Введение к работе
Актуальность проблемы. Ячмень (Hordeum sativum Jessen) - одна из важнейших зерновых культур. Мировое производство зерна ячменя составляет более 160 млн. т. Крупнейшими производителями его являются Россия, Канада и США. Более 65% зерна ячменя используется на кормовые цели, по 15% потребляют пивоваренная и пищевая промышленности (Филиппов, 2007). Рост потребления зерна в мире, в том числе ячменя, ставит перед селекцией, семеноводством и растениеводством задачу не только создания урожайных, с определенными качественными характеристиками, устойчивых к биотическим и абиотическим факторам среды сортов, но и поддержания их сортовой чистоты, а также рационального размещения в различных природно-климатических зонах. Ячмень - одно из первых растений, которые человек ввел в культуру (Nesbitt, 2001). Возраст наиболее древних археологических находок зерен культурного ячменя определяется в 17 - 18 тыс. лет (Wendorf et al., 1979, Willcox, 1997). Однако вопрос о центре происхождения ячменя дискутируется до сих пор.
Открытие качественных биохимических признаков организмов, наследуемых по законам Менделя, расширили возможности исследования генетической изменчивости. Изучение генетического контроля и полиморфизма различных белков позволило начать работу по выяснению селекционной и адаптивной ценности генов (аллелей), до сих пор неизвестных. Гены и локусы, контролирующие полиморфные белки, широко используются в филогенетических исследованиях, направленных на выяснение центра происхождения ячменя. К числу наиболее полиморфных и генетически хорошо изученных у ячменя относятся спирторастворимые белки эндосперма зерна (гордеины). Установлено, что гордеины наследуются кодоминантно, контролируются несколькими сцепленно наследуемыми локусами {Hrd А - Hrd G или Ног 1 - Ног 5, продукты которых идентифицируются при электрофорезе в крахмальном или полиакриламидном геле соответственно), локализованными на коротком плече хромосомы 5 ячменя. Показано, что эти локусы служат маркерами генов устойчивости растений ячменя к мучнистой росе, ассоциированы с признаком устойчивости озимого ячменя к низким температурам. Выявлена сопряженность аллелей указанных локусов и отдельных электрофоретических компонентов гордеинов с признаками, определяющими кормовые и пивоваренные качества зерна ячменя. Гордеины используют как белковые маркеры также для идентификации сортов ячменя. Высокое разнообразие гордеинов обусловливает их высокую информативность, не уступающую таковой при использовании RAPD и AFLP маркеров, при филогенетических исследованиях. Для электрофореза гордеинов в мире
применяются более двадцати различных методов (Cook, 1992). Используются также различные подходы к интерпретации и регистрации электрофореграмм гордеинов. Нет единой системы в обозначении аллелей гордеин-кодирующих локусов, что не позволяет сопоставить результаты различных исследований, оценить и систематизировать полиморфизм гордеинов, контролируемых аллелями разных локусов. В литературе практически нет сведений, позволяющих судить о селективности или нейтральности этих локусов при воздействии основных природно-климатических факторов. В связи с этим, изучение полиморфизма гордеинов, его структуры и механизмов формирования, выяснение селективности или нейтральности полиморфизма гордеин-кодирующих локусов и на этой основе - использование их как генетических маркеров в филогенетических исследованиях, а также в лабораторном сортовом контроле ячменя является актуальным.
Цель и задачи исследований Целью исследований было изучение полиморфизма гордеин-кодирующих локусов, его структуры и путей формирования, закономерностей географического распределения аллелей, использование гордеин-кодирующих локусов в популяционных и филогенетических исследованиях ячменя, а также в лабораторном контроле сортовой чистоты и сортового соответствия семян в семеноводстве. Были поставлены следующие задачи:
-
изучить полиморфизм гордеинов у местных сортов ячменя из центров генетического разнообразия культуры;
-
изучить мутанты по гордеин-кодирующим локусам у культурного ячменя, а также полиморфизм гордеинов у образцов дикого родича культурного ячменя - Hordeum spontaneum С. Koch;
-
исследовать генетические связи между популяциями ячменя из различных центров его разнообразия на основе анализа полиморфизма гордеин-кодирующих локусов;
-
изучить аллельное разнообразие гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя, районированных на территории СССР с 1929 по 1991 гг., и закономерности распределения аллелей в 25 природно-сельскохозяйственных провинциях, а также сортов, допущенных к использованию в 12 регионах Российской Федерации;
-
изучить естественный отбор по аллелям гордеин-кодирующих локусов и генам, контролирующим некоторые морфологические признаки растений, в искусственно созданных популяциях;
-
исследовать динамику полиморфизма гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя за столетний период селекции в России;
7) изучить возможность использования гордеин-кодирующих локусов как генетических маркеров в лабораторном сортовом контроле ячменя.
