Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности биохимических показателей у пшеницы и ее диких сородичей, произрастающих в разных зонах Таджикистана

ВАК РФ 03.01.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Особенности биохимических показателей у пшеницы и ее диких сородичей, произрастающих в разных зонах Таджикистана"

На правах рукописи

МАМАДЮСУФОВА МЕНУ ГУЛОМАЙДАРОВНА

ОСОБЕННОСТИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ У ПШЕНИЦЫ И ЕЕ ДИКИХ СОРОДИЧЕЙ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В РАЗНЫХ ЗОНАХ ТАДЖИКИСТАНА

(03.01.04 -биохимия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г

1 р 2014

Душанбе-2014

005550246

005550246

Работа выполнена в Институте ботаники, физиологии и генетики растений Академии наук Республики Таджикистан

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Насырова Фируза Юсуфовна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

кафедры хлопководства, генетики, селекции и семеноводства Таджикского аграрного университета им. Ш. Шотемур Исмоилов Махсатулло Исроилович

кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии Таджикского медицинского университета им. Абуали ибн Сино Гулов Махмали Кодирович

Ведущая организация: Памирский биологический институт им.

академика Х.Ю. Юсуфбекова АН РТ

Защита диссертации состоится «-Ь» «и*си 2014 в ч. на

заседании диссертационного совета К. 737.004.05 при Таджикском национальном университете по адресу: 734025, г. Душанбе, пр. Рудаки, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таджикского национального университета и на сайте www.tnu.tj

Автореферат разослан " 4 " РЬ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент .—--т^^^гХамрабаева З.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разнообразие культурных и родственных им диких видов растений — это основной фонд для развития государственного семеноводства и селекции (Вавилов, 1932), он является важной составляющей обеспечения продовольственной безопасности любой страны. Во всем мире особое внимание уделяют сохранению стародавних местных сортов (landraces), считая их потенциально полезными источниками аллелей генов и полигенных систем, обусловливающих устойчивость и толерантность пшеницы к различным неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам внешней среды (Вавилов, 1935; Zeven, 1998).

В последние годы большое внимание исследователей уделяется поиску путей ннтрогрессшг в геном культурных растений генов диких видов, обуславливающих устойчивость к экстремальным факторам внешней среды. Особую значимость приобретает создание сортов, обладающих устойчивостью к возбудителям болезней и вредителям сельскохозяйственных растений, а также толерантностью к засолению почв и токсическому содержанию в mix солей металлов. Кроме того, необходимость такого рода исследования состоит также и в том, что генетический пул местных форм пшеницы и ее диких сородичей является потенциальным источником разнообразия, которое можно использовать в современной селекционной практике насыщая сорта пшениц, например, генами устойчивости к различным фитопатогенам, отсутствующими у данных сортов.

В настоящее время для исследований биоразнообразия, филогении и эволюции используются различные молекулярно-генетические маркеры, одним из них у злаков являются запасные белки. Запасные белки являются маркерами устойчивых ассоциаций генов, обуславливающих адаптацию генотипов к определенным условиям среды; хлебопекарные качества, устойчивость к ряду заболеваний, что позволяет их использовать для решения практических задач селекции.

Виды Aegilops L. привлекают большое внимание исследователей в качестве перспективных генетических источников. Как показали многочисленные исследования (Конорев, 1979), виды рода Aegilops L. принимали непосредственное участие в становлении тетра- и гексаплоидных пшениц и в настоящее время многие из них используются при гибридизации как генные источники ряда ценных признаков. Так, например, вид Ae.tauschii является донором засухо- и патогеноустойчивости.

Цель исследования: изучение полиморфизма биохимических маркеров у пшеницы и её диких сородичей в связи с их географическим произрастанием.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Сбор материалов видов рода Aegilops L. из разных географических зон

Таджикистана;

: л

\

• Анализ фотосинтетических пигментов у местных форм пшениц и Аеяйорз в условиях засухи (в качестве имитации стрессового эффекта обезвоживания использование селективного агента ПЭГ 6000);

• Изучить содержание крахмала и общего белка у пшеницы и Ае%Иор$\

• Установить коэффициент вариации белка и крахмала у пшеницы и АеяйорБХ

• Оценка полиморфизма глиадиновых белка с помощью электрофореза в ПААГ у АегИорэ.

Научная новизна и практическая значимость работы. При изучении влияния полиэтиленгликоля (ПЭГ) в качестве индуктора водного стресса у растений на содержание фотосингетических пигментов в листьях у четырех сортов пшеницы местной селекции было выявлено, что наиболее устойчивым к условиям засухи (ПЭГ) были сорта пшеницы Пандаки и Бобило. Выявлено, что содержание хлорофиллов «а» и «в», а также каротиноиды у Ае. суПпсЬчса, Ае ¡гптыаИ.ч и Ае ¡ашИи были выше, чем у пшеницы. Показано, что изменение соотношения хлорофиллов а/Ь в условиях стресса при снижении уровня основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла а сопровождается увеличением синтеза вспомогательного пигмента -хлорофилла Ь, что является адаптивной реакцией ассимиляционного аппарата растений на стрессовое воздействие.

Анализ сравнительного содержания компонентов зерна (крахмала и белка) у видов Aegilops выявил, что наибольшие величины этих показателей характерны для видов Ае. ¡гшпсгаИх, произрастающие в условиях Файзабадского района. Выявлено, что коэффициент соотношения крахмала и белка был самым высоким у пшеницы Маври (4,14) и Пандаки (3,65). Содержание белка в зерне было высоким у сорта Бабило (16,2%) и Сафедак (15,1%). По данным показателям эти сорта пшеницы и отдельные виды Aegilops могут быть использованы в селекции как доноры по показателям высокой белковости зерна.

Сравнительный анализ глиадиновых белков выявил несколько групп компонентов (в со, у и р-зонах), отличающихся между собой по числу и относительной подвижности. По данным показателям виды Aegilops, собранные в разных географических зонах, обнаружили полиморфизм. Наличие широкого разнообразия по типам электрофоретических спектров глиадина еще раз подтвердило возможности использования этих маркеров для идентификации и паспортизации генотипов.

Впервые проведен детальный кластерный анализ глиадинов у изученных образцов Ае%Иор$ позволивший определить структуры популяции каждого изученного вида Ле%Иорх Ь. Таджикистане.

Результаты генетической структуры образцов Эгилопс по аллелям глиадинкодирующих локусов могут быть успешно применены в селекционно-семеноводческих программах, в которых Эгилопс можно использовать в скрещиваниях с мягкой пшеницей для улучшения

абиотической и биотической устойчивости пшеницы. Изучение разнообразия популяций Эгилопс с использованием блоков компонентов глиадина позволит получить дополнительную информацию о филогенетических отношениях вида А egilops с родом Triticum L. Подобранные методы позволяют наиболее эффективно выявлять меж- и внутривидовой полиморфизм у видов группы Triticum-Aegilops, могут быть использованы при создании новых и маркировании существующих коллекций генбанков.

Апробация работы. Основные результаты работы исследований были доложены (или представлены) на: международной конференции, посвященной 35- летию кафедры биохимии ТНУ (Душанбе, 2009); научной конференции, посвященной 60- летию образования Академии наук Республики Таджикистана (Душанбе, 2011); республиканской научно-практической конференции, посвященной 80- летию ХГУ им. академика Б. Гафурова и 80- летию факультета биологии и химии (Худжанд 2012); научной конференции, посвященной 80- летию со дня рождения академика AFI РТ Ю. С. Насырова (Душанбе, 2012); пятой международной конференции «Экологические особенности биологического разнообразия» (Худжанд, 2013); международной конференции по биологии и биотехнологии растений (Алматы, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 115 страницах печатного текста, включая 12 таблиц, 7 схем и 15 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 150 работ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Объекты, условия н методы исследований. Объектами исследования служили дикорастущие виды рода Aegilops L. (Ас. cylindrica, Ае. crassa, Ае. laiischii, Ае. triuncialis) и стародавние местные сорта пшеницы.

