Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Использование полиморфизма глиадина при формировании рационально организованной коллекции Triticum spelta L.

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Романова, Юлия Андреевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Использование молекулярных маркеров в изучении генетических ресурсов растений

1.2. Запасные белки как маркеры

1.3. Биохимическая характеристика глиадина

1.4. Генетический контроль глиадина

1.5. Общие сведения о ТгШсит яреНа Ь.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Использование полиморфизма глиадина при формировании рационально организованной коллекции Triticum spelta L."

Коллекции культурных растений и родственных им диких видов, собранные в ГНЦ РФ ВНИИР им. Н.И. Вавилова - богатый источник исходного материала для селекции различных сельскохозяйственных культур. Представленное в них генетическое разнообразие должно быть тщательно и разносторонне изучено, а сами коллекции рационально организованы, то есть содержать максимум генетического разнообразия при минимальном числе дублетных образцов (Frankel, Brown, 1984; Wilkes, 1993). Каждый образец коллекции необходимо идентифицировать и паспортизировать. Сохранение генетической целостности образцов также входит в разряд принципиальных проблем. Речь идет о сохранении не только жизнеспособности образца, но и его генетической конституции, например, всех составляющих его биотипов.

Все эти направления рассматриваются в настоящее время как приоритетные в деятельности центров генетических ресурсов растений и генных банков мира (Конарев, 1998; Hodgkin, 1997; IPGRI Newsletter for Europe, 2000).

Одной из важнейших характеристик генетического разнообразия является его структура, то есть характер родства между его элементами. Для вида - это внутривидовые взаимоотношения. Традиционно формирование коллекции любого вида культурных растений базируется на изучении его как дифференцированной «сложной морфофизиологической системы, в своем историческом развитии связанной с определенной средой и ареалом» (Вавилов, 1931). Основными принципами пополнения коллекций являются удовлетворение насущных потребностей отечественной селекции и растениеводства, поиск ботанических форм, еще отсутствующих в коллекциях, сбор максимально возможного фенотипического и генотипического разнообразия вида (Мережко и др., 1999).

В настоящее время технологии, использующие белковые и ДНК маркеры, развились достаточно, чтобы с их помощью генетические ресурсы растений могли быть тщательно оценены и охарактеризованы (Конарев, 2001). Выявляемые электрофорезом спектры компонентов запасных белков семян, в том числе глиадинов, широко используются как надежные маркеры при идентификации сортов и биотипов различных сельскохозяйственных культур (Конарев и др., 1972, 1974, 1993; Конарев, 1983, 2000; International Rules for Seed Testing, 1996). На пшенице показано, что полиморфизм по спектрам глиадина обусловлен аллельными различиями шести мультигенных семейств (Gli-локусов), расположенных в первой и шестой гомеологичных группах хромосом А, В и D геномов (Wrigley, Shepherd, 1973; Митрофанова, 1976; Митрофанова, Конарев, 1983; Созинов, 1985; Mcintosh et al., 1998).

Для отработки технологии использования молекулярных маркеров в создании рационально организованных коллекций нами была выбрана коллекция пленчатой гексаплоидной пшеницы спельты Triticum spelta L. Во многих странах Европы в последнее десятилетие наблюдается рост интереса к спельте как к культуре, обладающей ценными диетическими свойствами. Выращиванием ее за рубежом обычно занимаются фермерские хозяйства (Jorgensen, Olsen, 1997; Eltun, Aasven, 1997). Выбор этой коллекции в качестве модели в нашей работе обусловлен рядом факторов: потенциальной практической важностью культуры для селекционного улучшения мягкой пшеницы, возможностью возделывания спельты в России в будущем, компактностью коллекции одновременно с широким эколого-географическим и ботаническим разнообразием представленных в ней образцов и, наконец, относительной изученностью коллекции с использованием традиционных методов.

Целью настоящего исследования явилось изучение полиморфизма пшеницы спельта по глиадинам и использование глиадинов как маркеров для характеристики структуры генетического разнообразия пшеницы спельта, собранного в коллекции ВИР.

В задачи исследования входило:

1. Изучить внутривидовой полиморфизм пшеницы спельта по запасным белкам - глиадинам.

2. Уточнить идентификацию, провести паспортизацию образцов спельты и на основе полученных результатов создать каталог белковых формул и компьютерную базу данных.

3. По спектрам глиадина охарактеризовать коллекцию по наличию дублетов и генетически очень близких образцов, по соответствию образцов оригиналов или образцов первых репродукций образцам одной из последних репродукций.

4. С использованием глиадинов как маркеров и методов многомерной статистики охарактеризовать структуру генетического разнообразия коллекции спельты, собранной и поддерживаемой в ВИРе.

5. На основе анализа спектров глиадина оценить степень дифференциации пшеницы спельта и осуществить ее внутривидовую классификацию. Сравнить построенную классификацию с существующей таксономической и эколого-географической классификацией этого вида.

Научная новизна. Впервые детально по глиадинам изучена коллекция пшеницы спельта, включающая 170 образцов. Проверена подлинность образцов и осуществлена их регистрация. Выявлены дублетные и генетически близкие образцы. На основе сравнения спектров глиадина дана характеристика структуры генетического разнообразия коллекции спельты и изучен полиморфизм внутри образцов. С использованием независимых методов многомерной статистики выяснены генетические взаимосвязи между образцами (глиадиновыми биотипами) различного географического происхождения.

Выявленная на основе анализа глиадинов как маркеров дифференциация спельты свидетельствует о разной степени генотипических различий между образцами. Построенная классификация показывает деление спельты на "Европейскую" и "Азиатскую" группы, каждая из которых состоит из нескольких меньших по размеру групп, характеризующихся разной степенью 6 родства между собой. Полученный экспериментальный материал представляет значительный интерес для уточнения и развития внутривидовой классификации спельты.

