Теоретические основы использования белкового полиморфизма для оптимизации селекционного процесса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, доктор биологических наук Нецветаев, Владимир Павлович

• Нецветаев, Владимир Павлович
• доктор биологических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор биологических наук Нецветаев, Владимир Павлович

Введение

Глава I. ЗАПАСНЫЕ БЕЛКИ СЕМЕНИ И ФЕРМЕНТЫ У СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

РАСТЕНИИ . И

1.1. Белки семян и ферменты - функциональная роль и значение

1.2. Генетический контроль запасных белков и энзимов у ячменя.

1.3. Генетический контроль запасных белков и энзимов у других сельскохозяйственных культур

Глава II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

2.1. Растительный материал

2.2. Статистические методы исследований

2.3. Биохимические и технологические методы исследований

Глава III. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ И ЗАПАСНЫХ

БЕЛКОВ ЯЧМЕНЯ И ДРУГИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

3.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

3.2. Супероксиддисмутаза С К. Ф. 1.15.1.1.).

3.3. Альфа-амилаза СК.Ф. 3.2.1.1.).

3.4. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2. ).

3.5. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа С К. Ф. 1.1.1.44.)

3.6. Пероксидаза СК.Ф. 1.11.1.7.).

3.7. Гордеины.

3.8. Запасные белки семени подсолнечника

Глава IV. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

ВАРИАНТНЫИ СОСТАВ ФЕРМЕНТОВ И ЗАПАСНЫХ БЕЛКОВ ЯЧМЕНЯ

4.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

4.2. Супероксиддисмутаза СК.Ф. 1.15.1.1.)

4.3. Альфа-амилаза СК.Ф. 3.2.1.1.).

4.4. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2.).

4.5. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа С К. Ф. 1.1.1.44.)

4.6. Пероксидаза СК.Ф. 1.11.1.7.) и легкорастворимые белки зерновки.

4.7. Гордеины.

4.8. Запасные белки эндосперма озимой твердой пшеницы

Глава V. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРИГИНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА И ЛОКАЛИЗАЦИИ ГЕНОВ У ЯЧМЕНЯ

5.1. Картирование генов и центромеры с помощью двойных дителосомиков

5.2. Оценка сцепления между локусами по данным популяции самоопылителя в стадии рекомбинационного насыщения .,

5.3. Коллекция сортов самоопылителя как объект при оценке сцепления между генами

Глава VI. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ ВАРИАНТОВ БЕЛКОВ, ФЕРМЕНТОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАРКЕРОВ С ХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ПРИЗНАКАМИ У ЯЧМЕНЯ И ДРУГИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР б.1. Гордеины, как маркеры генов устойчивости к мучнистой росе: идентификация, контроль, совмещение эффективных генов резистентности к Erysiphe graminis б, 2. Сопряженность аллелей гордеинкодирующих локусов с количественными признаками

6.3. Изоэнзимы корневой супероксиддисмутазы в связи с устойчивостью к неблагоприятным факторам в зоне корней у ячменя

6. 4. Сопряженность аллелей, контролирующих синтез (3-амилаз, с количественными признаками у ячменя

6.5. Связь хозяйственно-ценных признаков с молекулярными маркерами у ячменя

6.6. Использование биохимических маркеров для определения уровня гибридности семенного материала у перекрестников

6.7. Особенности селекции озимой мягкой пшеницы в Белгородской области

Глава VII. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПО ПОЛИМОРФНЫМ БИОХИМИЧЕСКИМ И МОЛЕКУЛЯРНЫМ СИСТЕМАМ ЯЧМЕНЯ. ГЕНОГЕОГРАФИЯ

7.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

7.2. Супероксиддисмутаза СК. Ф. 1.15.1.1.).

7.3. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2.).

