Варианты совершенствования селекционного процесса

УДК 633.631.527:543.54

ВАРИАНТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЕЛЕКЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Н.С. Шпилев., В.Е. Ториков., О.Г. Высоцкий., Л.Г. Юхневская

Дан краткий анализ использования электрофореза для идентификации генотипов сельскохозяйственных растений. Приведены результаты электрофореза индивидуальных зерновок тритикале у родительских форм и их гибридов, высказана возможность отбора ценных генотипов с гибридов первого поколения, что позволит ускорить селекционный процесс создания сортов зерновых культур.

Ключевые слова: тритикале, гибриды, электрофорез, проламины, отбор, селекционный процесс, идентификация, генотип.

Введение

Создание новых сортов сельскохозяйственных культур, отвечающих современным требованиям агропромышленного комплекса, обязывает селекционеров совершенствовать селекционный процесс. Существующие схемы предполагают начало отбора с гибридов второго поколения, в котором, согласно второго закона Г. Менделя начинается формообразовательный процесс. Индивидуальный отбор растений с гибридов первого поколения невозможен, т.к. согласно первого закона Г. Менделя они не различаются по фенотипу.

В этой статье доказана генетическая разнокачественность индивидуальных зерновок гибридных растений F1 с помощью электрофореза и сделано предположение существования корреляционных связей компонентов электрофоретических спектров с отдельными свойствами и признаками растений. Изучение этих вопросов позволит обосновать начало отбора ценных генотипов с гибридов первого поколения, что ускорит селекционный процесс, сделает его более предсказуемым и эффективным.

Успешное применение электрофоретических методов для идентификации сортов растений основано на том, что белки являются продуктами структурных генов. Таким образом, белки могут рассматриваться как «маркеры» структурных генов, которые их кодируют. Следовательно, сравнение состава белков от индивидуальных семян и линий популяции позволяет проводить «типизацию» или «паспортизацию» селекционного материала.

В настоящее время электрофорез используется в сортовой идентификации семян в первичном семеноводстве, а также для разработки новых национальных стандартов России на семена сельскохозяйственных растений. По мнению А. М. Малько научно обоснованные стандарты на семена сельскохозяйственных растений - важнейший инструмент регулирования их сортовых и посевных качеств в условиях рынка [5].

Огромную роль в решении многих проблем селекции, а в последующем и в семеноводстве сыграли электрофоретические методы исследования клейковинных белков, которые разработаны в нашей стране в начале 70-х годов [9]. Были выполнены фундаментальные работы по генетике белков клейковины и консистенции эндосперма [2]. Они позволили разработать номенклатуру аллелей генов, составить каталоги, изучить связь с качеством, предложить шкалу для селекционного отбора лучших генотипов.

По мнению Т. И. Пеневой, А. Ф. Мережко, А. В. Конарева (2008 г.) для ускоренного создания сортов яровой тритикале, пригодных для возделывания в Северозападном регионе России, может быть весьма результативным отбор стабильных, высокопродуктивных, хорошо адаптированных к местным условиям форм из гетерогенных образцов этой культуры, имеющихся в мировой коллекции ВИР. Для выполнения данной задачи необходимо знание структуры исходной популяции и анализ динамики ее состава в процессе отбора на комплекс ценных признаков. Наряду с полевыми оценками, такой контроль возможен с помощью молекулярных маркеров, в том числе - белковых [9,3,4,7,8].

Таким образом, анализируя научную информацию об использовании электрофореза, можно сделать вывод о том, что на основании электрофоретического спектра проламинов возможно достаточно точно установить внутрипопуляционный полиморфизм, генотипы растений и генотипы даже отдельных зерновок.

В работе приведены результаты наших исследований, посвященных изучению электрофоре-тического спектра проламинов тритикале наиболее распространенных сортов и их гибридов, а так же высказана возможность использования полученных результатов в селекции зерновых культур.

Материал и методика.

Для изучения электрофоретического спектра проламинов использовали зерновки озимой гек-

саплоидной тритикале сортов Рондо и Союз, а также индивидуальные зерновки с гибридных растений первого поколения этих сортов. Электрофорез проводили согласно методики проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений [1].

В сортовых формулах интенсивные компоненты подчеркивали, слабые компоненты отмечают чертой над номером позиции, очень слабые - двумя чертами.

При составлении таблиц белковых формул удобнее использовать цифровую оценку интенсивности полипептидов: 1-слабый компонент, 2-средний интенсивности, 3-интенсивный. Компоненты по некоторым позициям представлены двумя или тремя субкомпонентами разной подвижности.

Широкое разнообразие типов электрофоретического спектра проламина, создается за счет общего числа компонентов, их различных сочетаний, как в отдельных зонах, так и в целом спектре, а также за счет степени интенсивности одинаковых по электрофоретической подвижности компонентов.

Результаты и их обсуждение.

Использованные сорта озимой гексаплоидной тритикале в качестве родительских форм Рондо и Союз (табл. 1) различаются по всем компонентам электрофоретического спектра. Так у сорта Союз, использованого в качестве отцовской формы присутствует компонент а 4, слабее представлен а 5 и интенсивнее а 7. В сравнении с сортом Рондо, использованного в качестве материнской формы. Четко просматриваются различия фракции в у изучаемых сортов. У сорта Союз слабее представлены компоненты в 2 и в 3 в сравнении с сортом Рондо.

У исследуемых сортов компоненты в 5 представляют субкомпонентами разной подвижности: у сорта Рондо в 52, а у сорта Союз в 5, и в 53. Значительные различия были выявлены зоны у1 используемых сортов. У сорта Союз присутствуют компоненты у1 отсутствующие у Рондо. Компонент у 2, у сорта Союз представлен слабее, при этом отсутствуют компоненты у 22 и у 23, которые достаточно интенсивно представлены у сорта Рондо.

Существенные различия электрофоретических спектров исследуемых сортов установлены по компоненту ю. У сорта Рондо присутствует ©61, а у сорта Союз фракция ю представлена двумя субкомпонентами 62 и 63.

На основании чего можно сделать вывод о том, что используемые для половой гибридизации сорта, в качестве родительских форм существенно различаются по электрофоретическому спектру проламинов, а следовательно имеют различающуюся генетическую природу.

Электрофоретический спектр гибридных зерновок по фракции а меньшей интенсивностью отмечался у зерновок V и VI, несмотря на то, что обе родительские формы представлены одинаковой интенсивностью компонента а 2, а также в этих зерновках отсутствовал компонент а 6. В остальных зерновках компонент а 6 проявлялся с разной степенью интенсивности: в зернах II интенсивно;

слабо, VIII очень слабо. У обеих родительских форм компонент а6 представлен одинаковой, очень слабой интенсивностью.

По компоненту а 5 исследуемые генотипы различались только по степени интенсивности: зерновки ^П^Ш-интенсивные компоненты, как у материнского сорта Рондо, и зерновки П^ГУ^'У^'УП со слабой интенсивностью, как у отцовского сорта Союз.

Компонент по позиции а 7 представлен двумя субкомпонентами 7, и 72, при этом зерновки I и II имели слабую интенсивность по субкомпоненту 71, как у материнской формы, остальные зерновки соответствовали компоненту а7 отцовского сорта Союз.

По фракции в установлена значительная разница интенсивности компонентов у гибридных зерновок, как в пределах гибридов F1, так и в сравнении с родительскими формами. Компонент 1 у родительских форм представлен одинаково интенсивно. У зерновых ^П слабо, а у VI зерновки очень слабо проявлялся компонент 1. По компоненту 2 зерновки ^ИДЩ^^! соответствовали отцовской форме, а зерновки V,VII,VШ были идентичны с материнским сортом Рондо.

По компоненту в полученные генотипы также значительно различались. Зерновки I и II имели субкомпоненты 31, 32, 33, зерновки Ш,^^^!, субкомпоненты 31 32, зерновка 7 компонент 32, а восьмая зерновка компоненты 31 и32.

Таблица 1

Идентификация компонентов электрофоретического спектра проламина тритикале

№ зерновок а | в 1 г | ю

9 Рондо

I 2 5 6 71 72 123133 452 | 21 22 23345 12342 5617282 92

9 Рондо х в Союз

I 25671 72 Т231 323з451525з 12^2^45 123425617282 92

II 2567172 Т231323З451525З 12^2^ 45 "123425617282"92

III 2567172 1232?345153 123345 1234256^2X^292

IV 7567172 1232?345153 123345 1234256^2X^292

V 25717, 12323345153 "1222334Г5 1234256^2X^292

VI 257172 12323341425152 122233415 1234256^2X^292

VII 2567172 123341425153 12^22^45 1234256172Х1Х292

VIII 24567172 12^3245153 123345 1234256^272X292

3 Союз

I 24567172 1231?245153 121345 1234256263728292

Компонент 4 представлен одинаково у зерновок 1,И,Ш,1У,У,УШ и соответствовал обеим родительским формам. Зерновка 6 отличалась присутствием субкомпонента 41 и 42, а зерновка VII имела субкомпонент 42.

Анализируя в целом фракцию в установлено, что она наиболее полно представлена у использованных нами родительских форм при гибридизации и у полученных гибридных зерновок первого поколения в сравнении с эталонным спектром проламина.

Спектр проламина в фракции существенно различался у индивидуальных гибридных зерновок по компонентам и степени интенсивности. Компонент 1 присутствовал у всех исследуемых зерновых гибридов первого поколения, а интенсивность была высокой у IV и VIII зерновок, слабое проявление у ^ПДЩ'УШ зерновок и очень слабое у V и VI зерновок. Сравнения с родительскими формами показывают, что компонент 1 отсутствовал у материнской формы сорта Рондо и интенсивно проявлялся у отцовской формы сорта Союз. Компонент 2 присутствовал у обеих родительских форм и у всех зерновок, при этом у материнского сорта Рондо этот компонент представлен субкомпонентами 21, 22, 23, а у отцовского сорта Союз субкомпонентом 21. У гибридного потомства компонент 2 представлен у трех зерновок субкомпонентами 21, 22 , 23 - это ^ПУП зерновки.

Три зерновки имели компонент, зерновки. Двумя субкомпонентами

представлены 2 зерновки - V и VI.

Компоненты 3 и 5 одинаково представлены у материнских и отцовских формах и незначительно различался у индивидуальных зерновки F1.

Фракция ю представлена у гибридов и у родительских форм одинаковыми компонентами 1,2,3,42,5,72,92 и лишь незначительно различалась по их интенсивности. Компонент 6 у ^ПДЩ^^^^УП зерновок был одинаков и соответствовал компоненту материнского сорта Рондо. У восьмой зерновки этот компонент представлен субкомпонентами 61 и 62. Субкомпонент 63, имеющий у отцовского сорта Союз не проявлялся. Компонент 8 одинаков проявился у ^ЩУШ, зерновок, он также был представлен у обеих родительских формах. У зерновок П^ГУ^У^УП компонент 8 представлен субкомпонентами 81 и 82, несмотря на то, что субкомпонент 81 отсутствовал у родительских форм

Полученные гибриды первого поколения F1, растения которых по фенотипу ничем не отличались, в колосьях сформировали зерновки, с индивидуальной генетической природой существенно отличающиеся не только в сравнении с родительскими формами, но и между собой. Это наглядно подтверждено графическим и цифровым изложением электрофоретического спектра индивидуальных зерновок с растений гибридов первых поколений.

У индивидуальных зерновок с растений гибридов первого поколения выявлено широкое разнообразие типов электрофоретического спектра проламина. Оно создается за счет общего числа компонентов, и их различного сочетания, как в отдельных зонах, так и в целом спектре, а так же за счет степени интенсивности одинаковых по электрофоретической подвижности компонентов.

Фракции а, в, У, ю и определенные компоненты этих фракций в спектрах сортов индивидуальных зерновок представлены отчетливо и хорошо идентифицированы. Из восьми проанализированных зерновок F1 гибридной комбинации Рондо х Союз на долю основного типа спектра по фракции а, пришлось 6 штук, что указывает на не широкое разнообразие.

Вывод.

Идентификация компонентов электрофоретического спектра проланина индивидуальных зерновок растений гибридов первого поколения доказала их генетическую разнокачественность. Несмотря на то, что это мнение существовало априори (из предшествующих значений), впервые в цифровом формате установлено их генетическое различие. Это позволит, при установлении корреляционной связи отдельных компонентов и степенью их выражения с ценными свойствами сделать селекционный процесс более управляемым и предсказуемым путем начала отбора ценных генотипов индивидуальных зерновок с гибридов первого поколения (Р^.

A brief analysis of the use of electrophoresis to identify the genotype of crop plants. The results of electrophoresis of individual grains of triticale parental forms and their hybrids, suggested the possibility for the selection of genotypes with first-generation hybrids, which will speed up the breeding process of creating varieties of crops. The key words: triticale hybrids, electrophoresis, prolamins, selection, selection process, identification, genotype.

Список литературы

1. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений. Москва ФГНУ «Росинформагротех», 2004. 95 с.

2. Копусь М. М. Полифорфизм белков зерна и селекция озимых пшеницы /Автореферат на соискание ученой степени доктора биологических наук. Краснодар,1998.54с.

3. Конарев В. Г., Гаврилюк, И. П. и др. Молекулярно-биологические аспекты прикладной ботаники, генетики и селекции. Теоретические основы селекции. Т.1. М. Колос.1993.447 с.

4. Конарев В. Г., Пенева, Т. И. Белковые маркеры в анализе тритикале. /Вестник с.х. науки.-1977. №10.С.60-68.

5. Малько А. М. Новый национальный стандарт России на семена сельскохозяйственных растений //Селекция и семеноводство. 2005 №1. С. 25-28.

6. Пенева Т. И., Мережко, А. Ф., Конарев, А. В. Изменение состава спектров глиадина в процессе создания сорта яровой тритикале Золотой Гребешок. /Тритикале России. Ростов-на-Дону.-2008.С. 156-165.

7. Пенева Т. И., Кудрякова, Н. В., Конарев В. Г. Идентификация, регистрация и оценка генетической структуры тритикале. В кн. Молекулярно генетические аспекты прикладной ботаники, генетики и селекции. М. Колос.1993. С.175-192.

8. Поморцев А. А., Лялина Е. В., Животовский Л. А., Калабушкин Б. А., Пухальский В. А. Электрофорез запасных белков как метод сортового контроля у ярового ячменя. //Селекция и семеноводство. 2004. №3.С. 20-23.

9. Созинов А. А., Попереля Ф. А., Копусь М. М. Генетически обусловленные различия компонентного состава глиадина сортов Безостая 1 и днепровская 521 и их роль в определении качества муки/ Доклады ВАСХНИЛ.1975.№11.С.10-14.

Об авторах

Шпилев Н. С. - доктор сельскохозяйственных наук, профессор ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия.

Ториков В. Е. - доктор сельскохозяйственных наук, профессор ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия.

Высоцкий О. Г. - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, O.Vysotskiy@yandex. ru.

Юхневская Л. Г. - ассистент ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия, L.Yukhnevskaya@yandex. ru.

USING ELECTROPHORESIS IN BREEDING OF CROPS

Shpilev N.S, Torikov V.E, Vysotskiy O.G, Yukhnevskaya L.G