Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование ключевых хозяйственно ценных генов культурных растений в связи с их функциональным разнообразием позволяет выявить гены-кандидаты, контролирующие продуктивность растений и качество урожая (Frary and Doganlar, 2003; Doebley et al., 2006; Izawa, 2007; Ross-Ibarra et al., 2007), а также создать новые инструменты молекулярной селекции.
Сезонные изменения длины дня (фотопериода) влияют на многие процессы жизнедеятельности растений. Среди этих процессов наиболее подробно изучен переход к цветению. Основополагающие физиологические и генетические исследования, проведенные с модельным растением Arabidopsis thaliana, показали, что ген CONSTANS (СО) играет ключевую роль в фотопериодической регуляции цветения (Putterill et al., 1995). Принято считать, что ортологи СО арабидопсиса играют такую же роль у риса и некоторых других достаточно подробно исследованных видов растений (Griffits et al., 2003; Turck et al., 2008). Однако в последние годы становится все более очевидным, что генетические системы модельных растений, арабидопсиса и риса, не отражают всего многообразия путей регуляции процессов перехода к цветению. В частности, эти процессы недостаточно исследованы у многих хозяйственно ценных видов растений.
Изучение генетической регуляции перехода картофеля к цветению и клубнеобразованию - важная в практическом отношении задача, решение которой позволит изменять скороспелость этой культуры и продвигать ее в новые регионы. Клубнеобразование растений картофеля зависит от длины дня. Такая зависимость связана с происхождением и последующей селекционной историей картофеля. Большинство современных сортов происходят от длиннодневного (ДЦ) чилийского подвида Solanum tuberosum ssp. tuberosum (группа Chilotanum, Huaman and Spooner, 2002). Однако при выращивании в умеренных широтах Европы и Северной Америки, а также в результате
селекции на признак раннеспелости (Glendinning, 1983) были созданы сорта, нейтральные по отношению к длине дня (НД). Другие культурные и дикорастущие формы (S tuberosum ssp. andigena, S. demissum, S stoloniferum и др.) формируют клубни в условиях короткого дня (КД) (Разумов, 1931; Чайлахян, 1984; Ewing and Struik, 1992; Rodriguez-Falcon et al., 2006).
В начале данного исследования гомолог СО арабидопсиса у представителей рода Solanum представлялся наиболее подходящим геном-кандидатом, связанным с адаптацией этих растений к длине дня (Martinez-Garcia et al., 2002). Гомологи CO изучали в связи с фотопериодической регуляцией перехода к цветению у НД томатов (S lycopersicum) (Ben-Naim et al., 2006). С. Прат и ее коллеги (Rodriguez-Falcon et al, 2006) исследовали гомолог СО арабидопсиса у андийского картофеля (S tuberosum ssp. andigena) как регулятор фотопериодического контроля цветения и клубнеобразования. В отличие от КД андийского картофеля, структура и предполагаемые функции гомолога СО у ДД чилийского картофеля и производных от него современных ДД/НД сортов картофеля ранее не были изучены.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы был анализ структурного и функционального полиморфизма гомологов гена СО (CONSTANS-LIKE, COL) в серии генотипов клубненосных Solanum, различающихся по географическому происхождению, плоидности и скорости развития (включая скороспелость), и создание простых методов различения и идентификации этих гомологов.
В процессе работы предстояло решить следующие задачи:
-
Исследовать первичное строение гена COL у культурных и дикорастущих растений клубненосных форм Solanum, различающихся по фотопериодической реакции и скорости развития.
-
Провести филогенетический анализ охарактеризованных последовательностей COL у Solanum в сопоставлении с
последовательностями гомологов СО у других покрытосеменных растений.
-
Определить число копий и особенности экспрессии COL у клубненосных форм Solarium, различающихся по плоидности и фотопериодической реакции.
-
Разработать методы различения и идентификации локусов COL картофеля и его дикорастущих сородичей, пригодные для селекции с использованием молекулярных маркеров (Marker-Assisted Selection).
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые охарактеризованы гомологи гена СО у широкого круга клубненосных форм Solarium и проведен сравнительный анализ этих генов Впервые показано, что ген COL у растений Solarium представлен двумя формами, которые различаются строением экзона 2 и интрона 1, а также характером экспрессии и, по-видимому, представляют два локуса COL. Созданы системы SCAR и CAPS маркеров, позволяющие надежно различать и идентифицировать эти два локуса COL. Полученные результаты открывают новые возможности для сравнительных генетических и эволюционных исследований молекулярных механизмов, регулирующих переход к цветению и клубнеобразованию у картофеля и его дикорастущих сородичей. SCAR и CAPS маркеры двух локусов COL могут стать эффективным инструментом молекулярной селекции, в частности, при картировании генов COL.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, глав «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты», «Обсуждение» и «Заключение», выводов и списка литературы, включающего 155 названий. Работа изложена на 115 машинописных страницах, содержит 22 рисунка и 7 таблиц.
