Использование молекулярно-множественных форм белков в изучении полиморфизма сортов пшеницы (Triticum L. ) Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 577.151.64: 633.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-МНОЖЕСТВЕННЫХ ФОРМ БЕЛКОВ В ИЗУЧЕНИИ ПОЛИМОРФИЗМА СОРТОВ ПШЕНИЦЫ (TRITICUM L.)

© И. Ф. Шаяхметов1*, А. А. Ахмадиева1, С. А. Леонова2, В. И. Никонов3

1 Башкирский государственный университет Россия, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (347) 273 6712.

E-mail: [email protected] 2Башкирский государственный аграрный университет Россия, 450001 г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

Тел.: +7 (347) 228 0717.

E-mail: [email protected] 3Башкирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН Россия, 450074 г. Уфа, ул. Р. Зорге, 19.

Тел.: +7 (347) 223 07 08.

На основе электрофоретического анализа компонентного состава спирторастворимых белков (глиадинов) и изоформ эстераз из эндосперма зерна проведена дифференция сортов пшениц, районированных в Республике Башкортостан в разные годы. Сорта последних лет обладают высокой сортовой специфичностью и однородностью и лишь некоторые характеризуются внутрисортовым полиморфизмом и состоят из нескольких биотипов. В селекционной практике рекомендуется использовать конкретные биотипы или однородные сорта во избежание изменения соотношения биотипов и снижения товарного качества в процессе производстве зерна.

Ключевые слова: яровая пшеница, электрофоретический анализ, глиадины, эстеразы,

полиморфизм сортов, качество зерна.

В настоящее время для решения различных проблем генетики и селекции привлекаются полиморфные системы, к которым относятся запасные белки и изоферментные системы семян злаков [1, 2]. Высокая степень полиморфизма придает запасным белкам и ферментам, как генетическим маркерам, высокую информативность и поэтому представляет большой научно-практический интерес для идентификации сортов в растениеводстве. Белковые маркеры позволяют определять структуру геномов, выявлять линии, не имеющие отличительные морфологические признаки. Они широко используются при систематике и идентификации различных сортов, видов и биотипов культурных растений, а также при отборе семян для гибридизации [3]. Особо устойчивым признаком сорта и биотипа является состав электрофоретических компонентов преобладающего белка эндосперма злаков - проламина, генетический контроль которого осуществляют гены, расположенные в 1 и 6 группе гомеологичных хромосом пшеницы. На него не влияют год и место репродукции, условия и сроки хранения семян. Метод основан на детальном изучении гетерогенности и специфичности проламина большого числа представителей всех видов пшениц и ее диких сородичей, на основе которого и составлен эталонный спектр, содержащий все возможные компоненты этого белка [4]. Среди глиадинов выявлены также диагностические белки-маркеры качество зерна [5].

В качестве молекулярно-генетических маркеров для характеристики разнообразия сортов могут служить также изоферменты эстеразы. Они найдены во многих частях растений и обладают тканес-пецифичностью, на основе которой проведена

классификация эстераз растений и изучена хромосомная локализация генов, ответственных за их синтез. Изоэнзимы эстераз эндосперма зрелого зерна пшеницы классифицированы как Е8Т-5, синтез которых контролируется генами из длинного плеча хромосом ЗА, ЗВ и ЗД [6].

Наше исследование было предпринято с целью выявления гетерогенности сортов пшеницы с использованием электрофоретического полиморфизма запасных белков - глиадинов и изоэстераз семян пшениц, районированных в республике Башкортостан в разные годы. Такой подход успешно применяется для решения различных фундаментальных и прикладных проблем генетических ресурсов растений [2, 5, 7]. Среди них наиболее актуальными являются проблемы структуризации генетического разнообразия и рациональной организации коллекций, включающей идентификацию и регистрацию образцов, контроль их подлинности и сохранности генетической конституции. Эти направления рассматриваются в настоящее время как приоритетные в деятельности селекционных центров, научных учреждений по сбору, сохранению и изучению генетических ресурсов растений пшеницы [8].

Объектом исследования были сорта яровой пшеницы, районированные в республике Башкортостан и внесенные в Г осреестр в разные годы - 1997 [9] и 2008 [10]. Ниже представлены результаты изучения компонентного состава глиадина и изоэнзимов эстеразы некоторых сортов и линий яровой мягкой пшеницы, не различающихся по морфологическим признакам и дифференциации их биотипов по компонентному составу белков. Анализ компонентного состава белков в зерновках пшеницы проводи-

* автор, ответственный за переписку

ли методом вертикального электрофореза в полиакриламидном геле по ранее описанной методике [4]. Идентификацию эстераз на электрофореграммах проводили на основании относительной электрофоретической подвижности. [11].

На первом этапе работы использовали сорта Московская 35, Жница, их гибриды и другие селекционные линии, полученные в лаборатории селекции яровой пшеницы Башкирского НИИСХ: Л-40279, Л-40493, Л-40830,Л-40846, Л-40952, Л-40964, Л-40957, Л-40959 и их родительские формы. Посемянный анализ компонентного состава глиа-

дина позволил выявить внутрисортовой полиморфизм у сортов Московская 35 и Жница, которые широко используются в качестве исходного материала в селекции яровой пшеницы (рис.1). Компонентный состав глиадина сорта Московская 35 представлен тремя типами спектров, частота встречаемости которых составила 64.0, 9.0 и 27,0% соответственно. Спектры глиадина из семян сорта Жница разделились на два типа с частотой встречаемости 58 и 42%. Результаты анализа гибридных комбинаций содержатся в таблице в виде глиади-новых формул.

2

Московская 35

Жница

Рис. 1. Электрофореграммы глиадина сортов Московская 35 и Жница: 1, 2, 3 - биотипы. а , р, у, т - фракции глиадина.

1

3

1

2

Среди линий из гибридной комбинации Московская 35 х Жница полиморфными по глиадинам оказались линии Л-40957 и Л-40964, которые содержали по два биотипа с частотой встречаемости 87 и 13%. Линии Л-40846 и Л-40952 оказались однородными и отличались друг от друга по у-5 и ю-5 компонентам. При этом линия Л-40846 унаследовала компоненты от обеих родительских форм, а линия Л-40952 по спектру глиадина соответствовала биотипу 2 сорта Жница. Один из биотипов линии Л-40957 также соответствовал второму биотипу сорта Жница, тогда как другой биотип из этой линии носил гибридный характер. Оба биотипа из линии Л-40964 встречались среди спектров сорта Жница, но в ином соотношении частоты встречаемости, и не содержали компонентов, характерных для сорта Московская 35.

Селекционные линии Л-40279, Л-40493 и Л-40830 из гибридной комбинации Саратовская 46 х Жница по спектрам глиадина между собой не отличались, но все содержали специфические компоненты от обеих родительских форм, т.е. имели гибридное происхождение.

Исследовали также изоферментный состав эс-теразы зерновки. Эстеразы характерны тем, что, по сравнению с другими ферментными системами, они являются более многокомпонентными и легко маркируют генотипы, различаясь скоростью миграции в полиакриламидном геле при электрофорезе [12]. Наименее подвижная из этих групп, локализованная в эндосперме, при прорастании переходит в более подвижную форму. Две другие группы эстераз, идентифицированные при электрофорезе, локализованы в алейроновом слое и имеют высокую подвижность. Эстеразы эндосперма зерна у изучаемых нами образцов были представлены в общей сложности четырьмя типами спектров, различавшихся по числу и характеру локализации зон ферментативной активности. Частота встречаемости отдельных спектров варьировала от 6.4 до 100%. Выявленные типы спектров эстеразы были образованы различными сочетаниями десяти основных изоферментов, расположенными по относительной электрофоретической подвижности в пределах от 0.3 до 0.9. На рисунках 2 и 3 показан полиморфизм сортов Московская 35 и Саратовская 55 по изоэстеразам. Как и по глиади-

нам, у сорта Московская 35 по эстеразам выявлено три биотипа, у Саратовской 55 - два биотипа.

На основании изучения изоэнзимного состава эстеразы из зерна различных сортов пшениц, районированных в республике Башкортостан в последние годы, установлены четкие межсортовые различая. Внутрисортовой полиморфизм показан в большей степени лишь для сорта Омская 35, незначительно выражен у сортов Башкирская 26 и Экада 70 и заключается в отсутствии катодного триплета у второго биотипа. По данным литературы, медленно движущиеся при электрофорезе катодные компоненты формируют зону миграции, благодаря различным поверхностным зарядам и расположены в эндосперме зерновки. Быстрые компоненты локализованы в алейроновом слое. Эти две формы эсте-раз разделены физико-химическими методами и изучены их каталитические свойства. Ферменты с эстеразной активностью в эндосперме расщепляют ацетилксиланы. Предполагается, что они участвуют в гидролизе клеточных стенок зерна [13]. Следовательно, сорт Омская 35 является дефектным по этим компонентам, что может отразится в качестве продуктов переработки зерна из этого сорта, поскольку эстеразы играют активную роль в расщеплении растительных волокон, образуя гидроксисое-динения и другие производные с противовоспалительной, антиоксидантной и антибиотической ак-

тивностью, полезные для здоровья [14]. Полученные результаты свидетельствуют о возможности и необходимости контроля за изменениями в генетической структуре сорта Омская 35 при селекционном его улучшении и создании новых производных ему сортов и форм.

Таким образом, было установлено, что многие сорта, привлекающиеся как доноры хозяйственно -ценных признаков при селекционных скрещиваниях были полиморфны, в результате чего многие селекционные линии, полученные в потомстве, также характеризовались генетической неоднородностью. При длительном возделывании в производстве без надлежащего контроля сортовой чистоты может произойти изменение соотношения биотипов как по морфологическим [8], так и биохимическим признакам [15,16,17] вплоть до полной элиминации отдельных из них. Учитывая это обстоятельство, рекомендуется при подборе пар для скрещивания учитывать полиморфизм сортов не только по морфологическим признакам, но и по биохимическим, в частности, по глиадинам и изоформам эстеразы. Удачный подбор родительских форм по признаку белкового комплекса, который во многом определяет хлебопекарные качества пшеницы[18, 19], позволит вести целенаправленный отбор высококачественных селекционных линий в расщепляющемся гибридном потомстве.

Таблица

Распределение компонентов глиадина у различных сортов и гибридных линий пшеницы по электрофоретическим фракциям

Сорт, линия, биотип Фракции глиадина Частота встречаемости, %

а в Y

Московская 35:

Биотип 1 56 2345 23 б 89 64

Биотип 2 56 2345 23 3456 89 9

Биотип 3 56 234 123 3456 89 27

Жница:

Биотип 1 567 234 345 23456 89 42

Биотип 2 567 234 34 56 89 58

Московская 35 а: ц и н Ж х

Л-40846 567 234 345 б 89 100

Л-40952 567 234 34 56 89 100

Л-40957:

Биотип 1 567 234 34 3456 89 13

Биотип 2 567 234 34 56 89 87

Л-40959:

Биотип 1 567 234 345 23456 89 50

Биотип 2 567 234 345' 2345 89 50

Л-40964:

Биотип 1 567 234 34 56 89 88

Биотип 2 567 234 345 23456 89 12

фатовская 46 567 2345 234 34567 8910 100

Саратовская 46 х Жница:

Л-40279 567 2345 234 234567 8910 100

Л-40493 567 2345 234 234567 8910 100

Л-40493 567 2345 234 234567 8910 100

ОЭП

0.3

0.9

1

2

3

Рис. 2. Внутривидовой полиморфизм сорта Московская 35 по изоформам эстеразы; 1, 2, 3 - биотипы сорта. ОЭП - относительная электрофоретическая подвижность.

ОЭП

0.3

1

2

Рис. 3. Внутривидовой полиморфизм сорта Саратовская 55 по изоформам эстеразы; 1, 2 -

тельная электрофоретическая подвижность.

биотипы сорта. ОЭП - относи-

Результаты исследования сортов, районированных в республике Башкортостан в последние годы показали, что сорта пшеницы селекции Башкирского НИИСХ оказались менее полиморфны. Так, сорт Башкирская 24 содержит 93% спектров 1 типа, 7% - 2 типа; сорт Башкирская 26-88% спектров 1 типа и 12 % спектров 2 типа; сорт Башкир -ская 28 имеет только один тип спектра как по глиа-динам, так и по эстеразам. Селекционные линии последних лет также практически однородны. Отсутствие полиморфности отмечено и у тех сортов, которые рекомендованы для районирования по результатам государственного сортоиспытания. Этот факт свидетельствует о том, что селекция ведется на более высоком уровне, и сорта последних лет не будут подвергаться расщеплению в товарных посевах, что является одной из основных причин снижения качества товарного зерна.

Проведенный нами электрофоретический анализ сортов последних лет и изучение полученных электрофореграмм позволил сделать вывод, что каждый изученный сорт имеет свой характерный набор компонентов как по глиадинам, так и по эстера-зам. При этом наибольшее число компонентов глиа-дина содержит ю-зона электрофореграмм - до 8 полос; у - до 3; в - до 6 и а - до 3. Сорт яровой пшеницы Башкирская-26 в отличие от других изученных сортов мягкой пшеницы содержит наименьшее чис-

ло компонентов - 11. У сортов Экада 70 и Омская 35 наблюдается наибольшее число компонентов - 16 и 17 соответственно. Из твердых сортов наименьшее количество компонентов содержит сорт Башкирская 27; сорта Безенчукская 200 и НИК содержат 15 и 17 компонентов, соответственно.

Ниже (рис. 4) представлены электофореграм-мы глиадинов некоторых сортов мягкой пшеницы, предложенных для использования в ближайшие годы в различных почвенно-климатических зонах республики Башкортостан с учетом мукомольных свойств [20] и полиморфизма белков по данным электрофоретического анализа.

Сравнительное изучение электрофореграмм глиадина показало, что белковые спектры изученных образцов имеют общие и специфические компоненты. Наибольшее различие у исследованных сортов отмечено по ю-фракции, в то время как фракциям а, в и у образцы различались незначительно. Несмотря на существенные различия в составе и насыщенности компонентов ю-фракции, общим для всех исследованных сортов являлось присутствие в спектрах глиадина маркерных компонентов генома Б - это 8-й и 9-й компоненты ю-фракции, обеспечивающие хлебопекарные свойства мягких пшениц. Следовательно, высокие технологические свойства этих сортов обусловлены их геномным составом.

Омская 38

Салават

Юлаев

Тулайковская

золотистая

Боевчанка

Башкир-ская

28

Новосибирская

15

Рис. 4. Электрофореграммы глиадинов различных сортов пшениц, характеризующихся отсутствием внутрисортового полиморфизма. а, р, у, т - фракции глиадина.

Таким образом, установлено, что современные селекционные линии и сорта, в отличие от более ранних, характеризуются в основном отсутствием полиморфизма не только по глиадинам, но и по изоферментам эстеразы. Это свидетельствует о том, что возделывавшиеся ранее на территории республики сорта являлись, по сути, сортами-популяциями, и при длительном их возделывании в производстве могло происходить изменение соотношения биотипов. Это не могло не приводить к изменению хозяйственно-полезных признаков, в частности, качества зерна. На наш взгляд, это является одной из основных причин снижения качества товарного зерна в производстве. Сорта, районированные в последние годы и изученные нами с позиций полиморфности белков, в целом характеризовались внутрисортовой однородностью, что позволит повысить эффективность отбора образцов для селекции.

Результаты исследований показывают, что изоформы эстеразы и глиадинов семян пшеницы являются доступными и удобными биохимическими маркерами для изучения генетического разнообразия популяции пшеницы. Они могут быть использованы в определении подлинности сортов и полиморфности селекционного материала, в контроле за изменениями генетической структуры сортов при селекционном улучшении и создании новых производных сортов и форм, а также позволят выделить желаемые генотипы и размножать их в нужном для селекции направлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сету I., 8а8ек А., Наш80Уа А. // 8<л. Agric. БоЬешюа.

1995. У.26, N4. Р. 245-258.

7.

8.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб.: ВИР, 2001. 417 с.

Тоболова Г. В. //Сибирский вестник с-х науки. 2008. № 4. С.34-37.

Конарев А.В., Конарев В.Г., Губарева Н.К., Пенева Т.И. // Цитология и генетика 2000. Т.34, № 2. С. 91-104.

Howitt C.A,. Gale K.R, and Juhasz A. // Diagnostic markers for quality. Gliadin and glutenin: the unique balance of wheat quality. St. Paul, Minn. AACC International, 2006. P.333-362. Ainsworth C.C., Gale M.D., Baird C. // TAG. 1984. V. 68, P. 219-226.

Козуб Н. // Физиология растений. 2006. Т.53, № 3. С. 444-448. Митрофанова О.П., Аль-Юссеф Ваэль. //Известия СПб ГАУ. 2008. №11. 63-65 с.

Характеристика сортов сельскохозяйственных культур, включенных в Госреестр по Республике Башкортостан. /Под ред. к. с.-х. н. Гареева Д.Б. Уфа, Изд-во БНИИЗиС. 1997. 96 с.

Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Республике Башкортостан. Уфа. ОАО «ИВЦ», 2008. -142 с.

Сафонов В.И., Сафонова М.П. //Биохимические методы в физиологии растений. М.: «Наука», 1971. С.113-136.

Ward R. E; Bamforth, C.W. // Cereal Chem. 2002. V.79, N5. P. 681-686.

Alberto Sun, Craig B. Faulds, and Charles W. Bamforth. Cereal Chem. 2005. V. 82, N. 6. P. 621-625.

Craig Faulds. //Phytochem. Rev. Springer Netherlands. 2010. V.9, N. 1. P.121-132.

Ваэль Абдель Хамид А.Ю. Фенотипическое и генетическое разнообразие местной яровой мягкой пшеницы Азии и Африки: дис. канд. биол. наук. СПб, 2009.122 с. Сельдимерова О.А., Янбаев Ю.А., Зайцев Д.Ю. // Вестник ОГУ. 2009. №6. С .335-337.

Гапоненко А.К., Шаяхметов И.Ф., Бабаева С. А. //Генетика.1993.Т.52. Вып.1. С.323-328.

Khatkar B.S., Fido R. J., Tatham A. S., Schofield J. D. // J. of Cereal Sci. 2002. V. 35, N.3. P. 307-313.

Jingyuan Xu, Jerold A. Bietz, Craig J. Carriere. // Food Chem. 2007. V. 101, N.3. P.1025-1033.

Леонова С. А., Мелишкина Е. П. // Хлебопродукты. 2008. №8. С. 52-53.

2.

3.

4.

5

6

9.

Поступила в редакцию 22.06.2010 г.