Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Генотипическая характеристика салата рода Lactuca L. из мировой коллекции ВИР

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Якупова, Инга Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика рода Lactuca L.

1.2. Межвидовая гибридизация в роде Lactuca

1.3. Особенности наследования признаков у Lactuca sativa L.

1.4. Использование молекулярных маркеров в исследованиях генетического разнообразия салата

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ

ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материал

2.2. Условия проведения исследований

2.3. Методы исследований

2.3.1. Полевые опыты

2.3.2. Электрофорез запасных белков семян

2.4. Статистическая обработка

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

3.1. Характеристика хозяйственно-ценных признаков образцов L. sativa

3.1.1. Морфологические признаки

3.1.2. Биологические особенности

3.2. Анализ генетического разнообразия салата с использованием полиморфизма белков семян 59 3.2.1. Гетерогенность и полиморфизм белков семян

Введение Диссертация по биологии, на тему "Генотипическая характеристика салата рода Lactuca L. из мировой коллекции ВИР"

Салат {Lactuca L.) - популярная овощная культура семейства Compositae (Сложноцветные). Сорта салата обладают исключительно ценным биохимическим составом и характеризуются скороспелостью и высокой продуктивностью. В нашей стране производство салата в небольших объемах сосредоточено вокруг крупных городов. В то же время в странах Западной Европы и США салат является промышленной культурой и занимает одно из ведущих мест среди овощных растений по объему производства. Увеличение производства салата на основе новых научно-обоснованных технологий является важной народно-хозяйственной задачей.

Одним из основных направлений современной селекции салата является создание высокопродуктивных сортов, устойчивых к болезням и вредителям. Однако, возделываемый в культуре вид Lactuca sativa L, многолетняя селекция которого была основана преимущественно на внутривидовой рекомбинации хозяйственно-ценных признаков, характеризуется отсутствием доноров комплексной устойчивости к болезням и вредителям. В этой связи к числу приоритетных задач современной селекции салата относится привлечение диких видов, обладающих генами устойчивости и широким генофондом разнообразия признаков (Whitaker, Jagger, 1939; Verhoeff, 1960; Ryder, 1965, 1975; Small, 1984; Farra et al., 1987; Farrara, Michelmore, 1987; Shih et al., 1998; Sicard, et al., 1999; Zdravkovic et al., 2003; Grube et al., 2005).

Салат - самоопыляющееся растение. Тем не менее, при посеве в южных регионах отмечается высокая степень перекрестного опыления (319%) как между сортами L. sativa, так и между близкими видами (Bohn, Whitaker, 1951; Watts, 1958; Lindqvist, 1960a; Ryder, Whitaker, 1965; Цитович, 2003), что создает ряд проблем при поддержании и размножении сортрв. Детальная оценка частоты переопыления в условиях свободного цветения необходима как с научной точки зрения - в связи с проблемой поддержания генетической чистоты и сохранения аутентичности коллекционных образцов, так и в промышленном семеноводстве сортов. Однако, возможности использования для решения этих проблем маркерных морфологических признаков (окраски и формы листа, наличия кочана, характера листовой пластины и других) весьма ограничены в связи с сильной зависимостью проявления внешних признаков растений от условий выращивания. Кроме того, традиционные генетические исследования занимают продолжительный период времени, особенно в случае рецессивного характера наследования признаков.

Одна из проблем прикладной ботаники, генетики и селекции салата заключается в отсутствии единой внутривидовой классификации. Принятая в нашей стране классификация М.Э. Кирпичникова (1964), так же как и другие известные классификации (Bremer, 1994), основана на морфологических признаках. Это создает дополнительные трудности в идентификации образцов, принадлежащих к определенным морфологическим типам, в частности var. Capitata (разновидности кочанная) и var. Crispa (листовая кудрявая). В то же время при определенных условиях выращивания формы var. Capitata могут не образовывать или образуют рыхлый кочан, в связи с чем практически невозможно отнести их к той или иной разновидности.

В Мировой коллекции ВИР сосредоточено около 1500 образцов рода Lactuca. Большую часть коллекции составляют сорта L. sativa, дикие виды представлены 6 образцами. В генетическом плане эта коллекция практически не изучена. В частности, затруднены классификация и систематизация образцов, не решена проблема генетического засорения при репродуцировании образцов, отсутствует информация о возможности гибридизации образцов диких видов с сортами культурного салата для использования их генофонда в селекции.