Для определение устойчивости диких видов злаков и пшеницы к абиотическому стрессу и засухе в лабораторных условьях проведен опыт с использованиям ПЭГ (полнэтиленгликоля) - 6000 определенной концентрации (15%) (Gozodinsky and Osipov, 1973).

Для биохимической оценки зерна образцы видов Aegilops были собраны в трёх природно-климатических регионах Таджикистана: Файзабадскин район (830 м над ур. м. - оптимальные условия), Гиссарский район (солевой источник 430 м над ур. м.) и Рудакинский район (Эсанбой, 830 м над ур. м. - условия засухи).

Содержание пластидных пигментов определяли на спектрофотометре LKB Ultrospec - II, а расчеты проводились по уравнению Хольма-

Веттштейна (Шлык, 1974). Содержание крахмала определяли микрометодом по реакции салициловой кислоты с йодом (Ястрембович, Калинин, 1962), в модификации (Ниязмухамедова, 1994), содержание белка - биуретовым методом (Пыльнев, 1979).

Для электрофоретических исследований белка глиадин выделяли из свежеразмолотой муки семян 70%-ным этанолом по методу (Осборн, 1935). Электрофорез белков проводили в блоке 6,5%- ного полиакриламидного геля (ПААГ) в ацетатном буфере по методу (Губарева, Гацденков, 1987). По окончании электрофореза гели окрашивали в смеси 0,25%- ного раствора Кумасси G-250 и 12%-ной трихлоруксусной кислоты (1:20).

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по Б.А. Доспехову (1985).

Для построения дендрограммы использовали программу NTSYS-pc (numerical taxonomy and multivarion analysis sistem-2.00).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРЕССОРОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ У ПШЕНИЦЫ И ЕЕ ДИКИХ

СОРОДИЧЕЙ

Содержание пластидных пигментов у пшеницы и ее диких сородичей Засуха является одним из внешних факторов, ингибирующим многие метаболические процессы, лимитирующие рост и продуктивность растений (Almeselmani et. al., 2001; Николаева, Маевская, 2010).

Полученные результаты по изучению влияния ПЭГ на всхожесть семян, длину проростков и на содержание зеленых и желтых пигментов листа у четырех изученных сортов пшеницы показали, что данные сорта на воздействие селективного агента реагируют по разному в зависимости от происхождения, сортовой специфичности и ответной реакции на воздействие агроэкологических факторов. По этим параметрам они делятся на две группы, по два сорта в каждой группе. Исключение составляет показатель всхожести, который у изученных четырех сортов был одинаково меньше на 20% относительно контрольных вариантов (в контроле 100%) (табл.1).

Проведенные исследования данных показателей у четырех видов рода Aegilops L. обнаружили, что влияние ПЭГ у этих видов неоднозначно. Так, если в опытных вариантах по сравнению к контролю показатели степени всхожести семян и длины проростков в большинстве случаев снижались, то по содержанию хлорофилла а и b у проростков двух видов А е. cylindrica и А е. trincialis, а также у А е. tauschii наблюдалось повышение данных показателей. Совсем обратная картина наблюдалась у другого вида - А е. crassa, где содержание хлорофиллов а к Ъ в опытных вариантах было снижено. У А е. cylindrica степень всхожести в контрольном варианте также была снижена (табл. 2).

Влияние полиэтнленглнколя на степень всхожести, длину проростков и содержание пигментов в проростках у

4-х сортов мягкой пшеницы (мг/г сырой массы)

Сорта Варианты Всхожесть, Длина Хлорофилл Соотношение Сумма Каротиноиды

пшеницы опыта % проростков, а Ь хлорофилпов хлорофил-

см а/Ь лов (а+Ь)

Пандаки Н20 100 8.5 0.342±0.011 0.162±0,012 2.11 0.504 0.118^0.003

ПЭГ 80 9.5 0.499±0.044 0.235±0.019 2.12. 0.734 0.141±0.021

Бобшю Н20 100 5.4 0.448±0.072 0.20б±0.044 2.17 0.654 0.185±0.034

ПЭГ 80 7.8 0.588^0.110 0.300±0.054 1.96. 0.888 0.144±0.015

Сафедак н2о 100 9.4 0.755±0.005 0.299±0.009 2.52 1.054 0.279±0.009

ПЭГ 80 6.0 0.365±0.003 0.173±0.004 2.11 0.538 0.285±0.190

Маврн Н20 100 15.8 0.372±0.044 0.169±0.030 2.20 0.541 0.033±0.012

ПЭГ 80 2.3 0.192±0.019 0.093±0.001 2.06 0.285 0.064±0.008

Колебания Н20 100 5.4-15.8 0.342-0.755 0.162-0.299 2.11-2.52 0.504-1.054 0.033-0.279

ПЭГ 80 2.3-9.5 0.192-0.588 0.093-0.300 1.96-2.12 0.285-0.888 0.064-0.285

Влияние ПЭГ на всхожесть, длину проростков н содержание пигментов в проростках у 4-х видов рода Ае^Иоръ Ь.

Виды эгилопс Варианты опыта Всхожесть, % Длина проростков, см Хлорофилл Соотношение Хла/Ь Сумма хлорофиллов (а+Ь) Кароти-ноиды

«а» «Ь»

Ае. суМпМса Н20 20 6.8 0.499±0.043 0.23 8±0.016 2.09 0.738 0.038±0.024

ПЭГ 60 5.4 0.694±0.214 0.342±0.128 2.03 1.040 0.288±0.116

Ае. сгаяза Н20 100 21.3 0.658±0.072 0.274±0.022 2.40 0.932 0.204±0.018

ПЭГ 80 5.2 0.357±0.066 0.132±0.052 2.70 0.489 0.177±0.023

Ае. ¡аизсИИ Н20 100 5.4- 0.500±0.03 0.338±0.016 1.480- 0.838- 0.300±0.16-

ПЭГ 70 4.4 0.908±0.163 0.518±0.029 1.56 1.426 0.347±0.114

Ае. ¡г'тааНя Н,0 100 13.0 0.710±0.080 0.327±0.031 2.17 1.037 0.216±0.070

ПЭГ 80 3.8 0.88110.015 0.478±0.044 1.84 1.359 0.373±0.039

Другой важный показатель - соотношение хлорофилла «а» к хлорофиллу «Ь», который в большинстве случаев был менее изменчивым. Так, если в контрольных вариантах (вода) он колеблется от 2.09 (Ае. суПпс/пса) до 2.40 (Ае. сгаяза), то в опытных вариантах (с ПЭГ) данный показатель варьировал от 1.56 (Ас. ит.чсИИ) до 2.70 (Ае. сгаяха), что говорит о том, что диапазон изменчивости был более шире по сравнению с контрольным вариантом. Такая тенденция сохраняется и по показателю суммы хлорофиллов (а+Ь). Если в контрольных вариантах он варьировал от 0.738 (Ае. суНпйпса) до 1.037 (Ае. ?гшс/'я/«), то в опытных вариантах он показывал изменчивость в пределах от 0.489 (Ае. сга.чза) до 1.426 (Ае. (ашс/п!). Как показали исследования, у большинства изученных видов рода Aegilops Ь в опытных вариантах наблюдается повышение данного показателя по сравнению к контролю. Исключение составляет вид Ае. cras.su, где значение этого показателя было значительно меньше (0.489 мг/г сырой массы). Считается, что изменение соотношения хлорофиллов а<Ъ является адаптивной реакцией ассимиляционного аппарата растений на стрессовое воздействие: при снижении уровня основного фотосинтетического пигмента

- хлорофилла а - происходит увеличение синтеза вспомогательного пигмента

- хлорофилла Ъ.

