Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретические основы использования белкового полиморфизма для оптимизации селекционного процесса

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Нецветаев, Владимир Павлович

Введение

Глава I. ЗАПАСНЫЕ БЕЛКИ СЕМЕНИ И ФЕРМЕНТЫ У СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

РАСТЕНИИ . И

1.1. Белки семян и ферменты - функциональная роль и значение

1.2. Генетический контроль запасных белков и энзимов у ячменя.

1.3. Генетический контроль запасных белков и энзимов у других сельскохозяйственных культур

Глава II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

2.1. Растительный материал

2.2. Статистические методы исследований

2.3. Биохимические и технологические методы исследований

Глава III. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ И ЗАПАСНЫХ

БЕЛКОВ ЯЧМЕНЯ И ДРУГИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

3.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

3.2. Супероксиддисмутаза С К. Ф. 1.15.1.1.).

3.3. Альфа-амилаза СК.Ф. 3.2.1.1.).

3.4. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2. ).

3.5. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа С К. Ф. 1.1.1.44.)

3.6. Пероксидаза СК.Ф. 1.11.1.7.).

3.7. Гордеины.

3.8. Запасные белки семени подсолнечника

Глава IV. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

ВАРИАНТНЫИ СОСТАВ ФЕРМЕНТОВ И ЗАПАСНЫХ БЕЛКОВ ЯЧМЕНЯ

4.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

4.2. Супероксиддисмутаза СК.Ф. 1.15.1.1.)

4.3. Альфа-амилаза СК.Ф. 3.2.1.1.).

4.4. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2.).

4.5. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа С К. Ф. 1.1.1.44.)

4.6. Пероксидаза СК.Ф. 1.11.1.7.) и легкорастворимые белки зерновки.

4.7. Гордеины.

4.8. Запасные белки эндосперма озимой твердой пшеницы

Глава V. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРИГИНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА И ЛОКАЛИЗАЦИИ ГЕНОВ У ЯЧМЕНЯ

5.1. Картирование генов и центромеры с помощью двойных дителосомиков

5.2. Оценка сцепления между локусами по данным популяции самоопылителя в стадии рекомбинационного насыщения .,

5.3. Коллекция сортов самоопылителя как объект при оценке сцепления между генами

Глава VI. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ ВАРИАНТОВ БЕЛКОВ, ФЕРМЕНТОВ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАРКЕРОВ С ХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ПРИЗНАКАМИ У ЯЧМЕНЯ И ДРУГИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР б.1. Гордеины, как маркеры генов устойчивости к мучнистой росе: идентификация, контроль, совмещение эффективных генов резистентности к Erysiphe graminis б, 2. Сопряженность аллелей гордеинкодирующих локусов с количественными признаками

6.3. Изоэнзимы корневой супероксиддисмутазы в связи с устойчивостью к неблагоприятным факторам в зоне корней у ячменя

6. 4. Сопряженность аллелей, контролирующих синтез (3-амилаз, с количественными признаками у ячменя

6.5. Связь хозяйственно-ценных признаков с молекулярными маркерами у ячменя

6.6. Использование биохимических маркеров для определения уровня гибридности семенного материала у перекрестников

6.7. Особенности селекции озимой мягкой пшеницы в Белгородской области

Глава VII. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПО ПОЛИМОРФНЫМ БИОХИМИЧЕСКИМ И МОЛЕКУЛЯРНЫМ СИСТЕМАМ ЯЧМЕНЯ. ГЕНОГЕОГРАФИЯ

7.1. Эстеразы СК.Ф. 3.1.1.).

7.2. Супероксиддисмутаза СК. Ф. 1.15.1.1.).

7.3. Бета-амилаза СК.Ф. 3.2.1.2.).