Научная новизна работы. Впервые исследован полиморфизм трех гордеин-кодирующих локусов у ячменя из центров его разнообразия и сопредельных стран, составлены каталоги вариантов белков, контролируемых аллелями этих локусов. Впервые показано, что полиморфизм гордеинов, контролируемых аллелями локусов Hrd А и Hrd В имеет структуру, выражающуюся в существовании семейств вариантов гордеинов А и В, которые формируются двумя путями - в результате мутационного процесса, а также в результате интрогрессии при спонтанной гибридизации между культурным и диким ячменем. Впервые установлено, что географическое распределение аллелей гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя зависит от ряда климатических факторов, характеризующих влаго- и теплообеспеченность вегетационного периода, а также от высоты выращивания популяций над уровнем моря в горных условиях. Впервые установлено, что селекция ячменя сопровождается сужением аллелыюго разнообразия гордеин-кодирующих локусов. Впервые показано, что в основе формирование полиморфизма гордеин-кодирующих локусов в центрах разнообразия ячменя могут лежать, с одной стороны, «эффект основателя», а, с другой стороны, — интродукция ячменя из разных районов и в разное время.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
проведенный электрофоретический анализ гордеинов у сортов ярового ячменя, допущенных к использованию на территории Российской Федерации, и составленный электронный каталог их электрофореграмм с указанием аллелей гордеин-кодирующих локусов позволяет различать гетерогенность сортов по гордеинам, обусловленную особенностями выведения сортов и неоднородность, возникшую в результате засорения;
-
разработана модификация метода электрофореза гордеинов в крахмальном геле утвержденная Государственной семенной инспекцией Министерства сельского хозяйства РФ в качестве метода лабораторного сортового контроля семян ячменя;
-
созданный нами каталог электрофореграмм гордеинов современных сортов используются для определения сортовой чистоты и сортового соответствия товарных партий пивоваренного ячменя на трех заводах по производству солода: Острогожском (Воронежская обл.), Орловском (Орловская обл.) и Вороновском (Московская обл.), являющихся дочерними компаниями ОАО «Русский солод».
Апробация работы. Материалы исследований были представлены: на V International Barley Genetics Symposium (Okayama, 1986), III Международном
симпозиуме по биохимической идентификации сортов (Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции по биотехнологии злаковых культур (Алма-Ата, 1988), VI International Barley Genetics Symposium (Helsinborg, Sweden, 1991), VII International Congress of Genetics (Birmingham, United Kingdom, 1993), II International Symposium Triticea (Logan, Utah, USA, 1994), Международной конференции по молекулярно-генетическим маркерам (Ялта, 1996), Международной научно-практической конференции «Генетические ресурсы культурных растений. Проблемы мобилизации, инвентаризации, сохранения и изучения генофонда важнейших сельскохозяйственных культур для решения приоритетных задач селекции» (С.-Петербург, 2001), III съезде ВОГиС (Москва, 2004), Международной научно-производственной конференции «Современные аспекты селекции, семеноводства, технологии, генетики ячменя и овса» (Киров, 2004), И-м Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (С.-Петербург, 2006), Международной научн.-практ. конференции «Современные принципы и методы селекции ячменя» (Краснодар, 2007), Ш-м Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (С.-Петербург, 2007), 2-й Вавиловской международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке» (С.-Петербург, 2007). Материалы диссертации изложены в 80 публикациях, из них 36 в рецензируемых изданиях и одной коллективной монографии. Отдельным изданием опубликована методика электроферетического анализа гордеинов, используемая в лабораторном сортовом контроле. Получено 1 авторское свидетельство.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 371 страницах (включая 70 страниц приложения) машинописного текста и состоит из введения, семи глав и списка литературы из 329 источников, в том числе 173 иностранных. Диссертация иллюстрирована 52 рисунками и 56 таблицами. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Обзор литературы состоит из трех разделов, включающих подразделы: (1) Происхождение культурного ячменя Hordeum sativum Jessen; (1.1) дикий предок ячменя культурного, (1.2) географические центры разнообразия (происхождения) ячменя культурного; (2) гордеин-кодирующие локусы как генетические маркеры у ячменя; (2.1) наследование и генетический контроль электрофоретических компонентов гордеинов; (2.2) полиморфизм гордеинов и способы регистрации электрофореграмм; (2.3) молекулярная организация гордеинов и механизмы возникновения их полиморфизма; (3) использование гордеин-кодирующих локусов как генетических маркеров у ячменя; заключение.
Похожие диссертации на Гордеин-кодирующие локусы как генетические маркеры в популяционных, филогенетических и прикладных исследованиях ячменя
