Белковые маркёры видов вишни (Cerasus Mill. ) Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Белковые маркёры видов вишни (Cerasus Mill.)

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

Вишня (Cerasus Mill.) относится к числу наиболее популярных плодовых растений из подсемейства сливовых (Prunoideae Focke). Центр разнообразия её видов сейчас приходится на Восточную Азию с Дальним Востоком. Согласно последним оценкам [1], в природных условиях произрастают 58 видов, а из них на западе Евразии растут 2 различных вида, в Северной Америке — 1—4 очень близких вида. Известный в мировом садоводстве вид вишня обыкновенная (C. vulgaris Mill.) имеет культигенное происхождение. Но виды вишни восточной части Евразии слабо исследованы даже по обычным признакам, не говоря уже о молекулярных. Исключение составляют 3 вида (вишни сахалинская,

курильская и Максимовича) с Дальнего Востока [2]. С 1990 г. и позднее по белковым (молекулярным) признакам изучены следующие виды: вишня птичья, или черешня (C. avium (L.) Moench; 2n= 16); вишня кустарниковая, или степная (C. fruticosa Pall.; 2n = 32); вишня обыкновенная (C. vulgaris Mill.; 2n = 32); вишня курильская (C. kurilensis (Miyabe) Kaban. et Vorobiev.; 2n= 16); вишня Максимовича (C. maximowiczii (Rupr.) Kom.; 2n=16); вишня сахалинская (C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.; 2n=16); вишня Маака (C. maackii (Rupr.) Erem. et Simag.; 2n = 32); вишня пенсильванская (C. pen-nsylvanica (L.f.) Loisel.; 2n=16), из них вишня Маака имеет интрогрессии от тетраплоидного (2n = 32) рода черёмуха — Padus Mill. (табл. 1—4) [1—4]. При изучении были использованы между-

1. Типы полипептидных спектров форм и сортов диплоидной черешни (C. avium (L.) Moench)

Позиции компонентов по шкале (1 балл - слабой, 2 балла - сильной интенсивности)

1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Дико растущие формы из Восточной Ев ропы (Молдова; см. также примечание)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Культивары (см. примечание)

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

20 21 22 23 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Дикорастущие формы

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1

Культивары

1 1 2 1 1 2 2 1 2 2

1 1 1 1 2 1 1 2 2 1 1 1 2 1

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57

Дикорастущие формы

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Культивары

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 71 72 73 74 76 77

Дикорастущие формы

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Культивары

1 1 1 1 1 1 2 1 1

2 1 1 1 1 1 1 1 1

79 80 82 83 85 87 88 89 90 92 95 97 98 99 100 101 102 103

Дикорастущие формы

1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1

1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1

Культивары

1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Примечание. Дикорастущим формам идентичны спектры также двух сортов черешни (типа сортов Наполеон чёрная, Наполеон розовая). В группе «культивары» (типа сортов Дрогана жёлтая, золотая) у второго спектра не приведены уникальные компоненты в позициях 105, 107, 108 и 110 (интенсивностью в 1 балл)

народные методики, разработанные во ВНИИР им. Н.И. Вавилова.

Обращает внимание различное количество полипептидных компонентов, имеющееся даже в пределах тетраплоидной C. vulgaris. Так, у сортов Шубинка, Василевская, относимых к типу C. vulgaris [5], имеется 60—69 компонентов, у остальных сортов, близких к C. fruticosa [5], их 35—37, т.е. в среднем на 75—80% меньше (табл. 2). Такое превышение можно объяснять их близостью к C. avium, но оно связано лишь с компонентами 38, 44, 79,

88, 95, а более десятка других компонентов (от 19 до 98) может различаться и у самой черешни (табл. 1 и 2). Эти же компоненты, кроме 44 и особенно 98, различаются и у C. fruticosa. Итак, столь сильные отличия культиваров C. vulgaris связаны с нестабильной частью генома обоих родителей (C. avium и C. fruticosa), так что культивары из разных групп C. vulgaris [5] могут экологически смещаться и в другие группы [6].

Вообще, проблема вклада в генетическую изменчивость дикорастущих и культивируемых ор-

2. Типы полипептидных спектров сортов тетраплоидной вишни обыкновенной (C. vulgaris Mill.)

Позиции компонентов по шкале (1 балл - слабой, 2 балла - сильной интенсивности)

1 2 3 4 5 7 8 9 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1

1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 1

1 2 1 1 2 2 2

1 2 1 1 2 2 2

1 2 1 1 2 2 2

1 2 1 1 2 2 2

40 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 54 55 56 58 59 60

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 1 1

2 1 2 2 1 1

2 1 1 1 1 1

2 1 2 1 1 1

62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 77 78 79 80

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 2 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

81 82 83 84 85 86 87 88 89 91 92 93 94 95 96 97 98 100

2 2 1 1 1 2 1 2 2 1 1

2 2 1 1 1 2 1 2 2 1 1

1 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2

2 2 1 1

2 2 1 1

2 2 1 1

2 2 1 1

Примечание. Считая сверху вниз, не приведены в первом и втором спектрах (сорта типа Шубинка) компоненты 102, 104, 108 и 110; в четырёх последних спектрах, полученных в аномально засушливый и жаркий 2010 г., не приведены компоненты 103, 107 и 109 (все — по одному баллу). Изученные сорта следующие: третий спектр — сорт Васильевская; чётвертый спектр — сорт Эффектная, пятый спектр — сорт Память Кизлярина, шестой спектр — сорт Новоселецкая, седьмой спектр — сорт Маяк

3. Типы полипептидных спектров форм тетраплоидной вишни кустарниковой (C. fruticosa Pall.)