Для решения проблем классификации салата, выяснения характера внутривидовых и межвидовых взаимосвязей применялся анализ полиморфизма изоферментов, а также методы, основанные на современных

ДНК-технологиях (Kesseli, Michelmore, 1986; Kesseli et'al., 1991, 1994; Wielet al., 1999; Koopman, 2000). Тем не менее, для выявления генетического засорения образцов коллекции при их репродуцировании, а также при систематизации коллекции необходимы доступные и эффективные экспресс-методы. В качестве последних у ряда сельскохозяйственных культур весьма успешно используются методы анализа полиморфизма запасных белков семян, позволяющие решать широкий круг вопросов - от классификации коллекционных образцов до контроля генетической чистоты сортов в семеноводстве (В.Г. Конарев, 2000; А.В. Конарев, 1993, 2002). Однако у салата эти методы не применялись. Кроме того, информация о составе и изменчивости белков семян у Lactuca в мировой литературе практически отсутствует.

Цель исследования - характеристика генетического разнообразия в группе образцов салата из Мировой коллекции ВИР с использованием методов морфологического анализа, гибридизации и анализа полиморфизма белков семян.

В задачи исследований входило:

1. Изучение изменчивости морфологических и фенологических признаков растений в полевых условиях;

2. Изучение состава и изменчивости запасных белков семян; проведение сравнительного анализа различных образцов;

3. Проведение скрещиваний в группе образцов однолетних видов рода Lactuca;

4. Изучение характера наследования ряда морфологических и биохимических признаков в гибридных поколениях;

5. Оценка частоты появления спонтанных гибридов при свободном цветении с использованием маркерных морфологических (полевая оценка) и биохимических (запасные белки семян) признаков.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые получены гибриды с участием однолетних видов L. dregeana D.C., L. quercina L.,

L. serriola L., изучен характер наследования в Fi ряда важных в практическом отношении морфологических признаков. Впервые в качестве систематизирующего признака у салата использованы электрофоретические спектры запасных белков семян. Показано, что главными компонентами белковой фракции семян салата являются 11S глобулин и 2S альбумины. Выявлен полиморфизм компонентов запасных белков семян с Мт 20-50 кДа, а также компонентов с Мт 18 кДа и 19 к Да и выполнена классификация 71 образца коллекции по типам электрофоретического спектра. Показано, что кочанные (Capitata) и листовые (Crispa, Longifolia, Angustana, Sativa) разновидности L. sativa образуют самостоятельные группы, четко различающиеся по типам спектра. Кочанные формы дифференцируются по составу электрофоретических спектров белков семян на две группы с хрустящелистным и маслянолистным типом кочана. Установлен характер генетического контроля отдельных компонентов электрофоретического спектра белков.

Полученные данные о составе и генетической изменчивости белков семян у представителей рода Lactuca, а также информация о характере наследования морфологических и биохимических признаков у внутривидовых и межвидовых гибридов могут быть использованы в исследованиях по сравнительной генетике сложноцветных (Compositae). Электрофоретические спектры белков семян перспективны для использования в качестве систематизирующего признака при определении принадлежности образцов L. sativa к той или иной разновидности. Образцы диких видов L. dregeana, L. quercina, L. serriola могут быть успешно вовлечены в гибридизацию с L. sativa. Электрофорез белков семян рекомендуется как экспресс-метод оценки аутентичности образцов в процессе репродукции, а также для контроля над переносом генов из популяций диких видов к культурным формам и обратно.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на конференциях молодых ученых ВИР (СПб, 2002, 2003), на II международной

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Якупова, Инга Анатольевна

127 ВЫВОДЫ

1. В каждой из пяти разновидностей L. sativa выделены образцы с наилучшими сочетаниями показателей: продуктивности, длительности фазы хозяйственной годности, диаметра розетки и скороспелости. В разновидности кудрявая (Crispa) - Grand Rapids (к-914, к-114), Big Red; кочанная (Capitata) - Bibb, Львовский, Ilo (маслянолистного типа) и New York, Iceberg, Montemar (хрустящелистный тип); длиннолистная (Longifolia) - Pruhonicky cerveny и Parris Island Cos; узколистная (Angustana) - Во-сунг и Сан-я-бай; посевная (Sativa) - Местный №5 и Майкопский 11.

2. Главные белковые фракции семян салата представлены двумя гетерогенными группами полипептидов - 11S глобулином и 2S альбуминами. В электрофоретических спектрах суммарной белковой фракции семян присутствуют три группы компонентов: полипептиды 11S-глобулина (Мт 20 - 50 кДа), полипептиды 2S альбуминов (Мг <18 кДа) и низкомолекулярные полипептиды Mr 18 и 19 кДа. 3. Электрофоретические спектры белков салата характеризуются внутривидовым и межвидовым полиморфизмом. В зависимости от компонентного состава электрофоретического спектра белков с Мг 20 - 50 кДа изученные образцы разделены на 10 групп, различающихся по наличию компонентов 5, 6,10,14,19, 22 и 24.

