Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полиморфизм запасных белков сорго в связи с регистрацией ресурсов и систематикой рода Sorghum moench

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Полиморфизм запасных белков сорго в связи с регистрацией ресурсов и систематикой рода Sorghum moench"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА

РГЗ Ой

На правах рукописи

ХСШ УТ Н И КО В А Людмила Анатольевна

УДК 633.174:581.192

ПОЛИМОРФИЗМ ЗАПАСНЫХ БЕЛКОВ СОРГО

В СВЯЗИ С РЕГИСТРАЦИЕЙ РЕСУРСОВ И СИСТЕМАТИКОЙ РОДА SORGHUM MOENCH

Специальность: 03.00.04 — Биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в лаборатории биохимии Всероссийского научно-

исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилову в 1990—1993 гг.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор

A. В. Конарев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

B. Н. Красильников, кандидат биологических наук Н. К. Губарева.

Ведущее учреждение — Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН.

Защита диссертации состоится « » 1994 г. в часов

на заседании Специализированного совета Д 020.18.02 во Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н. И. Вавилова (190000, С.-Петербург, Б. Морская, 44).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ растениеводства им. Н. И. Вавилова.

Автореферат разослан « » 199 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доктор биологических наук Э. А. Гончарова

I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Сорго - одна из перспективных культур юга России. В связи с этим актуальны проблемы создание и изучения новых сортов и линий сорго, подбора перспективных родительских пар в селекции на гетерозис и другие. В настоящее время недостаточно разработаны вопросы регистрации генетических ресурсов и систематики рода Sorghum Moench. Все это требует разработки и внедрения новых подходов к регистрации и идентификации генетического материала, контролю селекционных процессов,, маркированию хозяйственно ценных биотипов этой культурней т. п.

В настоящее время в решенга этих проблем для многих зерновых культур с успехом используются биохимические подходы, основанные на применении электрофореза полиморфных белков, в частности, белков семян. Это позволяет предположить, что данный метод исследования может быть перспективен и для изучения генофонда сорго.

Целью данной работы являлось изучение биохимических свойств запасных белков сорго и их полиморфизма в связи с систематикой рода Sorghum, регистрацией ресурсов и маркированием селекционно ценных биотипов этой культуры.

. Были поставлены следую'дие задачи:

• I. изучить биохимическую природу и уровень гетерогенности белков спирто- и щелочерастворимой фравдий зерна сорго;

2. изучить характер наследования ряда компонентов кафирина:

3. изучить уровень полиморфизма селекционного материала и различных таксонов рода по злектрофоретическим спектрам кафирина;

А. оценить степень сходства различных таксонов сорго покомпонентному составу кафирина:

5. исследовать взаимосвязь компонентного состава кафирина с селекционно ценными признаками.

Научная новизна и прачткческе значение. Изучены биохимические свойства (молекулярный вес, аминокислотный состав, злектрофорети-ческая подвжкоеть и компонентный состав) спирто- и цолочераство-римых белков семян сорго. Дана сравнительная оценка изучаемых белков с проламкнахк и глютелинакн других злаков.

Показана перспективность использования электрофореза белков спирторастЕорикой фракции (кафирина) для регистрации ресурсов сорго.

Проведена идентификация, изучен характер наследования и выявлены группы сцегленко наследуемых компонентов ка$ирина сорго.

Составлен рабочий эталонный спектр кафгфша.

•Изучен полиморфизм 20 культурных и 10 дикорастущих видов . сорго, а также селекционного материала по спектрам кафкрша. Составлены схемы взаимоотношений различных таксонов сорго по электрофо-ретическпм спектрам белков данной фракции.

■ Осуществлена идентификация ряда хозяйственно ценных биотипов сорго по спектрам кафирина.

Предложен способ прогнозирования эффекта гетерозиса по продуктивности зерна с использованием электрофоретических спектров кафи-Pив родительских форм сорго.

Апробация работы. Результаты работы были долоаены на конференциях молодых ученых и аспирантов ВИР CI99I, 1992, 1993 гг.).

Публикации. По материалам диссертации' опублжовано 2 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на ПО страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав ' литературного обзора, результатов, их обсузденкя и выводов. Содержит 15 рисунков, 12 таблиц. Список цитируемой литературы включает 160 названий. Приложение содержит 5 таблиц.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на семенах 158 образцов 20 культурных и 10 дикорастущих видов сорго из 5 секций рода Sorghum: Arundinäceae ■ (S.sucianense, S.virgatum, S.verticiUflorum, s.macrochaetua), Blu-menbachla (S.almum, 'S.halepense), Parasorghum (S.purpureo-sericlum, S.tntrans, S.-leiocladum), Heterosorghum (S.laxillorm) i: Sorghum (серия Durra: S.durra, S.subglabrescens, S.cernum; серия Caffra: S.caffroruni, S.coriaceum, S.nigricans, S.dulclcaule, S.ca-udatutn: серия Blcolorla: S.blcolor, S.slmulans, S.elegans, S.sac-charatura: серия Gulneae: S.guirieense, S.roxburghil, S.exertum, S.garr.blcurn: серия Nervosa: S.nervosum, S.ankolib, S.melaleucum, S.basutoruin) (по Иванюкович и Доронина, 1980.). При анализе результатов селекционной работы материалом исследования являлись б стерильных линий сорго на основе ЦЦС, 46 селекционных образцов и ю гибриды Fj и Го, полученные на КОС ВИР в 1990/91 годах.

