Проблемы белкового маркирования признаков культивируемых и дикорастущих видов растений

Проблемы белкового маркирования признаков культивируемых и дикорастущих видов растений

В.И. Авдеев, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ

Метод маркирования фитогенофонда с помощью запасных белков семян (проламинов у злаков, глобулинов у двудольных растений) издавна и широко используется в растениеводстве, ботанике, генетике. Как арбитражный метод он рекомендован Международной ассоциацией по семенному контролю (КТА). В статье нет возможности описать все достижения этого метода, они огромны, остановимся только на возникших проблемах и методологических путях их решения.

Этот метод особенно востребован при паспортизации (идентификации) сортов и форм, гибридов, видов и внутривидовых подразделений. Причина заключается в том, что в сельском хозяйстве нужны в первую очередь именно молекулярные паспорта. При этом не так важно, какой хозяйственный признак маркирует данный полипептидный компонент электрофореграммы, но очень необходимо, чтобы сорта, виды и т.д. чётко, как в паспорте, различались между собой. Крайне важно, что с помощью этих паспортов можно контролировать сортовую чистоту, которая при возделывании растений всегда изменяется за счёт постоянных мутаций, длительных модификаций, интрогрессий генов.

Нужно признать, что маркирование признаков растений (урожайность, иммунитет, качество, окраска, форма плодов и т.д.) всегда оставалось крупной мировой проблемой. Проще всего было получать молекулярные паспорта. Это связано с генетической сложностью таких признаков и с вытекающим отсюда неумением «читать» полученные электрофореграммы, увязывать конкретные полипептидные компоненты с внешними таксономическими и хозяйственно

ценными признаками. Проблема эта лучше всего решена при маркировании генофонда злаков [1] , имеющих наиболее простые полипептидные спектры проламинов, нежели довольно сложные спектры глобулинов двудольных растений. Поэтому в данной статье на маркировании признаков двудольных видов и будет сделан основной акцент.

Более 20 лет назад, когда начинались исследования по полипептидному изучению двудольных перекрёстноопыляющихся видов, предполагалось, что их спектры глобулинов окажутся весьма полиморфными. В таком случае только облегчается создание паспортов, но усложняется работа как селекционеров, так и систематиков (им всем нужно было научиться «читать» электрофореграммы). Однако опыты показали, что и у этих видов спектры полипептидов остаются сравнительно однотипными (мономорфными). Это значительно упрощает труд систематиков, поскольку такая мономорфность, особенно в зоне основных 12S-глобулинов, даёт возможность выделить таксономический (родовой, видовой и т.п.) биохимический радикал, о котором говорил Н. И. Вавилов [2]. Проблема же «прочтения» спектров сохраняется даже и в том случае, если у видов-самоопылителей выявлены полиморфные спектры глобулинов [3—6].

Мономорфность спектров внутри видов можно принимать как результат их адаптации под действием естественного отбора. Виды при зарождении были полиморфными, но за счёт жёсткого отбора сохранился лишь один адаптивный тип генома, что и выразилось в моно-морфном полипептидном спектре. В таком случае весь спектр можно рассматривать как отражение цельной адаптивной генетической

1. Динамика полипептидных компонентов запасных белков семян в эволюции генофонда

культивируемого абрикоса Оренбуржья

Тип За период 1993-2005 гг За период 2006-2010 гг.

глобу- линов полипеп- тидов стабильные полипептиды выпавшие полипептиды новые полипептиды стабильные полипептиды выпавшие полипептиды новые полипептиды

позиции компонентов по специальной шкале

7S _* 1, 3, 5, 8, 10, 12, 17, 21, 32, 35 14, 16, 19, 22, 23, 25, 30, 31 15, 24, 27, 29, 33, 1, 3, 5, 8, 10, 12, 17, 24, 27, 29, 32, 33, 35 15, 21 14, 19, 22, 25, 28

