Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров"

На правах рукописи

ДЕДКОВА Ольга Станиславовна

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИПЛОИДНЫХ ПШЕНИЦ Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., Т. spelta L. и Т. aestivum L. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ

03.00 15 - Генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2008

003168698

Работа выполнена в лаборатории генетики растений Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

Бадаева Екатерина Дмитриевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор

Богданов Юрий Федорович ИОГЕНим НИ Вавилова РАН

доктор биологических наук, Соловьев Александр Александрович РГАУ - МСХА им К А. Тимирязева

Ведущая организация:

Ботанический институт им. В Л Комарова РАН

Защита состоится «_»_2008 года в «_» часов на

заседании Диссертационного совета Д 002 214,01 при Институте общей генетики им. Н И Вавилова РАН по адресу 119991 ГСП-1, Москва, ул Губкина, д.З Факс (499) 132-89-62

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей генетики им НИ Вавилова РАН

Автореферат разослан «_»_2008 года

Ученый секретарь Диссертационного совета

Полухнна Г.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Пшеница - важнейшая продовольственная культура, на долю которой приходится свыше 27% общего мирового производства зерна В настоящее время пшеница выращивается более чем на 240 млн. га (Сигйз, 2002), таких площадей не занимает никакая другая зерновая культура.

Пшеница является одним из наиболее интересных модельных объектов в эволюционных исследованиях Она относится к числу древнейших сельскохозяйственных растений Предполагают, что дикая двузернянка была одомашнена в странах Передней Азии более чем 8 тыс лет до нашей эры, а мягкая пшеница возделывалась человеком не менее 5 тысяч лет. Эволюция пшеницы, а точнее процессы возникновения, становления и последующей стабилизации групп растений, составляющих род ТгШсит - один из важных вопросов современной науки

Изучению внутривидового разнообразия и филогенетических связей полиплоидных пшениц посвящено большое количество работ, основанных на методах молекулярной биологии, биохимии и иммунохимии Хорошо изучена цитогенетика видов рода ТгШсит, однако многие вопросы до сих пор остались не решенньми. В частности, большой интерес представляет выявление связи между особенностями распределения гетерохроматиновых (ГХ) блоков в кариотипе растения с его географическим распространением.

Интенсивная селекция на повышение продуктивности в XX веке привела к значительному обеднению генофонда культуры пшеницы. Возникла проблема поиска источников хозяйственно-полезных признаков Перспективными видами для улучшения пшеницы могут быть полба обыкновенная (Т йюоссит), устойчивая к болезням, и спельта, характеризующаяся высоким качеством зерна. Помимо этого, перенос генетического материала от этих видов в мягкую пшеницу облегчается их близким филогенетическим родством Следовательно, детальное исследование Г Жсоссит и Т яреНа с использованием цитогенетических маркеров является весьма актуальным

Цель и задачи исследования. Целью работы было изучение внутривидового разнообразия Т dicoccum, Т spelta и Т aestivum с помощью дифференциального окрашивания хромом (С-бэндинга) и уточнение филогенетических отношений между этими видами Были поставлены следующие задачи-1. Исследовать уровень полиморфизма ГХ районов хромосом у образцов трех видов пшеницы разного географического происхождения с помощью С-бэндинга

2 Определить типы, частоту и распространение хромосомных перестроек у Т dicoccum, Т spelta и Т aestivum. Методом гибридизации in situ установить структуру наиболее распространенных транслокаций

3 Составить хромосомные паспорта исследованных образцов пшеницы. На их основе сформировать базу данных для статистического анализа.

4 С помощью методов кластерного анализа исследовать внутривидовое разнообразие Т dicoccum и Т. spelta

5. На основе полиморфизма ГХ районов оценить филогенетическое родство Т dicoccum, Т spelta и Т aestivum

Научная новизна работы В работе впервые с помощью метода С- окрашивания хромосом изучено и систематизировано внутривидовое разнообразие Т dicoccum, Т spelta и Т aestivum Впервые определены цитогенетиче-ские маркеры для некоторых эколого-географических групп (волжско-балканской, западноевропейской и абиссинской групп полбы, а также иберийской спельты) Показано, что европейская спельта - это результат гибридизации мягкой пшеницы и полбы

Впервые разработаны подходы для формализации образной информации, полученной в результате цитогенетического анализа Они основаны на использовании «хромосомных паспортов», составляемых в виде электронной таблицы «Хромосомные паспорта» можно обрабатывать стандартными статистическими (UPGMA) и новыми (нейронные сети) методами С помощью этих технологий впервые проведен кластерный анализ внутривидового полиморфизма спельты и культурного эммера

Научно-практическое значение работы.

Выявление особенностей рисунков С-окрашивания, присущих популяциям пшеницы из определенных географических районов, позволяет уточнять пути и цитогенетические процессы, приводящие к образованию новых разновидностей и даже видов внутри рода Тгшсит

Полученные результаты важны для характеристики генетических коллекций, поддерживающихся в генбанках нашей страны (ВИР) и за рубежом

Исследование образцов пшеницы, несущих адаптивно важные перестройки, будет способствовать отбору растений, пригодных для повышения устойчивости промышленно-значимых сортов пшеницы

Созданная база хромосомных паспортов может использоваться в последующих работах для сравнения ранее исследованных образцов с вновь изученными. Расширение такой базы - ключ к успешному анализу филогенетических связей близкородственных видов

Полученные результаты могут быть использованы в смежных дисциплинах, таких как история и археология, занимающихся проблемами развития земледелия, в научно-исследовательских учреждениях, работающих в области систематики и сравнительной цитогенетики растений, изучения структурной организации и эволюции хромосом (Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. НИ Вавилова РАСХН, Институт молекулярной биологии им В А Энгельгардта РАН, Институт общей генетики им Н.И Вавилова РАН, Ботанический институт им. В Л Комарова РАН), а также в соответствующих курсах биологических факультетов университетов

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на V Международном совещании и школе молодых ученых. «Кариология, кариосистематика и молекулярная систематика растений» (С -Петербург, 12-15 октября 2005 г), на II Вавиловской международной конференция «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке, состояние проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 26-30 ноября 2007), на научном

семинаре «Генетика растений» Института общей генетики им Н И Вавилова РАН (Москва, 2008)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в отечественных и зарубежных журналах и 4 тезиса

Объем и структура работы Диссертация изложена на 160 страницах и состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 345 источников. Диссертация иллюстрирована 38 рисунками и 11 таблицами СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор литературы состоит из семи разделов (1) Систематика рода Triticum L, (2) Происхождение пшениц, определение доноров геномов полиплоидов, (3) Основные гены, связанные с одомашниванием пшеницы, (4) География распространения пшениц; (5) Происхождение и филогенетические взаимосвязи видов пшениц Т chcoccum (Schrank) Schuebl, Т spelta L и T aestivum L, (6) Методы исследования филогении, (7) классификация хромосом пшеницы

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалы. Объектами исследования были три вида полиплоидной пшеницы- тетраплоидный вид Т dicoccum и гексаплоидные виды Т spelta и Т aestivum, эволюционно связанные друг с другом Всего был исследован 191 коллекционный образец, из них 99 - полбы из 24 стран мира, 54 - спель-ты из двенадцати стран и 38 - мягкие пшеницы из 10 стран Образцы получены из коллекций ВИР (Санкт-Петербург), INRA (Клермон-Ферран, Франция), USDA-ARS (Абердин, Айдахо, США), Gifa University и Kyoto University, (Япония) Образцы по рисункам С-окрашивания хромосом разделявшиеся на два или три биотипа, в дальнейшем обозначали как «линии». Общее число линий составило 203 (108 - полбы, 56 - спельты, 39 - мягкой пшеницы).

Методы. В работе использовали вариант С-дифференциального окрашивания хромосом, разработанный в лаборатории функциональной морфологии хромосом Института молекулярной биологии им. В А Энгельгардта РАН (Badaeva et al, 1994)

Анализ структуры транслокации Т7А.5В проводили на линии к-7146 и к-20989 методами геномной гибридизации ш situ (GISH) и флуоресцентной гибридизации т situ (FISH) в сотрудничестве с научным сотрудником ИМБ РАН, к б н. Амосовой A.B.

Хромосомные паспорта образцов пшеницы составляли на основании сравнения рисунков С-окрангавания кариотипов с обобщенной видовой идиограммой хромосом А- и В- и D-геномов (рис. 1) Паспорт представляли в виде таблицы Excel, включающей 130 входных полей, соответствующих значимым ГХ блокам хромосом А- и В- геномов (Бадаева и др., 2005).

Обработку данных проводили с помощью метода искусственных нейронных сетей (ИНС) (пакет программ "Excel Neural Package и свободно распространяемую программу "NeuroPro 0 25" (Круглов и Борисов, 2001)) и невзвешенный парно-групповой метод средней связи UPGMA (пакет NTS YS 2 02с (Rohlf, 1998))

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Типы хромосомных перестроек и полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. dicoccum (полба, эммер)

Шестьдесят семь из 108 линий полбы не имели явных хромосомных аберраций (нормальные кариотипы) У 47 линий было идентифицировано 18 типов отличающихся по частоте перестроек (табл 1).

1 2 3 4 5 6 7

Рисунок 1 Обобщенная щщограмма хромосом А-, В- и D геномов пшеницы 1 - 7 гомеологичные группы

Таблица 1. Варианты хромосомных перестроек у Triticum dicoccum

№ п/п Тип перестройки* Структура перестроенных хромосом № по каталогу Страна происхождения

1 Т2А6А T2AS 6AL +T6AS 2AL K-19285, INRA-27098 Эфиопия

2 Т5А6А T5AS6AS+T5AL6AL к-24397 Эфиопия

3 Т2А 1В T1BL 1BS-2AL + 2AS 2AL-1BS INRA-27088 Италия

4 Т4А 1В-2 T4AS IBS +4AL 1BL INRA-26896, -26897 Алжир

5 Т4А 4В-1 T4AS 4AL-4BS + T4BS 4BL-4AL K-30728 Россия

6 Т6А6В T6AS 6AL-6BS + T6BL 6BS-6AL к-27234Ь Эфиопия

7 Т7А.5В T5BL 5BS-7AL + T7AS 7AL-5BS к-7146 к-18623, INRA-26639, INRA-27124 к-29541, -20638, K-20410, INRA-27076 к-35890 K-21416, INRA-27097 к-20989 K-36527 INRA-6807, -898, -26647, INRA-26648,-26657,-26659 INRA-26654 INRA-26651 INRA-23757 INRA-26893, -26894 Иран Германия то же Испания тоже Голландия Италия Турция Швеция Франция то же Венгрия Чехословакия Швейцария Алжир

8 Т1В7В TIBS 1BL-7BL + T7BS 7BL-1BL к-20968Ь, -20993 Турция

9 ТЗВ-4В-2 T3BS 4BL+T4BS 3BL к-30091 Азербайджан

10 ТЗВ 6В-2 T3BS 3BL-6BS + T6BL 6BS-3BL к-14999 Польша

11 Т4В 6В-2 T4BS 6BL + T4BL 6BS к-14928b, -19475 к-43771 Индия Эфиопия

12 Т6В 7В-1 T6BS 7BL + T6BS 7BL к-38904 Югославия

13 Inv3B perInv3B к-24482 Россия

14 Inv5A parInv5AL K-8572 к-45541 Индия Иран

15 T4A 1B-2+ T1A-6A T4AS 1BL + T1BS 4AL + IAS 1AL-6AS + T6AL 6AS-1AL K-15837 Марокко

16 TIA 6A 4B + Т4А 1В-2 T1AS 4BS + T6AS-1AL 4BL + T6AL 6AS-1 AL + T1BS4AL + T4AS-1BL K-22246 Марокко

17 Т7А5В + ТбА 1В-3 T5BL 5BS-7AL + T7AS 7AL-5BS + T6AS 1BL + TIBS 6AL INRA-26642 Германия

18 Inv(T5B 7A) per!nv(T5BL 5BS-7AL) к-12964 Швейцария

* - классификация хромосомных перестроек приводится в соответствии с работой (Badaeva et al, 2007)

Географические популяции полбы отличались по уровню полиморфизма - разнообразию вариантов рисунков С-окрашивания хромосом в кариоти-пах образцов, входящих в состав сравниваемых популяций Наиболее однотипными оказались транскавказская, волжско-балканская, западноевропейская и индийская группы. Невысокий уровень генетического разнообразия Г dicoccum из стран Кавказа и Ирана был продемонстрирован также с помощью молекулярных маркеров (Teklu et al., 2007). Это может быть обусловлено сходством условий обитания, обменом генетическим материалом между географически близкими популяциями, а также следствием «эффекта основателя»

Полбы из Марокко и Алжира характеризовались высоким полиморфизмом ГХ районов, что может свидетельствовать о множественной и многократной интродукции культуры пшеницы в Северной Африке Полбы могли ввозиться в эти страны как непосредственно из центра происхождения, так и из Европы. К сходному выводу о формировании генетического разнообразия ячменей Северной Африки привело исследование полиморфизма гордеинов местных образцов Hordeum vulgare из Марокко и Алжира (Поморцев и др, 2002).

Эфиопская полба была одной из наиболее полиморфных групп по распределению ГХ районов, частоте и спектру хромосомных перестроек Это подтверждает идею НИ Вавилова (1926) о том, что Эфиопия является вторичным центром разнообразия Т dicoccum Сходные с ними индийские эммеры оказались более выровненными по рисункам С-окрашивания Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что полба была завезена в южную Индию из Эфиопии (Luo et al, 2007), а сужение полиморфизма индийских пшениц может свидетельствовать о существенной роли «эффекта основателя» в эволюции этой культуры на Индийском субконтиненте

Наиболее яркой особенностью западноевропейской группы Т dicoccum является высокая частота транслокации между хромосомами 7 А и 5В, выявленной у 24 из 32 исследованных образцов (75%)

с d e f д h

'114 1

1 1

ч

T7AS.7AL-5BS

T7AS.7AL-6BS

Подавляющее число европейских образцов, несущих эту транслокацию, были близки по распределению ГХ-блоков в кариотипах (рис. 2) и сходны с образцами другого географического происхождения (Турция, Иран, Алжир) с такой же транслокацией. Эти факты, возможно, свидетельствуют об общности происхождения

Рисунок 2. Полиморфизм рисунков дифференциального ок- Ф°РМ эммера с пере

рашивания хромосом западноевропейской полбы, а - INRA - стройкой Т7А'5В С 26651 (бывшая Чехословакия), b - INRA -6807 (Франция), с -

к-14999 (Польша), d - INRA -27096 (Италия), е - к-20541 (Ис- помощью геномной пания),/- INRA -26639 (Германия), g - INRA -26654 (Венгрия), h - INRA 12946 (Швейцария). Хромосомные перестрой- гибридизации in situ ки обозначены стрелками. А, В - геномы. 1-7 - гомеологич- ,Л1(ПГ1 _ ные группы хромосом. (GISH) было сказано,

что эта транслокация является реципрокной, но транслоцированные сегменты существенно отличаются по длине. Использование комбинации зондов, специфичных для хромосом В-генома (pScl 19.2) и для хромосом 5-й гомео-логичной группы пшеницы (5S рДНК) позволило провести точную локализацию точки разрывов на хромосоме 5В.