Для выделении белков из семян сорго использовали принцип фракционирования белков Lanclry и Mauoreux (1970).

Бел™ спиртораствсримой фракции (белки СФ) извлекали из мую зерна- föK изонронанолом в присутствии 10% Р - меркаптоэтанола. Дл! итого муку каадого «образца помещали в микропробирку, добавлял!

л

80жл 65й изопроганола и 8 ш о - керхалгозтаяола. Смесь перемешивали и оставляли при комнатной температуре на 40 мин., затем центрифугировали 5 мин. при 12000 об./шн. Экстракты отбирали û количестве 40 икл и смешивали с 60 мкл 10 M раствора мочевины.

Белки щелочерастворимой фракции (балки ЩФ) извлекали из навески муки 0,5 M карбонатным буфером Ка2С03 / NaHCOg рН 10 в присутствии 5Z Р - керкаптозганола и 2% SÛS после последовательного освобождения ее от лигщдов, водо-солерасхворимах белкоз и балков СФ.

Электрофорез белков СФ проводили в- пластинах 7,5% полкакрил-аадного геля в ацетатном буфере (рН 3,1) по методгасе принятой в ВИР (Гаврилкк и др., 1973). После окончания электрофореза белки фиксировали и окрашивали раствором 0,075Ж Coomassl G-220 в 3,5% хлорной кислоте (Остеркан, 1983).

SBS-электрофорез белков СФ ЦФ провода/и ло методу Лемли (Laemmli, 1970) с использованием 15% разделяющего геля (рН 8,8) и 5Ж концентрирующего геля (рН 6,8). Белки окрашивали красителем Coomassi-R на 10% ТХУ.

Аминокислотный анализ белков осуществляли на аминоанализаторе фирмы "JEOL" в отделе молекулярной биологии ВИР в соответствующими методическими указаниями по белковому и аминокислотному анализу (Тютерев и Чмелева, 1973).

При изучении характера наследования компонентов кафирина расчеты проводили с использованием критерия *2(Зайцев, 1991). Оценку достоверности связи компонентного состава кафирина с величиной гетерозиса осуществляли методом дисперсионного однофакторного анализа (Плохинский, 1980). Степень сходства по компонентному составу кафирина внутри и к езду таксонами оценивали путем расчета их внутренних и внешних 1Шдексов различия ( RDI ) ( Branlard & Mabault, 1984).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Биохимические свойства белков СФ и ЩФ.,

Для изучения биохимической природа белков СФ и ЩФ были определены их аминокислотный состав и молекулярная масса у 10 образцов зернового сорго.

Исследованные образцы сорго характеризуются сходным аминокислотным составом белков СФ, который отличается несбалансированным соотношением аминокислот. Белки СО по данным аминокислотного анализа обладает свойствами проламинов. На это указывает достаточно

высокое содержание глютаминовой кислоты (2Ií!) и лролша C82Í) в белках этой фракции. Весьма высоким является содержание гидоофоб-HLK аминокислот, презде всего, аланина (10«) и лейцина (16%К В то Ее время отмечено очень низкое содержание ооюсш амшютоилог: лизина (0.4Ж), гистидина (1,ЭХ) и аргинина (3%). Полученные данные согласуются с результатами исследований проламгаюв других зерноипх культур, в частности пшзниш, ячменя и рзси (Charbonnier & Masse, 1980) и очень близки соответствующим' показателям зегача кукурузы (Савин, 1592). Аналогичный результаты аминокислотного анализа получены для кафирина сорго (Beckwlth and Wall, 1972: Перуонсккй и Сйеич, 1939).

Аминокислотный состав белков ЩФ существенно отлетается от состава белков СФ большей сбалансированностью по аминокислотам. Oit характеризуется несколько меньшим содержанием глютаминовой 1Шслоты (13%), меньшей долей гидрофобных ьмшижислот лейцина(6%), изолей-цина(ЗХ), аланш1а(5%) и фенилаланина(ЗХ) и значительным содержанием, основных амйнятислот лизина(4%), аргинина(55) и гистидннаСШП, а также пролина(19Х). Результаты аминокислотного анализа балков ЩФ согласуются с литературными данныш, полученными при биохимическом исследовании глшелинов зернового сорго (Перуанский и Савич, 1989; Beckwlth & Wall, 1972), а также кукурузы (Савин, 1992).