По содержанию каротоноидов, за исключением Ае. сгазъа, остальные виды Aegilops показали большее значение этого показателя по отношению к контролю. При этом, если у Ае. 1г/пс1аИх и Ае. ¡ашсИИ значение данного показателя было значительно больше в опытных вариантах (с ПЭГ), то наименьшее его значении было обнаружено в контрольных вариантах, которое достигало до 0.038 мг/г сырого масса.

Было проведено изучение морфологических и биохимических показателей (табл. 3) в двух вариантов опыта (в водной среде - контроль н в среде, содержащей ПЭГ - опыт). Данные показали неоднозначность и разнонаправленность полученных результатов. Среднее значение показателей у изученных сортов пшеницы и видов Aegilops выявили, что в большинстве случаев в обоих вариантах опыта среднее значение показателей у Aegilops было больше, чем у пшеницы. Исключение составляет показатель длины проростков, который у Aegilops в варианте с ПЭГ был меньше (4.7 см против 6.4 см у пшеницы), показатель соотношения хлорофилла а к Ъ, в водной среде был несколько больше, чем в варианте с ПЭГ. Эти показатели были почти одинаковыми у пшеницы и Aegilops (водная среда 2.25 против 2.22 у Ас^Иорз] в варианте с ПЭГ 2.06 и 2.03 у Aegilops).

При этом следует отметить, что если показатели содержания хлорофилла а, суммы хлорофиллов (а+ Ь) и длины проростков у пшеницы снижались в варианте с ПЭГ, то у Aegilops - содержание хлорофиллов а и Ъ, сумма хлорофиллов (а+Ь) повышались, содержание каротиноидов и длина проростков снижались. Содержание хлорофилла Ъ, каротиноидов у пшеницы в обоих вариантов опыта почти не изменилась.

Другим важным биометрическим показателем является изучение коэффициента вариации. Данный показатель обнаружил, что у пшеницы в

9

обоих вариантах опыта по сравнению с Aegilops он более стабилен, хотя у пшеницы в вариантах с ПЭГ он был незначительным (по содержанию хлорофилла а и длине проростков), а по другим показателям (содержанию хлорофилла Ъ, каротиноидам, сумме хлорофиллов (а+Ь) - более значительным. Также интересно отметить, что показатель соотношения хлорофилла а к Ь, коэффициента вариации у пшеницы в опытном варианте были меньше (3.54% против 9.0% в контрольном варианте (вода), то у Aegilops данный показатель был больше в опытных вариантах.

В целом, у Aegilops по изученным показателям в большинстве случаев коэффициент вариации был значительно больше в опытных вариантах, чем в водной среде (контроль). Исключение составляет показатель содержания каротиноидов и длины проростков - коэффициент вариации в водной среде был значительно больше, чем в вариантах с ПЭГ (64.7 против 29.4 и 53.1 против 15.7%, соответственно). Это значит, что у Aegilops коэффициент вариации, за исключением показателей содержания каротиноидов и длины проростков значительно выше по сравнению с пшеницей.

Определение пределов изменчивости (минимум и максимум по доверительному интервалу) исследованных показателей на примере изученных сортов и видов эгилопс показало, что у пшеницы по содержанию хлорофилла а, сумме хлорофиллов и содержанию каротиноидов, независимо от вариантов опыта, разница по доверительному интервалу по содержанию хлорофилла Ъ значительно шире, чем в контрольном варианте (вода). У эгилопс разница между минимальным и максимальным выражением изученных показателей по сравнению с пшеницей более существенна, а по некоторым показателям (содержание хлорофилла Ъ, соотношению хлорофилла а к b и сумме хлорофиллов), в частности, в опытных вариантах (под влияниям полиэтиленгликоля) значительно шире.

Необходимо отметить, что в контрольном варианте разница между минимумом и максимумом выражения для большинства изученных показателей незначительна. У пшеницы данная разница в обоих вариантах опыта по содержанию хлорофилла а, сумме хлорофиллов и каротиноидам была очень близка.

Таким образом, полученные результаты по содержанию фотосинтетических пигментов в проростках различных сортов пшеницы и у изученных видов Aegilops выявили неоднозначность проявления данных показателей в зависимости от видового состава растений в условиях водного стресса. По некоторым значениям была обнаружена однозначность, а в других случаях - разнонаправленность этих показателей у пшеницы и ее дикорастущих сородичей. При этом, у большинства видов Aegilops и у отдельных сортов пшеницы была обнаружена устойчивость к засухе (при воздействии ПЭГ).

Биометрические показатели по содержанию пигментов в массе проростках пшеницы (мг/г сырой массы)

Биометрически е показатели Вариант опыта Длина проростков, см Хлорофилл Соотношение хлорофиллов alb Сумма хлорофиллов (а+Ь) Каротиноиды

а Ъ

П Э П Э и Э П Э П Э П Э

Среднее значение X Н20 9.8 13.7 0.479 0.622 0.209 0.280 2.25 2.22 0.688 0.902 0.154 0.458

PEG 6.4 4.7 0.411 0.710 0.200 0.367 2.06 2.03 0.611 1.078 0.158 0.296

S^ Н20 19.1 52.9 0.036 0.012 0.004 0.002 0.041 0.026 0.063 0.023 0.011 0.010

PEG 9.51 0.55 0.030 0.064 0.078 0.030 0.005 0.235 0.068 0.1828 0.008 0.0076

S Н,0 4.4 7.3 0.189 0.110 0.063 0.045 0.203 0.161 0.252 0.152 0.104 0.099

PEG 3.1 0.7 0.172 0.254 0.038 0.174 0.073 0.485 0.260 0.427 0.092 0.087

V, % Н,0 44.6 53.1 39.4 17.7 30.0 16.1 9.0 7.2 36.6 16.8 67.5 h64.7

PEG 48.1 15.7 41.8 35.8 44.0 47.4 3.54 23.9 42.5 39.6 58.2 29.4

Sx Н20 2.2 4.2 0.094 0.063 0.031 0.026 0.100 0.093 0.126 0.088 2.052 0.057

PEG 1.5 0.4 0.086 0.127 0.044 0.087 0.037 0.242 0.130 0.214 0.046 0.043

S х,% Н20 22.0 30.6 19.6 10.1 15.1 9.3 4.4 4.2 18.3 9.8 33.8 37.2

PEG 24.1 7.9 20.9 17.9 22.0 23.7 1.8 11.9 21.3 19.8 29.1 14.5

Доверительный интервал min Н20 2.9 -4.4 0.179 0.351 0.111 0.168 1.93 1.82 0.288 0.524 0.011 0.092

PEG 1.5 3.5 0.138 0.310 0.060 0.090 1.94 1.26 0.198 0.398 0.012 0.159

Доверительный интервал max Н20 16.7 31.8 0.779 0.892 0.307 0.392 2.57 2.62 1.086 1.280 0.31 0.398

PEG 11.3 5.9 0.684 1.110 0.340 0.644 2.18 2.80 1.024 1.758 0.304 0.433

Ii

СОДЕРЖАНИЕ КРАХМАЛА И БЕЛКА У ПШЕНИЦЫ И ЕЕ ДИКИХ

СОРОДИЧЕЙ

Успех селекционной работы во многом зависит от наличия исходного материала для селекции, а также от эффективных методов их оценки и знания физиолого-биохимических механизмов, определяющих качество урожая и устойчивость к стрессовым факторам различной природы (Алиев, 2013).