7.4. Молекулярные маркеры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы использования белкового полиморфизма для оптимизации селекционного процесса»

Несомненно, что сельскохозяйственные культуры продолжают играть основную роль в удовлетворении потребностей населения Российской Федерации в продукции сельского хозяйства. Реализация наследственного потенциала культурных растений путем селекции способствует прогрессивному росту продукции растениеводства. Так, анализ динамики урожайности ячменя в Англии за 30-летний период показал, что на протяжении всего этого времени увеличение продуктивности данной культуры на 50% определялось сортом и на 50% зависело от прочих, не наследственных, факторов (R.Riley, 1981). Следовательно, выявление естественных генетических вариаций может позволить целенаправленно и шире использовать внутривидовую изменчивость в селекционной практике и составить основу для разработки и решения теоретических и практических вопросов частной генетики сельскохозяйственных растений.

Основные трудности любого селекционного процесса обусловлены, во-первых, полигенной природой большинства, интересующих селекционера, признаков, во-вторых, множественным аллелизмом как фактором наследственной изменчивости, в третьих, фенотипической изменчивостью. Это создает проблемы при подборе пар для скрещивания и отборе лучших генотипов из гибридной популяции.

Современная биология, благодаря обнаружению качественных биохимических признаков организма, подчиняющихся законам наследственности , способна расширить видимые горизонты генетической изменчивости. Знание разнообразия и закономерностей наследования различных форм ферментов или функционально сходных неферментативных белков позволяет наметить подходы для выяснения адаптивной и селекционной ценности генетических факторов, до сих пор не контролируемых, и целенаправленного использования их в селекционном процессе. Характерно, что эти исследования помогают решить основные проблемы селекции (подбор пар для скрещивания и отбор лучших генотипов).

В последние годы, благодаря бурному развитию молекулярной биологии, появилась возможность проводить маркирование практически всего генома культурных растений, например, путем выявления продуктов амплификации ДНК при помощи полимеразной цепной реакции. В данном случае, можно маркировать участки хромосом на которых не расположены гены, контролирующие синтез функционально важных продуктов для растительного организма. Введение новых методов молекулярной биологии, обладающих высокой производительностью и требующих небольшого количества материала для анализа, позволило интенсифицировать работу по маркированию геномов растений. Так, только на ячмене в Северо-Американском проекте по картированию генома ячменя СНАВСМР) к 1992 году уже участвовало 28 лабораторий США и Канады СА.К1е1пЬоГБ, 19923. Достаточно интенсивно подобная работа проводится и в Европе. Следует отметить, что до сих пор генетические карты, построенные на основе молекулярных маркеров, не привязаны к хромосомным картам генов, контролирующих известные морфологические признаки растений. Недостатком этих исследований является и то, что, как правило, молекулярные маркеры не выявляют множественный алле-лизм.

Изучение белковых наследственных вариантов обладает тем преимуществом, что позволяет идентифицировать локусы, определяющие конкретную функциональную значимость их продуктов для растительного организма и относящихся к полиморфным биохимическим системам. В то же время до сих пор сведения по генетическому контролю большинства ферментативных и неферментативных белковых систем сельскохозяйственных растений недостаточно полны, отрывочны или вообще не освещены. Открытыми остаются и вопросы о местоположении большинства локу-сов, контролирующих биохимические признаки, относительно генетических факторов с хорошо известной локализацией на картах сцепления. С учетом этого локализация генов, контролирующих полиморфные биохимические системы, проводилась на комбинациях, включающих некоторые из известных генетических факторов и позволяющих расположить их относительно друг друга.

Не меньший интерес, с точки зрения селекционной практики, вызывает вопрос о возможности использовании, выявляемого наследственного разнообразия среди культурных видов, в прикладных целях. В данном случае возможны следующие пути реализации генетического разнообразия: 1 - использование наследственных вариантов как генетических маркеров факторов, определяющих селекционно-ценные признаки Снапример, генов устойчивости к болезням); 2 - целенаправленное использование внутривидового полиморфизма на основе результатов оценки адаптивной ценности генетических вариантов для различных зон возделывания данной культуры; 3 - реализация полиморфизма для идентификации линий, сортов, гибридов и определения уровня гибридности товарных партий семян $ по культурам у которых ведется промышленное производство гибридов.