7.4. Молекулярные маркеры.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Теоретические основы использования белкового полиморфизма для оптимизации селекционного процесса"

Несомненно, что сельскохозяйственные культуры продолжают играть основную роль в удовлетворении потребностей населения Российской Федерации в продукции сельского хозяйства. Реализация наследственного потенциала культурных растений путем селекции способствует прогрессивному росту продукции растениеводства. Так, анализ динамики урожайности ячменя в Англии за 30-летний период показал, что на протяжении всего этого времени увеличение продуктивности данной культуры на 50% определялось сортом и на 50% зависело от прочих, не наследственных, факторов (R.Riley, 1981). Следовательно, выявление естественных генетических вариаций может позволить целенаправленно и шире использовать внутривидовую изменчивость в селекционной практике и составить основу для разработки и решения теоретических и практических вопросов частной генетики сельскохозяйственных растений.

Основные трудности любого селекционного процесса обусловлены, во-первых, полигенной природой большинства, интересующих селекционера, признаков, во-вторых, множественным аллелизмом как фактором наследственной изменчивости, в третьих, фенотипической изменчивостью. Это создает проблемы при подборе пар для скрещивания и отборе лучших генотипов из гибридной популяции.

Современная биология, благодаря обнаружению качественных биохимических признаков организма, подчиняющихся законам наследственности , способна расширить видимые горизонты генетической изменчивости. Знание разнообразия и закономерностей наследования различных форм ферментов или функционально сходных неферментативных белков позволяет наметить подходы для выяснения адаптивной и селекционной ценности генетических факторов, до сих пор не контролируемых, и целенаправленного использования их в селекционном процессе. Характерно, что эти исследования помогают решить основные проблемы селекции (подбор пар для скрещивания и отбор лучших генотипов).

В последние годы, благодаря бурному развитию молекулярной биологии, появилась возможность проводить маркирование практически всего генома культурных растений, например, путем выявления продуктов амплификации ДНК при помощи полимеразной цепной реакции. В данном случае, можно маркировать участки хромосом на которых не расположены гены, контролирующие синтез функционально важных продуктов для растительного организма. Введение новых методов молекулярной биологии, обладающих высокой производительностью и требующих небольшого количества материала для анализа, позволило интенсифицировать работу по маркированию геномов растений. Так, только на ячмене в Северо-Американском проекте по картированию генома ячменя СНАВСМР) к 1992 году уже участвовало 28 лабораторий США и Канады СА.К1е1пЬоГБ, 19923. Достаточно интенсивно подобная работа проводится и в Европе. Следует отметить, что до сих пор генетические карты, построенные на основе молекулярных маркеров, не привязаны к хромосомным картам генов, контролирующих известные морфологические признаки растений. Недостатком этих исследований является и то, что, как правило, молекулярные маркеры не выявляют множественный алле-лизм.

Изучение белковых наследственных вариантов обладает тем преимуществом, что позволяет идентифицировать локусы, определяющие конкретную функциональную значимость их продуктов для растительного организма и относящихся к полиморфным биохимическим системам. В то же время до сих пор сведения по генетическому контролю большинства ферментативных и неферментативных белковых систем сельскохозяйственных растений недостаточно полны, отрывочны или вообще не освещены. Открытыми остаются и вопросы о местоположении большинства локу-сов, контролирующих биохимические признаки, относительно генетических факторов с хорошо известной локализацией на картах сцепления. С учетом этого локализация генов, контролирующих полиморфные биохимические системы, проводилась на комбинациях, включающих некоторые из известных генетических факторов и позволяющих расположить их относительно друг друга.

Не меньший интерес, с точки зрения селекционной практики, вызывает вопрос о возможности использовании, выявляемого наследственного разнообразия среди культурных видов, в прикладных целях. В данном случае возможны следующие пути реализации генетического разнообразия: 1 - использование наследственных вариантов как генетических маркеров факторов, определяющих селекционно-ценные признаки Снапример, генов устойчивости к болезням); 2 - целенаправленное использование внутривидового полиморфизма на основе результатов оценки адаптивной ценности генетических вариантов для различных зон возделывания данной культуры; 3 - реализация полиморфизма для идентификации линий, сортов, гибридов и определения уровня гибридности товарных партий семян $ по культурам у которых ведется промышленное производство гибридов.