Содержание белка в зерне исследуемых сортов пшеницы колебалось от 11.5 до 16.2%. Из данных таблицы 4 видно, что содержание крахмала и белка в зернах пшеницы зависит от генотипических и природно- климатических факторов. Однако строгой закономерности не наблюдается, хотя намечается некоторая тенденция к увеличению содержания крахмала и белка при более оптимальных условиях. Так, повышение содержания белка наблюдалось в зерне пшеницы сортов Бобило и Сафедак (15.1-16.2%) а самое низкое содержание белка (11.5±0.56%) обнаружено у сорта Пандаки. Следует отметить, что содержание крахмала у исследуемых сортов пшеницы в среднем варьировало от 46.4 до 52.2%, небольшое повышение содержания крахмала наблюдалось у пшеницы сорта Маври (58.4%), у других сортов этот показатель снижался.

Таблица 4

Содержание белка и крахмала у разных сортов пшеницы

Сорт Содержание крахмала, в % на сухой вес Содержание белка, в % на сухой вес Соотношение содержания крахмала и белка Соотношение содержания белка и крахмала

Бобило 46.4±1.52 16.2±0.77 2.86 0.35

Пандаки 42.0± 1.07 11.5±0.56 3.65 0.27

Маври 58.4±0.86 14.1±0.87 4.14 0.24

Сафедак 52.2±0.98 15.1±0.74 3.45 0.29

Полученные результаты показали, что у всех изученных четырёх образцов Aegilops, содержание крахмала в зерне варьировало в пределах 20.2% (у Ае. (аиясИИ, произрастающего в условиях Эсанбая, Рудакинский район), до 25.7% (у Ае. гпипааШ, прорастающего в условиях Файзабадского района) при среднем значении 23.3%. Анализ сравнительного содержания крахмала в зерне у видов АсдИор.ч выявил, что наибольшая величина данного показателя характерна для видов Ае. /ттааШ, произрастающего в условиях Файзабадского района. Эти результаты показывают, что условия Файзабадского района оказались более благоприятными для биосинтеза и накопления крахмала в зерне видов рода AegiIops Ь. Содержание крахмала в зерне у дикорастущих видов, собранных в Эсанбае, Рудакинский район было заметно ниже. По содержанию белка в зерне дикорастущие виды имели

12

большие пределы изменчивости - от 24.0до 34.5%. Относительно низкое значение данного показателя установлено у образца А е. ¡агясИи и А е. суИпс}г1са, произрастающего в условиях Файзабадского района (24.0 - 25.2%), а наибольшее - у АеЛпипааИ.у, произрастающего в условиях Эсанбая, Рудакинский район (34.5%).

Интересно отметить, что у изученных видов Ае^Пор.ч по уровню накопления основных компонентов зерна (крахмала и белка) по сравнению с изученными сортами пшеницы наблюдалась противоположная картина. У видов Ае$Иорз во всех случаях содержание белка в зерне было больше, чем содержание крахмала.

Таблица 5

Условия Объекты Содержание Содержа- Соотноше- Соотношение

произраст исследования крахмала, % ние белка, ние содержания

ания % содержания крахмала и белка белка и крахмала

Ае. Triuncialis 25.7±0.90 27.0±0.79 0.95 0.90

Файзабад Ае. Cylindrica 23.0±0.80 25.2+0.76 0.91 1.09

Ае. Tanschii 22.7±0.76 24.0±0.63 0.94 1.05

Ае. Crassa 24.3±059 26.7+0.72 0.91 1.09

Ае. Triuncialis 20.6±0.56 34.5+0.57 0.59 1.67

Эсанбаи Ае. Cvlindrica 22.1±0.64 32.3±1.7 0.68 1.46

Ае. Tauschii 20.2±0.36 29.2+0.76 0.69 1.44

Ае. Crassa 23.4±0.29 31.0±2.3 0.75 1.32

Ае. Triuncialis 24.7±0.15 30.0±1.3 0.82 1.21

Гнссар Ае. Cylindrica 23.8±0.10 26.3+0.46 0.90 1.10

Ае. Tauschii 24.6±0.84 28.7+0.87 0.85 1.16

Ае. Crassa 24.4±0.08 26.6±0.77 0.91 1.09

В наших опытах было показано (табл. 4), что коэффициент соотношения крахмала к белку был самым высоким у пшеницы Маври (4.14) и Пандаки (3.65). А низкий уровень "отношения содержания крахмала к содержанию белка в зерне" наблюдались у сортов Бобило (2.86) и Сафедак (3.45), относительно высокое содержании белка в зерне у сорта Бобило (16.2%) и Сафедак (15.1%). Эти результаты показывают, что, несмотря на широкое варьирование содержания белка в зерне в зависимости от условий выращивания, накопление белка детерминировано генетически 1970).

Как видно из таблицы 5, у изученных образцов Aegilops в зависимости от вертикальной зональности данный показатель варьировал от 0.59 (у АеЛгитс'шИк, произрастающего в условиях Эсанбая, Рудакинский район) до 0.95 и 0.94 у Ае. 1гтпс1аИ,ч и А е. (тиски, произрастающих в условиях Фанзабадского района, соответственно. В целом, по данному показателю наибольший диапазон изменчивости у изученных образцов выявлен у

образцов, произрастающих в условиях Эсанбая, Рудакинский района (от 0.59 до 0.75) а наименьший в условиях Файзабадского (0.91 -0.95) и Гиссарского районов (0.82-0.91).

Таким образом, изучение содержания крахмала, белка и соотношение их содержания в зерне различных сортов пшеницы и видов Aegilops выявили неоднозначность в проявлении этих показателей в зависимости от видового состава растений и условий их произрастания. Показано, что экологические условия мест произрастания наряду с генетическими особенностями каждого вида оказывают влияние на биосинтез и уровень накопления главных компонентов зерна. При этом некоторые сорта пшеницы и отдельные образцы Aegilops по содержанию белка в зерне сильно отличаются и могут быть использованы в селекционном процессе как доноры по показателю высокой белковости зерна.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ГЛИАДИНА ВИДОВ AEGILOPS L.

Как известно, запасные белки семян как маркеры генетических систем, весьма успешно привлекаются в решении актуальных задач филогении, систематике и генетике культурных растений. Особенно перспективным представляется использование белковых маркеров в идентификации геномов и выявлении филогенетических связей культурных растений с дикими сородичами. Быстрая и точная идентификация геномов возможна по электрофоретическим спектрам белковых маркеров (Конорев, 1987).

У злаков наиболее удобными генетическими маркерами являются гены, контролирующие синтез запасных белков зерновки -глиадинов. К главным достоинствам этого типа маркеров можно отнести кодоминантность наследования, множественный аллелизм, наличие сцепления с некоторыми морфологическими признаками. Генетическая специфичность глиадина проявляется на уровне вида, сорта, биотипа.

Электрофоретический анализ глиадинов показал (рис.1), что вид Ae.tauschii имеет белковый состав с числом компонентов от 12 до 20. Внутривидовые различия по составу белков в основном наблюдались по наличию или отсутствию компонентов и степени их выраженности на электрофореграммах.

Полученные данные свидетельствуют, что в каждой зоне электрофоретических спектров присутствуют стабильные компоненты, определяющие принадлежность растений к определенному виду, и лабильные, свидетельствующие о разнообразии вида Ae.tauschii.