12S кислые 42, 45, 47, 48, 50, 55 38, 40, 44, 49, 57, 59, 70, 72, 39, 52, 58, 62, 65, 68, 71, 73, 76 38, 42, 47, 48, 50, 58, 62, 65, 68 39, 45, 52, 55, 68, 71, 73, 76 37, 40, 44, 46, 54, 56, 60, 64, 70, 72, 74, 77

12S основные 81, 83, 85, 86, 90 82, 84, 89, 98, 100 78, 88, 92, 95, 99, 103 78, 81, 83, 85, 86, 88, 90, 99, 103 92, 95 94, 96, 102, 105

* Примечание: Прочерк означает отсутствие деления 7S-глобулинов на типы полипептидов

системы, а это означает, что все (или почти все) компоненты спектра нужно принимать за единый маркёр той или иной адаптации. Однако тогда возникает целый ряд вопросов. Например, не ясно, как возникли и почему успешно существуют в природе виды с полиморфными спектрами белков; или же, какую конкретную адаптацию (к низкой или же к высокой температуре, влажности и т.д.) отражает изучаемый спектр глобулинов?

Данные последних лет показывают, что ряд положений по молекулярным основам фитоэволюции нужно пересмотреть. Так, по белковым маркёрам резко различаются процессы куль-тигенной и природной эволюции. В природе у сливовых (Prunoideae Focke) мономорфны спектры большинства видов, в том числе абрикоса (Armeniaca Scop.), но в условиях культигенной эволюции в Оренбуржье у местного сортимента наблюдается скачкообразная эволюция на зимостойкость и бурная динамика полипептидных компонентов (табл. 1). При этом если на востоке у разных форм абрикоса выделен 21 полиморфный спектр, то на западе и юго-востоке Оренбуржья являются полиморфными спектры всех изученных местных форм абрикоса [7, 8]. В этой динамике особенно важно отметить три взаимосвязанных процесса. Во-первых, разрушение под влиянием окультуривания таксономического радикала у видов абрикоса обыкновенного (компоненты 81, 83, 85) и абрикоса маньчжурского (82, 84, 86), от гибридизации которых и сформировался местный сортимент [4]. Во-вторых, дерепрессия на первом этапе изучения (1993—2005 гг.) компонентов 39, 42, 76, 95, а на втором этапе (2006—2010 гг.) — компонента 64, которые были присущи дикорастущим формам абрикоса обыкновенного и репрессированы на начальном этапе их окультуривании (за пределами Оренбуржья). Можно заметить, что компоненты 39, 76 повторно выпали на втором этапе культигенной эволюции (2006—2010 гг.). Этому подвержены и многие другие компоненты (табл. 1). В-третьих, произошло сильное услож-

нение (в 2,5 раза) исходных в эволюции спектров полипептидов и прежде всего полипептидного состава 12S-глобулинов [8].

Усложнение спектров в культуре за счёт гибридизации было известно и у злаков [1], оно выявлено в природе также при гибридизации видов микровишни (Microcerasus Webb) и видов миндаля (Amygdalus L.), растущих в Средней и Передней Азии [4]. Но таких темпов и результатов, как в культуре, природная эволюция не знает. У культивируемого абрикоса за 10—12 лет на 50С выросла морозостойкость, резко улучшились помологические признаки [7, 9]. Однако на фоне таких генетических изменений абрикос не перестал быть абрикосом.

Из данных таблицы 1 следует, что при культи-генной фитоэволюции резко усилены процессы репрессии и дерепрессии (нестабильности) генов, а сами культивары, имея набор нестабильных генов, представляют собой длительную модификацию. Виды в природе обладают мономорфным генотипом, лишённым таких нестабильных генов за счёт жёсткого естественного отбора. Поэтому в природе они имеют обычно чётко выраженный белковый радикал. Однако он исчезает при гибридизации видов (что связано с разрушением их экониши) и с усилением разных генетических событий (мутации, транспозиции генов и т.д.). Эти процессы могут вызвать не только природные явления, но и сам человек.

