Связь между составом глиадинов и показателями продуктивности и т

На правах рукописи

ХРУНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СВЯЗЬ МЕЖДУ СОСТАВОМ ГЛИАДИНОВ И ПОКАЗАТЕЛЯМИ ПРОДУКТИВНОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗЕРНА У ГЕНОТИПОВ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ С РАЗНЫМИ АЛЛЕЛЯМИ ГЛИАДИНКОДИРУЮЩИХ ЛОКУСОВ

03.01.05 – физиология и биохимия растений

03.02.07 – генетика (биологические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва — 2013

Работа выполнена в Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева и Институте общей генетики РАН имени Н.И. Вавилова

Научные руководители: Новиков Николай Николаевич,

доктор биологических наук, профессор

Драгович Александра Юрьевна,

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кондратьев Михаил Николаевич

доктор биологических наук, профессор,

кафедра физиологии растений,

РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Пожидаева Елена Станиславовна,

кандидат биологических наук,

Старший научный сотрудник,

лаборатория экспрессии генома,

Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева

Российской академии наук

Ведущая организация: Московский НИИ сельского хозяйства «Немчиновка»

Защита диссертации состоится «25» июня 2012 года в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 220.043.08 при ФГБОУ ВПО Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49. Ученый совет РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан «24» мая 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Белопухов С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство показателей продуктивности и качества зерна пшеницы наследуются как количественные признаки, для оценки которых требуется значительное количество растительного материала, вследствие чего не представляется возможным осуществлять отбор отдельных перспективных растений. Поэтому ведётся разработка точных и быстрых методов определения селектируемых или маркерных показателей, имеющих генетическое сцепление с основными хозяйственно ценными признаками пшеницы.

В ходе биохимических и генетических исследований было установлено, что эффективными маркерами продуктивности растений и технологических свойств зерна мягкой пшеницы могут служить аллели локусов 1 и 6 гомеологических групп хромосом, которые кодируют структуру специфичных для злаковых растений глиадиновых белков. Идентифакация этих белков, выделенных из отдельных зерновок, методом электрофореза в полиакриламидном геле позволяет очень быстро оценивать наличие у генотипов пшеницы соответствующих глиадинкодирующих аллелей, которые генетически сцеплены с генами, контролирующими различные количественные признаки, включая показатели продуктивности и технологических свойств зерна (Созинов, Попереля, 1979; Метаковский и др., 1985; Попереля, 1989; Dong et al., 1991; Kolster et al., 1991; Cerny et al., 1991; Blanlard, 1992; Jackson et al., 1996; Metakovsky et al., 1997; Zhang et al., 2003; Tanaka et al., 2005; Branlard and Metakovsky, 2006; Драгович, 2008; Li et al., 2009).

При маркировании аллелями глиадинкодирующих локусов количественных признаков мягкой пшеницы создается возможность сократить сроки создания новых сортов и отбирать на ранних стадиях селекции генетические линии (биотипы) с повышенной продуктивностью растений, устойчивостью к полеганию и болезням, а также улучшенными технологическими свойствами зерна.

Цель и задачи исследований. Цель исследований – выяснение связи между составом глиадинов и показателями продуктивности и технологических свойств зерна у генотипов мягкой пшеницы с различными аллелями глиадинкодирующих локусов для обоснования возможности их использования в качестве генетических маркеров хозяйственно важных признаков при создании новых сортов с повышенной продуктивностью растений и улучшенными технологическими свойствами зерна.

В задачи исследований входило:

— изучить генетическую гетерогенность сортов и гибридов мягкой пшеницы по аллелям глиадинкодирующих локусов при разделении глиадиновых белков методом электрофореза в полиакриламидном геле;

— выделить из сортовых и гибридной популяций биотипы пшеницы, различающиеся аллелями глиадинкодирующих локусов, и установить генетические формулы их глиадинов;

— размножить в полевых условиях выделенные по аллелям глиадинко-дирующих локусов биотипы пшеницы и оценить их по основным показателям структуры урожая, определяющим продуктивность растений;

— оценить у выделенных по аллелям глиадинкодирующих локусов биотипов пшеницы технологические свойства зерна, муки и полученных из них хлебопекарного теста и хлеба;

— выяснить связи между аллелями глиадинкодирующих локусов и показателями продуктивности и технологических свойств зерна у изучаемых биотипов мягкой пшеницы;

— на основе анализа глиадиновых белков выявить аллели глиадинкоди-рующих локусов, которые можно рекомендовать для использования в селекции мягкой пшеницы в качестве генетических маркеров при создании сортов с повышенной продуктивностью растений и улучшенными технологическими свойствами зерна.

Научная новизна работы. В ходе изучения состава глиадиновых белков получены новые сведения о генетической гетерогенности сортов мягкой пшеницы по аллелям глиадинкодирующих локусов и установлены генетические формулы глиадинов для сортов Приокская, Дальневосточная 10, Самсар.

