Введение к работе
Актуальность темы. Меняющиеся условия хозяйствования и возрастающие требования к качеству зерна новых сортов пшениц, вынуждают совершенствовать существующую систему оценок этого признака во всех звеньях селекции. Кроме того, более глубокое изучение связи качества зерна с другими свойствами генотипа необходимо для разработки и обоснования направлений селекции па длительную перспективу.
Основные трудности селекции на высокие хлебопекарные качества муки обусловлены полигенной природой генетических факторов, оказывающих влияние на этот признак, множественным аллелизмом по отдельным локусам и наличием фенотипической изменчивости.
Современный уровень развития биологии открывает путь к разработке принципиалыю новых методов оценки селекционного материала. В основе этого подхода лежат исследования по биохимической генетике, одной из задач которой является идентификация локусов по контролируемым ими белкам (Г.Харрис,1973; Р.Левонтин,1978; Я.Тосиюки,1979) и установление их роли в определении признаков и свойств генотипа. Это направление исследований в настоящее время интенсивно развивается в биохимической генетике человека, растений, животных, мтфоорганизмов эволюционной и популяционной генетике я получило название - белковые маркеры или более широко, с выходом на различные фрагменты нуклеиновых кислот-молекулярно-генетические маркеры (Созинов А.А., 1993; Глазко В.И., Со-зинов И.А. ,1993).
Общепризнанно, что хлебопекарные качества муки в основном определяются свойствами клейковины. Поэтому использование подходов биохимической генетики при изучении клейковинных белков пшеницы пред-
ставляется весьма перспективным. В этой связи можно предполагать, что различия в свойствах клейковипы на сортовом уровне могут определяться генетически обусловленными особенностями составляющих ее белков -глиадина и глютешша.
В связи с использованием методов электрофореза в гелевых носителях, получены важные сведения по биохимической природе и генетическим особенностям белков клейковины. Установлена природа биохимической гетерогенности этих белков, вызываемая генетическими факторами. Сорта пшениц характеризуются специфичностью компонентного состава глиадина и некоторыми отличиями по глютенинам. Оградно отметить, что отечественные исследователи школ академиков Созинова А.А. и Копарева В.Г. внесли решающий вклад в развитие работ этого направления. Однако, важнейшие для селекционной практики вопросы о сопряженности особенностей компонентного состава клейковинных белков с основными показателями качества зерна на всех этапах селекции, изучены еще совершенно недостаточно.
Цель и задачи исследований. Основная цель проведенных исследований - всестороннее изучение клейковинных белков методами биохимической генетики в системе гибридологического анализа отдельных растений, а также при создании чистых и изогешшх линий, отдельных сортов и селекционных образцов, мутантных форм и популяций по основным параметрам качества зерна и другим хозяйственно-важным свойствам для разработки системы комплексной оценки генотипов пшеницы в процессе селекции.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать наиболее приспособленные к задачам селекции элек-трофоретические методы фракционирования клейковинных белков на геле-вых носителях;
разработать более простой способ идентификации компонентов спектра белков по сравнению с моносомным и дисомно-замещенным методами;
- разработать систему генетической классификации компонентов
спектра белков у мягких и тургадных (твердых) пшениц;
- изучить влияние особенностей компонентного состава клейковин
ных белков на качество и другие хозяйственно-ценные свойства у отдель
ных растений, линий, селекционных образцов;
-изучить влияние эколого-географических факторов па адаптивность биотипов пшеницы с различными аллелями глиадина;
разработать систему комплексной оценки генотипов пшеницы по качеству;
изучить эффективность использования системы комплексной оценки генотипов в селекции шпетшды.