В плане идентификации вида наибольший интерес представляют у и р -зоны электрофореграмм, в которых присутствуют интенсивные, ярко выраженные компоненты 1 и 2 в у -зоне и 1 в р -зоне. По присутствию этих компонентов для данного вида можно выделить два основных типа электрофоретических спектра. Первый тип определяется присутствием компонента 2 в средней зоне спектров (у). Этот тип наиболее распространен: из 85 исследованных образцов он выявлен у 49. Второй тип

14

Рис. 1. Электрофореграмма Ле. П/шсИи. Рис.2. Электрофореграмма А е. ¡ггипсЫк.

электрофоретического спектра определяется присутствием в той же зоне интенсивного компонента 1. Этот тип, по сравнению с первым, менее распространен: из 85 исследованных образцов он выявлен только в 26. В зависимости от мест произрастания присутствует один из указанных компонентов. В очень редких случаях может встречаться смешанный тип спектра, когда одновременно присутствуют 1 и 2 компоненты.

В 13 из 85 исследованных образцов, обнаружен очень редкий, быстро мигрирующий компонент 1 в [3 -зоне. Следует отметить, что этот компонент присутствует только в образцах, отнесенных к первому типу электрофоретического спектра.

В озоне, в отличие от у - и Р- зон, присутствуют слабо выраженные глиадиновые компоненты и различия в образцах проявляются в основном по присутствию или отсутствию компонентов 1 и 2.

В отличие от других видов Aegгlops Ь., АеЛпипЫаШ содержит незначительное число глиадиновых компонентов - от 11 до 17. Характер белковых спектров 25 исследованных образцов довольно разнообразен и сильно отличается от вида АеЛашсИи (рис.2). Границы внутривидовой изменчивости наиболее широки и включают почти все зоны спектра. Можно выделить лишь 3 образца, электрофоретические спектры которых, содержат максимальное число глиадиновых компонентов. Остальные образцы занимают промежуточное положение, различаясь по числу и интенсивности отдельных компонентов.

Самая разнообразная и интенсивная у- зона спектра, где число компонентов колеблется от 7 до 2-х. Как показал сравнительный анализ, компонентный состав глиадина, в образцах, собранных в одних и тех же местах произрастания, сильно отличается.

Что касается со- и Р- зон, то внутривидовая дифференциация в них выражена незначительно.

У вида Ае. су!тс1пса обнаружен большой внутривидовой полиморфизм как по спектру глиадина, так и по внешним признакам. Различия между собранными образцами по внешним признакам проявлялись в интенсивности окраски колосковых элементов и стебля.

15

Разнообразие спектра глиадинов Ае суИпсЫса совпадало с внешним фенотипическим разнообразием (рис 3). Данный вид имеет свой характерный, отличный от других видов рода Aegilops, белковый спектр с числом компонентов от 15 до 19. Для данного вида характерно внутривидовое отличие между образцами из различных мест обитания, которое наблюдается по всем зонам электрофоретических спектров.

Рис. 3. Электрофореграмма Ае. суИпЫНса. рис. 4. Электрофореграмма Ае. епдаа.

Вид Ае суИпскгса характеризуется небольшим числом стабильных компонентов электрофореза (ОЭП- 0,34; 0,64; 0,66; 0.68; 0,91) которые могут быть использованы как видо-специфические белковые компоненты.

Таким образом, выявлена внутривидовая изменчивость по определенным компонентам у четырех видов рода Ае%Иор$ в зависимости от условий произрастания. Выявлено, что каждый вид имеет свой характерный белковый спектр с определенным набором и распределением: глиадиновых компонентов. Для отдельных видов обнаружен ряд компонентов, которые можно использовать в качестве белковых маркеров при анализе определенных признаков. Полученные данные создают предпосылки для использования рода Aegilops в селекции как источников генов для повышения устойчивости растений к заболеваниям, засухе и засолению почвы.

Кластерный анализ спектра глиадина видов Ле£Иор\ Ь. в зависимости от

места сборов

Известно, что кластерный анализ, как метод распознавания образцов, является высокоинформативным средством для широкого круга биохимических исследований, начиная с прикладных задач в классификации генотипов и кончая фундаментальными проблемами распознавания биополимеров, а также установления факторов регуляции экспрессии генов (Савич, 1991).

Дендрологический анализ электрофоретических компонентов глиадиновых белков по зонам распределения у четырех изученных видов Ае%йор$ позволил разделить их на группы и подгруппы в зависимости от их генетического сходства в различных климатических условиях в местах сбора образцов. Как следует из данных матриц генетических расстояний уровни выявляемого внутривидового и межвидового геномного полиморфизма по глиадиновым белкам значительно варьировали. При этом, максимальное внутривидовое разнообразие было отмечено для А е. ¡аисякИ, а наименьшее -у Ае. сгаяза, Ае. ЯтпааШ и Ае. суИпйгка по этим же значением занимали промежуточное положение.

С целью подробного внутривидового популяционного анализа и описания образцов АееПорэ Ь. данные электрофореграмм глиадина обрабатывали с помощью стандартной компьютерной программы МТЯУБ-рз 2.0, позволяющей идентифицировать и группировать идентичные и различающиеся компоненты электрофореграмм белков и, тем самым, определить структуру популяций каждого изученного вида Aegilops Ь. путем кластерного распределения изученных образцов.

У видов Ае. 1ашс1ш по характеру распределения кластерной группы компонентов глиадина в о>, у - зонах электрофореграмм образовалось 5 групп, а в р зоне - образцы распределились на 7 групп. Следует отметить, что при фенотипическом описании собранного материала нам и была проведена группировка идентичных образцов по морфологическим признакам на 6 групп. Данные по внутривидовой изменчивости Ае. 1аизс1ш, полученные при морфологическом описании, близки к данным анализа состава компонентов глиадинов.

У наиболее распространенного в Таджикистане вида Ае. ^шпстУв интересными оказались компоненты |3 и у - зон электрофореграмм глиадина. При сопоставлении кластерных групп по морфологическим признакам и по составу компонентов глиадина у - зоны обнаружено 6 групп кластеров.

У Ае. су1пк1пса интересной оказалась со - зона элетрофореграммы глиадина. Здесь выявлено 6 групп кластеров по распределению спектра глиадина у собранных образцов. Следует отметить, что каждому виду Aegilops свойственны свои особенности распределения электрофоретических полос глиадина в каждой отдельной зоне полиакриламидного геля.

Наименее разнообразным в этом отношении оказался вид Ае. сгазяа (схемы 1, 2) - не только по распределению компонентов глиадинов, но и по группированию образцов по морфологическим признакам. Этот вид оказался более мономорфным, чем остальные изученные нами виды Aegilops Ь.

Гис.Сол.Ист. 1

Гис.Сол.Ист.2

Гис.Сон.Ист.3

Рудаки.4

Рудаки.5

--Рудаки.7

Рудаки.6 Рудакя.8

i 1 т т-'-!-т-т-т-т-1-1-т-т-'-1-т-т-т-1-1

0.82 0.87 0.91 0.96 1.00

Coefficient

Схема 1. Дендрограмма электорофореза глиадина <и - зоны образцовое crassa в зависимости от места сборов.

Гис.СолИст. 1

Гис. Сол. Ист. 2

Гис. Со л. Ист. 3

Рудаки.4

Рудаки.5

Рудаки.6

Рудаки.8

-Рудаки. 7

I-1-т-'-т-1-1-1-т-1-!-'-т-'-1-1-1-т-1-1-1

0.72 0.79 0 8 6 0.93 1.00

Coefficient

Схема 2. Дендрограмма электорофореза глиадина р - зоны образцовое, crassa в зависимости от места сборов.

Выявленное отличие в уровнях полиморфизма у Aegilops достаточно интересно, так как для полиплоидных видов, в целом, неоднократно отмечалась большая морфологическая и экологическая изменчивость. По-видимому, уровни внутривидового полиморфизма генома зависят от целого ряда факторов: типа системы опыления, возраста вида и ареала, плоидности генома, характера образования полиплоида (происхождение от единичного, или от множественных скрещивашга) и от свойств самого генома вида.

ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ глиадиновых белков у Aegilops, собранных в разных географических зонах, обнаружил полиморфизм и выявил несколько групп компонентов (в со, у и (3-зонах), отличающихся между собой по числу и относительной подвижности. Наличие широкого разнообразия по типам электрофоретических спектров глиадина дает возможность использования этих маркеров для идентификации и паспортизации генотипов, а также при создании новых и маркировании существующих коллекций генбанков.

2. Впервые проведен детальный кластерный анализ глиадинов у изученных образцов Ае§Порз Ь., позволивший определить структуры популяции каждого изученного вида Ае§Норз Ь. в Таджикистане.

3. При изучении влияния полиэтиленгликоля в качестве индукторов водного стресса у растений на содержание фотосинтетических пигментов в листьях у четырех сортов пшеницы местной селекции было выявлено, что наиболее устойчивым к условиям засухи (ПЭГ) были сорта пшеницы Пандаки и Бобило. Выявлено, что содержание хлорофиллов «а» и «в», а также каротиноиды у Ае. суИпс1г1са, Ае ¡г'шпыаПх и Ае ШизИп были выше, чем у пшеницы. Показано, что изменение соотношения хлорофиллов а/Ь в условиях стресса при снижении уровня основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла а сопровождается увеличением синтеза вспомогательного пигмента — хлорофилла Ь, что является адаптивной реакцией ассимиляционного аппарата растений на стрессовое воздействие.

4. Анализ сравнительного содержания компонентов зерна (крахмала и белка) у видов Эгилопс выявил, что наибольшие величины этих показателей характерны для видов Ае. МчипЫаИч, произрастающие в условиях Файзабадского района как наиболее благоприятного для роста и развития этого типа диких злаков.

5. Выявлено, что коэффициент соотношения крахмала и белка был самым высоким у пшеницы Маври (4,14) и Пандаки (3,65). Содержание белка в зерне было высоким у сорта Бобило (16,2%) и Сафедак (15,1%). По данным показателей эти сорта пшеницы и отдельные виды Эгилопс могут быть использованы в селекции как доноры по показателям высокой белковости зерна.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мамадюсуфова М., Кавракова З.Б., Нигмонов М. Содержание белка в зерне у сортообразцов пшеницы (Т. Aestivum L.), возделываемых в Таджикистане , Материалы международной конференции, посвященной 35- летию кафедры биохимии ТНУ. Душанбе. 2009. С. 96-97.

2. Мамадюсуфова М., Сабоиев И., Абдурахмонов С., Нигмонов М., Насырова Ф.Ю. Влияние полиэтиленгликоля на степень прорастания семян и содержание фотосинтетических пигментов у некоторых сортов пшеницы и эгилопса. Материалы научной конференщш, посвященной 60- летию образования Академии наук Республики Таджикистана. Душанбе. 2011. С. 66-69.

3. Мамадюсуфова М., Сабоиев И., Насырова Ф.Ю., Алиев К. А. Влияние солевого стресса на состав фотосинтетических пигментов у злаковых растений. Материалы республиканской научно практической конференции, посвященной 80- летию ХГУ имени академика Бободжона Гафурова и 80- летию факультета биологии и химии. Худжанд. 2012. С. 59-61.

4. Мамадюсуфова М., Сабоиев И., Нигмонов М., Насырова Ф.Ю., Алиев К. Биометрические показатели и содержание фотосинтетических пигментов у пшеницы и их дикорастущих сородичей. Материалы научной конференции, посвященной 80- летшо со дня рождения академика АН РТ Ю. С. Насырова. Душанбе. 2012. С. 41-44.

5. Мамадюсуфова М., Сабоиев И., Насырова Ф.Ю. Электрофоретическое исследование глнадинов Aeiglops L., произрастающих в различных климатических условиях Таджикистана. Материалы пятой международной конференции «Экологические особенности биологического разнообразия». Душанбе: Дониш. 2013. С. 144-145.

6. Мамадюсуфова М.Г., Сабоиев., И.А., Нигмонов М., Насырова Ф.Ю., Алиев К. Воздействие стрессовых факторов на содержание фотосинтетических пигментов и биометрические показатели у сортов пшеницы и их дикорастущих сородичей // Известия АН РТ. Отделение биологических н медицинских наук. №3 (180). 2012. С 35-40.

7. Мамадюсуфова М. Г. , Сабоиев И.А., Насырова Ф. Ю., Рахимов М.М., Алиев К.А. Содержание крахмала и белка пшеницы и её диких сородичей, произрастающих в разных климатических условиях Таджикистана // Доклады Академии наук Республики Таджикистан. № 10. 2014. С 182-187

8. Мамадюсуфова М.Г., Сабоиев И.А., Насырова Ф.Ю. Сравнительное биохимическое изучение особенностей сортов пшеници и ее диких сородичей. Материалы международной конференции по биологии и биотехнологии растений. Алматы. 2014. С. 369.

Ба чоп 22,05,2014с. имзо шуд. Адади нашр 150 нусха Дар С/И Салихов С.Т. чоп шудааст.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мамадюсуфова, Мену Гуломайдаровна, Душанбе

Академия наук Республики Таджикистан Институт ботаники, физиологии и генетики растений

04201460224 На пРавах рукописи

МАМАДЮСУФОВА МЕНУ ГУЛОМАЙДАРОВНА <2^

ОСОБЕННОСТИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ У ПШЕНИЦЫ И ЕЕ ДИКИХ СОРОДИЧЕЙ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В РАЗНЫХ ЗОНАХ ТАДЖИКИСТАНА

(03.01.04 -биохимия)

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Насырова Ф.Ю.

ДУШАНБЕ-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................4

ГЛАВА. 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................8

1.1. Факторы устойчивости пшеницы и Эгилопса к засолению и засухе ................................................................................................8

1.2.Влияние солевого стресса на состав фотосинтетических пигментов у злаковых растений.........................................................................14

1.3. Биохимические особенности пшеницы и ее дикие сородичи ...............................................................................................17

1.3.1. Содержание белка в зерне пшеницы и Эгилопсов ................................................................................................17

1.3.2. Содержание крахмала в зерне пшеницы и Эгилопсов

1.4. Глиадины как биохимические маркеры пшеницы и Эгилопсов

................................................................................................22

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объекты исследований

2.2. Краткая характеристика изученных видов местной мягкой пшеницы и Эгилопсов...................................................................................32

2.3. Методы исследований.....................................................................39

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА 3. ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРЕССОРОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ У ПШЕНИЦЫ И ЭГИЛОПСОВ

3.1. Содержание пластидных пигментов пшеницы и ее диких сородичей .................................................................................................44

3.2. Влияние солевого стресса на состав фотосинтетических пигментов у пшеницы и ее диких сородичей в условиях засоления..........................54

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ У ПШЕНИЦЫ И ЭГИЛОПСОВ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В РАЗНЫХ ЗОНАХ ТАДЖИКИСТАНА

4.1. Содержание белка и крахмала в зерне пшеницы и ее диких сородичей

................................................................................................58

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ

СПЕКТРОВ ГЛИАДИНА ВИДОВ \EGILOPS ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В РАЗНЫХ ЗОНАХ ТАДЖИКИСТАНА 5.1 Электрофоретическое разделение глиадинов методом электрофореза в полиакриламидном геле у Эгилопсов...................................65

5.2. Кластерный анализ спектра глиадина видов Aegilops I. ................................................................................................83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................92

ВЫВОДЫ...................................................................................97

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................99

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разнообразие культурных и родственных им диких видов растений - это основной фонд для развития государственного семеноводства и селекции (Вавилов, 1932), он является важной составляющей обеспечения продовольственной безопасности любой страны. Во всем мире особое внимание уделяют сохранению стародавних местных сортов (landraces), считая их потенциально полезными источниками аллелей генов и полигенных систем, обусловливающих устойчивость и толерантность пшеницы к различным неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам внешней среды (Вавилов, 1935; Zeven, 1998).

