Состав проламинов у ряда культивируемых злаков Оренбуржья и проблемы белкового маркирования

Состав проламинов у ряда культивируемых злаков Оренбуржья и проблемы белкового маркирования

В.И. Авдеев, д.с.-х.н., А.Ж. Саудабаева, к.б.н., Оренбургский ГАУ, В.Д. Красавин, д.с.-х.н., Оренбургский НИИСХ Россельхозакадемии

В настоящее время метод белкового маркирования геномов растений является основным в селекции и семеноводстве. Проламины — запасные белки семян злаков (Роасеае БагпН.) — наиболее изучены ныне у пшеницы, ячменя, кукурузы, сорго, риса, ряда других растений, но слабо исследованы у проса [1]. Попытки же оценить генетическое разнообразие различных образцов проса из Евразии методом ДНК-маркёров (RAPD, ISSR) не дали весомых результатов [2]. Между тем у проса выделяют 2 подвида (просо посевное и просо сорное),

а внутри подвидов существуют особи проса, имеющие 2—6 типов метёлки — от развесистой и раскидистой до сжатой, комовой, есть и могаровидный тип [2, 3]. Гибридологическим анализом выявлено, что у проса доминантным признаком является грязно-жёлтая окраска ядра зерновки (преобладает у особей проса сорного), рецессивным — жёлтая окраска (есть у обоих подвидов) [3].

Метод белкового (полипептидного) маркирования цветковых растений успешно используют более полувека. Считают, что электрофоретические (ЭФ) спектры проламинов у злаков являются экологически нейтральными, давая в разных условиях среды один и тот же состав полипептидов. Поэтому белковый метод и рас-

сматривается в качестве очень эффективного молекулярного метода генетического анализа. Однако не следует забывать, что запасные белки семян — это ведь часть молекулярного фенотипа, внутри которого можно выделить как экологически стабильные, так и вариабельные по годам полипептиды, которые будут связаны с теми или иными факторами внешней среды [4].

В разные годы (2010, 2011 и 2013) изучен состав проламинов образцов пшеницы (твёрдой и мягкой), ячменя, проса по общепринятой методике [5]. Ряд трудностей вызывал анализ семян проса из-за обилия в них танинов [6]. Учитывая компьютерное обеспечение, принятое написание формул проламинов [5] было изменено. Степень яркости полипептидных компонентов проламинов выражали по-новому: курсив — яркость слабая, 1 балл; полужирный шрифт — яркость средняя, 2 балла; жирный шрифт — яркость сильная, 3 балла. Все иные обозначения в молекулярной формуле прола-минов являются общепринятыми: в пределах каждого типа полипептидов ( , , , ) строч-

ный номер (1—10) — название полипептида (позиция на шкале), подстрочный номер — его положение (степень подвижности) на шкале из трёх возможных вариантов (1 — нижнее, низкомолекулярное, 2 — среднее, 3 — верхнее, более высокомолекулярное), при этом единственное положение компонента подстрочно не нумеровали. Для учёта молекулярной массы проламинов проса они сопоставлены с «соевой» шкалой, используемой для двудольных растений [5] (табл. 1—3; рис. 1—3).

Во все годы исследований ЭФ-спектры пшениц были однотипными, что говорит о высокой сортовой выравненности семян. Однако состав компонентов у разных сортов твёрдой и мягкой пшеницы был резко различным (табл. 1). У твёрдой пшеницы, несущей только геномы А и В рода ТгШеыш Ь., изученные 4 сорта наиболее различаются в зонах -и -полипептидов, менее всего — в зоне -полипептидов. Самыми бедными по числу полипептидных компонентов были сорта группы «Мелянопус» (15 компонентов), 21 компонент содержат сорта из группы «Гордеиформе». Столь же различаются в тех же зонах и сорта мягкой пшеницы. Меньше всего компонентов было отмечено у сортов Пионерская 32, Оренбургская 105 (20 компонентов), более всего — у сорта Мироновская 808 (26 компонентов). По другим данным, у сорта Мироновская 808 содержатся 21—25 компонентов [5, 7]. Итак, все сорта пшеницы можно уверенно выделить по ЭФ-спектрам глиадинов, т.е. их паспортизация весьма надёжна. От других сортов наиболее отличны сорта Пионерская 32, Саратовская 90 (табл. 1; рис. 1).