Научная новизна работы. Установлено, что основными источниками генетического разнообразия (полиморфизма) среди сортов пшеницы по клейковкнным белкам являются : полигенный контроль ( 6 основных локу-сов по глиадинам и глютенинам) и множественный аллелизм. Аллель маркируется ( сигнализируется) на электрофореграмме группой сцепленно наследуемых компонентов названных блоком. Впервые генетическое понимание наследствешюй единицы глиадинов-блока компонентов сформулировано в нашей стране летом 1975 года ( Созинов А.А.ДІопереля Ф.А.,Копусь М.М.,1975). Была предложена номенклатура блока компонентов и разрабо-
таны основы генетической классификации глиадинов, составлены каталоги и изучены сопряженности различных аллелей с изменчивостью хозяйственно-ценных признаков. Экспериментально доказано, что гибридологический анализ является простым и удобным способом идентификации компонентов спектра как у мягких, так и у тургидных ( твердых) пшениц. Впервые выявлены спонтанные мутанты по глиадиновым белкам затрагивающие один (М-1654) и несколько ( супермутант) глиадинкодирующих локусов целиком, а также описаны примеры очень редких мутаций внутри локуса. Эти мутации проливают свет на причины и следствие огромного естественного полиморфизма клейковинных белков.
Впервые созданы изогенные линии по молекулярно-генетическому признаку - компонентному составу глиадина мягкой пшеницы. Основной набор этих линий ( 24 штуки), переданы в Национальные центры генетических ресурсов растений России ( ВИР) и Украины (УИР). При пересеве зерна экспериментальной популяции, составленной из изо-глиадиповых линий в пяти зонах СНГ впервые получен прямой ответ об адаптивной значимости аллелей глиадина озимой мягкой пшепицы и установлена их естественная генбгеография. Эти линии позволили впервые установить фактическую, а не относительную ценность различпых аллелей глиадина в определении генетического уровня качества зерна у озимой мягкой пшепицы и доказать, что аллели глиадина непосредственно и совершенно одинаково влияют на качество муки как на уровне гибридов F2-4, так и на уровне изо-глиадиновых линий, причем выращешгых на различных ітедшеетвенннках и в разных зонах.
В результате анализа различного материала (гибриды F2-4, константные линии, биотипы сортов, мутантные формы, изо-глиадиновые линии) предложена система комплексной оценки генотипов гапеницы по качеству и
сопряженных с полиморфизмом глиадина продуктивности и морозостойкости. В эту систему включены важнейшие факторы, влияющие на хлебопекарные качества: полиморфизм клейковинных белков, содержание белка и консистенция эндосперма. Приводится также шкала для селекционной оценки генотипов пшеницы с максимальным выражением признаков на ге-нофоне Безостая 1 по качеству муки, морозостойкости, продуктивности и в комплексе. Результаты многолетнего использования предложенной системы при оценке селекционного материала озимой мягкой гппепицы подтвердили ее эффективность. С использованием метода в Донском селекцептре создано 18 сортов озимой мягкой пшеницы. Все они имеют "хороший" глиадин, оптимальное содержание белка и твердозерный эндосперм, что гарантирует им высокое хлебопекарное качество.
Впервые показана возможность идентификации сортов и биотипов озимых тургидных пшениц по спектрам птиалинов. Предложена номенклатура наследственной единицы - блока компонентов, составлен каталог идентифицированных аллелей, изучена их связь с качеством , продуктивностью и морозостойкостью.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований, с участием автора, разработаны и адаптированы к задачам селекции высокопроизводительные методы электрофореза глиадиновых белков на крахмальном (КГ) (18) и полиакриламидном гелях (ПААГ) (9). Разработаны основы генетической классификации глиадинов мягких (1) и тургидных ( твердых) (23) пшениц составлены каталоги идентифицированных аллелей ( 5,9,18,27). Установлена относительная и фактическая ценность аллелей глиадина в определении качества, продуктивности и морозостойкости у озимых мягких и тургидных ( твердых) пшениц ( 5,38,42). Выявлены спонтанные мутанты по глиадиновым аллелям и открыты "нуль" аллели (8,14) у озимых мягких
пшениц. Эти мутанты используются в селекционной работе (Жогин А.Ф., 1996). Для оперативного определения сооношения биотипов в гетерогенных селекционных образцах разработан "Способ оценки селекционного материала пшеницы" (A.C.N1360657) (17).