При изучении биотипов мягкой пшеницы, выделенных из сортов Приок-ская, Самсар, Саратовская 29, Дальневосточная 10 и гибридной популяции от скрещивания сортов Купава х Новосибирская 32, установлена связь глиадинкодирующих аллелей Gli-A2s, Gli-A1i, Gli-A1m, Gli-B2d с большим набором полезных признаков, связанных с повышением продуктивности растений и улучшением технологических свойств зерна, что обосновывает возможность использования этих аллелей в качестве генетических маркеров указанных признаков в селекции мягкой пшеницы. В результате анализа состава глиадинов и показателей структуры урожая у изучаемых биотипов выявлена положительная связь глиадинкодирующих аллелей Gli-A1a, Gli-B1f, Gli-B1b, Gli-A2q, Gli-B2o с высотой растений, что не отвечает требованиям селекции мягкой пшеницы, направленной на создание короткостебельных генотипов. У биотипов мягкой пшеницы, различающихся по аллелям глиадинкодирующих локусов, установлена отрицательная связь между содержанием в зерне клейковины и ее упругостью, а также основными мукомольно-хлебопекарными показателями.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при оценке и идентификации сортов и гибридов мягкой пшеницы по составу глиадиновых белков при их разделении методом электрофореза в полиакриламидном геле.

На основе изучения биотипов, различающихся по аллелям глиадинкодирующих локусов, обосновывается возможность использования в селекции мягкой пшеницы в качестве генетических маркеров повышенной продуктивности растений и улучшенных технологических свойств зерна глиадинкодирующих аллелей Gli-A2s, Gli-A1i, Gli-A1m, Gli-B2d, которые могут быть идентифицированы по установленным блокам электрофоретических компонентов глиадиновых белков.

У сорта мягкой пшеницы Дальневосточная-10 выделен мутантный биотип с отсутствием глиадиновых компонентов, контролируемых локусом Gli-D1, который отличается от основного биотипа данного сорта большей высотой растений и уменьшением показателей массы 1000 зёрен, натуры и твёрдости зерна. Последнее свидетельствует о возможной связи аллелей этого глиадинкодирующего локуса с понижением высоты растений, увеличением массы зёрен, натуры и твёрдости зерна, что может использоваться в селекции мягкой пшеницы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международной научно-практической конференции «О проблемах обеспечения в современных условиях количественной и качественной сохранности материальных ценностей, поставляемых и закладываемых в государственный резерв» (М.: НИИ проблем хранения Росрезерва, 2011); на международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Вклад молодых ученых в развитие инноваций аграрной науки» (М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2010); на 6-й международной конференции «Мельница – 2011». Модернизация. Инновации. Техническое перевооружение» (М.: Международная промышленная академия, 2011): на международной научно-практической конференции «Проблемы развития АПК и сельских территорий в 21 веке» (М.: РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованныъ ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 156 страницах стандартного текста и включает введение, обзор литературы (4 главы), экспериментальную часть (4 главы), заключение, выводы, практические рекомендации, список использованной литературы. Иллюстративная часть диссертации представлена в виде 23 таблиц и 18 рисунков. Список литературных источников содержит 193 наименования, в том числе 79 работ зарубежных авторов.

1. Объекты и методы исследований

Для изучения связи между составом спирторастворимых белков и показателями продуктивности растений и качества зерна мягкой пшеницы исследовались сортообразцы различных генотипов озимой и яровой мягкой пшеницы и выделенные из них биотипы, являющиеся носителями определённых глиадинкодирующих локусов. В ходе исследований были изучены глиадиновые биотипы, выделенные из гетерогенных по составу глиадинов сортов мягкой пшеницы: Приокская (районирована в Средне-Русском агроклиматическом регионе), Саратовская 29 (Нижневолжский, Уральский и Западно-Сибирский регионы), Самсар (Средневолжский и Уральский регионы), Дальневосточная 10 (Дальневосточный регион).

Для более полного нивелирования различий между биотипами, обусловленных влиянием других (не глиадиновых) генов на основе скрещивания двух сортов Купава х Новосибирская 32 была создана гибридная популяция, из F2 которой были отобраны биотипы, отличающиеся по составу глиадинов. В таких биотипах при достаточной выборке гены родительских сортов распределяются примерно с равными частотами и отличие биотипов друг от друга определяется преимущественно составом глиадинов.

Сортообразцы для разделения на биотипы, а также для гибридизации были получены от оригинаторов сортов, пересеяны с целью получения колосового материала и разделены на биотипы по составу запасных белков зерна – глиадинов.

Изучаемые генотипы пшеницы выращивали на полевой опытной станции РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева в 2006-2007 гг. на выравненном агрофоне. Почва на опытном участке дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержа-ние гумуса 2,4-2,5%, рН солевой вытяжки – 6,1-6,2; содержание Р2О5 (по Кирсанову) – 21-22, К2О (по Масловой) – 16-17 мг/100 г почвы.