Происхождение европейских полб

По рисункам С-бэндинга образцы Т. dicoccum из 13 стран Европы разделились на две группы, соответствующие волжско-балканской и западноевропейской группам. Группы различались между собой особенностями окрашивания хромосомы 4А (рис. 3), а также спектром хромосомных перестроек.

Это наблюдение хорошо согласуется с морфолого-ботаническими данными и может отражать различное происхождение двух групп европейской полбы.

Аа Ь с <1 е Г д Ва Ь с с1 е Г д В СООТВеТСТВИИ С ПОЛУЧеНными данными, предком волжско-балканской полбы мог быть пленчатый эммер из Турции с нормальной структурой кариотипа, характеризующийся слабо выраженным С-блоком в длинном плече хромосомы 4А. В пользу этого предположения говорят и результаты статистического анализа. На дендрограмме все турецкие образцы с нормальным кариотипом попали в общий

субкластер с волжско-

Рисунок 3. Полиморфизм рисунков дифференци- балканскими полбами (рис. 4).

ального окрашивания хромосом волжско- ^ '

балканской полбы: я - к-24482 (Чувашия), Ь-к- На филогенетическое родство 30728 (Горьк. обл.), с- к-14236 (Болгария), с1-к-

23036 (Югославия), е - к-38904 (Югославия),/- к- волжско-балканской группы 38917 (Югославия), к-40030 (Югославия). Хромосомные перестройки обозначены стрелками. А, В эммеров с формами из Турции

-геномы. 1-7-гомеологичные группы хромосом. указывают также результаты Ьио « а1. (2007), полученные с помощью ЯРРЬ метода.

Представители собственно европейской полбы сформировали второй крупный кластер на дендрограмме. В подавляющем большинстве они несли транслокацию Т7А:5В. Поскольку маловероятно, что она возникала многократно, можно предположить, что все несущие ее образцы ведут происхождение от одной общей предковой формы, содержащей транслокацию. В пользу этого говорит и значительное сходство рисунков С-окрашивания кариоти-пов всех образцов полбы, содержащих Т7А:5В транслокацию, независимо от

их местообитания Следовательно, присутствие транслокации Т7А.5В - это не результат более поздних спонтанных гибридизаций, а проявление «эффекта основателя» В связи с этим возникает вопрос, на каком этапе эволюции тетраплоидных пшениц могла образоваться данная перестройка?

UPGMA

* - образцы, несущие маркерную транслокацию 7А 5В Рисунок 4, Дендрограмма европейской популяции Т dicoccum

Транслокация Т7А 5В, по-видимому, является одной из наиболее древних хромосомных перестроек у культурного эммера На основании имеющихся результатов можно выдвинуть следующие гипотезы ее возникновения и дальнейшего распространения

(1) Поскольку аналогичная транслокация была идентифицирована в нескольких образцах дикого эммера Г. dicoccoides из Ливана и Сирии (Badaeva et al, 2007), территориально соответствующих древнему Леванту, нельзя исключить, что подобные формы дикого эммера могли стать непосредственными предками культурных форм с данной перестройкой С другой стороны, они могли передать эту транслокацию в культурную полбу при гибридизации Перенос генетического материала при спонтанной гибридизации между

культурными и родственными дикорастущими видами показан многими методами (Dvorak et al., 2006; Luo et al. 2007) и его неоднократно регистрировали на полях пшеницы (Zohary and Hopf, 1988). Помимо этого, возможность интрогрессии генетического материала от дикого эммера из Леванта в культурные формы в процессе распространения пшеницы из Турции в Европу и страны Средиземноморья указывают и результаты мультилокусного анализа геномной ДНК (Luo et al., 2007).

(2) Транслокация 7А:5В впервые образовалась в Турции на первых этапах одомашнивания культурного эммера, поскольку в диких полбах из Турции она не встречается. Однако данная гипотеза не может объяснить наличия этой перестройки у дикого эммера с Ближнего Востока.

Рисунок 5. Страны происхождения исследованных образцов полбы

Распределение транслокации 7А:5В по территории Европы (рис. 5) согласуется с археологическими данными (Ammerman and Cavalli-Sforza, 1984), указывающими пути распространения пшеницы. Высокая частота этой перестройки наблюдается в районах, охваченных первой волной экспансии пше-

ницы, проходившей на запад из Турции через Грецию в Италию, Испанию, Францию и Германию. Вторая более поздняя волна шла из центра происхождения эммера на восток через Кавказ и Закавказье до Южной России и Польши (Вавилов, 1964; Feldman, 2001). У образцов из этих регионов транслокация 7А'5В не встречается. Алжирские образцы, несущие эту перестройку, получили ее, вероятно, позже. Сходство их с испанскими образцами, несущими эту транслокацию, а также географическая близость этих районов явно указывают на европейское происхождение транслокации 7А.5В у алжирских эммеров В Северную Европу транслоцированный генотип мог также попасть из Испании и Италии, на что указывает сходство распределения С-бэндов на хромосомах образцов из этих стран

Одомашнивание привело к отбору и распространению специфических аллелей и комплексов генов, контролирующих хозяйственно-важные признаки, которые отличают культурные злаки от их диких предшественников Т е образование культурной формы - это результат попадания дикого генотипа в условия искусственного отбора «положительных, благоприятных» признаков Очевидно, что распространение пшениц из центра происхождения в другие районы требовало их приспособления к новым климатическим, эдафиче-ским и биотическим условиям. Таким образом, одним из возможных объяснений избыточности генотипов Т dicoccum с 5В'7В транслокацией в странах Средиземноморья и Западной Европы может быть то, что образовавшиеся в результате перестройки новые генные комплексы обладали явными адаптивными преимуществами к конкретным условиям обитания

Исследование внутривидового разнообразия Т. spelta

В соответствии с географией распространения спельту разделяют на две группы азиатскую Т spelta ssp kuckuckianum и европейскую ssp. spelta Исторически спельту считали узко локализованным западноевропейским видом, культура которого была известна с эпохи раннего неолита (Жуковский, 1971) В Азии спельта была не известна вплоть до середины XX века, когда экспедиция Н Kuckuck обнаружила ее чистые посевы в Иране (Zohary and

Hopf, 1988) Различия между европейской и азиатской спельтами по ряду важных генетических признаков легли в основу гипотезы независимого происхождения этих групп. Другие авторы, однако, предполагают общее происхождение всех спельт

Всего в нашу работу были включены 54 образца Т spelta как европейского, так и азиатского происхождения Девятнадцать из них (35%) несли хромосомные перестройки. Всего было идентифицировано девять типов перестроек, включая 3 инверсии и 6 транслокаций (табл. 2) Наиболее распространенным вариантом оказалась транслокация между 4А и 1В хромосомами, выявленная у 8 образцов разного географического происхождения