Таким образом, по результатам аминокислотного анализа белки ЩФ ■ сорго обладают свойствами глютелинов и, в частности, сходны с глю-телшаки кукурузы.

Результаты определения молекулярной массы бежов СФ методом SDS-алекгрофореза показывают практически полную идентичность спектров 10 изученных образцов зернового сорго. В спектрах белков присутствуют интенсивный двойной компонент, соответствующий М.м. 22-24кДа, а также минорные компоненты М.м. 18кДа и 40кДа. Полученные результаты согласуются с литературным! данными о молекулярном весе кафирина сорго (Beckwlth и Wall, 1972; Перуанский и Савич, 1989)-.

Таким образом, по аминокислотному составу и молекулярной' массе белки СФ зерна сорго, извлекаемые в присутствии ft - меркаптоэтано-ла,-являются проламином, а именно, кафирином сорго.

В отличие от белков СФ, белки ЩФ зерна по данным SDS - электрофореза представляют собой смесь 9-16 белков различного молекулярного веса. Большая часть компонентов присутствует в зон8 от 12кДа-до 67кДа. Полученные нами данные согласуется с результатам исследований глютелина сорго Перуанского и Савича (ISS9).Эти авто-

б

рц отмечают. 11 аяектрофоретсиеских компонентов глютелина сорго с М.м. от 20кДа до 400кДа, причем, основная доля белка также приходится на низкомолекулярше кошоненти М.м. 20-50кДа.

Спектры глгателинов разных образцов сорго различаются только по двум злоктрофоретическим зонам - М.м. 45-67кДа и Ю-24кДа, соответственно. ПерЕая зона глютелшов сорго включает от 3 до 6 компонентов различной интенсивности. Незначительные различия дабдвдают-ся во второй зоне, где отмечено три минорных компонента (ШкДа, 19кДа и 21кДа), из которых два иногда отсутствуют или присутствуют в следовых количествах.

Для изучения уровня гетерогенности проанализирован компонентный состав кафирина 209 образцов сорго различного систематического положения.

Электрофорезом в ПАДГ при рН 3,1 выявлено 24 компонента кафирина различной интенсивности и злектрофоретической подвижности. Нумерацию компоиентоз проводили в соответствии с их относительной злектрофоретической подвижностью, расчитанной по отношению к таковой реперных компонентов (19, 23-24, 30).

Частота встречаемости отдельных компонентов кафгрина значительно варьируют. Наиболее часто встречаются компоненты ,19, 23-24 и 30. Они присутствуют в алектрофоретических спектрах фактически всех образцов и имеют высокую интенсивность. Несколько реже встречаются компоненты 26 и 41, которые имеют различную интенсивность у различных образцов. Четыре компонента (28, 29, 32 и 33) отмечены в 45Ж-55Ж случаев. Остальные компоненты кафирина являются редкими и уникальными. Ка основании этих данных составлен рабочий эталонный спектр кафирина для рода гогё?™ (рисЛ).

19 22 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43

а

21 23-24 26 28 30 32 34 36 33 40 42

49

Рис.1 Рабочий эталонный спектр кафирина сорго (электрофорез 7,5% ШАГ, ацетатный буфер рН 3,1): с - компоненты с частотой 75-100%:

---•• -45- 55Ж:

---" -0,5-25%

Ранее CPaulys and Wall, 1979), в алектрофоретических спектрах кафирина выявили только 10-15 белковых компонентов. То, что в данном исследовании отмечено большее число компонентов кафирина, по-видимому, связано с привлечением в исследуемый материал дикорасту-ици форм сорго.

Результаты электрофореза демонстрируют высокий уровень • полиморфизма изученного материала по спектрам кафирина. Для 209 образцов сорго выявлено 85 типов спектра по наличии или отсутствию отдельных компонентов. Отдельные типы спектра кафирина имезат разную частоту встречаемости. Наиболее характерным для сорго является тип спектра I? 16, он зарегистрирован более, чем у трети исследованных образцов. Типы спектров tM.'JflO, ИЗ, !i3? и If38 - имеют частоту от S& до 9%, а остальные являются редкиш или уникальннки (Рис.2).

(¿¿¿«л Tu? r;.v 'j ыд^з БмдеыЗ

C^í» Ш1 Ein Ы2Л Ci.il

19 23-24

_ ZI .H 25 26 ■

icza isas. tüis esa ^ 29

33 ^

— 23 39

esa esa ezzí 42

~ KI6 ifl tí-IO K'I3 ÍÍ37 1.-38 компоненты Рис.2 Типа спектра кафирина с наибольшей частотой встречаемости.

Полученные данше относительно гетерогенности кафирша подтверждают выводи Ю.В. Перуанского и И.М. Савича (IQS8) о перспективности использования электрофореза данной фракции белка для идентификации генотипов сорго.

То, что электрофорез глшелшов выявил незначительные различия мевду образцам! по компонентному составу позволяет использовать электрофорез этих болкоз лишь как дополнительный метод' для регистрации ресурсов сорго.