Существенно отличаются от пшеницы сорта ячменя (табл. 2; рис. 3). Так, у ячменя отсутствует компонент 93 в -зоне, но у пшеницы в той же зоне нет компонентов 41, 43. У сортов Анна, Донецкий 8, Натали, Оренбургский 11, Оренбургский 17 характерен в -зоне полипептид в позиции 3, однако довольно сходны сорта ячменя по зоне -полипептидов, которая, кстати, сходна и внутри групп сортов пшеницы (табл. 1, 2). Число компонентов изменяется от

1. Формулы проламинов пшеницы и проса

Культивар и типы ЭФ-спектра а-полипептиды Р-полипептиды у-полипептиды ю-полипептиды

Твёрдые тетраплоидные пшеницы (Тпйсит durum Desf.), 2п = 28, глиадины

Гордеиформе Гордеиформе 7398 Мелянопус Мелянопус 6641 12452536271 Ш5г536г71 45616271 456,6,7, 2324252 2324252 2324252 23,4,5, 23425 23425 22235 2,2,5 234261626381 2342616,6381 24262 24262

Мягкие гексаплоидные пшеницы (Тпйсит aestivum Ь.), 2п = 42, глиадины

Мироновская 808 - метчик 124526Л7і 2452616271 245.6,6,7, 123А52 12324252 123,4,5, 2 2 3 4 5 ^3^ 2 2 222332425 2,23,4,5 246678 99 310, 242626372819193102 24,6,637,819,9310,

Колос Оренбуржья 5з6/і 1516171 2324252 222332425 2,2А4,5 24г6,б372819193102

Оренбургская 105 246171 246,7, 3252 3252 2332425 2А4,5 2342616372\9193102 234,6,637,81919310,

Пионерская 32 526171 5?6,7і 12324252 1232.42.52 2з3,425 2А4,5 234263728193102 234,637,819310,

Саратовская 90 124526171 23,4,5, 2,233,4,5 24,616,7,8,9,9310,

Просо культивируемое и просо сорное (Ратсит miliaceum Ь. 8.1.), 2п = 36, каферины

Разные образцы 1252616271 23,4,5, 222А4,5 6,637,819,9310,

Примечание: по сортам твёрдой пшеницы приведены данные за 2010 г., по пшенице сорта Мироновская 808, выращенной за пределами Оренбуржья, — данные соответственно за 2010 (верхняя строка), 2011 (средняя строка) и 2013 гг. (нижняя строка), по пшенице сорта Саратовская 90 — данные 2011 г., по другим сортам — данные 2011 г. (верхняя строка) и 2013 г. (нижняя строка). По просу посевному и просу сорному — данные 2011 и 2012 гг.

2. Формулы гордеинов ячменя обыкновенного

Культивар и тип ЭФ-спектра а-полипептиды Р-полипептиды у-полипептиды ю-полипептиды

Анна, первый тип 5262 72 425152 4352 43617282

Анна, второй тип 34г6272 415152 4352 43617282

Анна, первый тип 5 2 62 72 324251 4352 4361728291

Анна, второй тип 3526272 2415152 4352 4361728291

Донецкий 8, первый тип 34262 31415152 4352 4243627281

Донецкий 8, второй тип 34262 31415А 433522 42436281

Донецкий 8, третий тип 34262 314552 4352 42436281

Натали, первый тип 526272 414251 4352 426і62728191

Натали, второй тип 35г6г72 31414252 4352 426163728191

Натали, первый тип 526272 31425222 23352 4261638191

Натали, второй тип 5262 '72 3114252 23352 4А638191

Оренбургский совместный, первый тип 4262 72 4 4 5 4252 24^62637282

Оренбургский совместный, второй тип 426272 122 4 4 5 422522 2415637282

Оренбургский совместный 42 2 2 2 122 445 4252 24162639 1

Оренбургский 11, первый тип 526272 122 24 4 5 423522 242626381

Оренбургский 11, второй тип 526272 122 3445 4352 242626381

Оренбургский 11, третий тип 35,62 72 2 1 2 2 3445 4,5, 42626381

Оренбургский 17 34 262 34А 3 4 5 5 2 2 1 2 3 4 5 5 2 2 1 2 2 2 2 3 2 2 9 3 22436281 22424362(И 1

Примечание: в сорте первая строка или первые две строки — данные за 2011 г., последняя строка (сорт Оренбургский совместный) или последние две строки — данные за 2013 г. По сорту Донецкий 8 — данные 2011 г., по сорту Оренбургский 11 — данные 2013 г.