4. Образцы культурного салата успешно вступают в гибридизацию с образцами диких видов L. serriola, L. quercina, L. dregeana, L. livida, L. saligna с образованием фертильных гибридов. Образцы диких видов L. serriola, L. quercina, L. dregeana также генетически совместимы и при скрещиваниях между собой образуют жизнеспособные фертильные гибриды. Гибридизация L. quercina с другими однолетними видами возможна только при использовании этого вида в качестве отцовской формы. Для отдельных межвидовых гибридов, полученных с участием L. quercina, L. dregeana и L. serriola, характерны нарушения в развитии растений Fb выражающиеся в гибели части растений на различных стадиях развития либо в стерильности.

5. Характер наследования ряда морфологических признаков (формы листа, пузырчатости листа, окраски листа и окраски семян) в Fi гибридов от скрещиваний однолетних видов Lactuca аналогичен наблюдаемому при внутривидовой гибридизации у L. sativa.

6. Компоненты электрофоретического спектра белков семян при внутривидовых и межвидовых скрещиваниях образцов однолетних видов салата наследуются как моногенные признаки. Идентифицирован ряд локусов (SpA, SpB, SpD, SpE), контролирующих соответственно компоненты 5, 19, 22 и 24.

128

7. Компоненты электрофоретического спектра белков семян могут служить генетическими маркерами для контроля генетической чистоты образцов L. sativa и выявления спонтанных внутривидовых и межвидовых гибридов в образцах салата, репродуцированных без изоляции. Показатели частоты появления спонтанных гибридов, полученные по данным электрофоретического анализа белков, значительно превышают аналогичные показатели, полученные при полевой оценке (для L. saligna соответственно 30% и 4%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Салат - одна из трех распространенных сельскохозяйственных культур, относящихся к семейству сложноцветных (Compositae). Генетика салата, так же как и других представителей этого семейства (подсолнечника, сафлора) пока еще недостаточно изучены. В этой связи большую актуальность в последнее время приобрели исследования по сравнительной генетике и геномике сложноцветных, направленные на расшифровку их генома и познание особенностей его функционирования, а также построение насыщенных генетических карт (Argyris et al. 2005, Heesacker et al. 2006, Hu et al. 2005 Kesseli et al. 1991, Kozik 2002 и др.). Важную роль в таких исследованиях имеют данные о характере генетического разнообразия исследуемых объектов. В настоящей работе с использованием методов морфологического анализа, гибридизации и анализа полиморфизма белков семян исследовано генетическое разнообразие в группе образцов салата из Мировой коллекции ВИР. Изученные образцы представляли все основные разновидности культурного салата L. sativa, а также ряд однолетних диких видов, перспективных для использования в селекции, прежде всего, в качестве доноров устойчивости к болезням. Принципиальные возможности использования коллекционных образцов салата в генетических исследованиях определяются следующим. Салат - самоопыляющаяся культура; образцы коллекции, поддерживаемые путем самоопыления на протяжении многих поколений, представляют практически линейный материал. Использованные в экспериментах образцы получены путем строгого самоопыления и были тестированы на их аутентичность.

В результате морфологического анализа в каждой из проанализированных разновидностей культурного салата выделены образцы с наилучшими сочетаниями показателей продуктивности, длительности фазы хозяйственной годности, диаметра розетки и скороспелости. Сорта

Grand Rapids, Red Salad Bowl, Bibb, Львовский, New York, Iceberg и Pruhonicky cerveny, характеризуются наибольшей массой одного растения. Наиболее высокой продуктивностью отличаются сорта кочанных разновидностей Capitata с кочаном хрустящелистного типа (193,1 ± 80,4 г) и сорта длиннолистной разновидности Longifolia (184,0± 15,9 г). Наименьшим периодом длительности хозяйственной годности (около трех дней) характеризуются сорта Selma Lollo и 77-171, а самым длительным (примерно 20 дней) - сорт Guma (маслянолистный тип кочана). Наибольший диаметр розетки имеют сорта Red Salad Bowl, Catalogna, Rossimo (листовая кудрявая разновидность), Bibb, Crispilla Blanca и Ostinata (кочанная разновидность с маслянолистным типом кочана), Resi, New York и Laura (с хрустящелистным кочаном), Parris Island Cos, Pruhonicky cerveny и Латук Римский (кочанная длиннолистная разновидность). К наиболее скороспелым среди изученных сортов относятся Rossimo и Lollo Rossa (вступление в фазу хозяйственной годности отмечалось соответственно на 54±1,5 и 55±1,1 день).