Наследование компонентов кафирина.

Изучение характера наследования белковых компонентов проводили у гибридов Fj и Полученных от скрещивания родительских форм, различаются по компонентному составу спектров кафирина. Материнские форш представлены стерильными линиями на основе ЦМО А-83,

А-458, Л-10593, а отцовские - селекционными образцами М61006, М60953, М61284, М63057.I и 137920.

Результаты электрофореза показали однородность гибридсйз по спектрам кафирина и наследование гам кошонентов обеих родительских форм. По Еизуаяыюй оценке интенсивности белковых компонентов отмечена больная интенсивность "материнских" компонентов, по сравнения) с "отцовскими". Полученные результаты согласуются с литературными данными о наследовала: белковых признаков ^ гибридами ряда других зерновых 1гультур (Митрофайова, 1979: Поморцев, 1988).

В Г2 выявлено расщепление по спектрам кафиркна. Среда аяектро-форепгческих спектров отмечены как идентичные родительшгш, тазе и гкбридша. Существенно преобладают фенотипы, сходные с таковыш гибридов. Всего у гибридов обнаружено от 3 до 7 типов спектра иафирш®.

Изучено наследование компонентов 28, 37 и 40, характерных для материнских форм, и компонентов 25, 29, 33 и 33, характерных для спектров опылителей (таблица I).

Таблица I

Численности фототипических классов комбинаций кошонентов в спектрах ряда гибридов Г2 (для выборки 100 зерновок).

Комб!птакш компонентов

комбинация 28-37-40 33-2.9 28-33-37-29-40 28-33-37-40 28-37-29-40

А-83'х М6Ю06 23 22 зз I . I

Л-458х М6Ю06 24 22 52 0 2

А10598х),(61006 30 18 47 * I

28-37-40 25-29-38 25-28-29-37- 25-28-29- 25-28-37-

-33-40 -37-40 -33-40

А10533х13792д 29 20 47 2 2

А10598x1.(63057 + + - -

* У гибрвдкой комбинации А10598хМ63057 показано только наличие (*) и отсутствие (-) соответствующих фенотипов.

По наличка - отсутствию компонентов 25, 29, 33 и 38, а такте комбинации кошонентов 28-37-40 показаны моногибридные типы га расщепления, 3:1 (<-.-).

При изучении комЗишгскР белковых кошонентов 29-33, а также 25-29-38 установлен гаегагевчяП характер их наследования. Доля ре-

ксы&шантшх фенотипов, отличающихся присутствием лишь одного из компонентов комбинате!, крайне незначительна. Группа сцелленно наследуемых компонентов 29-33 присутствует у образца зернового сорго Ы61006, компонентов 25-29-38 - у образцов IS7920 и M63057.I.

Меаду генетическими факторами, ответственными за проявление комбинации компонентов 28-37-40, и факторами, контролирующими комбинации компонентов 25, 29, 33 и 38, выявлено взаимодействие по принципу "отталкивания". Полученные данные свидетельствуют о возможном аллельном характере контроля данных белковых признаков.

Взаимоотношения ме:цду таксонами сорго по спектрам.кзфирииа.

В настоящее время актуальным является поиск дополнительных критериев для уточнения систематического положения ряда образцов и таксонов рода Sorghum. Филогенетическая значимость спектров запасных белков, показанная на целом ряде злаков, с одной стороны, и выявленный высокий уровень гетерогенности запасного белка сорго -кафирина, с другой стороны, позволяют использовать электрофорети-ческие спектры кафирина для решения вопросов, связанных с систематикой, а так?^е идентификацией образцов и таксонов этого рода.

Для изучения степени сходства таксонов Sorghum сорго исследован полиморфизм и проведено сравнение компонентного состава злек-трофоретических спектров кафирина 158 образцов различного систематического положения.

Между культурными (секция Sorghum) и дикорастущими видами сорго (секции Arunüinaceae, Blumenbachla, Parasorghum, Heterosorghm) обнаружены существенные отличия по компонентному составу кафирина.

Большинство образцов дикорастущих видов является полиморфным и обладает 2-12 пашщ спектра. В отличие от них, практически все образцы культурных видов однородны по спектрам кафирина.

Характерной особенностью дикорастущих видов сорго является наличие рада специфичных компонентов (21, 22, 27, 31, 39, 42 и 49) и более многокомпонентные спектры кафирина, по,сравнению с таковыми культурных ввдов (Рис.3). О более высоком уровне полиморфизма дикорастущих видов говорит и наличие у них большего разнообразия типов спектра кафирина (64 типа спектра у 30' образцов), чем у культурных видов (28 типов спектра у 128 образцов).