Анализ белковых маркёров показывает, что их полиморфизм возникает за счёт изменений различных компонентов белкового спектра, но более всего эти изменения идут среди низкомолекулярных полипептидов 12S-глобулинов [4—9]. Согласно теории [10], они, и особенно основные полипептиды 12S-глобулинов, являются древнейшими, а высокомолекулярные YS-глобулины — эволюционно молодыми. У природных видов, возникших миллионы лет назад, стабильные различия существуют именно в зоне основных полипептидов 12S-глобулинов, различия же внутри видов (между особями разных популяций) — в зоне кислых 12S-глобулинов. Быстрая культи-

2. Полипептидный состав запасных белков семян местных форм абрикоса

Позиции полипептидных компонентов по шкале

128-глобулины, основные компоненты

103 100 99 98 95 92 90 89 88 85 83

1 1 1 1 1 2 1

1 1 2 2 1 1 2 1

основные компоненты 128-глобулины, кислые компоненты

81 78 76 73 72 71 70 68 65 62 59

1 1 1 1

2 2 2 1 1 1 2 1

кислые компоненты

58 57 55 52 50 49 48 45 44 42 39

1 1 2 1

2 1 1 1 1 2 1 1

78-глобулины, компоненты

35 32 30 29 27 25 24 23 21 17 15

1 1 1 1

2 2 1 1 1 1 1 1

Примечание: В спектрах не приведены постоянные компоненты в позициях 14, 12 и 10. Молекулярные массы полипептидов: 65 килодальтон, или кДа (в позиции 22 единицы шкалы); 45 кДа (в позиции 37 единиц); 25 кДа (в позиции 65 единиц); 17,5 кДа (в позиции 108 единиц). Верхний спектр — отборная форма Ок-В-43-1 (1993—1995 гг., сортотип Киевский) [11], нижний спектр — потомки того же сортотипа (2005 г.) [7]

генная эволюция затрагивает все зоны спектра, но особенно значительно изменяет древние их зоны (табл. 1). В этом случае путём усложнения спектров прирастает, конечно, масса генома (т.е. геном омолаживается), но одновременно сильно и очень быстро изменяются древние адаптации (например, устойчивость к зимним температурам). В итоге в условиях Оренбуржья у абрикоса наблюдается стремительная гипотермическая эволюция [6—9]. В связи с этим важным было выявить, какие же компоненты стабильно закрепились в полипептидных спектрах. Для этого были изучены полипептидные спектры семян отборной формы Ок-В-43-1 [11], выращенной в г. Орске (восток Оренбуржья) путём посева семян местной мелкоплодной формы из пригорода г. Киева (Украина) [12], и спектр близких к ней форм [7], выделенных в сортотип Киевский. Форма Ок-В-43-1 в возрасте 30 лет была отобрана в 1993 г. [12], а близкие к ней формы в Орске изучены в 2005 г. [7].

Анализ двух типов спектров показывает, что общими компонентами между формой Ок-В-43-1 (мать) и её потомками являются компоненты 90, 88, 85, 83, 81, 55, 35, 14, 12, 10. У потомков появились 26 новых компонентов (55%), т.е. их спектры усложнились в 1,8 раза (табл. 2). Поскольку сортотипы абрикоса выделяются по признакам эндокарпия (косточки) [4, 12], то есть смысл сопоставить эти признаки у матери и потомков. В сортотипе Киевский имеются следующие общие признаки мелкой косточки: форма яйцевидная, в середине вздутая, немного асимметричная; вершина с коротким остриём; основание (воронка) щелевидное, выемчатое и слабоморщинистое; брюшной шов острый,

окаймлён по бокам бороздками; спинной шов закрытый, хорошо развитый; поверхность косточки мелкошероховатая, семя горькое. Из общих компонентов для анализа исключаются компоненты 85, 83 и 81, составляющие радикал для вида абрикос обыкновенный [6], и стабильные для всех форм компоненты 90, 35, 12, 10 (табл. 1). Компоненты 88 и 55 специфичны для этого сортотипа, их можно связать с его общими признаками косточки.