В связи с этим, целью данной работы было изучение генетики биосинтеза следующих ферментативных систем ячменя: эстеразы, суперок-сиддисмутазы, а-, /3-амилазы, 6-фосфоглюконатдегидрогеназы, перокси-дазы и запасных белков; исследование белков семени подсолнечника, озимой твердой пшеницы, а также разработка подходов использования, выявленного генетического полиморфизма, в практической селекции.

Для этого предусматривалось выяснить характер наследования и провести локализацию генетических факторов, контролирующих синтез гордеина, альфа- и бета-амилаз, супероксиддисмутаз, эстераз и 6-фос-фоглюконатдегидрогеназ ячменя, гелиантининов подсолнечника и глиади-нов озимой твердой пшеницы; изучить взаимосвязь между локусами, обуславливающими полиморфизм по ферментативным и неферментативным белковым системам, а также молекулярным маркерам и хозяйственно-ценным признакам и свойствам ярового ячменя и озимой пшеницы; изучить геногеографию наследственных факторов, определяющих изоэнзимный состав и вариацию по молекулярным маркерам, в культуре ярового ячменя; оценить факторы, контролирующие биохимические признаки, как генетические маркеры ценных генов; разработать способы определения гибридности товарных партий семян $ у перекрестников.

Основные положения, вынесенные на защиту, заключаются:

- в разработке методологии генетического анализа качественных биохимических, цитологических и морфологических признаков у самоопылителей;

- установлении закономерностей в распределении генетических факторов, контролирующих биохимические признаки, по геному ячменя и пшеницы;

- идентификации и номенклатуре обозначения, выявленных наследственных форм белков и ферментов ячменя, пшеницы и подсолнечника;

- оценке сопряженности биохимических и молекулярных вариантов, в культуре сельскохозяйственных растений, с количественными признаками, определяющими их продуктивность и хозяйственную ценность;

- установлении закономерностей в распространении аллелей, контролирующих изоферменты и продукты РАРБ, в зависимости от географического положения региона возделывания яровой культуры ячменя; оценке климатических факторов, как факторов естественного отбора в пользу определенных генотипов ячменя;

- новых способах оценки селекционного материала самоопылителей и товарных партий семян перекрестников.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие обобщения составляющие предмет защиты, содержащие научную новизну и практическую ценность:

1, Наряду с известными методами генетического анализа, на самоопылителях впервые предложено проводить оценку сцепления генов по результатам анализа популяции самоопылителя в стадии рекомбинаци-онного насыщения (]£»), что позволило в эксперименте идентифицировать и провести локализацию нескольких десятков новых генов, контролирующих синтез запасных белков и ферментов у ячменя и пшеницы, и молекулярных маркеров в культуре ячменя.

2, Для картирования центромеры относительно известных генов и локализации новых генов целесообразно использовать двойные дителосо-мики, отличающиеся цитологической стабильностью, и впервые выделенные в потомстве телотрисомиков ячменя. Приоритетом, при работе с таким материалом, явилось также определение местоположения центромеры на хромосоме 1 ячменя относительно известных и новых локусов.

3, Установлены закономерности в распределении генов, контролирующих синтез запасных белков ячменя, пшеницы и подсолнечника, заключающиеся в том, что во всех случаях в каждом геноме существует основная хромосома на которой расположен сложный локус, с серией множественных аллелей, контролирующий синтез нескольких, сцепленно наследуемых, полипептидов. С этим локусом ассоциируется несколько неаллельных генов, обуславливающих синтез близких по физико-химическим свойствам белков, составляющих семейство. Генетический контроль ферментативных белков генома обуславливают не менее двух хромосом по каждому энзиму.

4, Предложена генетическая номенклатура обозначения, выявленных наследственных форм белков и ферментов ячменя, пшеницы и подсолнечника, позволяющая идентифицировать линии, сорта и гибриды данных культур по генотипу.