■ Наиболее близкой секши Sorghum по спектрам кафирина является секция Arunülnacea. Сходство меаду этими секциями обеспечивается, глаешн образом, за счет двух видов секции Arundlnacea S.vertlcll-l!Horum и S.sudanense, среди генотипов которых отмечен ряд вден-

1U

тичных таковым культурных видов. Полученные результата о сходстве секций Sorghum и Arundlnaceae по спектрам запасных белков согласуются с данными о филогенетической связи между этими таксонами.' Вместе с тем, большинство евдов, относящихся к секции Arundlna-сеае, с той или иной достоверностью могут быть дифференцированы друг от друга, благодаря наличия специфичных типов спектра.

tT7F3 K3£3t 1ЙЖЯ 19

23-24

26 28 30 32 35 37 39

21 22

27 29 31 33 36 38 40

42

--41

43

- 49

1 2 3 4 ' 5 компоненты Рис.3 Типы спектра кафнрина, характерные для секций рода Sorghum: • секции: 1 - Sorghum; 2 - Arundlnaceae; 3 - Blumenbachla;

4 - Parasorghum; 5 - Heterosorghum.

Анализ компонентного состава кафнрина показал существенные различия ибаду секциями Blumenbachla, Parasorghum и Heterosorghum по этому признаку.

Секция Bluraeribachla, изученная по двум . видам (S.halepense и S.aLTium), характеризуется млогокомпсненттши специфичными спехтра-ки. Так как виды секции Blumenbachla обладают, в основном, уникальными типами спектра, они достоверно различаются между собой и могут быть идентифицированы по спектрам кафирша. Данные асе о сходстве кокпонентого состава кафирина всех представителей секции Blumenbachla (наличие спецкдкчкнх кошонснтов 36 и 38) согласуются с положением этих видов в системе рода.

Секция Parasorghum, представленная 3 гадами (S.purpureo - se-ricím, S.leioclamra, S.lntrans), отличается только уникальными типами спектра. Таким образом, все исследованные виды стщш Parasorghum могут бить легко ид.:'итаф;щироваик по спектрам кафирина. Несмотря на уникальность кахдого из отмеченных типов спекла в

данной секции, все они характеризуются общими особенностями компо нентного состава кафирина, связанными с наличием специфичных компонентов (21, 22, 2? и 3D, что подтверадает правомочность объединения данных видов в одну секцию.

Монотипная секция Heterosorghuni, изученная по виду S.laxlflo-rum, является однородной и характеризуется ушжалышм типом ' спектра. Наличие специфичных особенностей компонентного состава кафирина S.laxiflorum согласуется с его выделением в отдельную секцию рода на основами морфологических и кариологических исследований (Квашжозич, Доронина, I9S0).

Секция Sorghum представлена в нашем исследовании наибольшим числом видов, разделенных на 5 серий в системе рода (по Иванюко-вич, Доронина, 1930). • .

Центральное положение в секта! занимает S.bicolor. Данный еид характеризуется типом спектра !?16, который наиболее часто встречается у культурных видов сорго (в 31% случаев)/

К S.bicolor близок ряд видов, не отличающихся или сходных с ним по спектрам кафирина. Это относится к вцду S.simulans (объеда-нешюму с S. bicolor в серию Blcolorla), а также видам S.exerüim и S.gamblcum (из серии Guinea), S.cernuuffl (из серии Durra), S.nervosum и S.melaleucm (из серии Nervosa). Более отдаленным от S.bicolor по спектрам кафирина является S.saccharatm, включенный с ■S.bicolor в одну серию. При этом, группа разновидностей S.saccha-ratui.i convar. saccfcaraura обладает, в основном, типами спектра, идентичными таковым S. bicolor (If 16 и КМ), а также специфичными (К*41 и IÖIOO). А группа разновидностей S.saccíiaratm convar. technician отличается специфичным типом спектра №37) с высокой частотой встречаемости, что определяет ее относительно независимое положение и позволяет идентифицировать по спектрам кафирина.

У всех видов S.durra, S.cernuura и S.subglabrescens из серии Durra отмечен тип спектра №13, однако только у S.subglabrescens он имеет высокую частоту встречаемости. S.durra отличается высоким уровнем полиморфизма и рядом специфичных типов спектра (Й2, t?I2, h"I5). Л S.cernuum тяготеет к серии Blcolorla по компонентному составу кафирина. То, что для серш Durra отмечены идентичные и рад специфичных типов спектра кафирина с низкой частотой встречаемости, позволяет идентифицировать только некоторые образцы, относящиеся к видам этой серш.

Серия Caffra вшссчает вида, среди которых S.coriaceum и S.caf-frorum очень близки по спектрам кафирина. Подавлявшее большинство образцов этих видов характеризуется типом спектра !?1. Сходство S.coriaceua и S.caffrcrust по спектрам кагаирина подтверждает логику их объединения в одну серию Caffra на основании их происхождения и сходства ряда морфологических признаков.