Нами впервые получены данные о биохимическом составе и генетической изменчивости запасных белков семян у представителей рода Lactuca. В частности, показано, что главные белковые фракции семян салата представлены двумя гетерогенными группами полипептидов - 11S глобулином и 2S альбуминами. Группа компонентов с Мт 20 - 50 кДа включает компоненты 11S глобулина, а компоненты, с Мг менее 18 кДа, соответствуют альбуминовой фракции. Кроме того, в составе электрофоретических спектров запасных белков семян выявлены низкомолекулярные компоненты с Мх 18 и 19 кДа.

Электрофоретические спектры белков салата оказались полиморфными как среди образцов одного вида, так и между различными видами. В зависимости от компонентного состава электрофоретического спектра белков с молекулярной массой 20 до 50 к Да, изученные образцы разделены на 10 групп, различающихся по наличию компонентов 5, 6, 10, 14, 19, 22 и 24. Образцы разновидности Crispa представлены двумя основными типами спектра. Их характерной особенностью этих спектров является отсутствие компонентов 19, 22 и 24. В зависимости от типа спектра, все образцы кочанного салата разделены на 5 групп. Характерной особенностью большинства кочанных форм является наличие электрофоретического компонента 5. Впервые получена информация о генетических особенностях семян форм салата, у которых образование кочана зависит от условий среды. К ним относятся образцы с хрустящелистным кочаном (Adriatica Nr 2, Adriatica Nr 3), характеризующиеся специфическим типом спектра запасных белков семян (отсутствием компонента 5).

Таким образом, в работе впервые показана возможность использования полиморфизма запасных белков семян в качестве систематизирующего признака у салата. С использованием полученных данных методом кластерного анализа впервые выполнена систематизация образцов коллекции.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Якупова, Инга Анатольевна, Санкт-Петербург

1. Анисимова И.Н. Идентификация генетического и селекционного материала подсолнечника по белкам семян // Аграрная Россия. 2002. № 3. С. 52-58.

2. Анисимова И.Н. Полиморфизм гелиантинина и его использование в идентификации сортов, линий и гибридов подсолнечника // С.х. биология 1991. № 1. С. 88-95.

3. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Пендинен Г.И., Антонова О.Ю., Гаврилова В.А.,Чернов В.Е. молекулярные маркеры в исследовании генетического разнообразия отдаленных гибридов растений //Аграрная Россия 2005. №2. С. 4-13.

4. Анисимова И.Н., Анащенко А.В., Гаврилюк И.П. некоторые вопросы геномного анализа рода Helianthus L. // Вестн.с.х. науки 1982. №3.

5. Анисимова И.Н., Гаврилюк И.П. Гетерогенность и полиморфизм 11S глобулина семян подсолнечника // Генетика 1989. Т. 25. №7. С. 1248-1255.

6. Бернье Ж., Кине Ж-М., Сакс Р. Физиология цветения. Т. 1 -Факторы цветения. М.: 192с.

7. Вайнтрауб И.А., Шутов А.Д. молекулярный вес субъединиц 11S белка семян сои // Биохимия 1971. т. 36. вып. 56. С.1086-1088.

8. Гаврилова В. А., Анисимова И.Н. Генетика культурных растений. Подсолнечник. СПб: ВИР. 2003. 209с.

9. Гаврилюк И.П., Губарева Н.К., Конарев В.Г. Выделение и фракционирование и идентификация белков, используемых в геномном анализе культурных растений // Тр.прикл.бот.ген.сел. ВНИИ растениевод 1973. т.52. вып.1. С.249-281.

10. Гостимский С.А. Кокаева З.Г., Боброва В.К. Использование молекулярных маркеров для анализа генома растений Н Генетика. 1999. №35. 11: С. 1538-1543.

11. Егги Э.Э., Гаврилюк И.П. Иммунохимическая специфичность субъединиц и полипептидов легумина // Биохимия 1985. т.50. №10. С. 1599-1606.

12. Ежова Т.А., Лебедева О.В., Огаркова О.А., Пеннин А.А., Солдатова О.П., Шестаков С.В. Arabidopsis thaliana- модельный объект генетики растений. Москва.: 2003. 220с.

13. Кирпичников М. Э. Латук, салат Lactuca sativa L. // Флора СССР. М. Л. 1964. Т. 29.

14. Кирпичников М. Э. Семейство Сложноцветные Compositae P.F. Gmdin // Флора СССР. М. Л. 1959. Т. 25.

15. Конарев А. В. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян. СПб.: 2000. 186 с.

16. Конарев А.В. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб., 2001. Изд. 2-е. 418 с.17