В последние годы большое внимание исследователей уделяется поиску путей интрогрессии в геном культурных растений генов диких видов, обуславливающих устойчивость к экстремальным факторам внешней среды. Особую значимость приобретает создание сортов, обладающих устойчивостью к возбудителям болезней и вредителям сельскохозяйственных растений, а также толерантностью к засолению почв и токсическому содержанию в них солей металлов. Кроме того, необходимость такого рода исследования состоит также и в том, что генетический пул местных форм пшеницы и ее диких сородичей является потенциальным источником разнообразия, которое можно использовать в современной селекционной практике насыщая сорта пшениц, например, генами устойчивости к различным фитопатогенам, отсутствующими у данных сортов.

В настоящее время для исследований биоразнообразия, филогении и эволюции используются различные молекулярно-генетические маркеры, одним из них у злаков являются запасные белки. Запасные белки являются маркерами устойчивых ассоциаций генов, обуславливающих адаптацию генотипов к определенным условиям среды; хлебопекарные

качества, устойчивость к ряду заболеваний, что позволяет их использовать для решения практических задач селекции.

Виды Ае§Иорз Ь. привлекают большое внимание исследователей в качестве перспективных генетических источников. Как показали многочисленные исследования (Конорев, 1979), виды рода Aegilops Ь. принимали непосредственное участие в становлении тетра- и гексаплоидных пшениц и в настоящее время многие из них используются при гибридизации как генные источники ряда ценных признаков. Так, например, вид АеЛашскН является донором засухо- и патогеноустойчивости.

Цель исследования: изучение полиморфизма биохимических маркеров у пшеницы и её диких сородичей в связи с их географическим произрастанием.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Сбор материалов видов рода Aegilops Ь. из разных географических зон Таджикистана;

• Анализ фотосинтетических пигментов у местных форм пшениц и Aegilops в условиях засухи (в качестве имитации стрессового эффекта обезвоживания использование селективного агента ПЭГ 6000);

• Изучить содержание крахмала и общего белка у пшеницы и Ае%Иор8\

• Установить коэффициент вариации белка и крахмала у пшеницы и Aegilops\

• Оценка полиморфизма глиадиновых белка с помощью электрофореза в ПААГ у Aegilops.

Научная новизна и практическая значимость работы.

При изучении влияния полиэтиленгликоля (ПЭГ) в качестве индуктора водного стресса у растений на содержание фотосинтетических пигментов в листьях у четырех сортов пшеницы местной селекции было выявлено, что наиболее устойчивым к условиям засухи (ПЭГ) были сорта пшеницы

Пандаки и Бобило. Выявлено, что содержание хлорофиллов «а» и «в», а также каротиноиды у Ае. суИпйпса, Ае МипЫаШ и Ае (атки были выше, чем у пшеницы. Показано, что изменение соотношения хлорофиллов а/Ь в условиях стресса при снижении уровня основного фотосинтетического пигмента — хлорофилла а сопровождается увеличением синтеза вспомогательного пигмента - хлорофилла Ъ, что является адаптивной реакцией ассимиляционного аппарата растений на стрессовое воздействие.

Анализ сравнительного содержания компонентов зерна (крахмала и белка) у видов Aegilops выявил, что наибольшие величины этих показателей характерны для видов Ае. МипсгаШ, произрастающие в условиях Файзабадского района. Выявлено, что коэффициент соотношения крахмала и белка был самым высоким у пшеницы Маври (4,14) и Пандаки (3,65). Содержание белка в зерне было высоким у сорта Бабило (16,2%) и Сафедак (15,1%). По данным показателям эти сорта пшеницы и отдельные виды Aegilops могут быть использованы в селекции как доноры по показателям высокой белковости зерна.

Сравнительный анализ глиадиновых белков выявил несколько групп компонентов (в со, у и |3-зонах), отличающихся между собой по числу и относительной подвижности. По данным показателям виды Aegilops, собранные в разных географических зонах, обнаружили полиморфизм. Наличие широкого разнообразия по типам электрофоретических спектров глиадина еще раз подтвердило возможности использования этих маркеров для идентификации и паспортизации генотипов.

Впервые проведен детальный кластерный анализ глиадинов у изученных образцов Aegilops Ь., позволивший определить структуры популяции каждого изученного вида Aegilops Ь. Таджикистане.

Результаты генетической структуры образцов Эгилопс по аллелям

глиадинкодирующих локусов могут быть успешно применены в

селекционно-семеноводческих программах, в которых Эгилопс можно

6

использовать в скрещиваниях с мягкой пшеницей для улучшения абиотической и биотической устойчивости пшеницы. Изучение разнообразия популяций Эгилопс с использованием блоков компонентов глиадина позволит получить дополнительную информацию о филогенетических отношениях вида Aegilops с родом ТгШсит Ь. Подобранные методы позволяют наиболее эффективно выявлять меж- и внутривидовой полиморфизм у видов группы Triticum~Aegilops, могут быть использованы при создании новых и маркировании существующих коллекций генбанков.

Апробация работы. Основные результаты работы исследований были доложены (или представлены) на: международной конференции, посвященной 35- летию кафедры биохимии ТНУ (Душанбе, 2009); научной конференции, посвященной 60- летию образования Академии наук Республики Таджикистана (Душанбе, 2011); республиканской научно-практической конференции, посвященной 80- летию ХГУ им. академика Б. Гафурова и 80- летию факультета биологии и химии (Худжанд 2012); научной конференции, посвященной 80- летию со дня рождения академика АН РТ Ю. С. Насырова (Душанбе, 2012); пятой международной конференции «Экологические особенности биологического разнообразия» (Худжанд, 2013); международной конференции по биологии и биотехнологии растений (Алматы, 2014).

ГЛАВА. 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Изучение факторов устойчивости пшеницы и эгнлопса к

засолению и засухе

Засоление почв является основной проблемой сельского хозяйства, лимитирующей рост и продуктивность растений во всем мире. 950 млн.га используемых почв являются засоленными (Massaoud,1974) и 77 млн.га орошаются соленой водой (Epstein, 1980).

Исследователи давно ведут поиск уже существующих генетических солеустойчивых форм среди культивируемых и диких растений. Так, например, злаки более чувствительны к засолению, чем подсолнечник и сахарная свекла (Bernstein, 1965). Значительные различия по отношению к засолению почв существуют внутри группы злаков: ячмень более устойчив, чем пшеницы (Bernstein, 1965, Maas and Hoffman, 1976) и гексаплоидные пшеницы более устойчивы, чем тетраплоидные (Rana, 1986). Важные генотипические отличия были замечены у ячменя (Ayers et al., 1952, Epstein and Norlyn, 1977), у мягкой пшеницы (Asana and Kale, 1965, Qureshi et al., 1980), у твердой пшеницы (Wenzien and Winslow, 1984) и у тритикале (Norlyn and Epstein, 1984). Такая внутривидовая вариабельность позволяет отбирать солеустойчивые генотипы и в дальнейшем использовать их в селекционной работе.