Два других вида S.nigricans и S.caudatiM кз серии Caffra отличаются специфичными типы-яг спектра кафирина. Для S. nigricans характерен тип спектра )?Ю, отмеченный также у вода S.caudatun, для которого был характерен иной тип спектра (??23). Оба типа спектра (íflO и №38) практически не встречаются у других видов сорго, то есть являются маркерными для.S.nigrians и S.caudatm.

Большая часть евдов серий Guinea и Nervosa обладает типами спектра, отмеченными у еидсв ранее упомянутых серий, главным образом, серии Bicoloria. S.guineense из серии Guinea явно тяготеет к видам серки Caffra по спектрам кафирина. S.clegans из серии Bicoloria занимает промежуточное положение мзаду сериями Caffra и Dur-га, а все тиш спектра, характерные для S.roxburghll (ÍÍ5, ÍÍI6 и !*17), отмечены у некоторых дикорастущих видов секции Arundinaceae. В то se время, отмечен ряд специфичных типов спектра для секций Guinsae и Nervosa Of3, ií39 и if6, Ш, ¡?29, №47, соответственно), однако с низкой частотой встречаемости. С учетом значительного сходства серий Guineas, Nervosa и Bicoloria по спектрам кафирина, их идентификация по этому признаку не мсог.ет быть корректней. Наличие же ряда специфичных типов спектра позволяет идентифицировать лига, некоторые образцы видов из этих серий но спектрам кафирина.

По результатом сравнения компонентного состава кай:;рила только виды S.nigricans и S.cauriatun, а также группа разновидностей S.sa-ccharatum convar. technicum занимают относительно независимое положение по спектрам кафирина. Осталыа(е культурные еиды, несмотря на наличие ряда специфичных типов спектра, характеризуются значительными совпадениями. По результатам исследований степени сходства по составу кафирина внутри и мевду культурными видами сорго составлена схема их взаимоотношений (Рис.4).

То, что значительное число культурных видов сходно по спектрам кафирина с видом S.bicolor, согласуется с позицией de Wat (1978), признающего существование только одного культурного вида сорго S.bicolor. Наличие общих типов спектра у разных культурных водов

свидетельствует о возможном их родстве. В то же время четкая дифференциация ряда видов и отдельных образцов по компонентному составу кафирина позволяет идентифицировать их по данному признаку.

Рис.4 Межвидовые взаимоотношения в секции Sorghum по компонентному составу кафирина: I. S.bicolor, 2. S.nervosum, 3. S.exer-trn, 4. S.slmulans, 5. S.melaleucum, 6. S.gamble™, 7. S.cernuum, 8. S.durra, 9. S.subglabrescens, 10. S.dulclcaule, II. S.sacchara-tum convar. technicura, 12. S.saccharatum convar. saccharatum, 13. S.basutorum, 14. S.elegans, 15. S.caffrorum, 16. S.coriaceum, 17. S.gulneense, 18. S.ankollb, 19. S.roxburghll, 20. S.nigricans, 21. S. cauda tum. (Размеры квадратов пропорциональны внутренним FUJI соответствующих видов. Соединены виды, имеющие общие типы спектра).

Применение способа расчета внешни)! и внутренних индексов различия по Бранларду для оценки степени сходства внутри и мезду сек-, циями сорго позволяет построить схему их взаимоотношений с учетом компонентного состава кафирина (Рис.5).

Рис.5 Взаимоотношения мегду секциями Sorghum (S), Arundinaceae (А), Blumenbachla (В), Parasorghun (Р) и Jíeterosorglum (Н) по компонентному составу кафирина. (Цифрами значе1кя внеших RDI).

Полученные данные о степени сходства по спектрам кафирина между секциями и дикорастущими видами Sorghum согласуются с их положением в системе рода (по Иванюкович, Доронина, 1930). Значительные различия мезду дикорастущими и культурными видами сорго по спектрам кафирина свидетельствует против их объединения в один ввд S.bicolor, как это предлагалось рядом зарубежных исследователей (Huckabay & de Wet,1967: Harlan,1972).

Использование полиморфизма кафирина в селекции J

В настоящее время полиморфные белковые системы многих злаков успешно используются для идентификации сортов и линий, определения гибридаости семян, регистрации селекционно ценных биотипов и решения ряда других проблем селекции. Выявленный нами полиморфизм сорго по спектрам кафирина открывает возможности для решения некоторых прикладных задач.

Так, проведена регистрация генотипного состава селекционных образцов сорго по спектрам кафирина. По результатам электрофореза все исследованные стерильные линии сорго однородны по кафирину. Большинство из них не различается по компонентному составу кафирина. 5 линий из 6 (А-83, А-458, А-695, A-I0598 и JI-2I) характеризуются идентичными типами спектра (if 16). Линия Л-23 отличается иным типом спектра (№13). Большинство из 46 исследованных селекционных образцов также однородно по составу кафирина, за исключением двух (M63057.I и М63082), у которых выявлено по два типа спектра с различной частотой встречаемости.

