Полипептидные маркёры видов Hedysarum L. Оренбургского Приуралья

Полипептидные маркёры видов Hedysarum L. Оренбургского Приуралья

В.И. Авдеев, д.с.-х.н., А.А. Релишский, соискатель, Оренбургский ГАУ

На территории Оренбуржья в дикорастущем состоянии отмечены 7 видов копеечника (Hedysarum L.), принадлежащего к обширному семейству Fabaceae Lindl. Из этих видов таксономически были изучены 4 вида, наиболее часто встречающиеся в местных природных популяциях [1, 2]. Помимо внешних признаков, в систематике бобовых растений используют молекулярные признаки, в частности, поли-пептидные (белковые) маркёры, позволяющие анализировать генетическую структуру таксонов [3]. Виды рода Hedysarum L. в этом плане почти не изучены. Цель статьи — сравнительное исследование, выявление генетического механизма формирования полипептидной структуры трёх видов, произрастающих на территории Оренбуржья: копеечника крупноцветкового (H. grandiflorum Pall.), копеечника серебристолистного (H. argyrophyllum Ledeb.) и копеечника Гмелина (H. gmelinii Ledeb.).

Сбор семян указанных видов копеечника проводили в популяциях близ г. Оренбурга (Оренбургский, Сакмарский районы) [1, 2], а H. argyrophyllum — в Кваркенском районе Оренбургской области. Анализ запасных белков семян этих видов выполняли в лаборатории биохимии и молекулярной биологии ВНИИР им. Н.И. Вавилова (г. Санкт-Петербург) по принятой международной методике ISTA [4]. При этом в каждый карман полиакриламидной гелевой пластинки, подвергаемой вертикальному электрофорезу, вносили по 8 мкл белкового раствора, что позволяло получать у изучаемых видов копеечника чёткие полипептидные компоненты электрофореграммы (ЭФ). Для выявления взаимной близости этих трёх видов учитывали процент общих компонентов.

Характерной особенностью ЭФ видов Hedysarum является значительная их насыщенность поли-пептидными компонентами, что указывает на высокую полигенность отдельных особей каждого вида по запасным белкам семян. На ЭФ разных особей проявляется от 26—31 до 38—41 полипептидных компонента. Обнаружен довольно высокий генетический полиморфизм и в пределах каждой популяции, где насчитывается от 4—5 до 9—11 полипептидных типов спектра. В связи с этим в таблицах 1—4 приводятся типичные полипептидные спектры.

В изученной популяции H. grandiflorum на территории Кваркенского района

выделены 11 типов спектров, из них приведены 2 типа, содержащие компоненты в количестве 37 и 41 (табл. 1). Учитывая приведённые данные и данные по остальным типам спектра, можно заключить, что стабильными (общими) компонентами для всех изученных особей вида в данной популяции являются компоненты 90, 81, 60, 50, 20, 15, 10. Компоненты 100, 80, 70, 63, 53, 43, 40, 30, 23, 13 имеют более половины особей. Другие компоненты — 110, 108, 107, 96, 61, 59 — являются редкими, остальные встречаются у менее половины особей. Нужно отметить, что в популяции, растущей на территории Общего Сырта, появляется стабильный компонент в позиции 80, наиболее частыми стали компоненты 110, 96, 93, 54. Иными словами, явно существуют генетические популяционные различия особей внутри одного вида.

В популяции H. argyrophyllum из Сакмарско-го района (Общий Сырт) из 10 типов спектра также приведены два с числом компонентов 37 и 28 (табл. 2). Здесь стабильными являются компоненты 90, 81 и 80, 50, 40, 20, 10, часты компоненты 93, 70, 47, 44, 33, 30, очень редки компоненты 110, 107, 105, 83, 69, 30, 29, остальные компоненты — менее редкие.

Из вышеприведённых данных следует, что компоненты разной частоты встречаемости в спектрах находятся как в зонах основных 12S-полипептидов (например, компоненты 90, 81, 80 и т.п.), кислых 12S-полипептидов (55, 50, 40 и пр.), так и в зоне высокомолекулярных 7S-полипептидов (33, 30 и менее). Это говорит о том, что гены, кодирующие синтез таксономически важных и разных по позициям полипептидов, имеют различный нуклеотидный состав.

В ботанике остаётся ещё актуальной проблема таксономического статуса H. argyrophyllum: его принимают за отдельный вид или даже за разновидность H. grandif^orum [2]. Установлено, что особое таксономическое значение среди белковых маркёров имеют названные выше стабильные компоненты [3]. У обоих таксонов копеечника из изученных компонентов стабильными являются компоненты 90, 81 (реже 80), 50, 20, 10. Стабильные компоненты 90, 81 и 80, 50, 20, 10 характерны и для вида H. gmelinii (табл. 3). За последние 20 лет нами (совместно с сотрудниками ВНИИР им. Н.И. Вавилова и с аспирантами из г. Оренбурга) методом вертикального гель-электрофореза исследованы 98 видов древесных растений из семейств Rosaceae Juss., Grossulariaceae DC., Vitaceae Juss и ряд их межродовых гибридов, 15 видов травянистых

и древесных растений из семейства Fabaceae. Выявлено, что выделенные выше стабильные компоненты (90, 81 и т.п.) присущи в разной степени таксонам и других семейств. Это говорит об их принадлежности к маркёрам высокого таксономического (семейственного и более) ранга. Анализ имеющихся ЭФ у семейства Fabaceae [3] показывает, что, кроме стабильных компонентов, все прочие (нестабильные) компоненты спорадически отмечаются в разных сочетаниях среди других родов этого обширного семейства.

Можно заключить, что высокое разнообразие фитотаксонов достигается за счёт аллелей близких генов, комбинирующихся в зиготе в доминантном, гетерозиготном, рецессивном состояниях и одновременно способных подвергаться процессам индивидуальной репрессии и дерепрессии. Так, в популяциях H. grandiflomm может выпадать (репрессироваться) важный компонент 80, прочие же компоненты подвержены этому не в меньшей степени. Поэтому фитотаксоногенез во многом связан с репрессией и дерепрессией генов в ходе эволюции. Однако оба процесса возникают в результате предшествующих им генетических событий — мутаций, рекомбинаций, длительных модификаций генов и хромосом [5, 6].

Подсчёт числа компонентов показал, что все три вида копеечника являются взаимно очень близкими, имея 4—23% уникальных компонентов. Более сходны между собой виды H. gmelmi и H. argyrophyllum (в среднем 14% уникальных компонентов), содержащие компоненты 81 и 80 и, в отличие от H. grandiflomm (в среднем 19% уникальных компонентов), не обладающие в изученных нами популяциях компонентами 23

и 21 (табл. 2 и 3). Кроме того, виды H. gmelinii и H. argyrophyllum объединяет единая для них тёмно-розовая окраска лепестков цветка [2]. По содержанию в семенах азота (в среднем 6%) и высокой крупносемянности [7] H. gmelmi можно отнести к довольно древнему виду, заходящему своим ареалом из равнинных степей Евразии в горы Северного Тянь-Шаня (Средняя Азия).

При изучении одной из популяций H. grandiforum на территории Общего Сырта обращено внимание на тип окраски семян. Чаще встречаются особи с типичной для вида коричневой (эумеланической), изредка — с жёлтой (феомеланической) и пятнистой окраской кожуры семян. Пятнистость вызвана тем, что на фоне жёлтой окраски имеются чёткие коричневые пятна. Подобная пятнистая окраска эндокарпа выявлена почти 20 лет назад на территории Западного Копетдага (Туркменистан, север Передней Азии) в контактных популяциях местных видов миндаля (Rosaceae), где с помощью компонентов 87, 88, 90 зафиксирована интрогрессия их геномов в результате гибридизации [5]. Пятнистая и полосатая окраска с участием эумеланина и феомеланина хорошо известна у животных и растений [8]. Из данных таблицы 4 следует, что пятнистая окраска у H. grandiforum объясняется интрогрессией компонентов 77, 74, 65 (жёлтая окраска) и компонента 98 (коричневая окраска). Но встаёт вопрос: как же возникли особи с жёлтой окраской кожуры семян?

Наиболее возможный механизм появления таких особей — мутация генов, кодирующих синтез эумеланина в гены феомеланина. Мутантные особи с жёлтой окраской кожуры морфологически не отличаются от типичных

1. Полипептидные спектры Hedysarum gmndiflomm L.

Позиции полипептидных компонентов по шкале

100 96 95 90 87 86 83 81 80 78 77 76 73 72 71 70 68 67 66 63 61 60 57 55 53 52

1 1 2 1 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1

1 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2

Позиции полипептидных компонентов по шкале

50 49 48 47 45 43 40 39 37 34 33 30 29 27 25 24 23 21 20 18 17 16 15 14 13 10

1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1

1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 1

Примечание. В верхнем спектре табл. 1 и 2 опущен слабый компонент в позиции 110; не приведены позиции компонентов менее 10.

2. Полипептидные спектры Hedysarum argyrophyllum Ledeb.

Позиции полипептидных компонентов по шкале

105 103 97 94 92 90 87 85 81 80 79 78 77 74 72 69 67 65 64 63 62 56 55 54 53

1 1 1 2 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2

1 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2

Позиции полипептидных компонентов по шкале

50 48 44 40 39 38 37 35 34 33 31 30 29 27 25 24 20 19 18 16 15 14 13 12 10

2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 1 1 2 1 1 1 1

2 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

3. Полипептидные спектры Hedysarum gmelinii Ledeb.

Позиции полипептидных компонентов по шкале

11Q 1Q8 1Q7 1Q5 1Q3 1QQ 97 95 9З 9І 9Q 89 88 87 85 84 8І 8Q 79 78 77 75 74 7З 7І 7Q б9

2 2 2 2 2 2 І І І І 2 2 2 2 2 2 2 2 2 І І 2 2 2 2

2 І І 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Позиции полипептидных компонентов по шкале

б8 б7 б5 б4 бЗ бІ 6Q 59 57 55 54 5З 52 5Q 48 47 4б 45 4З 4І 4Q З9 3Q 29 28 27 25

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 І 2 2 2 2 2 2 2 2

Примечание. Не приведены позиции компонентов 24 и 20 (по 2 балла), 18 (1 балл) и менее.

4. Типы полипептидных спектров Hedysarum grandiflorum L. по окраске семян

Тип Позиции полипептидных компонентов по шкале

1QQ 98 95 94 9З 92 9І 9Q 88 8З 8І 8Q 78 77 75 74

Ж-1 2 2 2 2 2 2 2 2

Ж-2 І І І 2 2 2 І І І 2 2 2

П-1 2 І І 2 2 2 І 2 2

П-2 2 2 І 2 2 2 І 2 І

К І І І 2 2 2

Тип Позиции полипептидных компонентов по шкале

7З 7І 7Q б9 б7 бб б5 б4 бІ 6Q 59 58 57 5б 55 5З

Ж-1 2 І 2 2 2 2 2

Ж-2 І І І 2 2 2 І 2 І

П-1 2 І 2 І 2 2 2

П-2 2 І 2 2 2 2 2

К І 2 2

Примечание. Тип окраски семян: Ж — жёлтая, К — коричневая, П — пятнистая. Во всех спектрах опущены компоненты 50 и ниже, в спектре Ж-1 опущены сильные компоненты 110, 105 и 104.

особей, имеют компоненты 23 и 21, видоспецифичные для H. grandiflorum. Поэтому отвергается сама возможность передачи в процессе древней гибридизации и последующей интрогрессии генов жёлтой окраски кожуры от H. argyrophyllum к H. grandiflorum. Анализ вегетативных признаков совместно растущих видов копеечника не указывает на возможность их современной гибридизации [2].

Выше отмечены компоненты окраски кожицы семени у H. grandiflorum. Компонент 98 (коричневая окраска) уникален, компоненты же 77, 74 (жёлтая окраска) могут встречаться и у H. argyrophyllum, компонент 65 — у всех трёх видов. Стало быть, мутация жёлтой окраски у H. grandiflorum — это дерепрессия ранее имевшихся аллелей. У форм H. grandiflomm с пятнистой окраской семян также дерепрессируются редкие компоненты 91 (есть у H. gmelinii), 61 (есть у H. gran-dif^orum, H. gmelinii), 58 (есть у H. grandiflorum, H. argyrophyllum), а аллельные новообразования маркируются только компонентом 98. Это ещё раз указывает на особенности функционирования механизма фитоэволюции — восстановление репрессированных аллелей в условиях природы и культуры [5, 6]. В связи с этим мы полагаем,

что разные виды, в том числе Hedysarum L., могут различаться между собой лишь комбинацией немногих новых генных аллелей и (или) комбинацией дерепрессированных аллелей имевшихся генов.

Литература

1. Баширова Ю.Н. Популяционная изменчивость представителей семейства Fabaceae Lindl. на территории Оренбургского Приуралья: автореф. дисс. ... к.биол.н. Оренбург, 2006. 22 с.

2. Авдеев В.И., Рязанова А.А. Изменчивость признаков некоторых видов Hedysarum L. Оренбургского Приуралья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2008. № 2. С. 213-216.

3. Гаврилюк И.П., Егги Э.Э. Глобулины как маркёры в решении проблем филогении, отдалённой гибридизации и сортовой идентификации бобовых // Теоретические основы селекции. М.: Колос, 1993. Т. 1. С. 232-287.

4. Тарлаковская А.Н., Егги Э.Э., Гаврилюк И.П. и др. Идентификация сортов гороха методом электрофореза белков семян (методические указания). Л.: ВИР, 1990. 23 с.

5. Авдеев В.И. Проблемы и перспективы белкового маркирования дикорастущих видов растений // Труды Института биоресурсов и прикладной экологии. Оренбург: ОГПУ, 2002. Вып. 2. С. 21-31.

6. Авдеев В.И. Генетические аспекты фитоинтродукции (на примере степной части Приуралья) // Степи Северной Евразии: материалы IV междунар. симпозиума. Оренбург: Газпромпечать, 2006. С. 50-51.

7. Благовещенский А.В., Александрова Е.Г. Биохимические основы филогении высших растений. М.: Наука, 1974. 104 с.

8. Медников Б.М. Закон гомологической изменчивости // Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология». М.: Знание», 1980. № 2. 64 с.