Таблица 2. Варианты хромосомных перестроек у Т spelta

№ Тип перестройки Структура перестроенных хромосом № по каталогу Страна происхождения

1 ПА 5В-1 T2AS 5BL+T5BS 2AL к-45750, к-45818 Иран

2 Г4А 1В-1 T1BL 1BS-4AL + T4AS 4AL-1BS INRA-22430, -2769, -2771, INRA-13301,-13302 к-6539, -20376 KU3419 Франция то же Германия Иран

3 iriB 1R T1RS 1BL к- 62965 Швейцария

4 Г2В6В T2BS 6BS+2BL 6BL ИЗ 67199 Афганистан

5 Г5В 6В-2 T5BL 5BS-6BS +T6BL 6BS-5BS INRA-2767 Франция

6 Г5В 7В-1 T5BL 5BS-7BL+T7BS 7BL-5BS к-45368, -45369 к-62591 Азербайджан Швейцария

7 Inv2A perbrvlA к-62469 Таджикистан

8 Inv2B perInv2B к-20495 Испания

9 Inv5B perInv5B к-130 Иран

Анализ рисунков дифференциального окрашивания хромосом выявил относительно невысокий уровень полиморфизма европейской спельты, при этом у них четко выделялась иберийская группа. Характерным признаком европейских спельт было специфическое распределение ГХ блоков в коротком плече хромосомы 2А с небольшим проксимальным блоком, отделенный от центромерного С-бэнда эухроматиновым участком (рис. 6с1-/) Данный вариант окрашивания 2А хромосомы, выявленный у 91% европейской Т зреНа, практически отсутствовал у азиатских образцов (рис 6а-с)

Аайсйе/Ва ЬсйегОаЬсЬеГ

Рисунок 6. Полиморфизм рисунков дифференциального окрашивания образцов спельты из Азербайджана (а-с) и стран Восточной Европы ((1-^: а -к-45364; Ь - к-45367; с -к-45366, <1 - к-19373; е -к-24724; {-к-15014. А, В, Б - геномы. 1-7 - го-меологичные группы хромосом.

Азиатские спельты были представлены образцами из Ирана, Афганистана, Азербайджана и Таджикистана. Иранские спельты имели весьма разнообразные рисунки дифференциального окрашивания хромосом А, В- и О-геномов. По распределению С-блоков на хромосоме 2А некоторые образцы были сходны с европейскими спельтами, другие - с мягкими пшеницами. Высоко полиморфными оказались также спельты из Азербайджана и Таджикистана, тогда как афганские образцы представляли собой сравнительно однородную группу.

Следует отметить, что разделение спельт на европейские и азиатские формы по результатам визуального сравнения их кариотипов, получило подтверждение с помощью технологии искусственных нейронных сетей (рис. 7).

«Европейская»

S 3 я ¡

3 I 2 :

п

lililí!

«Азиатская

illIiiiiiSilillSsils

Л

Рисунок 7. Дендрограмма спельты, полученная с помощью сети Кохонена

В соответствии с дендрограммой (рис 7) европейская спельта подразделяется на две группы - испанскую (иберийскую) и собственно европейскую, включающую образцы из Германии, Бельгии, Швейцарии и стран Восточной Европы, что совпадает с делением европейского подвида спельты на две эколого-географические группы, иберийскую и баварскую (Фляксбергер, 1935, Дорофеев, 1979). Испанские спельты в целом характеризовались невысоким уровнем полиморфизма как по рисункам бэндинга, так и по электро-форетическим спектрам глиадина (Романова и др, 2004). Возможно, что наблюдаемое однообразие связано с «эффектом основателя», поскольку исследованные нами образцы были собраны в географически близких точках (р-н Астурии)

Показано, что формирование современных сортов баварской спельты происходило с участием мягкой пшеницы (Luo et al, 2000) Свидетельством этого может быть то, что из трех вариантов хромосомных перестроек два (Т5В:7В-1, сорт Алькоран и T1RS.1BL, сорт Hube! из Швейцарии) встреча-

ются у многих селекционных сортов Т aestivum, возделывающихся в этом районе (Friebe and Gill, 1994, Schlegel, 1996; Badaeva et al, 2007).

Проведенное исследование выявило более широкое разнообразие форм Т spelta из Азии в сравнении с европейскими спельтами, причем, в отличие от последних, у них нельзя выделить какие-либо генетически обособленные группы, за исключением Афганской. Ее высокую стабильность подтвердили и данные ИНС, выделившей афганскую группу из других азиатских спельт. Согласно визуальной оценке, наиболее гетерогенными среди азиатской спельты оказались образцы из Ирана: помимо вариабельности ГХ районов, они характеризовались высокой частотой хромосомных перестроек (у четырех из 8 образцов). Тем не менее, по данным ИНС иранские линии демонстрировали значительное сходство друг с другом, располагаясь в соседних кластерах Разнообразие рисунков дифференциального окрашивания кариоти-пов, а также вариантов транслокаций, выявленное у иранских спельт, подтверждает гипотезу о том, что гексаплоидные пшеницы впервые сформировались в Иране (Feldman, 2001; Zohary and Hopf, 1988), поскольку, согласно Н И. Вавилову (1926), наибольшее разнообразие признаков растений концентрируется именно в центрах их происхождения

Исследование внутривидового разнообразия Т. aestivum

Для проверки гипотез о независимом или вторичном происхождении европейской спельты представлялось целесообразным провести сравнение образцов Т spelta и Т aestivum, произрастающих в одних и тех же районах. С этой целью были изучены 38 образцов староместных сортов мягкой пшеницы различного географического происхождения. Тридцать шесть из них были цитогенетически стабильны, а 2 образца — гетерогенны по рисункам дифференциального окрашивания хромосом У семи образцов было идентифицировано 8 типов хромосомных перестроек, включая 2 инверсии и 6 транслокаций (Табл. 3)

Таблица 3. Варианты хромосомных перестроек у Т aestivum

№ Тип перестройки Структура транслоцированных хромосом № образца Происхождение

1 Т2А.5В-2* T2AL-5BS 5BL + T2AS 2AL-5BS к-12563 к-12687 Афганистан

2 Т4А5В T4AS-5BS 5BL + T4AL 4AS-5BS к-38034 Польша

3 Т6А4В T6AS 6AL-4BL + T6AL-4BL 4BS к-52581 Таджикистан

4 Т5В 7В-1 T5BS-7BL 7BS +T5BL 5BS-7BL Навид Иран

5 T6B3D T6BL 6BS-3DS + T6BS-3DL 3DS к-15319 к-15306 к-15126 Азербайджан

б TIB 1R TIRS 1BL Махдави Иран

7 parInv 1В-1 — к-43480 Болгария

8 parlnv 5 AL — к-38613 Иран

Мягкие пшеницы характеризовались полиморфизмом рисунков дифференциального окрашивания хромосом Германские образцы Т аеяШит показали более высокий уровень полиморфизма ГХ районов по сравнению со спельтами из Германии Эти виды существенно отличались распределением С-блоков на хромосоме 2А. у мягкой пшеницы наблюдались только «типичный» вариант с крупным блоком прицентромерного гетерохроматина, тогда как все спельты содержали вариант 2А, в котором небольшой центромерный С-бэнд расположен отдельно от прицентромерного Рисунки дифференциального окрашивания хромосом мягких пшениц из Польши были сходны с германскими образцами Т аезШит.