Всего у исследованных селекционных образцов отмечено 17 типов спектра кафирина. Такие спектры как MI, №14 и №45 встречаются наиболее часто. Десять;типов спектра l?4, iF9, Ш, №20, »21, №22, №23, №33, 1?34являются уникальными для данного селекционного материала.

Показано сходство компонентного состава кафирина селекционных образцов с таковым культурных видов сорго, а также рядом видов секций Arundinaceae и Blumenbachla. Более четверти селекционных образцов характеризуется специфичными типами спектра в рамках всего исследованного нами материала. Это, с одной стороны, позволяет идентифицировать селекционные образцы по спектрам кафирина, с другой стороны, говорит об их сложном происхождении с использованием гибридизации разнообразного в систематическом отношении материала.

Различия по компонентному составу кафирина родительских форм при скрещивании различных линий сорго позволили подойти к проблеме

взаимосвязей белковых маркеров и отдельных количественных признаков. Сделана попытка прогнозирования эффекта гетерозиса по продуктивности зерна зернового сорго с использованием электрофореза ка-фирина родительских форм. Исследование проводили на 4 стерилыг.к линиях (А-83, А-342, А-458 и А-10503) и 33 линейных опылителях.

То, что спектры кафирина опылителей имеют как обврю компоненты со спектра1.г,г материнских линий, так и специфичные, отсутствуйте в-материнских спектрах, позволяет сгруппировать все опылители в 4 группы по признаку отличия их от стерильных линий по спектрам кафирина. В первую группу вошли опылители с идентичным материнскому типом спектра (9 образцов), во Еторуи (8 обр.), третью (12 обр.) и четвертуй (9 обр.) - опылители, в электрофоретических спектрах которых были один, два и три компонента, соответственно, отсутствуете е спектрам материнских форм.

В результате исследований обнаружена положительная зависимость мезду степенью различия родительских типов спектра и гетерозисным эффектом у гибридов. Гетерозис по продуктивности зерна у гибридов от родителей, у которых отцовский спектр имеет большее число специфичных компонентов, в среднем выше, чем у гибридов от родителей с меньшими различиями или не отличающихся по спектрам кафирина, и в среднем составляет 9Ж, 20%, 25% и 40%, соответственно (Рис.6).

Эффект гетерозиса (5С)

компонентов кафирина отцовских линий:

. - для стерильных линий: " >" - А 83: "-" - А 458: "*'" - А 10598; "=" - А 342:--поздняя арифметическая.

Дисперсионный анализ данных по гетерозису показал достоверную связь мевду числом специфичных компонентов спектров опылителей и величиной гетерозиса по продуктивности зерна.

Таким образом, по результатам сравнения родительских спектров кайиргяа иохяо ожидать, что гибрида от скрещивания родителей с идентичными типами спектра будут низкогетерозисннми и негегерозис-ными, гибриды от скрещивания материнских линий с отцовскими второй и третьей группы - спеднегетерозксными, а с отцовскими линиями четвертой группы - высокогетерознсныки.'

Данный способ прогнозирования гетерозиса заключается в группировке отцовских линий по числу специфичных компонентов кафирина с последумцей дифференциацией гибридов по величине гетерозисного зйекта, что обеспечг-ззает подбор перспективных родительских пар из неограниченного числа образцов на ранних этапах селекционного процесса без проведения палевых испытаний.

Сказанное вниз позволяет сделать вывод о целесообразности использования электрофореза кафирина при подборе родительских пар в селекции сорго на гетерозис по продуктивности зерна.

Маркирование солетпргснтто ценгосс биотипов.

Разработка способов оценки геноллов кукурузы и сорго на повышенное качество зерна была предпринята по результатам Исследования алектрофсретических субфракций проламинсв (Перуанский и Саши, 1989). По этим данным образцы сорго, различающиеся по тем или иным хозяйственным признакам, имели существенные различия по составу субфракций кафиримэ.

Нами проведено выяснение взаимосвязи между принадлежностью образцов сорго к группам различного хозяйственного использования (зерновое, сахарное, техническое) и компонентным составом кафирина.

По результатам электрофореза, групп« сортов зернового сорго Фетерита и Хегари однородны по спектрам кафирина и включают образцы с вдентичиии типами спектра 0?38), что соответствует их принадлежности к одному виду сорго 3. сашЗа1ш. То ке касается группы Майло, которая также отличается однородностью по спектрам нафарина (!ЛЗ) и объединяет образцы, относящиеся к виду 3.гиЬ,з1аЬгезсеп5. Указанные типы спектра (!?13 и !?38) являются специфичными для данных хозяйственных групп и, следовательно, маркируют их.

Группа Гаолян включает образцы четырех видев сорго и характеризуется несколькими типами спектра (!?16, 1?14 и №1), га которых

только один 0?14) является специфичным. Таким образом, могут быть идентифицированы только отдельные представители указанной хозяйственной группы с данным типом спектра.

По результатам электрофореза внутригрушовой полиморфизм сахарного сорго очень еысок. Эта группа объединяет образцы, относящиеся к большому числу видов с различными тинами спектра. Данные результаты соответствуют представлению о возникновении способности' к накаплению Сахаров.в вегетативных частях сорго как независимой кутацга, происшедшей у различных видов сорго.

Груша технического сорго является весьма однородной и характеризуется типом спектра №37, объединяя образцы видов сорго S.sac-charatm и S.bicolor. При этом, образцы S.saccharatuüi и S.bicolor, отличающиеся иными типами спектра, не входят в группу технического сорго. Следовательно, тип спектра кафирина 1Í37 маркирует биотип технического сорго.

Полученные данные свидетельствуют о принципиальной возможности маркирования ряда хозяйственных биотипов сорго с использованием спектров кафирина. Об это?! говорит наличие хозяйственных групп сорго однородных по компонентному составу кафирина и характеризующихся специфичными типами спектра.

ВЫВОДЫ

По результатам биохимического исследования запасных белков 209 образцов сорго сделаны следующие вывода:

1. Белки СФ семян сорго, извлекаемые в присутствии п-меркапто-этанола, по результатам аминокислотного анализа и определения молекулярной массы имеют проламиновую пр;фоду и являются кафиринои. Белки ЩФ, извлекаете в присутствии п-меркаптоэтанола и SDS, по аналогичным биохимическим характеристикам являются глютелинами.

2. Кафирин сорго обладает высокой' гетерогенностью при алектро-форетическом разделении в кислой среде, выявлено 24 компонента кафирина и составлен рабочий эталонный спектра кафирина сорго. По данным SDS - электрофореза глютелин сорго характеризуется низким уровнем гетерогенности.

3. Установлен моногенный характер контроля наличия компонентов кафирина 25, 29, 33 и 38 в электрофоретических спектрах селекционных образцов, а также комбинации компонентов 28-37-40 у стерильных линий зернового сорго. Выявлены группы сцепленно наследуемых белковых компонентов 29-33 и 25-33-38. Результаты исследования свиде-

тельствуют о возкояяом аллельном характере контроля комбинации компонентов 28-37-40 и компонентов 25, 29, 33 и 38 .

4. Выявлен различный таксономический уровень специфичности компонентного состава кафирина. По этому признаку могут быть достоверно идентифицированы как большинство изученных таксонов (секции Богй1шгп, АгипсПпасеае, В1итепЬасЫа, Рагаяог£Ьит, Не1егояог-

и дикорастущие виды), так и отдельные образцы сорго.

5. Обнаружены существенные различия мезду культурники и дикорастущими видами сорго по спектрам кафирипа. Показано большее генетическое разнообразие дикорастудж видов сорго, по сравнению с культурными.

6. Полученные данные о степени сходства секций и дикорастущих видов сорго по спектрам кафирина согласуются с их положением в системе рода Богарит (по Ивашкевич, Доронина, 1930).

7. Обнаружена положительная достоверная связь между гетерозис-ным эффектом у гибридов и степенью различия спектров кафирина их родителей. Полученные данные говорят о целесообразности использования электрофореза запасных белков при подборе родительских пар в селекции сорго на гетерозис по продуктивности зерна.

8. Выявлена взаимосвязь между делением сорго на хозяйственные биотипы и компонентным составом спектра кафирина. Отмечены маркерные типы спектра кафирина для группы образцов сорго технического назначения, а также групп сортов зернового сорго: Майло, Фетерита и Хегари.

9. Электрофорез запасных белков сорго является перспективным методом для уточнения филогенетических взаимоотношений1 меаду таксонами Бог^Ьт, идентификации и регистрации образцов и таксонов рода, анализа селекционного материала, а также маркирования ряда селекционно ценных биотипов этой культуры по спектрам кафирина.

Практические рекомендации

Электрофорез кафирина рекомендуется для использования в научно-исследовательских учеревдениях и селекционных центрах, занимающихся проблемами ресурсов злаков, систематикой, генетикой и селекцией сорго.

Данный метод исследования может являться дополнителышм критерием при уточнении систематического положения ббразцов и таксонов сорго. Использование пслиморфюма кафирина является перспективным

для идентификации биотипов сорго, определения завершенности формирования инбрадных линий, анализа гибридных семян. В селекции сорго на гетерозис по продуктивности зерна электрофорез запасных белков сорго позволяет осуществлять целенаправленный отбор перспективных родительских пар для скрещивания.

По материалам диссертации опубликованы следующие статьи:

1. Хомутникова Л.А. Исследование полиморфизма зернового сорго по злектрофоретическиы спектрам запасных белков. - Билл. ВИР, 1992, вып. 223, с. 37-39.

2. Хомутникова Л.А., Аббасов Г.Г. Электрофорез запасных белков зерна при подборе родительских пар в селекции сорго на гетерозис. - Билл. ВИР, 1993, вып. 230, с.23-24.