16 (сорт Натали) до 13 (сорта Донецкий 8, Оренбургский 17). Для целого ряда сортов ячменя (Анна, Донецкий 8, Натали, Оренбургский 11, менее — Оренбургский совместный) характерна невыравненность по составу гордеинов. Может быть, эти сорта и выглядят внешне однородными, но по спектрам проламинов они являются сор-тосмесями, состоящими из отдельных биотипов. Сорт Натали в 2013 г. стал более однородным, чем он был в 2011 г. Среди ЭФ-спектров сорта Анна в 2011 г. обнаружен спектр, очень близкий к сорту Донецкий 8 [6]. Нужно сказать, что смешанность состава сортов была установлена и раньше на разных сортах ячменя, пшеницы, ржи, огурца и других видов, при этом внутри сортов той же пшеницы выявляли по 2—20 биотипов и более [8]. Одно время такие сор-тосмеси считались показателем плохой работы семеновода, однако ныне принимается, что, при условии внешней однородности семян, эти сор-тосмеси есть важный индикатор экологической адаптации возделываемых сортов [1]. Выявлена изменчивость ЭФ-спектров по годам, что можно объяснить влиянием разных условий среды (табл. 1, 2). Из сортов пшеницы это особенно видно на сорте Мироновская 808, у которой сохраняется единый «каркас» формулы глиадинов, однако же изменяется интенсивность отдельных компонентов. Это чрезвычайно важно, ибо этот сорт принят в качестве молекулярного метчика (рис. 1—3). Если же сопоставить разные данные, то и у этого сорта отмечены различия [5, 7]. По этим данным, в -зоне могут выпадать компоненты 31, 51, в -зоне — компоненты 1, 23, а в -зоне — компоненты 41, 61, 82, 92, 101. Как следует из таблицы 1, названные выше

компоненты здесь тоже отсутствуют, кроме компонента 23. Такое же варьирование по годам ЭФ-спектров отмечено и на других сортах пшеницы, ячменя. Так, у сорта пшеницы Колос Оренбуржья в -зоне нестабилен компонент 1 (и это обычное дело), в 2013 г. резко усилена интенсивность компонентов в позициях 8—10 (это же усиление отмечено и у сорта Оренбургская 105). Значительные изменения по годам особенно видны у сортов ячменя (табл. 1, 2). Таким образом, сведения о нестабильности ряда ЭФ-компонентов, полученные на абрикосе [4], вполне подтверждаются и на культивируемых злаках.

На фоне этих данных, наоборот, выявляется мономорфность ЭФ-спектров у проса. В 2011 г. были изучены два образца Оренбургского НИИСХ — проса посевного (№ 412-10) и проса сорного (№ 96-10). Их спектры были идентичны (табл. 1). В 2012 г. проанализированы 5 образцов проса посевного различного происхождения (форма метёлок — комовая, сжатая, раскидистая, а окраска зерновки — красная, жёлтая, бронзовая) и 5 образцов проса сорного (форма — сжатая и раскидистая, окраска — кофейная, чёрная). Все эти изученные образцы не имели существенных различий по белковым маркёрам так, чтобы их можно идентифицировать. Всего в ЭФ-спектрах проса имеются 22 компонента, из них 7 компонентов (или почти 32%) приходится на высокомолекулярную -зону, в низкомолекулярной -зоне — их около 27% (табл. 1). Позиции компонентов по «соевой» шкале также показывают на исключительную близость этих образцов культивируемого и сорного проса. У этого очень ценного растения впервые опреде-