Практическая ценность работы. Показана эффективность использования полиморфизма глиадинов при формировании рационально организованной коллекции спельты, а именно:

- при проверке подлинности образцов, в том числе после их многократной репродукции,

- при характеристике степени дублирования образцов,

- при оценке генетического разнообразия образцов коллекции, Создан каталог белковых формул и компьютерная база данных, которые могут служить элементом паспортной базы и быть предоставлены широкому кругу пользователей.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на: конференциях молодых ученых и аспирантов (ВИР, 1999, 2000 гг.), Второй международной научной конференции по биотехнологии (Москва, 2000 г.), Четвертом международном симпозиуме по Triticeae (Кордоба, Испания, 2001 г.), Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 2001 г.).

Публикация результатов исследований.

По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ.

Автор выражает благодарность научным руководителям доктору биологических наук, профессору Конареву A.B. и доктору биологических наук Митрофановой О.П., а также сотрудникам отдела биохимии и молекулярной биологии кандидату биологических наук Губаревой Н.К., кандидату биологических наук Алпатьевой Н.В., кандидату биологических наук Стрельченко П.П., Щипковой JI.E., сотрудникам отдела пшениц кандидату сельскохозяйственных наук Ляпуновой O.A. и кандидату сельскохозяйственных наук Анфиловой H.A. за помощь и ценные советы при проведении данного исследования.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Романова, Юлия Андреевна

выводы

1. Для коллекции пшеницы спельта Triticum spelta L., собранной в ВИРе, установлено наличие широкого внутривидового полиморфизма по спектрам глиадина. Полиморфизм проявляется по a-, ß-, у- и ш-зонам электрофоретического спектра. Наличие полиморфизма по глиадину подтверждает значительное генетическое разнообразие образцов коллекции.

2. Для 170 образцов коллекции спельты репродукции 1996 г. выявлено и зарегистрировано в виде белковых формул 172 основных глиадиновых биотипа. Из них 86 образцов были идентифицированы как мономорфные, восемь - как условно мономорфные. Остальные были полиморфными и имели от двух до семи глиадиновых биотипов.

3. Среди мономорфных и полиморфных образцов спельты репродукции 1996 г. обнаружено 26 групп с идентичными или очень близкими спектрами глиадина. Для подтверждения дублетной природы этих образцов необходимы дальнейшие исследования.

4. Из 110 изученных образцов-оригиналов и образцов первой репродукции 85 показали полное соответствие репродукции 1996 г., по остальным выявлены различия. Степень и характер различий свидетельствуют об изменении состава биотипов внутри некоторых образцов и об увеличении полиморфизма спельты по глиадину в процессе репродукции образцов.

5. Создан каталог белковых формул глиадина спельты и компьютерная база данных. Они могут быть использованы в качестве элемента паспортной базы данных коллекции, для контроля генетической целостности образцов и при привлечении в коллекцию нового генетически разнообразного материала, а также для оценки степени генетической дифференциации образцов.

6. При составлении матриц исходных данных для анализа образцов пшеницы по спектрам глиадина с использованием методов многомерной статистики необходимо учитывать информацию о различиях компонентов по интенсивности.

7. Построенная на основе анализа глиадина как маркера классификация спельты подтверждает деление ее на "Европейскую" и "Азиатскую" группы. В пределах "Европейской" спельты выделены одна группа, соответствующая иберийской, и несколько групп, представляющих баварскую эколого-географические группы. Выявлена дифференциация "Азиатской" спельты. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования внутривидовой классификации этой культуры.

4.4 Заключение

Полученные нами результаты показали лучшее соответствие классификаций биотипов, построенных с использованием кластерного анализа и метода главных компонент, при учете различий не только по наличию-отсутствию компонентов, но и по их интенсивности. При этом была подтверждена дифференциация спельты на две большие генетические группы, соответствующие "Европейской" и "Азиатской" спельте. В пределах каждой из этих групп выявлены меньшие по размеру группы генетически более родственных между собой образцов спельты. Например, биотипы образцов спельты из Германии и других стран Европы оказались представлены тремя крупными (I, IV и VI) и шестью меньшими по размеру (IX, XI, XIII, XIV, XVI, XVII*) группами (см. 4.3). Напротив, биотипы образцов из Испании в основном объединились в одну группу. Нами выявлена также дифференциация азиатской спельты на семь групп, в основном соответствовавших географическому происхождению образцов. Так, группы II, III, VII, XII, XVIII* были образованы в основном биотипами спельт из Таджикистана, группа XV включала все биотипы из Азербайджана, соответствовавших биотипам мономорфных образцов-оригиналов. Спельты происхождением из Ирана образовали группу

- минорная группа

VIII, и кроме этого оказались включены в группы с различным географическим происхождением.

Следует отметить, что при формировании групп в большинстве случаев наблюдалось разделение по разновидностям. Например, в группе IV из 21 биотипа 18, в группе IX из 10 биотипов 8, в группе XIII все 9 биотипов принадлежали к разновидности duhamelianum; в группе VI из 23 биотипов 19 принадлежали к разновидности album, в группе II из 18 биотипов 12 относились к разновидности subsharkordii, и т.д. Различие по типу развития какого-либо влияния на формирование групп не оказывало.

ГЛАВА 5 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Формирование оптимальных по составу коллекций, представляющих генетическое разнообразие культурных растений и их диких сородичей, одна из важнейших задач генных банков. Эффективность использования генетического разнообразия в селекции обеспечивается не только наличием максимального набора образцов. Рационально организованная коллекция подразумевает также наличие сведений о ее генетической структуре, т.е. взаимном родстве элементов коллекции (информация о таксономических, агроэкологических, генетических и др. группах внутри коллекции). Другие характерные черты рациональной организации коллекции - это контроль генетической целостности образцов, т.е. соответствие репродукций оригиналам и идентификация генетически очень близких и дублетных образцов. Создание стержневых коллекций, которые предполагают формирование "ограниченного набора образцов, отобранных из существующих коллекций и включающих как можно более полное генетическое разнообразие" (Frankel, 1984; Brown, 1994), также один из элементов формирования рационально организованных коллекций. Вместе с идентификацией дублетных и генетически очень близких образцов стержневые коллекции призваны повысить эффективность изучения генетических ресурсов. Особенно это актуально для больших по размерам коллекций. Идентификация образцов коллекции, их регистрация - следующий неотъемлемый элемент формирования рациональных коллекций генетических ресурсов растений.