Пшеницу убирали при наступлении полной спелости зерна, технологические показатели которого определяли после завершения процессов послеуборочного дозревания. В ходе исследований определяли показатели структуры урожая по общепринятой методике (Доспехов, 1985; Федин, 1989); физико-химические показатели качества зерна, число седиментации, число падения, количество и качество клейковины, реологические свойства теста – стандартными методами (Беркутова, 1991). Массовую долю белков определяли на спектране. Пробную лабораторную выпечку хлеба проводили безопарным методом с интенсивным замесом теста по методике ВЦОКС. Хлебопекарные качества зерна оценивали по объему хлеба, цвету и пористости хлебного мякиша.

Спирторастворимые белки (глиадины) выделяли экстракцией 70%-ным раствором этанола из навески цельносмолотого зерна в течение 30 мин при температуре 370С. После экстракции белковый раствор отделяли от растительного материала центрифугированием, затем добавляли в него краситель – метиленовый зеленый. Для разделения белков использовали метод вертикального электрофореза в полиакриламидном геле с использованием алюминиеволактатного буфера (рН 3,1) при толщине геля 1,8 мм (Метаковский, Новосельская, 1991).

Все результаты исследований подвергались статистической обработке с использованием компьютерной программы «Straz» в модификации информационно-вычислительного центра РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева (версия 2.1, 1989-1991).

2. Биохимический и генетический анализ изученных сортов и

гибридов пшеницы по аллелям глиадинкодирующих локусов

Биохимический и генетический анализ аллельного состава глиадинкодирующих локусов исследуемых сортов мягкой пшеницы Приокская, Саратовская 29, Самсар, Дальневосточная 10, а также образцов второго поколения гибридной комбинации, полученной от скрещивания сортов Купава х Новосибирская 32, проводился по глиадиновым белкам, которые разделяли методом одномерного электрофореза в полиакриламидном геле. В ходе исследований была выявлена значительная гетерогенность сортов и гибридов мягкой пшеницы по глиадиновым белкам и составу аллелей глиадинкодирующих локусов. На основе сопоставления полученных электрофореграмм глиадиновых белков выделенных из сортовых и гибридной комбинации биотипов со стандартными электрофоретическими спектрами глиадинов мягкой пшеницы были определены глиадиновые формулы этих биотипов (табл. 1). Следует отметить, что сорта Приокская, Самсар и Дальневосточная 10 разделены на глиадиновые биотипы впервые.

Таблица 1

Состав аллелей глиадинкодирующих локусов изучаемых биотипов пшеницы

Название сорта

Номер биотипа

Аллели глиадинкодирующих локусов

Gli-A1

Gli-B1

Gli-D1

Gli-A2

Gli-B2

Gli-D2

Приокская

Биотип 1

m

f

b

m

b

f

Биотип 2

m

b

b

m

b

f

Биотип 3

f

b

b

m

b

a

Биотип 4

a

b

b

m

b

f

Формула сорта

m+f+a

b+f

b

m

b

f+a

Саратовская 29

Биотип 1

i

e

a

s

q

e

Биотип 2

i

e

a

q

q

e

Формула сорта

i

e

a

s+q

q

e

Самсар

Биотип 1

i

e

a

s

q

e

Биотип 2

i

e

a

q

q

e

Биотип 3

m

e

f

q

w

e

Биотип 4

m

e

a

q

q

e

Формула сорта

i+m

e

a+f

s+q

q+w

e

Дальневосточная 10

Биотип 1

b

m

null

k

c

m

Биотип 2

b

m

a

k

c

m

Формула сорта

b

m

a+null

k

c

m

У сорта пшеницы Приокская выделены 4 биотипа, которые различались по аллелям глиадинкодирующих локусов Gli-А1, Gli-В1, Gli-D2. Два из этих биотипов с глиадинкодирующими аллелями Gli-B1f и Gli-B1b были главными и составляли 90% сортовой популяции. У Саратовской 29 95% сортовой популяции приходилось на два биотипа, различающихся по аллелям глиадинкодирующего локуса Gli-А2 (Gli-A2s и Gli-A2q). Из внутрисортовой популяции сорта Самсар были выделены 4 биотипа, которые различались по аллелям глиадинкодирующих локусов Gli-А1, Gli-А2, Gli-В2, Gli-D1. Сорт Дальневосточная 10 по составу глиадинкодирующих аллелей оказался гомогенным, но в его внутрисортовой популяции выявлен мутантный биотип, у которого по глиадиновым белкам не было идентифицировано ни одного глиадинкодирующего аллеля (Gli-D1null). Электрофоретический спектр глиади-нов данного биотипа отличается отсутствием компонентов, контролируемых хромосомой 1D). Отсутствие данного блока компонентов на электрофореграмме является следствием транслокации участка короткого плеча хромосомы 1D на длинное плечо хромосомы 2А (Badaeva et al., 2007).



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст