В тоже время генетика этой культуры оставалась неизученной, хотя она представляет особый интерес, учитывая межвидовое происхождение озимой твёрдой пшеницы. В 80-х годах прошлого века в Проблемной лаборатории озимой твёрдой пшеницы, созданной при Саратовском СХИ им. Н.И. Вавилова, наряду с решением чисто селекционных задач, были начаты исследования по генетике полиморфизма глиадинов - спирторастворимых запасных белков зерна этой культуры.
В основе этих исследований был генетико-биохимический подход, разработанный в конце 70-х годов во Всесоюзном селекционно-генетическом институте (г. Одесса) и успешно применённый к изучению генетического контроля глиадинов озимой мягкой пшеницы [17]. В частности, они впервые показали, что глиадины наследуются кодоминантно и группами - блоками, контролируемыми тесно сцепленными группами генов - кластерами, расположенными в хромосомах первой и шестой гомеологической группы геномов A, B и D. Используя метод электрофореза глиадинов в крахмальном геле и гибридологический анализ их наследования, исследователи выявили множественный аллелизм этих полигенных структур, расположенных в шести гладин-кодирующих локусах. Это объясняло большое разнообразие компонентного состава глиадина и его высокую сортоспецифичность.
На основе полученных данных в ВСГИ (Одесса) был составлен каталог блоков глиадинов озимой мягкой пшеницы, который постоянно пополнялся. С помощью набора выявленных блоков были определены белковые по форме и генетические по сути формулы десятков сортов этой культуры. Гибридологический и дисперсионный анализы глиадинов озимой мягкой пшеницы в поколениях F3 - F7 позволил выявить сопряжённость отдельных блоков с рядом морфологических и хозяйственно-ценных признаков: опушением и красной окраской колосковых чешуй, устойчивостью к болезням, показателями качества клейковины и силы муки, а также некоторыми элементами продуктивности растений и урожайностью с делянки [18]. Таким образом, для озимой мягкой пшеницы впервые была создана на генетической основе система белковых маркеров, позволяющая не только изучать структуру генотипа, но и повысить эффективность селекционного процесса этой культуры.
Именно такой подход реализовывался в Проблемной лаборатории на материале озимой твёрдой пшеницы. Задача усложнялась тем, что к началу 80-х годов ещё не была изучена генетика запасных белков тетраплоидных пшениц, а электрофоретические спектры (ЭФС) глиадинов яровой твёрдой пшеницы существенно отличались от спектров глиадина озимой мягкой пшеницы, то есть не было сортов-тестеров, позволяющих с ходу начать гибридологический анализ глиадинов озимой твёрдой пшеницы. В то же время были и положительные моменты: сортов этой культуры в то время было мало, и в спектрах их глиадинов встречались группы компонентов, фенотипически сходные с некоторыми блоками озимой мягкой пшеницы. Что было вполне ожидаемо, так как в родословной первых сортов озимой твёрдой пшеницы были яровая твёрдая и озимая мягкая.
Первым этапом наших исследований стало изучение разнообразия полиморфизма глиадинов коллекции сортов озимой твёрдой пшеницы с целью выявления гомозиготных линий как потенциальных тестеров с визуально узнаваемыми блоками глиадинов. Наиболее полезными с этой точки зрения оказались сорта южной селекции - Кристалл, Кристалл 2 (Краснодарский НИИСХ), Мичуринка, Новомичуринка, Одесская Юбилейная (ВСГИ), Кишинёвская Крупнозёрная, Кишинёвская 2 (Молдавский НИИ Экологической Генетики). К сожалению, все они, кроме некоторых биотипов Одесской Юбилейной, почти полностью вымерзали. Единственный сорт, достаточно стабильно перезимовывавший на Саратовском Правобережье, был сорт Харьковская 1 (Харьковский НИИ РСГ им. Юрьева). Но биотипы этого сорта содержали ЭФС глиадинов, непохожие на спектры глиадинов озимой мягкой пшеницы [5].
Популяционный анализ глиадинов ряда сортов и гибридных форм озимой твёрдой пшеницы показал высокую гетерогенность глиадиновых спектров не только у гибридных форм, но и у сортов озимой твёрдой пшеницы, что подтверждало наличие активного формообразовательного процесса в генофонде этой молодой культуры [6]. Частая встречаемость в образцах гетерозиготных по составу глиадинов зёрен натолкнула на возможность поиска в исследуемых популяциях колосьев гетерозиготных по этому признаку растений, зёрна с которых можно было рассматривать как потомство F2. Поэтому классический популяционный анализ разнообразия генотипов по ЭФ-спектрам глиадинов был дополнен элементами гибридологического анализа, выявляющего особенности генетического контроля этих белков. Такой двухуровневый популяционный анализ подтвердил кодоминантный и блочный характер наследования глиадинов у озимой твёрдой пшеницы, выявил четыре независимо наследуемых группы сцепления глиадин-кодирующих генов, по целому ряду признаков, обозначенных как локусы Gli-A1dw, Gli-B1, Gli-A2dw и Gli-B2dw, позволил не только подобрать линии-тестеры, но и спланировать пары для скрещивания [5].
Устойчивые к перезимовке и весенне-летней засухе линии-тестеры с необходимым набором глиадинов удалось выделить из селекционного материала, созданного Н.Н. Салтыковой первоначально в НИИСХ Юго-Востока. Наиболее удачной оказалась форма Эритромелан 8/72 [14]. В ходе её популяционного анализа были выбраны несколько линий, гомозиготных, но контрастных по ЭФ-спектрам глиадинов и морфологическим признакам колоса. Скрещивая их между собой, а также с несколькими линиями, выделенными из сортов Одесская Юбилейная, Харьковская 1 и, годом позже, с линиями тургидной пшеницы Новинка 2, впервые удалось провести гибридологический анализ глиадинов тетраплоидных пшениц [7].
За 80-е годы были изучены гибриды 14 комбинаций скрещивания сначала на зёрнах F2, а затем на растениях F2. Среди них были как моногибридные, так и дигибридные по глиадин-кодирующим локусам комбинации (рис. 1).
На полученном гибридном материале также впервые на тетраплоидном уровне был выполнен рекомбинационный анализ сцепления глиадин-кодирующих локуса Gli-A1dw и выявленных локусов Gli-A1-2dw и Gli-A1-3dw между собой и с локусами, контролирующими красную окраску колосковой чешуи (Rg1), опушение колосковой чешуи (Hg) и чёрную окраску остей (Bla1) [8-10]. В результате был составлен фрагмент карты сцепления пяти локусов на коротком плече хромосомы 1А озимой твёрдой пшеницы (рис. 2).
Рис. 1. Фенотипы ЭФС глиадинов зёрен F2 комбинаций М6 (а) и М14 (б) и схемы идентифицированных блоков глиадинов
Проведённые гибридологический и рекомбинационный анализы позволили генетически корректно идентифицировать 28 блоков глиадинов T.durum и T.turgidum по четырём основным и двум «отщеплённым» локусам, тесно сцепленным с локусом Gli-A1. Ещё 27 блоков выявлены предварительно, без генетического анализа, по их расположению на электрофоретическом спектре (рис. 3).
Впоследствии эти данные были включены в международный каталог генетических символов под редакцией Р.А. Макинтоша [20] и были подтверждены рядом других исследователей на сортах яровой твёрдой пшеницы [2].
Также нашло подтверждение выявленное в озимой твёрдой пшенице варьирование частоты кроссинговера локуса Gli-B1 и локуса Rg1 [13] от 2%, как у озимой мягкой пшеницы [15; 16], до 12%, как у яровой твёрдой [19]. Такое варьирование указывает на различное происхождение хромосомы 1В в разных генотипах озимой твёрдой пшеницы.
Рис. 2. Карта сцепления пяти локусов в коротком плече 1А хромосомы озимой твёрдой пшеницы сорта Харьковская 1 и электрофореграммы двух линий ЛХ-1, ЛХ-2 и сорта Безостая 1. Hg - ген опушения колосковой чешуи, Bla1 - ген чёрной окраски остей, Gli-A1-1dw, Gli-A1-2dw, Gli-A1-3dw - локусы, контролирующие компоненты блока GLI-A1dw6. GLD-1D1 - блок глиадинов локуса на хромосоме 1D озимой мягкой пшеницы
В гибридах F2 ряда комбинаций показана сопряжённость глиадин-кодирующих локусов генома А с элементами продуктивности колоса и уборочным индексом [11].
Анализ динамики накопления аллельных блоков глиадинов и их сочетаний в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы в течение 10 лет, а также особенности их географического распространения (особенно в широтном
Рис. 3. Каталог блоков глиадинов озимой твёрдой пшеницы. Б-1 и Х-1 - схемы электрофоретических спектров глиадинов в крахмальном геле сортов Безостая 1 и Харьковская 1. * - блоки глиадинов, визуально, без генетического анализа, выявленные в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы
направлении) привели к предположению о существовании некоей оптимальной для зоны Саратовского Поволжья «белковой формулы» глиадинов - «идеальном» глиатипе [12]. На основе этих данных были сформулированы рекомендации о предпочтительном аллельном составе глиадин-кодирующих локусов для первого сорта озимой твёрдой пшеницы Янтарь Поволжья, переданного на сортоиспытание из Проблемной лаборатории в 1992 году и включённого в Госреестр селекционных достижений в 1996 г. В других селекцентрах также отмечают высокую зимо-, морозостойкость и засухоустойчивость этого сорта, как и ряда других форм саратовской селекции [4]. А его блоки глиадинов, в значительной степени унаследованные от сорта Харьковская 1, все эти годы устойчиво накапливались в сортах и формах озимой твёрдой пшеницы России и Украины. Так, в одесских сортах Коралл и Айсберг состав блоков глиадинов аналогичен составу одного из глиатипов с. Харьковская 1 - GLI-A1dw2, GLI-B1dw3, GLI-A2dw3, GLI-B2dw3, а блоки GLI-B1dw3 и GLI-A2dw3 встречаются в сорте тургидной пшеницы Новинка 3, созданном в НПО «Дон» (Зерноград) [12] и ряде последующих сортов.
Таким образом, полиморфизм глиадин-кодирующих локусов существенно отражал геногеографию сортов озимой твёрдой пшеницы и их эволюцию на протяжении, по крайней мере, трёх её этапов с конца 50-х до конца 80-х годов прошлого столетия. За последние пятнадцать-двадцать лет на юге России и Украины продолжался интенсивный процесс создания новых сортов озимой твёрдой пшеницы. Это позволило поднять там урожайность в 1,5-2 раза прежде всего за счет изменения архитектоники растений, повышения устойчивости сортов к болезням и неблагоприятным климатическим факторам [4].
К сожалению, нет данных об особенностях полиморфизма глиадинов в этих сортах, так как эти исследования в селекцентрах не ведутся. Однако следует отметить, что очевидной особенностью большинства новых сортов озимой твёрдой пшеницы является их принадлежность к var. leucurum и практически полное исчезновение остальных разновидностей. Хотя в родословной всех новых сортов присутствуют черноостые и (или) красноколосые сорта и формы. Возможно, начало этому процессу положено сортом Айсберг одесский, который, имея глиадиновую формулу одного из глиатипов с. Харьковская 1, «потерял» её красную окраску колоса. Вероятно, в погоне за урожайностью селекционеры вынуждены освобождаться от энергетических и пластических затрат на «рубашку» колоса, что оказалось возможным в относительно благоприятных условиях юга России и Украины. Тем интереснее было бы проследить изменения состава глиадинов на новом этапе селекции озимой твёрдой пшеницы.
Созданная генетически обоснованная система белковых и морфологических маркеров может быть полезна не только для селекции и семеноводства озимой твёрдой пшеницы, но и для изучения генотипов гексаплоидного тритикале с геномами ABR, одним из родителей которого она является.
Таким образом, исследование генетического контроля глиадинов - запасных белков зерна, является эффективным инструментом изучения генетических особенностей озимой твёрдой пшеницы, создаёт генетически обоснованную систему регистрации сортов и форм этой культуры и способствует ускорению её селекционного процесса.
Рецензенты:
- Лазарев А.В., д.б.н., доцент, профессор кафедры биотехнологии и микробиологии, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.
- Кудрявцев А.М., д.б.н., зам. директора по науке, зав. отделом генетики растений Учреждения российской академии наук Института Общей Генетики им. Н.И. Вавилова РАН, г. Москва.
Работа получена 15.08.2011