Все упомянутые выше проблемы с той или иной степенью актуальности существовали с начала организации всех коллекций генетических ресурсов растений. Но наиболее остро они стоят в последние годы. Это связано, прежде всего, с возросшим уровнем требований селекции к исходному материалу, появлением новых технологий анализа генетического разнообразия в коллекциях.

В настоящее время для решения проблем биоразнообразия широко

83 используются молекулярные подходы и методы. В ВИРе для решения теоретических и прикладных проблем генетических ресурсов используются как белковые, так и ДНК-маркеры. Первые привлекаются практически на всех этапах работы с генофондом уже в течение более 30 лет (Конарев, 1998а). ДНК-маркеры (RFLP, RAPD) используются главным образом для выявления генетической дифференциации видов культурных растений (Strelchenko et al., 1999, Стрельченко и др., 2002 (в печати); Перчук, Лоскутов, 2002 (в печати); Potokina et al., 1998).

Как было показано во многих работах, полиморфизм по спектрам глиадина мягкой пшеницы обусловлен генетическими различиями по шести мультигенным семействам (Gli-локусам), расположенным в хромосомах первой и шестой гомеологичных групп (Созинов, 1985; Mcintosh et al., 1998). Считается, что семейство глиадинкодируюших генов возникло путем последовательных множественных дупликаций и дивергенции предковых генов внутри мультигенных семейств и их рекомбинации (Kreis et al., 1985). Существование множества аллелей генов мультигенного семейства служит основой того, что каждый генотип может иметь характерную только для него комбинацию глиадинкодируюших аллелей и, как следствие, уникальный компонентный состав глиадина. Есть все основания считать, что обнаруженный в коллекции спельты полиморфизм по глиадиновым спектрам свидетельствует о полиморфизме образцов по специфическим наборам аллельных комбинаций генов мультигенных семейств. Таким образом, с одной стороны выявлено генетическое разнообразие образцов коллекции спельты, а с другой - их генетическая неоднородность.

Как было уже сказано, важнейшая проблема генного банка - поддержание в неизменном виде генетической конституции образцов (Molecular Techniques for Plant Genetic Resources, 1997). Сравнение оригиналов и первых репродукций с репродукцией 1996 года было проделано для того, чтобы оценить возможную степень генетических различий образцов, возникшую в процессе репродуцирования. Это позволило оценить состояние коллекции на 1996 год.

Эффективность этой части работы снижена из-за наличия в коллекции ВИР лишь у 65% образцов семян оригиналов или первой репродукции. Всего в данной части работы было изучено 110 образцов коллекции. Лишь для трех образцов - к-40830, к-40831 и к-41048 (все образцы из Германии) были в наличии и оригиналы, и первые репродукции. По всем этим образцам обнаружено совпадение глиадиновых биотипов с таковыми репродукции 1996 г.

В целом наши исследования показали, что оригинальные образцы и образцы первой репродукции оказались в основном мономорфными по глиадиновым спектрам. Из всех изученных образцов-оригиналов и образцов первой репродукции полиморфными были всего 16. В то же время при сравнении образцов-оригиналов или образцов первой репродукции с образцами репродукции 1996 г. наблюдали увеличение полиморфизма по спектрам глиадина у 48 образцов (образцы, у которых спектры оригиналов или первых репродукций отличались от спектров репродукции 1996 г. здесь не учитывались). Не было выявлено ни одного случая превращения полиморфного образца в мономорфный. Однако у четырех образцов-оригиналов (к-52447, к-52438, к-52435 и к-52453) были обнаружены биотипы, которые не были найдены у них в репродукции 1996 г. Следует также отметить, что вновь появившиеся биотипы по спектрам глиадина были уникальными, то есть встречались один раз. Более того, у образцов-оригиналов и образцов первой репродукции, которые имели идентичные друг другу типы спектров глиадина, как например, к-20384, к-35665 и к-40828, в репродукции 1996 г. появились новые биотипы, различающиеся между собой.

Полиморфизм образцов коллекции репродукции 1996 г., оригиналы и первые репродукции которых были мономорфными, возможно, есть результат генетического расщепления после спонтанного переопыления растений этих образцов в предыдущих поколениях (Бабаджанян, 1955 г.; Якобашвили, 1989). Явление открытого цветения пшениц довольно широко распространено, и его массовость связана с изменением погодных условий. Изменение характера цветения приводит к изменению пыльцевого режима (Горин, 1953 г.; Бабаджанян, 1955 г.). По данным Берлянда-Кожевникова В.М. (1966), длительность открытого цветения мягкой и твердой пшениц зависит от температуры и влажности воздуха в период цветения. Наиболее долго цветок открыт при умеренно высокой температуре (25-27°С) и высокой относительной влажности воздуха. Условия южного предгорного Дагестана (Дербента) обеспечивали раскрытие цветков пшениц в среднем на 51 мин. Переопыление таких образцов могло произойти при одновременной репродукции большого числа образцов коллекции спельты на ДОС ВИР.

Другая возможная причина высокого полиморфизма коллекции -появление спонтанных мутаций, влияющих на компонентный состав глиадина. По данным Бадаевой Е.Д. (2000), у образцов спельты часто встречаются транслокации или инверсии хромосом. В частности, у образца к-6539 (Германия) ею была идентифицирована реципрокная транслокация между 1В и 4А хромосомами. В целом по уровню полиморфизма, который определяли по распределению С-полос при дифференциальной окраске хромосом А- В- и D-геномов, Т. spelta превосходит мягкую пшеницу, при этом некоторые выявленные у спельты варианты дифференциальной окраски хромосом не встречались у других гексаплоидных видов, но были выявлены у тетраплоидных пшениц.

По литературным даным, о появлении спонтанной доминантной мутации, влияющей на компонентный состав у-глиадинов сорта Sadovol мягкой пшеницы, сообщила Stoyanova S.D. (1994). Возможно, это мутация была индуцирована старением семян в процессе их хранения.

Выявленные различия между глиадиновыми биотипами образцов спельты репродукции 1996 года отражают их генетические различия. Результаты анализа спектров глиадина подтверждают, что в наибольшей степени между собой дифференцированы европейские и азиатские спельты.