В связи с этим, целью данной работы было изучение генетики биосинтеза следующих ферментативных систем ячменя: эстеразы, суперок-сиддисмутазы, а-, /3-амилазы, 6-фосфоглюконатдегидрогеназы, перокси-дазы и запасных белков; исследование белков семени подсолнечника, озимой твердой пшеницы, а также разработка подходов использования, выявленного генетического полиморфизма, в практической селекции.

Для этого предусматривалось выяснить характер наследования и провести локализацию генетических факторов, контролирующих синтез гордеина, альфа- и бета-амилаз, супероксиддисмутаз, эстераз и 6-фос-фоглюконатдегидрогеназ ячменя, гелиантининов подсолнечника и глиади-нов озимой твердой пшеницы; изучить взаимосвязь между локусами, обуславливающими полиморфизм по ферментативным и неферментативным белковым системам, а также молекулярным маркерам и хозяйственно-ценным признакам и свойствам ярового ячменя и озимой пшеницы; изучить геногеографию наследственных факторов, определяющих изоэнзимный состав и вариацию по молекулярным маркерам, в культуре ярового ячменя; оценить факторы, контролирующие биохимические признаки, как генетические маркеры ценных генов; разработать способы определения гибридности товарных партий семян $ у перекрестников.

Основные положения, вынесенные на защиту, заключаются:

- в разработке методологии генетического анализа качественных биохимических, цитологических и морфологических признаков у самоопылителей;

- установлении закономерностей в распределении генетических факторов, контролирующих биохимические признаки, по геному ячменя и пшеницы;

- идентификации и номенклатуре обозначения, выявленных наследственных форм белков и ферментов ячменя, пшеницы и подсолнечника;

- оценке сопряженности биохимических и молекулярных вариантов, в культуре сельскохозяйственных растений, с количественными признаками, определяющими их продуктивность и хозяйственную ценность;

- установлении закономерностей в распространении аллелей, контролирующих изоферменты и продукты РАРБ, в зависимости от географического положения региона возделывания яровой культуры ячменя; оценке климатических факторов, как факторов естественного отбора в пользу определенных генотипов ячменя;

- новых способах оценки селекционного материала самоопылителей и товарных партий семян перекрестников.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие обобщения составляющие предмет защиты, содержащие научную новизну и практическую ценность:

1, Наряду с известными методами генетического анализа, на самоопылителях впервые предложено проводить оценку сцепления генов по результатам анализа популяции самоопылителя в стадии рекомбинаци-онного насыщения (]£»), что позволило в эксперименте идентифицировать и провести локализацию нескольких десятков новых генов, контролирующих синтез запасных белков и ферментов у ячменя и пшеницы, и молекулярных маркеров в культуре ячменя.

2, Для картирования центромеры относительно известных генов и локализации новых генов целесообразно использовать двойные дителосо-мики, отличающиеся цитологической стабильностью, и впервые выделенные в потомстве телотрисомиков ячменя. Приоритетом, при работе с таким материалом, явилось также определение местоположения центромеры на хромосоме 1 ячменя относительно известных и новых локусов.

3, Установлены закономерности в распределении генов, контролирующих синтез запасных белков ячменя, пшеницы и подсолнечника, заключающиеся в том, что во всех случаях в каждом геноме существует основная хромосома на которой расположен сложный локус, с серией множественных аллелей, контролирующий синтез нескольких, сцепленно наследуемых, полипептидов. С этим локусом ассоциируется несколько неаллельных генов, обуславливающих синтез близких по физико-химическим свойствам белков, составляющих семейство. Генетический контроль ферментативных белков генома обуславливают не менее двух хромосом по каждому энзиму.

4, Предложена генетическая номенклатура обозначения, выявленных наследственных форм белков и ферментов ячменя, пшеницы и подсолнечника, позволяющая идентифицировать линии, сорта и гибриды данных культур по генотипу.

5, В условиях юга Украины и ЦЧЗ России проведена оценка сопряженности биохимических и молекулярных вариантов в культуре зерновых с количественными признаками, определяющими их продуктивность и хозяйственную ценность, что позволило выделить генотипы адаптированные к данным условиям среды, отличающиеся высокой продуктивностью и качеством. Для данных регионов установлены "идеальные генотипы" по качеству и комплексу хозяйственно-ценных признаков для культуры ячменя и озимой мягкой пшеницы. Практические результаты этого направления исследований реализованы в виде сортов ярового СОдесский 131 - А. С. 308, Украина; Паллидум 107 - А. С. 526, Украина; Сталкер - А. С. 655, Украина; Владислав - заявка N33352, Россия; Хаджибей - заявка N33351 Россия) и озимого (Одесский 165 - А. С.204, Украина) ячменя, а также сортов озимой мягкой пшеницы (БЕЛНИИСХ 1 - заявка N33288, Россия; БЕЛНИИСХ 2 - заявка N33289, Россия).

6. Установлены закономерности в распространении аллелей, обуславливающих полиморфизм по качественным биохимическим признакам, в культуре ярового ячменя разных географических зон возделывания, заключающиеся в том, что встречаемость аллелей в пространстве зависит от климатических факторов региона. Средовая вариация во времени способствует сохранению альтернативных наследственных вариантов. В целом, только небольшая часть генома растений, отличающегося полиморфизмом, обладает нейтральностью к средовой вариации.

7. Оценка климатических факторов, как факторов естественного отбора, показала, что основными из них для растений являются: влажность, температура и континентальность. Значимость их не равноценна по отношению к разным генетическим вариантам.

8. На основе проведенных исследований предложены новые способы оценки селекционного материала самоопылителей СА. С. 1425880, СССР; А.С.1454322, СССР) и товарных партий семян перекрестников СА. С. 1664200, СССР; А.С. 1750509, СССР; А.С.1800670, СССР).

Исследования по генетике ячменя и подсолнечника, приведенные в настоящей работе выполнялись в отделе генетических основ селекции Селекционно-генетического института (Одесса), а с 1995 г. в лабораториях по селекции и семеноводству озимой пшеницы и ярового ячменя Белгородского НИИ сельского хозяйства (Белгород).

Практические результаты работы реализованы в виде районированных сортов ячменя: Одесский 131 (A.C. No. 308, Украина), Одесский 165 (А. С. No. 204, Украина), Паллидум 107 (A.C. Но. 526, Украина), Сталкер (A.C. No. 655, Украина), внедрены в практику оценки гибрид-ности промышленных партий семян F* подсолнечника СГИ (Одесса)(А. С. No. 1664200, No. 1750509, No.1800670). Растительный материал, созданный в процессе выполнения представленных исследований, используется в работе научных подразделений БелНИИСХ (Белгород), НИИ ЦРЧЗ НП0"Подмос-ковье", ИОГен, СГИ УААН (Одесса) и других учреждений.

Представленные данные позволяют наметить подходы к изучению природы сложных локусов, оценить пути и перспективы селекции на качество, продуктивность, толерантность к абиотическим факторам среды, могут быть использованы для установления чистоты и подлинности семян сортов и гибридов ярового ячменя, подсолнечника, озимой пшеницы, установления их генеалогии, для уточнения хромосомных карт сцепления, в генетике и селекции ячменя на устойчивость к патогенам и при реализации обычных селекционных и генетических программ.

Выражаю огромную благодарность за сотрудничество в работе по ячменю: А. А. Поморцеву (ИОГен), Р. Н. Календарю (Хельсинкский ун-т), И. С. Крестинкову (0ТИПП), А. А. Линчевскому (СГИ), W. Schinieder (ИИЗК, Hadmersieben); по подсолнечнику: Ф. А. Попереле (СГИ), И. С. Крестинкову (0ТИПП); по озимой пшенице: В. М. Панину (Саратовский СХИ), А. И. Рыбалке (СГИ), М. М. Копусю (Донской селекцентр).