Сорта из Болгарии и бывшей Югославии по рисункам С-окрашивания характеризовались относительно небольшим ГХ блоком в субтеломерной области длинного плеча хромосомы 4А и присутствием всего лишь двух интер-калярных С-бэндов в длинном плече хромосомы 5В, что отличает их от немецких образцов Т аехптт. В целом, сорта мягкой пшеницы из стран восточной Европы оказались более полиморфиными по рисункам С-окрашивания кариотипов в сравнении с европейскими спельтами.

Образцы коммерческих и староместных сортов мягкой пшеницы из Ирана показали высокий полиморфизм рисунков С-окрашивания (рис. 9). Среди изученных образцов были выявлены интересные варианты хромосомы 2А с очень ярким или средним по величине теломерным блоком, такие же варианты встречались у иранских спельт.

А в Ь с Л е Г е ¡1 В а Ь с й е ! £ Ь О а Ь с <1 е Г в (I

Рисунок 9. Полиморфизм рисунков дифференциального окрашивания образцов Т. авэНуит из Ирана: а — к-45547; Ь—Ытгс1\ с — Лги/гаи; <} —МасИскпгц е — АЬапс1, Г— к-38613а, g — к-38613Ь, Ь — к-38635. А, В, Э-геномы. 1-7 - гомеологичные группы хромосом.

По уровню полиморфизма гетерохроматических районов иранские мягкие пшеницы были сопоставимы со спельтами; у этих гексаплоидных видов выявлено много сходных по рисункам С-окрашивания вариантов хромосом как А-, так и В-геномов. Это говорит в пользу близкого филогенетического родства местных сортов мягкой пшеницы и спельт в Иране.

Сорта Т ае$Пуипг из Афганистана характеризовались высоким уровнем полиморфизма гетерохроматических районов в сравнении со спельтами Интересно, что афганские мягкие пшеницы более сходны с иранскими представителями Т вреЫа, чем с афганским спельтами Можно предположить, что это обусловлено геологическими и географическими особенностями Афганистана, который представляет собой высокогорную страну, характеризующейся необычайным разнообразием ландшафтов. Возделывание пшеницы ограничено высокогорными долинами, обособленными друг от друга (Вавилов и Букинич, 1929) Вплоть до настоящего времени в Афганистане использую примитивные системы земледелия, когда на протяжении столетий на полях выращивают одну и ту же культуру пшеницы Таким образом, значительные отличия исследованных популяций спельты и мягкой пшеницы из Афганистана можно объяснить их длительной географической и генетической изоляцией и, возможно, адаптацией к резко различающимся условиям обитания

Таджикская группа мягких пшениц по рисункам С-окрашивания хромосом оказалась относительно однородной В то же время очевидно сходство кариотипов мягких пшениц Таджикистана и Афганистана и их обособленность от иранских и азербайджанских сортов, а также от таджикских спельт Образцы из Киргизии и Туркмении отличались от остальных азиатских мягких пшениц и образцов таджикской спельты Присущий им тип окрашивания хромосомы 2В характерен для многих местных сортов мягкой пшеницы из Европы Вероятно, эти особенности можно объяснить поздней интродукцией мягкой пшеницы из Европы в соответствующие регионы

Филогения полиплоидных пшениц Т. ъреЫа, Т. аеъйхит и Т. (Псоссит по данным цитогенетнческого анализа

Сравнение Т вреИа и Т аеяйшт не выявило существенных отличий между этими видами по рисункам дифференциального окрашивания хромосом Сходство структуры кариотипов и распределения ГХ районов хромосом свидетельствует о том, что дивергенция этих видов не сопровождалась крупными хромосомными аберрациями, вызывающими нарушение порядка рас-

положения генов в гомеологичных хромосомах. Эхо подтверждает полученные ранее результаты об отсутствии генетических барьеров между спельтой и мягкой пшеницей (McFadden and Sears, 1946) В пользу генетической близости спельты и мягкой пшеницы говорит и наличие общих для обоих видов транслокаций Т5В'7В-1 и TIB 1R В то же время, за перечисленными выше исключениями спектры хромосомных перестроек, выявленных у спельты и мягкой пшеницы, не перекрывались. По-видимому, это может говорить о том, что после обособления эволюция этих видов происходила независимо.

Очевидно, что за появление видовых признаков спельты и мягкой пшеницы отвечают в первую очередь мутации нескольких важных генов, таких как Qu Tg (Salamim et al, 2002; Simons et al., 2006, Luo et al., 2007). В то же время, уровни внутривидового полиморфизма рисунков дифференциального окрашивания у Т spelta и Т. aestivum значительно превышают различия между видами Такое разнообразие, по-видимому, связано с высокой адаптивностью гексаплоидных пшениц к условиям их произрастания (Жуковский, 1971, Дорофеев и др., 1979)

Данные С-бэндинга сами по себе не позволяют достаточно уверенно судить о первичности спельты или мягкой пшеницы. Однако имеющиеся косвенные факты свидетельствуют в пользу признания спельты самым древним гексаплоидным видом. Во-первых, у спельты найдены полиморфные типы, характерные для некоторых эндемичных видов гексаплоидной пшеницы (Бадаева, 2000); во-вторых, спельта — единственная гексаплоидная пшеница, у которой были выявлены варианты окрашивания хромосом, встречавшиеся только у тетраплоидных видов Triticum. Следовательно, по данным хромосомного анализа Т spelta занимает промежуточное положение между тетрап-лоидными и другими видами гексаплоидных пшениц

Азиатские спельты показали наиболее полиморфные рисунки дифференциального окрашивания хромосом А-, В- и D-геномов, и среди всей совокупности изученных образцов максимальное генетическое разнообразие мы наблюдаем именно в этой группе. Исходя из этого, можно предположить, что

гексаплоидные пшеницы впервые появились именно в Азии Об этом говорят также результаты многих других авторов

При сопоставлении географического распространения тетраплоидных пшениц и Aegilops tauschu, донора D-генома гексаплоидной пшеницы, было высказано предположение, что спельта впервые появилась в Иране, откуда распространилась в прилегающие районы Азии и затем в Европу (Zohary and Hopf, 1988, Dvorak et al, 1998). Наиболее вероятным местом возникновения спельты считается юго-западная часть Каспийского пояса Ирана (Dvorak et al, 1998, Caldwell et al, 2004) Впоследствии спельта была очень быстро вытеснена из Азии мягкой пшеницей, сохранившись в виде изолированных посевов лишь в высокогорных районах Ирана, Таджикистана, Турции и Азербайджана (Feldman, 2001) По нашим данным афганская и таджикская группы могут представлять побочные ветви эволюции азиатской спельты, в развитии которых большую роль сыграл «эффект основателя» с последующей географической изоляцией

Сравнивая иранскую спельту с европейской, а также с иранской мягкой пшеницей, можно утверждать, что кариотипы образцов иранской спельты и иранской мягкой пшеницы больше похожи друг на друга, чем иранской и европейской спельты. Это подтвердило гипотезу о том, что мягкая пшеница могла образоваться в Иране из местной популяции спельты Помимо этого, данные факты свидетельствуют в пользу независимого происхождения азиатской и европейской групп Т spelta

Полученные нами результаты говорят о том, что европейская (в более узком смысле Баварская) спельта представляет собой результат гибридизации культурной полбы с гексаплоидной легко обмолачиваемой пшеницей - Т aestivum (Фляксбер-гер, 1935; Feldman, 2001, Blatter et al, 2002; Liu and Tsunewaki, 1991) Об уча-

ci

"<Seoecom" "ttstivum"

"sptltt"

Рисунок 10.

Сравнение рисунков C-окрашквания хромосомы 2А Т dicoccum,T spelta и Т aestivum из Европы

стии полбы в образовании европейских спельт свидетельствует тот факт, что у 91% изученных образцов этой группы распределение С-бэндов на хромосоме 2А было идентичным таковому у европейского Т dicoccum (рис. 10). Такой тип окрашивания хромосомы 2А не встречается ни у других видов гексаплоидной пшеницы, ни и у большинства тетраплоидных пшениц (Г durum, Т polomcum, Т persicum, Т. aethiopicum и др) (Бадаева, 2000)

Таким образом, сравнительное исследование трех видов полиплоидной пшеницы с помощью С-метода дифференциального окрашивания хромосом подтвердило независимое происхождение азиатской и европейской спельты

ВЫВОДЫ

1 Показано, что каждый из 191 изученного образца Т dicoccum, Т spelta и Т aestivum характеризуется уникальным распределением С-блоков на хромосомах. Предложен способ количественного описания рисунков дифференциального окрашивания кариотипа в виде электронной таблицы («хромосомного паспорта») для проведения филогенетического анализа с помощью компьютерных технологий

2. Не обнаружено существенных различий по морфологии и распределению С-блоков на хромосомах А- и В- геномов между тетраплоидным (Т dicoccum) и гексаплоидными видами пшеницы (Т spelta, Т aestivum) Таким образом, появление гексаплоидных пшениц не связано с крупными хромосомными аберрациями

3. Среди культурной полбы выделено несколько четко отличающихся географических групп Наиболее полиморфной оказалась североафриканская группа Т dicoccum, что вероятнее всего связано с множественной интродукцией. Показано высокое сходство кариотипов пол б из Эфиопии и Индии и выявлен вариант окрашивания хромосомы 1В, маркирующий эту группу. Сужение полиморфизма индийской популяции говорит о первичности эфиопской полбы и о большой роли эффекта основателя в эволюции пшеницы в Индии.

4 Европейская популяция Т dicoccum по рисункам С-окрашивания хромосом 2А, 4А и наличию/отсутствию транслокации 7А'5В делится на две ветви - волжско-балканскую и собственно европейскую Т7А 5В транслокация и производные от нее перестройки выявлены у 75% исследованных образцов собственно европейского эммера Методом гибридизации in situ установлено, что транслокация 7А:5В является реципрокной. Высокое сходство образцов, несущих 7А-5В транслокацию, свидетельствует об общности их происхождения, а широкое распространение перестройки, возможно, связано с ее адаптивной значимостью.

5. Показано, что азиатская спельта отличается от европейской наличием маркерного блока в коротком плече хромосомы 2А По этому признаку европейская спельта более сходна с мягкой пшеницей, чем с азиатской спельтой Высокий полиморфизм рисунков С-окрашивания азиатской спельты дает основание предположить, что она является самой древней гексаплоидной пшеницей

6 Наличие у европейской спельты варианта окрашивания хромосомы 2А, характерного для европейского Т dicoccum указывает на то, что Т spelta ssp spelta по-видимому образовалась в результате гибридизации гексаплоидной пшеницы и тетраплоидной Т. dicoccum

7 Хромосомные перестройки обнаружены в 37% образцов спельты, 41% эммера и 29% сортов мягкой пшеницы. Всего было идентифицировано 32 варианта хромосомных перестроек, включая транслокации и инверсии, с преобладанием одиночных транслокаций Частота и спектры перестроек отличались как между видами, так и образцами одного вида из различных географических районов Наибольшее разнообразие типов перестроек наблюдалось среди гексаплоидных пшениц Центральной Азии и эммеров Северной Африки, что совпадает с центрами разнообразия культурных растений Н И Вавилова

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Дедкова О С, Бадаева ЕД, Митрофанова ОП, Зеленин А В, Пухальстй В А Анализ внутривидовой дивергенции гексаплоидной пшеницы Trihcum spelta L с помощью метода дифференциального окрашивания хромосом Генетика, 2004, г 40, №10, стр 1352-1369

2 Бадаева ЕД, Руанет В В, Дедкова О С. Митрофанова О П, Зеленин А В, Пухальский В А Использование искусственных нейронных сетей для анализа внутривидовой дивергенции гексаплоидной пшеницы Triticum spelta L на основании рисунков дифференциального окрашивания хромосом Биологические мембраны. 2005. т 22, №3, с 230-241

3 Дедкова О С, Бадаева ЕД, Митрофанова ОП, Билинская ЕН, Пухальский В А Исследование внутривидового разнообразия тетраплоидной пшеницы Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl с помощью метода дифференциального окрашивания хромосом Генетика, 2007, т 43, № П, стр 1517-1533

4 BadaevaED, DedkovaOS. Gay G, Pukhalskyi VA, ZelemnA V, Bernards, Bernard M Chromosomal rearrangements ш wheat their types and distribution Genome. 2007, v. 50, No 10, p 907-926

5 Дедкова ОС. Бадаева ЕД, 2002 Исследование гексаплоидной пшеницы Triticum spelta с помощью метода дифференциального окрашивания хромосом В сб материалы научной генетической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А Р Жебрака и 70-леггию образования кафедры генетики в Московской сельскохозяйственной академии им К А. Тимирязева М изд-во МСХА, стр 92-94

6 Дедкова О С. Руанет В В, Бадаева ЕД, Пухальский В А Исследование внутривидовой дивергенции пшеницы спельта (Triticum spelta L, 2п=6х=42) с помощью С-метода дифференциального окрашивания хромосом Кариология, кариосистематика и молекулярная систематика растений Тезисы V Международного совещания и школы молодых ученых, С -Петербург, 12-15 октября 2005 г, стр 28-29

7 Дедкова О С. Бадаева ЕД, Пухальский В А, Митрофанова О П Исследование внутривидового разнообразия тетраплоидной пшеницы Triticum dicoccum (Schrank) Scuebl В сб. Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке состояние проблемы, перспективы Тезисы докладов П Вавиловской международной конференции. Санкт-Петербург, 2630 ноября 2007, с 262-263

8 Дедкова О С. Руанет В В, Бадаева ЕД, Пухальский В А Исследование внутривидовой дивергенции пшеницы спельта (Triticum spelta L, 2п=6х=42) с помощью С-метода дифференциального окрашивания хромосом В сб . VII международный симпозиум "Новые нетрадиционные растения и перспективы их использования" Материалы конференции, 2007, т 3, стр 17-18

Подписано в печать 21 04 2008 г Печать трафаретная

Заказ № 295 Тираж ЮОэкз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autoreferat гц

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Дедкова, Ольга Станиславовна

БЛАГОДАРНОСТИ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Систематика рода Triticum L.

1.2. Происхождение пшениц, определение доноров геномов полиплоидных видов.

1.3. Основные гены, связанные с одомашниванием пшеницы.

1.4. География распространения пшениц.

1.5. Происхождение и филогенетические взаимосвязи пшениц Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum.

1.5.1. Полба обыкновенная Triticum dicoccum (Schrank.) Schuebl.

1.5.2. Гексаплоидные пшеницы; гипотезы происхождения спельты.

1.6. Методы исследования филогении.