Наличие дублетных и очень близких образцов в коллекциях является серьезной проблемой для крупных генных банков. Много средств уходит на поддержание и изучение одних и тех же образцов, селекционер может получить дважды один и тот же материал, но под другим номером каталога и т.д. (Конарев,1998а; Molecular genetic techniques for plant genetic resources, 1997).

В процессе работы нами был обнаружен ряд мономорфных и полиморфных образцов с идентичными или близкими электрофоретическими спектрами глиадина (см. табл.6). Всего 26 групп образцов можно было отнести к дублетным по данному признаку (см. 3.3). Следует отметить, что шесть групп дублетов, которые были выявлены при анализе образцов-оригиналов или образцов первой репродукции, оказались дублетными и при анализе репродукции 1996 г. В остальных случаях наблюдали различия дублетных образцов по количественному и качественному составу вошедших в них биотипов. Эти различия могли быть связаны с малой выборкой проанализированных семян оригиналов, которая не позволила выявить все типы спектров, а также с появлением новых биотипов в процессе репродуцирования.

Идентификация дублетных образцов в коллекции - сложная процедура, основанная на использовании ряда подходов (Hintum, 1995). Мы даем заключение об идентичности образцов на основании сходства спектров глиадина (белковых «отпечатков пальцев»). При необходимости могут быть применены другие молекулярные маркеры и/или сравнение образцов по большому числу морфологических и других признаков при посеве «side-by-side» (Jarman, Jones, 1999). После дополнительного сравнительного изучения по другим признакам и в случае подтверждения дублетной природы таких образцов, они могут быть переведены в ранг резервных с более редким циклом репродукции.

В результате проведенного исследования все образцы коллекции пшеницы спельта ВИР зарегистрированы по спектрам глиадина и составлен каталог белковых формул Т. spelta L. (Приложение 4). Созданный компьютерный вариант каталога включает в себя белковые формулы всех выявленных глиадиновых биотипов спельты репродукции 1996 г., сохранившихся оригиналов и образцов первой репродукции.

Наличие данных по последним, несомненно, будет способствовать повышению качества поддержания коллекции. Международный Институт генетических ресурсов растений (1РОШ) рекомендует создавать базы данных коллекций, основанные на молекулярных характеристиках. В ВИРе составлены каталоги белковых формул для генофондов большого числа культур (Конарев и др, 2000). Для ряда культур существуют компьютерные базы данных, основанные на белковых спектрах (например, для стародавних пшениц) (Алпатьева, Губарева, 2002 (в печати)). База данных формул глиадина пшеницы спельта - еще один шаг в данном направлении.

Как было сказано выше, полученные электрофоретические спектры глиадинов для всех образцов были сопоставлены визуально. Результаты такого сравнительного анализа приведены в табл. 3. Было установлено, что для большинства образцов, происходящих из определенных регионов, характерны специфические спектры глиадина. В целом, однако, взаимосвязи по степени родства образцов по спектрам глиадина как внутри одной эколого-географической группы, так и разных групп оказались много сложнее, чем они представлены в табл. 3. Визуальное сравнение спектров, при всей его надежности и с учетом опыта исследователя, не всегда лишено субъективизма. Кроме того, исследователь не в состоянии одновременно анализировать спектры глиадина большого числа образцов и тем более количественно оценить степень различий спектров.

Для получения более объективной характеристики структуры генетического разнообразия всей коллекции пшеницы спельта мы применили два метода многомерной статистики - кластерный анализ и метод главных компонент, которые хорошо зарекомендовали себя в решении аналогичных проблем биологии. Данные методы были использованы нами в следующих случаях:

- для сравнения спектров образцов-оригиналов или образцов первой репродукции между собой;

- для группировки глиадиновых биотипов репродукции 1996 г. 1) с учетом "наличия-отсутствия" компонентов 2) с учетом "наличия-отсутствия" компонентов и разнообразия их интенсивности.

При сравнении результатов визуальной оценки спектров образцов и привлеченных в работу методов многомерной статистики выяснилось, что при определенном соответствии результатов статистическая обработка имеет ряд несомненных преимуществ.

Во-первых, субъективность в оценке и ограниченные возможности исследователя заменяются современным программным обеспечением; во-вторых, имеет место значительная экономия времени и труда, в-третьих, появляется возможность рассматривать генетическую структуру коллекции в целом, что при работе с большими коллекциями по визуальной оценке просто невозможно, в четвертых, получить более детальную характеристику взаимосвязей между образцами. В частности, группы образцов, выделенные нами при визуальной оценке по географическому происхождению как "Германская" и "Таджикская" (табл. 3), после статистической обработки разделились на большее число меньших по размеру групп, определенным образом связанных между собой.

В то же время следует отметить, что для изучения небольшого числа образцов, визуальное сравнение спектров вполне приемлемо.

Выделенные нами группы биотипов спельты в основном соответствуют ботаническому и эколого-географическому делению этого вида (Фляксбергер, 1935; Жуковский, 1971; McFadden, Sears, 1946; Дорофеев и др., 1979). Так Дорофеев В.Ф. и др. (1979) в пределах вида Т. spelta L. различают по комплексу признаков европейскую (ssp. spelta) и азиатскую (ssp. kuckuckianum) спельты. В пределах первого подвида ими выделены две эколого-географические группы -баварская (proles bavaricum), в основном представленная образцами, собранными в Германии и Швейцарии, и иберийская {proles ibericum), содержащая образцы из Испании. По мнению этих исследователей, именно баварская спельта широко распространилась в другие страны Европы (Австрия,

Бельгия, Швеция и др.) Распространение иберийской спельты ограничено Испанией (Дорофеев и др., 1979). Азиатский подвид деления на эколого-географические группы не имел (Дорофеев и др., 1979). Представителей этого подвида находили в Иране, Азербайджане, Таджикистане и Туркмении, редко в Армении и Грузии. В соответствие с концепцией происхождения, выдвинутой Жуковским П.М. (Жуковский, 1971), предполагается независимое возникновение спельты в регионах: Астурия (Испания), Альпийские горы (Швейцария, Германия), Иран, Азербайджан, Таджикистан и Туркмения.