Теперь нужно выявить полипептиды, связанные у этого сортотипа с гипотермической адаптацией. Как отмечено, за 1993—2005 гг., когда сложилась эта адаптация, появилось 26 новых компонентов. Из них в генофонд местного абрикоса стабильно вошли компоненты 103, 99, 68, 65, 62, 27, 24, другие же (компоненты 48, 42 и т.д.) уже были у менее адаптированных форм в 1993—1995 гг. (табл. 1 и 2). Из семи перечисленных новых компонентов с гипотермической адаптацией у изучаемого сортотипа связаны два компонента основных (28%), три компонента (43%) кислых 128-глобулинов (всего — 71%) и два компонента 78-глобулинов. В целом же среди генофонда местного абрикоса Оренбуржья на долю новых компонентов 128-глобулинов, заново возникших в процессе культигенной эволюции, приходится 80% компонентов [8]. Из семи выше выделенных компонентов в местном генофонде особенно распространены новые компоненты 99, 65, 29, 27 [8], они в наибольшей степени и связаны с гипотермической адаптацией. Как видим, из этих четырёх компонентов 50% (два полипептида) приходится на 78-глобулины, что соответствует ранее выдвинутой теории поли-пептидной эволюции [10].

Таким образом, использование белковых маркёров показывает их важное значение для анализа фитоэволюции, выявляет особенности протекания этой эволюции в условиях культуры.

Литература

1. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический ана-

лиз растений. СПб.: ВНИИРим. Н.И. Вавилова, 1998. 376 с.

2. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной

изменчивости. Линнеевский вид как система. Л.: Наука, 1967. 92 с.

3. Гаврилкж И.П., Егги Э.Э. Глобулины как маркёры в решении

проблем филогении, отдалённой гибридизации и сортовой идентификации бобовых // Теоретические основы селекции. Молекулярно-биологические аспекты прикладной ботаники, генетики и селекции. М.: Колос, 1992. Т. 1. С. 232-287.

4. Авдеев В.И. Плодовые растения Средней Азии, их проис-

хождение, классификация, исходный материал для селекции: дисс. ... д-ра с.-х. наук. СПб.: ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 1997. 328 с.

5. Авдеев В.И. Проблемы и перспективы белкового марки-

рования дикорастущих видов растений // Тр. Института биоресурсов и прикладной экологии. Оренбург: ОГПУ, 2002. Вып. 2. С, 21-31.

6. Авдеев В.И. Белковые маркёры в систематике и селекции

двудольных растений: учебн. пособие / Под грифом МСХ РФ. Оренбург: Издательский центр 01АУ, 2012. 56 с.

7. Шмыгарёва В.В. Формовое разнообразие культивируемого

Armeniaca Scop, на востоке оренбургского Приуралья: ав-тореф. дис. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2011. 19 с.

8. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж. Сравнительный анализ адап-

таций по полипептидным маркёрам абрикосов Оренбуржья // Приёмы повышения адаптивности косточковых культур, вопросы осеверения и расширения границ садоводства: сборник материалов международного симпозиума. Челябинск: НПО «Сады России», 2011. С. 45-51.

9. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж., Стародубцева Е.П. Генофонд

местного абрикоса Оренбуржья (Приуралье) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2011. №2. С, 234-238.

10. Авдеев В.И. Этапы формирования степных ландшафтов в Евразии. Аспекты эволюции видов Роасеае // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. №2. С. 59-65.

11. Авдеев В.И., Гнусенкова Е.А. Белковое маркирование видов икультиваровабрикоса. Сообщение 2. ВидыАгтешасаScop., примитивные формы и сорта // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2004. №4. С. 55—58.

12. Авдеев В.И. Важнейшие сортотипы абрикоса мировой селекции. Оренбург: ОГУ, 1999. 80 с.