli 6A. Украинские сорта наиболее часто несут аллели Gli 6А3 и Gli А4, которые положительно влияют на качество зерна и зимостойкость. Все полтавские селекционные линии, кроме одной (122р) несут аллель Gli 6A3.

Локус Gli 6B. Полиморфизм по этому локусу сравнительно небольшой — всего 4 аллели, из которых наиболее распространен Gli 6B2 среди украинских (в т.ч. полтавских) и иноземных сортов озимой пшеницы, что указывает на большой адаптивный потенциал генотипов, несущих этот аллель. 14 из 16 полтавских линий имели именно такой генотип.

Локус Gli 6D. На основании многолетних исследований компонентного состава глиадинов у сотен сортов озимой мягкой пшеницы, Попереля Ф.А.[159] пришел к выводу, что сорт с идеальной формулой глиадинов у генотипов с высокими показателями продуктивности, качества зерна и адаптивным потенциалом должен иметь аллель Gli 6D2 или Gli 6D3. Полтавские сортообразцы по этому локусу распределились таким образом: 10 линий имели аллели Gli 6D3, 1 — Gli 6D2, 4 — Gli 6D4 и 1 — Gli 6D1.

Характеризуя в целом полтавские сортообразцы серии 2 по 6 глиадиновым локусам можно сделать следующие выводы.

Селекционные линии 5, 31, 43, 61 (все 4 из комбинации скрещивания Леля×Донецкая 46), 40 (отбор из с.Левада), 72 (отбор из с. Украинка полтавская), 76 (л.100/92×Коломак 3) были схожи между собой по блоковому составу глиадинового спектра. Они имеют достаточно высокий генетически обусловленный потенциал качества и довольно хороший для условий Лесостепи Украины уровень морозостойкости. Качество у этих линий маркируют блоки 1A4, 1B1, 1D4, а морозостойкость — 6А3.

Сортообразцы 69, 70 (оба из с. Фора) и 97 (л.10) имеют более низкое качество зерна из-за наличия аллелей 1B10, 1B5, 1D2. Кроме того л.97 несет по локусу 1А довольно редкий для нашей зоны блок 1А13, влияние которого на качество изучено слабо.

Линии 77 и 90 несут в геноме ржаную транслокацию, которая маркеруется блоком 1В3, которая положительно сказывается на урожайности и устойчивости к биотическим и абиотическим факторам среды, но может негативно воздействовать на качество зерна.

Линия 114 (отбор из с.Левада) несет блок 1D5, который маркерует отличные хлебопекарные качества образца. Линия 122 и сорт Станичная имеют блок 6А1, который маркерует слабую морозостойкость.

Сортообразец 154 представлен тремя биотипами:
1A8 1B1 1D4 6A3 6B2 6D3 — среднее качество
1А5 1В3 1D1 6A3 6B2 6D3 — слабое качество (1В3)
1А4 1В1 1D1 6A3 6B2 6D3 — среднее качество

Сорт Ермак имеет в глиадиновом спектре блок 1А7, влияние которого на качество зерна изучено слабо. Морозостойкость с. Станичная будет ниже других образцов из-за наличия блока 6А1.

Выводы

В результате электрофоретического анализа 28 полтавских сортообразцов озимой мягкой пшеницы по 6 глиадиновым локусам зафиксировано, что селекционные линии 5, 31, 43, 61 (все 4 из комбинации скрещивания Леля×Донецкая 46), 40 (отбор из с.Левада), 72 (отбор из с. Украинка полтавская), 76 (л.100/92×Коломак 3) мало различались между собой по глиадиновым спектрам и имели достаточно высокий генетически обусловленный потенциал качества и высокий для условий Лесостепи Украины уровень морозостойкости. Качество у этих линий маркеруют блоки 1A4, 1B1, 1D4, а морозостойкость 6А3.

Литература
• Благодарова О.М., Литвиненко М.А., Голуб Є.А. (2004) Геногеогрфія алелів гліадин- і глютенінкодуючих локусів українських сортів озимої мя’кої пшениці і їх св’язок з агрономічними ознаками // Зб. наук. праць СГІ. — вип. 6 (46). — Одеса. — с. 124—138
• Князьков В.В., Сухоруков А.Ф., Попереля Ф.А. Компонентный состав глиадина у некоторых сортов озимой пшеницы // Селекция и семеноводство. — 1994. — № 2. — С. 6—9.
• Конарев В.Г. (1998) Молекулярно-биологические исследования генофонда культурных растений в ВИРе (1967—1997). — СПб : ВИР. — 99 с.
• Копусь М.М. (1994) Об эффективности использования глиадиновых маркеров в селекции мягкой пшеницы // Селекция и семеноводство. — № 3. — с. 29—31.
• Попереля Ф.А.(1989) Полиморфизм глиадина и его связь с качеством зерна , продуктивностью и адаптивными свойствами сортов мягкой пшеницы // Селек., семен. и интенс. технол. воздел. озимой пшеницы. — М.: ВО «Агропромиздат». — с. 138—150.
• Попереля Ф.А., Бабаянц Л.Г. (1980) Блок компонентов глиадина Gld 1B3 как маркер гена, обуславливающего устойчивость растений пшеницы к стеблевой ржавчине // Докл. ВАСХНИИЛ. — № 4. — с. 4—7.
• Применение белковых маркеров для идентификации сортов озимой мягкой пшеницы по электрофоретическим спектрам глиадина / Под ред. В.Г. Конарева // Каталог мировой коллекции ВИР — 1983. — Л. — Вып. 386. — 57 с.
• Собко Т.А., Созинов А.А. (1999) Анализ генотипической структуры возделываемых в Украине сортов озимой мягкой пшеницы с использованием генетических маркеров // Цитология и генетика. — т.33. — № 5.— с. 30—41
• Созинов А.А. (1985) Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции // М.: Наука. — 272 с.
• Созинов А.А., Попереля Ф.А. (1979) Полиморфизм глиадина и селекция // Вестник с.х. науки. — № 10. — с. 21—24.
• Carver B.F., Rayburn A.L. (1994) Comparison of related wheat stocks possessing 1B or 1RS/1BL chromosomes: Agronomic performance // Crop Sci. — 34, № 6. — p. 1505—1510.
• Cerny J., Sasek A., Hanisova A. (1995) Common wheat (T. aestivum) marking by determination of approximate dependence of frequency of allelic gliadin genes grade of agronomic character // Sci. Agric. Bohemica. — 26 (4). — p. 245—258.
• Finn D., Lukow O.W., Bushuk W., De Pauw R.M. (1994) Milling and baking quality of 1BL/1RS translocation wheat. 1. Effect of genotype and environment // Cereal Chem. — 71, № 2. — p. 189—1939.