Обработка полученных нами результатов с использованием методов многомерной статистики подтвердила наличие дифференциации спельты на две большие генетические группы, соответствующие "Европейской" и "Азиатской" спельте. Подобное деление спельты получили Dvorak J. et al. (1998) с использованием RFLP-маркеров при изучении 52 образцов из Германии, Швейцарии, Испании, Югославии, Венгрии, Великобритании и других стран и 12 образцов, имеющих азиатское происхождение (Иран, Афганистан, Таджикистан, Азербайджан).

Нами в пределах "Европейской" и "Азиатской" спельты выявлены более мелкие группировки определенным образом взаимосвязанных между собою образцов спельты, что представляет интерес для возможного уточнения внутривидовой генетической классификации спельты. Так, группу, в которой объединились биотипы образцов из Испании и Франции, в основном соответствует иберийской эколого-географической группе спельты. Напротив, биотипы образцов спельты из Германии и Швейцарии, которые можно соотнести с баварской эколого-географической группой, оказались генетически разнородными и были представлены тремя крупными и шестью меньшими по размеру группами. Каждая группа объединяла образцы, относящиеся преимущественно к одной-двум разновидностям. Можно предположить, что генетическая разнородность баварской спельты является результатом длительной народной селекции на территории Западной Европы и адаптации этой культуры к определенным условиям среды (Фляксбергер, 1935; Дорофеев и др., 1979).

По литературным данным, исследования с использованием RAPD-маркеров и коэффициента сходства по Jaccarde, проведенные Wenguang Cao et all. (1998) на 69 образцах спельты происхождением из Испании, Германии, Венгрии, Югославии, США и Великобритании, показали деление фенограммы на три кластера. В составе первого кластера, также как и в нашем случае, выделились образцы происхождением из Испании. Второй кластер был сформирован образцами из Германии и Швейцарии, в третий вошли образцы из вышеперечисленных европейских стран. Также ими было выявлено две группы образцов, полностью идентичных по RAPD-маркерам (Wenguang Cao et all., 1998).

Нами выявлена также дифференциация азиатской спельты. В результате анализа было получено семь групп, в основном соответствовавшие географическому происхождению образцов. Пять групп были образованы преимущественно биотипами спельты из Таджикистана, одна группа включала биотипы азербайджанской спельты, но только те, которые соответствовали биотипам мономорфных образцов-оригиналов. Спельта происхождением из Ирана образовали отдельную группу, и кроме этого оказались включены в группы с различным географическим происхождением. Все вышесказанное, во-первых, дает основание поставить вопрос о выделении в составе азиатского подвида также нескольких генетических групп, во-вторых, указывает на необходимость проведения дополнительных исследований иранской спельты.

Особого внимания требует организация работы по сохранению генетической природы как мономорфных, так и полиморфных образцов. Поскольку в процессе репродукции необходимо воспроизводить все генотипы в тех же количественных соотношениях, как и в оригинальном образце, целесообразно использовать объективные и эффективные маркеры генотипического (биотипного) состава образцов. То, что разные биотипы одного образца иногда обнаруживались в разных группах, свидетельствует о том, что уровень генетических различий внутри образцов может превышать уровень различий между образцами. (Конарев и др., 1993; Gubareva and Gaydenkova, 1988; Созинов, 1985) или быть следствием механического засорения при неоднократном воспроизведении образцов.

Полученные данные по полиморфизму глиадина образцов коллекции спельты могут быть полезны и для уточнения географического происхождения образцов и их паспортных данных. Особенно это важно для образцов или их биотипов, характеристики которых по спектрам глиадина не совпадают с таковыми большинства образцов выявленной генетической группы. Использование эффективных маркеров позволяет не только установить сам факт несоответствия, но и получить предварительную информацию о наиболее вероятном происхождении материала. Все рассмотренные аспекты работы с коллекцией чрезвычайно важны для формирования рационально организованных коллекций, выяснения генетической структуры коллекции и для унификации системы паспортизации образцов и т.д. Конечным результатом такой работы будет повышение эффективности использования генетических ресурсов (коллекций) в селекции.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Романова, Юлия Андреевна, Санкт-Петербург

1. Алпатьева Н.В., Губарева Н.К. Характеристика староместных сортов озимой мягкой пшеницы по электрофоретическим спектрам высокомолекулярного глютенина. //Аграрная Россия. 2002. (в печати).

2. Бабаджанян Г.А. Цветение, опыление и оплодотворение пшениц. -Ереван. Изд. акад. наук Арм. ССР.- 1955. - 365 с.

3. Бадаева Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическоье исследование. //Автореф. дисс. . док. биол. наук. М. - 2000. - 48 с.

4. Берлянд-Кожевников В.М., Изменчивость мягкой и твердой пшениц под влиянием условий выращивания //Дисс. . канд. биол. наук. Ленинград-Дербент. - 1966. - 144 с.

5. Берлянд-Кожевников В.М., Дмитриев А.П. и др. Устойчивость пшеницы к бурой ржавчине (генетическое разнообразие популяций гриба и растения хозяина). Новосибирск. - Наука. - 1978. - 306 с.

6. Вавилов Н.И. Центры происхождения культурных растений (1926). //Происхождение и география культурных растений. Л. - Наука. - 1987. -с.33-127.

7. Вавилов Н.И. Линнеевский вид как система (1931). //Закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Л. - Наука. - 1987. -с. 160-180.

8. Вавилов Н.И. Мировые ресурсы хлебных злаков. Пшеница. - М.-Л. -Наука. - 1964. - 122 с.

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

10. Горин А.П. Цветение пшеницы. Изд. ТСХА. - 1953.- вып. 3. - с. 12-21.

11. Григорьева О.Г. Устойчивость различных таксонов пшеницы и эгилопса к возбудителям ржавчины. //Автореф. дисс. . канд. биол. наук. Л. -1975.-24 с.

12. Дорофеев В.Ф. Пшеницы Закавказья (ботанический состав, эволюция и роль в селекции). Л. - 1972. - 202 с.

13. Дорофеев И.Ф., Удачин P.A., Семенова Л.В. Пшеницы мира. Л. -Агропромиздат. - 1987. -560 с.