3. Полипептидный спектр каферинов проса

Позиции полипептидов проламинов

2 4 б 10 11 12 14 15 19 20 22

І І І І І І І І І 2 І

23 2б 27 30 32 35 37 39 41 42 43

І 2 2 І 2 2 І 2 І І І

45 48 50 51 53 5б 58 б0 б2 бб б9

І І 2 І 2 2 2 І І 2 І

71 74 78 80 83 88 90 93 9б 98 100

І І І І І І І 2 І І І

Сорт Мелянопус 6641

Сорт Гордеиформе

Сорт Пионерская 32

Рис. 1 - Сорта твёрдой

Рис. 2 - Образцы проса посевного (слева, между метчиками) и проса сорного

Сорт Анна

Сорт Натали Рис. 3 - Сорта ячменя

лен состав, степень интенсивности компонентов. Всего были выделены 44 компонента. Из них на высокомолекулярную зону полипептидов (позиции 1—22) приходится 12 компонентов (25,0%), а низкомолекулярную зону (позиции 80—100) занимают 8 компонентов, или 18,2% (табл. 3). Учитывая стабильность по годам каферинов проса, можно рекомендовать его ЭФ-спектры, имеющие необходимые компоненты-метчики в позициях 10, 50 и 90 (табл. 3; рис. 2), для использования в качестве молекулярных метчиков при изучении разных видов культивируемых образцов злаков.

Данные по каферинам проса размещены вместе с глиадинами пшениц по той причине, что у них найдено больше сходства, чем с гордеинами ячменя, хотя и пшеница, эгилопс, рожь, пырей, ячмень, ряд других родов относятся, как извест-

но, к трибе пшеницевых (Triticeae Dum.) Так, у мягких пшениц и проса в -зоне есть общие и уникальные компоненты 93 и 102, которые, как считают [6, 7], вместе с компонентами 8191 маркируют у сортов пшеницы (Мироновская 808, Саратовская 90, Оренбургская 105, Колос Оренбуржья, ряд других сортов) высокую морозостойкость. Весьма большое сходство проса и изученных видов пшеницы наблюдается и по остальным зонам полипептидов (табл. 1). Принято считать, что культигенная гексаплоидная пшеница (Triticum aestivum L.) когда-то сформировалась на основе пшеницы тетраплоидной («настоящей» пшеницы, Triticum durum Desf.) путём её спонтанной гибридизации с видами эгилопса (Aegilops L., геном D). Данные же о родстве гексаплоидной пшеницы и проса по проламинам, этим важным запасным белкам

семян, позволят, видимо, уточнить в будущем степень их генетического родства.

Литература

1. Конарев А.В. Использование молекулярных маркёров в решении проблем генетических ресурсов растений и селекции // Аграрная Россия. 2006. № 6. С. 4—22.

2. Введенская И.О., Ваухан ДА., Курцева А.Ф. и др. Оценка генетического разнообразия проса обыкновенного (Ратсит тШасеит Ь.) на основе использования ДНК-маркёров // Сельскохозяйственная биология. 2002. № 5. С. 56—63.

3. Красавин В.Д. Идентификация проса сорного (Ратсит тШасеит эиЬэр. тс1ега1е) и проса посевного (Ратсит тШасеит хиЬхр. тШасеит). Оренбург: НИИСХ РАСХН, 2002. 28 с.

4. Авдеев В.И. Биоэкологические и морфологические связи маркёров запасных белков семян у культиваров абрико-

са // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 2. С. 241-246.

5. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян / под ред. академика РАСХН В.Г. Конарева. СПб.: ВНИИРим. Н.И. Вавилова, 2000.186 с.

6. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж. Белковые маркёры у ряда культивируемых злаков в Оренбуржье // Вестник Оренбургского государственного педагогического университета. Электронный научный журнал. Оренбург. 2012. № 4. КВМ 2303-9922. ШИ.: http://www.vestospu.ra

7. Губарева Н.К., Алпатьева Н.В. К вопросу об использовании белковых маркёров в оценке морозостойкости озимой мягкой пшеницы // Аграрная Россия. 2002. № 3. С. 31—34.

8. Гаврилюк Й.П. Молекулярные маркёры в идентификации, регистрации и сохранении биоразнообразия растений // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий: матер, междунар. конф. Оренбург: ОГПУ, 2001. С. 68—69.