1.6.1. Цитогенетические методы в филогенетических исследованиях.

1.6.2 Молекулярные методы в геномном анализе.

1.7. Классификация хромосом пшеницы.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1. Материалы исследования.

2.2. Метод С-дифференциального окрашивания хромосом.

2.3. Гибридизация in situ.

2.4. Методика составления хромосомного паспорта образца.

2.5.Математические методы анализа.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Общая характеристика кариотипа Т. dicoccum.

3.1.1. Типы хромосомных перестроек у пленчатого эммера.

3.1.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. dicoccum.

3.1.3. Исследование внутривидовой дивергенции эммера с помощью хромосомных маркеров.

3.1.4. Происхождение европейских полб.

3.2. Общая характеристика кариотипа пшеницы Т. spelta.

3.2.1. Типы хромосомных перестроек, выявленные у Т. spelta.

3.2.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. spelta.

3.2.3. Особенности внутривидовой дивергенции спельты.

3.3. Общая характеристика кариотипа пшеницы Т. aestivum.

3.3.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. aestivum.

3.4. Филогения полиплоидных пшениц Т. spelta, Т. aestivum и Т. dicoccum по данным цитогенетического анализа.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров"

На протяжении тысяч лет и сотен поколений существование самого человека и его домашних животных зависело от пшеницы. В Западном полушарии она играет значительную роль уже свыше 400 лет (Моррис, Сире, 1970). В Восточном полушарии нельзя с достоверностью указать такой период истории человечества, когда бы оно обходилось без пшеницы.

В настоящее время мягкая пшеница выращивается' более чем на 240 млн. га (Curtis, 2002), таких площадей не занимает никакая другая зерновая культура. В период с 1985 г. по 1995 г. рост производства зерна пшеницы составлял в среднем 0,9% (CIMMIT, 1996); в то время как человеческая популяция с 1993г. по 2000г. росла со скоростью 1,5%. Возрастающий дисбаланс можно решить с помощью увеличения производства пшеницы, что достижимо двумя путями^

1) расширением посевных площадей или'

2) улучшением урожайности на единицу посевной площади.

Наиболее перспективным является второй путь. На экспериментальных полях максимальная урожайность пшеницы может достигать 20 т/га (Curtis, 2002), в то же время ее средняя урожайность за период 1993-1995 г.г. в мире составила всего 2,5 т/га. И если по данным CIMMYT в 2006 году она выросла до 2,86 т/га, для удовлетворения мировых потребностей этого все равно недостаточно, и показатель урожайности желательно довести к 2025 году до 3,8 т/га (http://www.hpj.com).

Проводимая интенсивная селекция на повышение продуктивности в XX веке привела к значительному обеднению генофонда пшеницы и возникла проблема поиска источников хозяйственно-полезных признаков для ее улучшения. Для решения подобных задач используют местные формы и сорта пшеницы, хорошо адаптированные к условиям выращивания (так называемый первичный генофонд), виды пшеницы другого уровня плоидности и представителей близкородственного рода Aegilops (вторичный генофонд), а также виды других родов — Agropyron, Secale, Hordeum (третичный генофонд) (Конвенция о биологическом разнообразии UNEP 14—15 ноября 1996 г., Пункт 8.1 .www.cbd.int/doc/meeting/cop).

Одним из перспективных видов для улучшения мягкой пшеницы может быть культурная двузернянка Triticum dicoccum (Schrank.) Schuebl (Terzi et al., 2007), характеризующаяся высоким качеством зерна и устойчивостью ко многим болезням. Помимо этого, перенос генетического материала от культурной полбы в мягкую пшеницу облегчается близким филогенетическим родством этих видов. В Америке созданы специальные программы по исследованию пленчатых пшениц как возможных доноров устойчивости к болезням для других хозяйственно-полезных видов, особенно Т. aestivum и Т. durum (www.ars.usda.gov/research/project).

Большой интерес представляют тетраплоидные и гексаплоидные виды

Triticum, отличающиеся охмягкой пшеницы по составу белков зерна. Особое значение это приобретает для людей, страдающих таким тяжелым наследственным заболеванием, как цилиакия. В последнее время активно изучают возможность использования муки из зерна пленчатых пшениц Т. spelta и Т. dicoccum в диетическом питании больных диабетом и сердечнососудистыми заболеваниями (Boguslavskij et. al, 2001). Из них также готовят ряд высококачественных крупяных, хлебобулочных и кондитерских изделий.

Пшеница также является одним из наиболее интересных модельных объектов в эволюционных исследованиях. Эволюция пшеницы, а точнее процессы возникновения, становления и последующей стабилизации групп растений; составляющих род Triticum, — один из важных и очень интересных вопросов современной науки.

Проблемы происхождения культурных растений на первых этапах земледелия с давних времен привлекали человека. В Древнем мире, где господствовала мифология, культурные растения считались щедрым подарком, данным человеку богами. Древние египтяне отдавали благодарности Изиде и Осирису за дар пшеницы и ячменя Египту и за обучение людей секретам их возделывания. Подобным образом древние греки приписывали подарок этих важных хлебных злаков Деметре, а римляне— божественной Церере (Фрэзер, 2001). За последние несколько веков ботаники и специалисты по истории земледелия пытались объяснить происхождение одомашненных растений и их эволюцию в условиях культивирования на научной основе.

Альфонс Декандоль (1886) (цит. по Feldman, 2001) был одним из первых, кто осознал, что исторический, лингвистический и фольклорный типы доказательств сами по себе недостаточны для определения происхождения культурных растений. В тот период развития науки самыми главными были данные, полученные с помощью ботанических и археологических методов. На современном этапе считают, что при анализе происхождения и эволюции культурного растения наиболее достоверным доказательством ^является идентификация дикого предка и определение области его распространения в прошлом и настоящем (Harlan, 1979; Zohary, Hopf, 1998; Feldman, 2001). Это дает возможность определять, какие изменения привели к одомашниванию, а также установить район- начала земледелия. Однако, если дикий предок не обнаружен или исчез, понимание полной истории данного вида или культуры значительно осложняется.

Изучению внутривидового разнообразия и филогенетических связей между видами полиплоидных пшениц посвящено большое количество работ, основанных на методах молекулярной биологии, биохимии и иммунохимии. Хорошо изучена цитогенетика многих видов рода Triticum, однако многие вопросы остались не решенными. В частности, большой интерес представляет выявление связи между особенностями распределения гетерохроматиновых блоков в кариотипе растения с его географическим распространением. Знание особенностей рисунков дифференциального окрашивания, присущих популяциям пшеницы из определенных районов произрастания, может способствовать уточнению района доместикации тетраплоидной пшеницы и места происхождения гексаплоидных форм. До настоящего времени не существует подходов для математической обработки результатов цитогенетических исследований.

Широкие возможности для таких работ открывают современные компьютерные технологии. Сравнение кариотипов конкретных сортов пшеницы с обобщенной видовой идиограммой хромосом позволяет создавать хромосомные паспорта (Badaeva et al., 1990а; Бадаева и др., 2005), являющиеся фактически базой данных, которую можно обрабатывать различными математическими методами. Такая' база может и должна использоваться в последующих работах при сравнении ранее исследованных образцов с вновь изученными. Расширение такой базы — ключ к успешному анализу филогенетических связей близкородственных видов.