В работах Munns et al. (1982) на ячмене и Taliesnik-Gartel et al. (1983) на

томатах было показано, что первопричина замедления роста наземных частей

растения в условиях засоления NaCl находится в растущих тканях, а не во

взрослых фотосинтезирующих тканях. При этом может наблюдаться прямое

или косвенное ингибирование солями процессов клеточного деления и (или)

роста делящихся клеток (Kulieva et al., 1975, Mansand and Nieman, 1978,

Munns et al., 1983, Nieman, 1975, Setter, 1980). Так, например, было показано,

что засоление оказывает влияние на митотическую активность (Akbar et al.,

8

1987). Засоление (0.5% NaCl) не влияло на митотический индекс в корешках солеустойчивого сорта риса, в то время как у несолеустойчивого сорта митотическая активность значительно уменьшалась.

Соль может влиять на рост опосредованно, путем уменьшения притока в район роста метаболитов, воды и факторов роста (Mass and Nieman, 1978, Munns et al., 1983). Количество продуктов фотосинтеза, поставляемых в район роста, уменьшается за счет как ингибирования фотосинтеза из-за закрытия устьиц (Shoe and Gale , 1983), так и из-за прямого воздействия соли на фотосинтетический аппарат. Кроме того ингибируется транспорт продуктов фотосинтеза по флоэме (Maas and Nieman, 1978).

Исследователями Mac и Нейман (1978) предположили, что ионы соли могут опосредовано разрушать клетки зоны роста путем блокирования синтеза необходимых веществ. Соль также изменяет клеточный и ядерный объем, индуцирует эндополиплоидию (Kulieva et al., 1975, Strogonov, 1970), ингибирует синтез нуклеиновых кислот и изменяет белковый синтез (Catarieno, 1970, Setter et al., 1982, Strogonov et al., 1970, Terenov, 1973).

Кроме того, широко применяется создание резистентных к соли сортов из культуры клеток методами клеточной селекции. Широкий спектр видов был введен в культуру с целью селекции на солеустойчивость, такие как: табак (Benzel et al., 1985, Heyser and Nabors, 1981, Nabors et al., 1980, Pua and Thorpe, 1986), овес (Nabors, 1980), сорго (Bhaskaran et al., 1983, Bhaskaran et al., 1985), капуста ( Pua et al., 1986 ) люцерна (Smith and McComb, 1983), цитрусовые (Ben-Hayyim et al., 1985), сахарная свекла (Pua and Thorpe, 1986 ) и томаты (Rosen and Tal, 1981).

Цитогенетические и биохимические исследования, проведенные Sears и Feldman (1981) выявили возможные пути эволюции гексаплоидных пшениц. Явление солеустойчивости у пшениц связано с их генотипическими различиями, так как уже было упомянуто ранее, гексаплоидные пшеницы более устойчивы к засолению, чем тетраплоидные (Rana, 1986).

Кроме того изучались различия в толерантности к условиям засоления как у самих гексаплоидных пшениц, так и у их исходных родительских форм. Было показано, что диплоидные пшеницы Triticum топососсшп (АА) более чувствительны к засолению, чем Aegilops searsii, являющийся донором В-генома, и тетраплоидная пшеница Triticum dicoccoides (ААВВ) более устойчива к соли. Aegilops squarrosa, донор D-генома в геноме мягких пшениц, значительно более солеустойчив и, вероятно, поэтому Triticum aestivum является самым солеустойчивым видом из всех пшениц (Wyn Jones et al., 1984). Более поздними исследованиями было показано, что гены солеустойчивости как раз локализуются на хромосомах D-генома (Akbar et al., 1986, Azhar and McNeilly, 1988). Этим объясняется такая высокая солеустойчивость по сравнению с другими пшеницами, несодержащими в составе своего генотипа D- геном (Gorham et al., 1987, Shah et al., 1987). Кроме того следует отметить, что солеустойчивосить мягких пшениц значительно больше, чем у родительского вида Aegilops squarrosa. Это связано, по всей видимости, с тем, что, как было показано на синтетических генотипах, солеустойчивость D-генома возростает прямо пропорционально плоидности пшениц (Munns et al., 1991).

Помимо представителей рода Aegilops, существуют более далекие родственники пшениц, виды рода Thinopyrum (Thinopyrum bessarabicum, Agropyron elongatum), которые характеризуются еще большей толерантностью к соли. Thinopyrum-bessarabicum является диплоидом (2п-14) и его геном обозначается "J". Были получены амфиплоиды пшеница Th. bessarabicum (2n-56, AABBDDJJ), которые были значительно более устойчивыми к соли, чем родительская пшеница, и выдерживали засоление в 50 ммоль NaCl (Forster and Miller, 1985, Forster et al., 1987).

Помимо генотипа, реакция пшеницы на соль зависит от химического состава солей. Некоторые сорта Triticum aestivum по-разному реагируют на хлоридное и сульфатное засоление почв (Bilsky, 1988). В целом, при

эквимолярных концентрациях Na+, более токсичным для пшениц является SO— ионы, чем ионы СГ (Bilsky, 1988).

Концентрация соли более 120 ммоль является летальной для нормального роста и жизнедеятельности растения. Под действием солевого стресса у пшениц увеличиваются соотношение корневой к наземной систем, плотность устьиц, изменяется масса листьев. Кроме того, уменьшается высота растения, процент массы сухого вещества, кустистость, количество зерен в колосе, количество колосков в колосе (Kemal-ur-Rahim, 1988, Eshan, 1986).

В случае солеустойчивых сортов пшеницы, наоборот, наблюдается увеличение площади листьев и повышенный рост корней по сравнению с нормой (Gupta and Srivastava, 1989).

Необходимо подчеркнуть, что устойчивость к соли на уровне прорастания семян не коррелирует с толерантностью целого растения. Для подтверждения этого было просканировано 18 различных сортов Triticum aestivum при условиях засоления 12 ммоль/см и 16 ммоль/см (Ojha and Bhargawa, 1988, Mass and Poss, 1989). Однако наблюдается зависимость между степенью солеустойчивости растения и температурой окружающей среды. Hampson and Simson (1990) исследовали влияние температуры на прорастание семян пшеницы и рост побегов в условиях засоления. При отсутствии засоления не наблюдается изменение темпов прорастания семян при отклонении температуры от нормы (18°С- 22° С). В условиях солевого стресса (-0.3 МРа) при выращивании семян ниже 10°С и выше 30°С прорастание семян замедлялось или полностью прекращалось, в то время как в контроле при нормальной температуре и аналогичном засолении не было зафиксировано изменений скорости прорастания семян. Такое влияние температуры на прорастание семян и рост побегов в условиях солевого стресса можно объяснить изменением проницаемости мембраны при действии температуры.

Солеустойчивость растений зависит от возраста и стадии развития. Засоленность среды (осмотический потенциал * -0.65 МРа) не полностью ингибировала, но значительно (на 4 дня) затормаживала прорастание семян. Кроме того, были проведены опыты по определению влияния солевого стресса на фазы развития растения. Было показано, что уменьшение урожайности вдвое происходило в том случае, когда растение находилось на стадии вегетации при условиях засоления s = -0.7 МРа, а в стадии репродукции и созревания урожайность уменьшалась вдвое лишь в условиях двукратного засоления (s = -1.55 МРа). Вышеизложенные