14. Жуков В.И. Биология цветения пшениц в условиях Дагестана. //Автореф. дисс. . канд. биол. наук. Л. - 1969. - 24 с.

15. Жуковский П.М. Культурные растения и их сородичи. JL- Колос. -1971.-752 с.

16. Завадский K.M. Вид и видообразование. JI. - 1968. - 405 с.

17. Камелина A.M. Устойчивость яровых пшениц различного географического происхождения к стеблевой и бурой ржавчине в приморском крае. //Автореф. дисс. . канд. с.-х. наук. JL - 1973. - 21 с.

18. Каталог образцов мировой коллекции ВИР с характеристикой содержания белка и аминокислот. Л.- ВИР. - 1972. - Вып. 100. - 110 с.

19. Конарев A.B., Конарев В.Г., Губарева Н.К., Пенева Т.И. Белки семян как маркеры в решении проблем генетических ресурсов растений, селекции семеноводства. //Цитология и генетика. 2000. - т. 34. - №2. - с.91-104.

20. Конарев A.B. Использование молекулярных маркеров в работе с генетическими ресурсами растений. //Сельскохозяйственная биология. -1998а.-№5.-с. 3-25.

21. Конарев В.Г., Гаврилюк И.П., Губарева Н.К. Белковые маркеры геномов пшеницы и их диких сородичей. //Вестник с.-х. науки. 1970. - №8. -с.100-114.

22. Конарев В.Г., Гаврилюк И.П., Губарева Н.К. Способ сортовой идентификации зерна и муки, например, пшеницы. A.c. СССР. № 507271. Завл.1972. опубл. в БИ. - 1976. - №11. - с.4.

23. Конарев В.Г. Принцип белковых маркеров в геномном анализе и сортовой идентификации пшеницы. //Тр. по прикл. бот., ген. и селекции. -1973. т.49. - вып.З. - с.46-48.

24. Конарев В.Г. Принцип белковых маркеров в генетическом анализе исходного и селекционного материала. //Физиология растений в помощь селекции. М. - 1974. - с. 242-269.

25. Конарев В.Г. Белки пшеницы. М. - Колос. - 1980. - 352 с.

26. Конарев В.Г. Белки растений как генетические маркеры. М. - Колос. -1983.-320 с.

27. Конарев В.Г. Молекулярно-биологические исследования генофонда культурных растений в ВИРе (1967-1997). Спб. - ВИР. - 19986. - 97 с.

28. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. Спб. - ВИР. - 2001. - 417 с.

29. Кретович B.JI. Роль биохимии в пищевой промышленности. //В кн. Техническая биохимия. М. - Высшая школа. - 1973. - с. 3-115.

30. Кретович B.JI. Усвоение и метаболизм азота у растений. М. - Наука. -1987. - с.345-630.

31. Кретович B.JI., Вакар А.Б. Проблема качества белка зерновых культур. //Тр. ВНИИЗ. 1967. - Вып. 58-59. - с. 5-22.

32. Кривченко В.И. Устойчивость зерновых колосовых к возбудителям головневых болезней. //Всесоюзная академия сельскохозяйственных наук им. В.И. Ленина. М. - Колос. - 1984. - 304 с.

33. Культурная флора. Пшеница. Под ред. В.Ф. Дорофеева и О.Н. Коровиной. Л. Колос. - 1979.- 346 с.

34. Мак-Кей Дж. Генетические основы систематики пшениц. //С.-х. биол. т.З. №1. 1968. С. 12-23.

35. Пополнение сохранение в живом виде и изучение мировой коллекции пшеницы, эгилопса и тритикале. //Методические указания под ред. Мережко А.Ф. 1999 г. - 82 с.

36. Митрофанова О.П. Генетический контроль глиадина мягкой пшеницы Тг. aestivum (L.) сорта Chinese spring.// Цитология и генетика. 1976. - т. 10. -№3. - с. 244-247.

37. Митрофанова О.П., Конарев В.Г. Использование линий с межсортовым замещением хромосом в генетическом контроле мягкой пшеницы. //Генетика. 1983. - T.XIX.- №5. - с. 815-821.

38. Молекулярно-биологические аспекты прикладной ботаники, генетики и селекции. Теоретические основы селекции. Том I. Под ред. В.Г. Конарева. М. - Колос. - 1993.-447 с.

39. Пенева Т.И., Быкова Т.О. Результаты анализа проламинов из разных частей зерновки злаков. //Селекция и семеноводство. 1987. - №3. - с. 2627.

40. Перуанский Ю.В. Биохимический контроль в селекции на качество зерна. //Вестн. н.-х. науки Казахстана. 1980. - №6. - с. 24-26.

41. Перуанский Ю.В. Сортовые формулы пшеницы и ячменя на основе биотипов// Вестник с.-х. науки Казахстана. 1983. - с. 37-39.

42. Перуанский Ю.В., Абугалиева А.И. Множественность глиадиновых биотипов у сорта пшеницы. //Селекция и семеноводство. 1985. - №3. -с.23-24.

43. Перчук И.Н., Лоскутов И.Г., Окуно К. Изучение видового разнообразия овса с использованием RAPD-анализа. //Аграрная Россия 2002. (в печати).

44. Рядчиков В.Г. Улучшение зерновых белков и их оценка. М. - Колос. -1978.- с. 27-47.

45. Синская E.H. Происхождение пшеницы. В кн.: Проблемы ботаники, т.2. -М.-Л.- 1955.-с. 5-73.

46. Синская E.H. Историческая география культурной флоры (на заре земледелия). JI. - Колос. - 1969. - 480 с.

47. Созинов A.A., Попереля Ф.А. Полиморфизм проламинов и селекция. //Вестн. с.-х. науки. 1979. - №10. - с. 21-34.

48. Созинов A.A., Попереля Ф.А. Стаканова А.И. Внутрисортовой полиморфизм глиадина некоторых сортов пшеницы. //Доклады ВАСХНИЛ. 1973. - №6. - с. 8-11.

49. Созинов A.A. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. //М.-Наука.-1985.-272 с.

50. Созинов A.A. Генетические маркеры у растений. //Цитология и генетика. 1993. т. 23. N 5. - с. 3-14.

51. Стефановский H.A. Засухоустойчивость яровых пшениц. М.-Л. -Сельхозгиз. 1950. - 224 с.

52. Стрельченко П.П. Митрофанова О.П., Малышев Л.Л., Конарев A.B., Терами Ф. Генетическая дифференциация евразийскогоподвида мягкой пшеницы по данным RAPD-анализа. //Аграрная Россия. №6. - 2002. (в печати).

53. Суханбердина Э.Х. Устойчивость пшеницы к мучнистой росе. Автореф. канд. с.-х. наук. Л. - 1977. - 21 с.

54. Флякбергер К.А. Пшеница род Triticum L. «Культурная флора СССР». Хлебные злаки. Пшеница. М.-Л.: Госиздательство совхозной и колхозной литературы. - 1935. - с. 17-404.

55. Шитова И.П. Видовая устойчивость пшеницы к грибным болезням. //Труды 5-го Всесоюзного совещания по иммунитету растений. Вып. 1. Киев. - 1969.

56. Якобашвили З.А. Установление филогенетических связей между видами пшеницы с помощью анализа полиморфизма и наследования. //Автореф. канд. биол. наук. М. - 1989. - 16 с.

57. Якубцинер М.М. Иммунитет видов пшеницы в свете систематики и селекции.//Сельскохозяйственная биология. т. 4. - №6. - 1969.

58. Autran J.C. and Bourdet A. L'identification des variétés de ble: établissement d'un tableau general de determination fonde sur le diagramme electrophoretique des gliadines du grain. Ann. Amelior. Plantes. 1975. -v.25. - №3. - p.227-301.

59. Bietz. J.A., Huebner F.R., Sanderson J.E., Wall J.S. Wheat gliadin homology revealed through N-terminal amino acid sequence analysis. //Cer.l Chem. -1981. v.54. - p.1070-1083.

60. Bietz J.A., Wall. J.S. Wheat gluten subunits: molecular determined by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis. //Cereal Chem. - 1973. -v.49. - p.416-419.

61. Biochemical Identification of Varieties. Materials III Intern. Symp. ISTA (Leningad. 1987) (Eds. Konarev V., Gavriljuk I). - 1988. - 257c.

62. Bloksma A.H. Thiol and disulfide groups in dough rheology. //Cer. Chem. 1975. -v.52 p. 170-183.

63. Bourdet A., Feillet P., Mettavant F. Sur le comportement electrophoretiquede prolamines du ble en gel d amidon. //C.r. Acad. Sci. D. 1963. - v.256. -p.4517.

64. Brown A.H.D. The core collection at the crossroads. Australia. - IBPGRI. -1994.-p. 2-32.

65. Bushuk W. A farinograph technique for studying gluten. //Cer. Chem. 1963. -v.40. - p.430-435.

66. Bushuk W. and Zillman R. Wheat cultivar identification by gliadin electrophoregrams. I. Apparatus, method and nomenclature. //Can. J. Plant Sci. 1978.-v. 58.-p.505-515.

67. Charbonnier L. Isolation and characterization of co-gliadin fractions. //Biochim. et biophis. asta. 1974. - v.359. - p. 142-151.

68. Charbonnier L., Terce T., Mosse I. Some physicochemical properties of Tr. Vulgare (3, y and co-gliadins. //Ann. Technol. Agric. 1980. - v.29. - №2. -p.99-114.

69. Cooke R.J. The characterization and identification of crop cultivars by electrophoresis. //Electrophoresis. 1984. - v.5. - p.59-72.

70. Cooke R.J. The standartizaton of electrophoresis methods for variety identification. In: Biochemical Identification of varieties (Materials III International Symposium ISTA. Leningrad. USSR. 1978). VIR. - Leningrad. USSR. - 1988.-p. 14-27.

71. Cooke R.J. and Draper S.R. The identification of wild oat species by electrophoresis. //Seed science and Technology. 1986. - v. 14. - p. 157-167.

72. Dahlstedt L. Spelt Wheat (Triticum aestivum ssp. Spelta (L.)): An alternative crop for ecological farming systems, //m: «Spelt and Quina» Working Group Meeting. - 24-25 October 1997. - Wageningen, the Netherlands. - 1997. - p. 36.

73. Dice L.R Measures of the amount ofecologic association between species. //Ecology. 1945. - v. 26. - p. 297-302.

74. Dvorak J., Luo M.-C., Yang L.Z., Zhang H.-B. The structure of the Aegilops tauschi genepool and the evolution of hexaploid wheat. //Theor. Appl. Genet. -1998.-v. 97.-p. 657-670.

75. Elfun R. and Aasven M. The possibilities for spelt cultivation in Norway. //In: «Spelt and Quina» Working Group Meeting. - 24-25 October 1997. -Wageningen, the Netherlands. - 1997. - p. 7-13.

76. Elton G.A.H., Ewart I.A.D. Starch gel electrophoresis of cereal proteins. //J.Sci Food and Agr. 1961. v.13. p.62-72.

77. Ewart J.A.D. A Capelle-Desprez gliadin of high molility. //J. Sci. Food and Agr. 1976.-v.27.-p. 695-698.

78. Frankel O.H. Genetic perspective of germplasm conservation. In: Arber W.K., Limensee K., Peackock W.J., Starlinger P. (eds) Genetic Manipulation: Impact on man and Society. Cambridge. UK: Cambridge University Press. 1984.

79. Frankel O.H., Brown A.H.D. Plant genetic resources today: a critical appraisal. In: Holden J.H.W., Williams J.T. (eds.) Crop genetic resources: conservation and evaluation. //Allen and Unwin. Winchester. Massachusetts. 1984. - p. 249-268.

80. Gubareva N.K. and Gaydenkova N. V. Varietal identification and registration of bread wheat genefond by means of gliadin electrophoresis, //m: III Int. Sympos. ISTA «Biochemical identification of varieties». L. - USSR. - 1988. -p. 131-134.

81. Harsch S., Gunther T., Kling Ch.I., Rozynek B., Hesemann C.U. Characterization of spelt (Triticum spelta L.) forms by gel electrophoretic analyses of seed storage proteins. I. The gliadins. //Theor. Appl. Genet. 1997. - v. 94. - p. 52-60.

82. Hawtin G., Ivanga M., Hodgkin T. Genetic resources in breeding for adaptation. Adaptation in plant Breeding (Ed. P.M.A. Tigerstedt). 1997. -p.277-288.

83. Hertel W. Biosinthesis of wheat proteins. //Getreide Mehl und Brot. 1974. -bd. 28.-s.10-12.

84. IPGRI Newsletter for Europe. N 18. - August 2000. - p. 10. " EPGRIS Project".

85. Jones R.W., Taylor N.W., Senti F.R. Electrophoresis and fractionation of wheat gluten. //Arch. Biochem. and Biophis. 1959. - v. 84. - p.363-376.

86. International Rules for Seed Testing. Rules 1996. Verification of species and cultivar. Seed Sci.& Technol. 1996. - 24 (Supplement). - p.253-270.

87. Kasarda D.D., Bernardin J.E., Nimmo C.C. Wheat proteins. //Adw. Cereal. Sci.Technol. 1976.-V.l.-p. 158-236.

88. Kreis M., Shewry P.R., Forde B.G., Forde J., Miflin B.J. Structure and evolution of seed proteins. Oxford Surveys of Plant Molecular & Cell Biolohy. 1985.-№. 2.-p. 253-317.

89. Lee J.M., Ronalds J.A. Effect of environment on wheat gliadin. //Nature. -1967. v.213. - p.844-846.

90. McFadden E.S., Sears E.R. The origin of Triticum speha and its free-thresching hexaploid relatives. //Jounal of Heredity. 1946. - v.37. - №3. - p. 81-89., № 4. - p. 107-116.

91. Mcintosh RA., Hart G.E„ Devos KM, Gale M.D., Rogers W.J. Catalogue of gene symbols for wheat. //In: Proc. 9-th International Wheat Genetics Symposium Canada. Saskatoon. 1998. - p.108-113.

92. McKey J. The taxonomy of hexaploid wheat. //"Svensk Botanik Tidskrift". -1954. bd. 48. - № 2. - p. 579-590.

93. Molecular biological aspects of applied botany genetics and plant breeding, v.l. St-Peterburg. - VIR. - 1996. - 228p.

94. Molecular genetic techniques for plant genetic resources. Report of an IPGRI Workshop 9-11 October 1995 Rome, Italy. Editors: Ayard W.G., Hodgkin T., Jaradat A., and Rao V.R. IPGRI. 1997. - 137 p.

95. Payne P.I., Lawrence G.J. Catalogue of alleles for nyt cjmplex gene loci, Glu-Al, Glu-Bl and Glu-Dl which code for high molecular weight subunits of gliadin in gexaploid wheat. //Cer. Res. Commun. 1983. - v.l 1.- p.29-35.

96. Payne P.I., Jackson E.A., Holt L.M., Law C.N., Genetic linkage between endosperm storage proteins on each of the short arms of chromosomes 1A and IB in wheat. //Theor. Appl. Genet. 1984. - v.67. - p.235-243.

97. Patey A.L., Waldron N.M. Gliadin protein proteins from Maris Widgeon wheat. //J.Sci. Food and Agr. 1976. - v.27. - p.832-842.

98. Potokina E., Tomooka N., Duncan A. Vaughan, Alexandrova T. & Ru-Qiang Xu. Genetic Resources and Crop Evolution. 1998. - 00. - p. 1-13.

99. Schulze A., Steiner A. and Ruckenbauer P. Variability of an Austro-Hungarian landrace of barley (Hordeum vulgare L.) Electrophoretic analysis of the hordeins of the Vienna sample of 1877. Varieties and Seeds. - 1994. - v.7. -p.193-197.

100. Shepherd K.W. Cromosomal control of endosperm proteins in wheat and rye. //Proc. Ill Intern, wheat genet, simp. Canberra. 1968. - p.86-96.

101. Sozinov A.A. Blocks of cereal storage proteins as genetic marcers. //In: Proc. Of the 3th Intern. Workshop on gluten proteins. Wageningen. - the Netherlands. - 1984. - p. 124-127.

102. Statistica for Windows Computer program manual. //Tulsa. OK: StatSoft, Inc. 2325 East 13th Street. - Tulsa. - Ok 74104. - USA. - 1995.

103. Stoyanova S.D. Expression of gliadin in dominant mutation of wheat seeds. //Seed science and Technology. -1994. v.22 (3). - p.477-484 En, 22 ref.

104. Strelchenko P., Kovaleva O., Okuno K. Genetic differentiation and geographical distribution of barley germplasm based on RAPD markers. Genetic Resources and Crop Evolution. 1999. - v. 46. - p. 193-205.

105. Ward J.H. Hierarchical grouping to optimize an objective function. //J. Am. Stat. Assoc. 1963.- v. 58. p. 236-244. (цитировано по Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. М. - Статистика. -1977 г. - 128 е.).

106. Wilkes G. Germplasm collections: their use, potential, social responsibility and genetic vulnerability. //International crop science I. USA. Madison. Wisconsin. - 1993. Crop science society of America. Inc.- p. 445-450.

107. Woychik J.H., Bondy J.A., Dimler R.J. Starch gel electrophoresis of wheat gluten proteins with concentrated urea. //Arch. Biochem. and Biophis. 1961. - v.94. - p. 477-482.

108. Woodbury W. Biochemical genetics and its polential for cereal improvement. //Brew. Dig. 1972. - v. 47. -p.70-81.

109. Wrigley C.W., Autran J.C., Buchuk W. A. Identification of cereal varieties by gel electrophoresis of the grain proteins. //In: Advances in cereal science and technologe /Ed. Y.Pomeranz. St. Paul (Minn.). 1982. - v.5. - p.211-259.

110. Wrigley C.W., Shepherd K.W. Electrofocusing of grain proteins from wheat cultivars. //Ann. N. J. Acad. Sci. 1973. - v.209. - p. 154-162.

111. Zillman R.R., Bushuk W. Wheat cultivar identification by gliadins electrophoregrams. III. Catalogue of electrophoregram formulas of Canadian wheat cultivars. //Can J. Plant. Sci. 1979. - v.5 - p.287-298.