5, В условиях юга Украины и ЦЧЗ России проведена оценка сопряженности биохимических и молекулярных вариантов в культуре зерновых с количественными признаками, определяющими их продуктивность и хозяйственную ценность, что позволило выделить генотипы адаптированные к данным условиям среды, отличающиеся высокой продуктивностью и качеством. Для данных регионов установлены "идеальные генотипы" по качеству и комплексу хозяйственно-ценных признаков для культуры ячменя и озимой мягкой пшеницы. Практические результаты этого направления исследований реализованы в виде сортов ярового СОдесский 131 - А. С. 308, Украина; Паллидум 107 - А. С. 526, Украина; Сталкер - А. С. 655, Украина; Владислав - заявка N33352, Россия; Хаджибей - заявка N33351 Россия) и озимого (Одесский 165 - А. С.204, Украина) ячменя, а также сортов озимой мягкой пшеницы (БЕЛНИИСХ 1 - заявка N33288, Россия; БЕЛНИИСХ 2 - заявка N33289, Россия).

6. Установлены закономерности в распространении аллелей, обуславливающих полиморфизм по качественным биохимическим признакам, в культуре ярового ячменя разных географических зон возделывания, заключающиеся в том, что встречаемость аллелей в пространстве зависит от климатических факторов региона. Средовая вариация во времени способствует сохранению альтернативных наследственных вариантов. В целом, только небольшая часть генома растений, отличающегося полиморфизмом, обладает нейтральностью к средовой вариации.

7. Оценка климатических факторов, как факторов естественного отбора, показала, что основными из них для растений являются: влажность, температура и континентальность. Значимость их не равноценна по отношению к разным генетическим вариантам.

8. На основе проведенных исследований предложены новые способы оценки селекционного материала самоопылителей СА. С. 1425880, СССР; А.С.1454322, СССР) и товарных партий семян перекрестников СА. С. 1664200, СССР; А.С. 1750509, СССР; А.С.1800670, СССР).

Исследования по генетике ячменя и подсолнечника, приведенные в настоящей работе выполнялись в отделе генетических основ селекции Селекционно-генетического института (Одесса), а с 1995 г. в лабораториях по селекции и семеноводству озимой пшеницы и ярового ячменя Белгородского НИИ сельского хозяйства (Белгород).

Практические результаты работы реализованы в виде районированных сортов ячменя: Одесский 131 (A.C. No. 308, Украина), Одесский 165 (А. С. No. 204, Украина), Паллидум 107 (A.C. Но. 526, Украина), Сталкер (A.C. No. 655, Украина), внедрены в практику оценки гибрид-ности промышленных партий семян F* подсолнечника СГИ (Одесса)(А. С. No. 1664200, No. 1750509, No.1800670). Растительный материал, созданный в процессе выполнения представленных исследований, используется в работе научных подразделений БелНИИСХ (Белгород), НИИ ЦРЧЗ НП0"Подмос-ковье", ИОГен, СГИ УААН (Одесса) и других учреждений.

Представленные данные позволяют наметить подходы к изучению природы сложных локусов, оценить пути и перспективы селекции на качество, продуктивность, толерантность к абиотическим факторам среды, могут быть использованы для установления чистоты и подлинности семян сортов и гибридов ярового ячменя, подсолнечника, озимой пшеницы, установления их генеалогии, для уточнения хромосомных карт сцепления, в генетике и селекции ячменя на устойчивость к патогенам и при реализации обычных селекционных и генетических программ.

Выражаю огромную благодарность за сотрудничество в работе по ячменю: А. А. Поморцеву (ИОГен), Р. Н. Календарю (Хельсинкский ун-т), И. С. Крестинкову (0ТИПП), А. А. Линчевскому (СГИ), W. Schinieder (ИИЗК, Hadmersieben); по подсолнечнику: Ф. А. Попереле (СГИ), И. С. Крестинкову (0ТИПП); по озимой пшенице: В. М. Панину (Саратовский СХИ), А. И. Рыбалке (СГИ), М. М. Копусю (Донской селекцентр).