Объектами данного исследования стали три вида полиплоидной пшеницы: Triticum dicoccum (Schrank) Huebl. (2n=28), Т. spelta L. (2n=42) и Т. aestivum L.(2n=42), тесно связанные друг с другом эволюционное Так, предполагают, что Т. dicoccum послужила непосредственным предком гексаплоидных пшениц (донор ВА-компонента генома) (Dvorak et al., 1992). Открытым остается вопрос о происхождении азиатской и европейской групп спельты. В то же время Т. spelta считается многими авторами наиболее древней формой гексаплоидных пшениц, от которой возникли мягкие пшеницы (Kuckuck, 1964; Моррис, Сире, 1970; Salamini, 2002). Целью нашей работы было изучение внутривидового разнообразия пшениц Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum с помощью метода дифференциального окрашивания хромом (С-бэндинга) и уточнение филогенетических отношений этих видов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Исследовать уровень полиморфизма гетерохроматических (ГХ) районов хромосом у образцов трех видов полиплоидной пшеницы разного географического происхождения с помощью С-метода дифференциального окрашивания.

• Определить типы, частоту и географическое распространение хромосомных перестроек у Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum. С помощью геномной гибридизации in situ (GISH) локализовать точки разрывов на хромосомах 7А и 5В в образцах культурной полбы, несущих транслокацию Т7А:5В.

• Составить хромосомные паспорта исследованных образцов пшеницы путем сравнения обобщенной видовой идиограммы с рисунками дифференциального окрашивания их кариотипов. На основании хромосомных паспортов сформировать базу данных для статистического анализа.

• С помощью методов кластерного анализа исследовать внутривидовое разнообразие видов Т. dicoccum и Т. spelta.

• Оценить филогенетическое родство видов Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Дедкова, Ольга Станиславовна

выводы

1. Показано, что каждый из 191 изученного образца Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum характеризуются уникальным распределением С-блоков на хромосомах. Предложен способ количественного описания рисунков дифференциального окрашивания кариотипа в виде электронной таблицы («хромосомного паспорта») для проведения филогенетического анализа с помощью компьютерных технологий.

2. Не обнаружено существенных различий по морфологии и распределению С-блоков на хромосомах А- и В- геномов тетраплоидных (Т. dicoccum) и гексаплоидных видов пшеницы (Т. spelta, Т. aestivum). Таким образом, появление гексаплоидных пшениц не связано с крупными хромосомными аберрациями.

3. Среди культурной полбы выделено несколько четко-отличающихся географических групп. Наиболее полиморфной оказалась североафриканская Т. dicoccum, что вероятнее всего связано с множественной интродукцией. Показано высокое сходство кариотипов полб из Эфиопии и Индии и выявлен вариант окрашивания хромосомы 1В, маркирующий эту группу. Сужение полиморфизма индийской популяции говорит о первичности эфиопской полбы и о большой роли эффекта основателя в эволюции пшеницы в Индии.

4. Европейская популяция Т. dicoccum по рисункам С-окрашивания хромосом 2А, 4А и наличию/отсутствию транслокации 7А:5В делится на две ветви — волжско-балканскую и собственно европейскую. Т7А:5В транслокация и производные от нее перестройки выявлены у 75% исследованных образцов собственно европейского эммера. Методом гибридизации in situ установлено, что транслокация 7А:5В является реципрокной. Высокое сходство образцов, несущих 7А:5В транслокацию, свидетельствует об общности их происхождения, а широкое распространение перестройки, возможно, связано с ее адаптивной значимостью. Показано, что азиатская спельта отличается от европейской наличием маркерного блока в коротком плече хромосомы 2А. По этому признаку европейская спельта более сходна с мягкой пшеницей, чем с азиатской спельтой. Высокий полиморфизм рисунков С-окрашивания азиатской спельты дает основание предположить, что она является самой древней гексаплоидной пшеницей.

Наличие у европейской спельты варианта окрашивания хромосомы 2А, характерного для европейского Т. dicoccum указывает на то, что Т.- spelta ssp. spelta по-видимому образовалась в результате гибридизации гексаплоидной пшеницы и тетраплоидной Т. dicoccum. Хромосомные перестройки обнаружены в 37% образцов спельты, 41% эммера и 29% сортов мягкой пшеницы. Всего было идентифицировано 32 варианта хромосомных перестроек, включая транслокации и инверсии, с преобладанием одиночных транслокаций. Частота и спектры перестроек отличались как между видами, так и образцами одного вида из различных географических районов. Наибольшее разнообразие типов перестроек наблюдалось среди гексаплоидных пшениц Центральной Азии и эммеров Северной Африки, что совпадает с центрами разнообразия культурных растений Н.И. Вавилова.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дедкова, Ольга Станиславовна, Москва

1. Абрамова, Л.И. Кариотип пшеницы // Генетика культурных растений. Зерновые культуры. —Л. : Агропромиздат, JIO, 1986. — С. 28—37.

2. Амосова А.В., Бадаева Е.Д., Муравенко О.В., Зеленин А.В. Использование метода GISH для сравнения близкородственных геномов тетраплоидных и гексаплоидных видов пшеницы // Онтогенез. — В печати.

3. Бадаев, Н.С., Бадаева, Е.Д., Болыиева, H.JL, Зеленин, А.В. Идентификация хромосом А- и D- геномов пшеницы с использованием замещений и перестроек между гомеологами у пшениц и тритикале // Докл. Акад. Наук СССР. — 1983. — №. 273. С. 994—996.

4. Бадаева, Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическое исследование : дисс. . доктора биолог, наук. — М., 2000.— 481 с.

5. Бадаева, Е.Д. Хромосомный анализ при исследовании происхождения B-(G-) геномов полиплоидных пшениц // Биологические мембраны. — 2001. — Т. 18. —№3. —С. 216—229.

6. Вавилов, Н.И. Центры происхождения культурных растений. // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. — 1926. — Т. 16. — Вып. 2. — 248 с.

7. Вавилов, Н.И. Научные основы селекции пшеницы. — М., Л. : Сельхозгиз, 1935. —С. 3—244.

8. Вавилов, Н.И. Избранные труды в пяти томах. — М. : Наука, 1962. — Т. 3. — С.17.

9. Вавилов, Н.И. Мировые ресурсы сортов хлебных злаков, зерновых бобовых, льна и их использование в селекции. Пшеница . — М.—Л. : Наука, 1964. — 123 с.

10. Вавилов, Н.И. Происхождение и география культурных растений. — JI. : Наука, 1987, —440 с.

11. Вавилов, Н.И., Букинич, Д.Д. Земледельческий Афганистан. — J1. : Изд-во Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур при СНК СССР и Государственного института опытной агрономии НКЗ РСФСР, 1929. — 533 с.

12. Вейр, Б. Анализ генетических данных. — М.: Мир, 1995. — 400 с.

13. Вишнякова, Х.С., Ячевская, Г.Л., Поляков, В.Ю. Изучение геномной структуры двух форм неполных пшенично-пырейных амфидиплоидов 2п=56 // Генетика. — 1994. т. 30. — №. 2 — С. 244—249.

14. Вишнякова, Х.С., Ячевская, Г.Л., Поляков, В.Ю. Изучение геномной структуры пшенично-пырейных дисомных дополненных линий // Генетика. — 1994. — Т. 30. — №. 3 — С. 404—410.

15. Воденичарова, М.С. Электрофоретическое исследование девяти изоферментных систем у представителей субтрибы Triticeae : дисс. . канд. биол. наук. — М.,18.