Предложена система комплексной оценки для отбора наиболее цепных 1-енотипов пшеницы по качеству и сопряженных с полиморфизмом глиадина продуктивности и морозостойкости (38). Система используется в селекции озимой пшеницы Донского селекцентра, других НИИ. С участием автора создано 7 сортов (Ростовчанка 2, Подарок Дону, Донская Нива, Дар Зернограда- озимая мягкая; Новинка 4, Новипка 5 и Донской янтарь -озимая тургидная),
Созданные автором изогенные по глиадиновым аллелям линии позволили установить исключительно большую роль в повышении жизнестойкости ( морозо-зимостойкость) у озимой мягкой пшеницы аллеля Gld 1Д5 и изучить глиадингеографию по зонам СНГ (37).
На основании проведенных исследований, с учетом мирового опыта и меняющихся условий хозяйствования сделан вывод о необходимости расширения задач селекции по качеству у мягких пшениц до трех-четырех направлений^ ( улучшители ), В ( хлебопекарные сами по себе), С (их улучшают за счет А), Д (кормовые, бисквитные, технические) (28).
Показана практическая необходимость и целесообразность использования белковых маркеров в первичном семеноводстве ,а также потребность периодического контроля за сохранением чистосортности (биотипного состава) у сортов используемых в гибридизации и в качестве стандартов в селекционных носевах (43).
Установлено, что резкое снижение качества муки вызывает признак мягкозерности (5). Для оперативного контроля за іш в селекционном мате-
риале предлагается использовать специально подобранную коллекцию образцов озимой мягкой пшеницы и откалиброванный инфракрасный анализатор ( например, Инфрапид 61).
Разработан "Способ идентификации сортов тургидной пшеницы" (А.С. N1750554) (27). Установлено, что аллели глиадина Gld 1А1 и Gld 1В2,ндентифицированные у мягких пшениц и вызывающие здесь снижение хлебопекарного качества, нет никакого риска для включения в генотипы (сорта) макаронных (тургидных-твердых) галениц (36).
Апробация работы и публикация результатов исследований.
Разработанные методы оценки селекционного материала и результаты исследований апробировались и используются в ВСГИ ( г.Одесса), Укр.НИИ орошаемого земледелия (г.Херсоп),Допском селекцентре (г.Зерноград),Северо-Донецкой станции (п.Тарасовка),Самарском НИИСХ (г.Безенчук), Ульяновском СХИ ( г.Ульяновск ), НИИСХ Юго-востока (г.Саратов), Курганском НИИСХ, Мироновском НИИ пшеницы и других НИИ.
Основные положения работы докладывались на V и 1 Съездах ВОГиС (1987,1994), на Координационных советах ВАСХНИЛ и РАСХН по качеству зерна ( 1983,1987,1994), на 6-м Фраішузско-Советском симпозиуме по биохимии белка пшеницы (Монпелье,Фрашшя,1989),
на Всесоюзной конференции по проблемам селекции зерновых культур на устойчивость к болезням и неблагоприятным условиям среды (Саратов, 1990), на Всесоюзной конференции по экологической генетике растений, животных и человека (Кишинев,!991),на научно-практической конференции по проблемам интенсификации с.х. производства (Ростов/Дон - п. Рассвет, 1991), на международной конференции по молекулярно-генетическим маркерам и селекции растений (Киев, 1994), на научных кон-
ферешщях Ростовского общества ВОГиС (Ростов/Дон 1984-1997), а также во время отчетов в ВСГИ (1974-1983) и Донском селекцентре (1984-1996).
Исследования проведены в соответствии с научно-техническими программами.
Результаты исследований опубликованы в 50 научных работах. Основные положения диссертации изложены в 48 научных работах. Изданы рекомендации. Результаты исследований отражены в книгах академика А.А. Созинова "Улучшение качества зерна озимой пшеницы и кукурузы", "Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции", "Генетика и урожай". На отдельные публикации получены заявки от исследователей: Австралии, США, Англии, Германии, Италии, Испании, Нидерландов, Португалии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, шести экспериментальных глав с обсуждением результатов, выводов и предложений, списка использованной литературы (233 на русском и 144 иностранных языках). Работа изложена на 265 страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц, 32 рисунка и 6 приложений. В обзоре литературы дана характеристика факторов, влияющих на качество зерна, а также представлены сведения по биохимической гетерогенности и генетическому полиморфизму белков клейковины.