Позиции компонентов по шкале (1 балл - слабой, 2 балла - сильной интенсивности)

1 2 3 5 7 9 11 12 13 14 16 17 18 19 20 22 23 24

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2

1 1 1 1 1 1 1 2

1 1 1 1 1 1 1 2

25 26 28 29 30 31 32 33 34 35 36 38 39 41 42 43 44 45

1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 1 2 1 2

1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2

1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 1

2 1 2 1 1 1 1 1 2

2 2 2 2 2 2 1

2 2 2 2 2 2 1

46 47 49 50 51 52 53 54 55 57 59 60 62 63 64 65 66 67

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 1 2 1 1 1 1

1 1 1 1 2 1 1 1 1 1

1 1 1 1 2 1 1 1 1 1

69 70 71 74 75 77 78 79 80 82 83 85 87 88 89 90 91 93

1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1

1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1

1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1

2 2 2 2 1 2 1 1

2 2 2 1 1 2 1 1 1

2 2 2 1 1 2 1 1 1

Примечание. Сверху вниз не приведены в первых трёх спектрах компоненты 95 (1 балл), 97 и 98 (по 2 балла); в последних трёх спектрах (полученных в 2010 г.) — 98 (соответственно 1, 2 и 2 балла), 103, 106 (2, 1 и 1 балл), 109, 112 (все — по одному баллу). Формы следующие: первый и второй спектры — из Татарстана, третий спектр — Курской области (Восточная Европа), три последних спектра — из Оренбуржья (Приуралье)

ганизмов нестабильной части генома далека от решения [7]. Так, полагают, что превышение изменчивости домашних организмов над их дикими предками обусловлено именно этой частью генома, т.е. различными носителями мобильных генов. Но по данным таблиц 1—3 видно, что не всегда у растений в условиях культуры полипептидные спектры сложнее, нежели у их дикорастущих видов-предков. Так, у дикорастущих форм C. avium отмечены 58 компонентов, а у изученных сортов их почти столько же, 51—58 компонентов (табл. 2); у форм C. fruticosa насчитывается 39—59 компонентов, у близких же к ней сортов — лишь 35—37 компонентов (табл. 3) [5]. Очевидно, что падение числа компонентов в культуре есть показатель негативных условий внешней среды.

Таким образом, анализ полипептидных спектров запасных белков семян позволяет выявить, насколько внешние условия существования благоприятны для возделываемых и интродуцированных культи-варов. Но этот анализ может быть сделан только за счёт изменений в нестабильной части генома. У вишни доля этой нестабильной части очень велика, составляя по формам и сортам 50—80%.

У местных же, оренбургских, форм абрикоса она не превышает 20% [8]. В генетике давно известно явление метилирования оснований ДНК, приводящее к преобладанию (доминированию) у гибридов только материнского спектра белков семян [7]. Этот генетический эффект стабилизирует в поколениях тип спектра одного из предков (обычно матери), тем самым резко уменьшая или совсем исключая нестабильную часть генома другого предка. В этом случае метилирование оснований ДНК является процессом, сдерживающим рост доли мобильных носителей генов и приводящим в итоге к стабилизации белковых спектров, к адаптации организмов в изменчивых условиях среды.

В теории эволюции её магистральным направлением считается прирост количества ДНК, тем самым усложнение генома и полипептидного состава [1]. Отсюда в качестве древнейших таксонов нужно принимать те, которые имеют наиболее бедные спектры. Так, на основании палеоданных из рода Cerasus Mill. ими являются C. pennsylvanica, C. maximowiczii, C. avium, их намного моложе C. fruticosa, C. sachalinensis [1, 3]. Как отмечалось, первые два вида, а также вид C. sachalinensis со-

4. Типы полипептидных спектров диплоидных видов Cerasus Mill. из Евразии (вишни Максимовича и сахалинская) и Северной Америки (вишня пенсильванская)

Позиции компонентов по шкале (1 балл - слабой, 2 балла - сильной интенсивности)

1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Вишня пенсильванская - C. pennsylvanica (L.f.) Loisel.

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Вишня Максимовича - C. maximowiczii (Rupr.) Kom.

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Вишня сахалинская - C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 33 34 35 36 37 38

Вишня пенсильванская - C. pennsylvanica (L.f.) Loisel.

1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1

Вишня Максимовича - C. maximowiczii (Rupr.) Kom.

1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2

Вишня сахалинская - C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.

1 1 1 1 2 2 1 1 2 1 2 2

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 50 51 52 53 54 55 56 57

Вишня пенсильванская - C. pennsylvanica (L.f.) Loisel.

1 2 2 2 1 2 1 1 1 1

Вишня Максимовича - C. maximowiczii (Rupr.) Kom.

2 1 1 2 2 1 1 1 1 1

Вишня сахалинская - C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.

2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 1 1

58 60 62 64 65 66 67 70 72 73 74 75 76 78 79 80 82 83

Вишня пенсильванская - C. pennsylvanica (L.f.) Loisel.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1

Вишня Максимовича - C. maximowiczii (Rupr.) Kom.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2

Вишня сахалинская - C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.

1 1 1 1 1 1 2 1 2

85 87 88 89 91 92 94 95 96 98 99 101 102 103 104 105 107 108

Вишня пенсильванская - C. pennsylvanica (L.f.) Loisel.

2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Вишня Максимовича - C. maximowiczii (Rupr.) Kom.

2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Вишня сахалинская - C. sachalinensis (Fr. Schmidt) Kom.

2 2 2 1 1 2 1 1 1 1

Примечание. У вишен пенсильванской и Максимовича не приведён общий компонент 110 (1 балл)

держат 53—55 компонентов, виды C. avium — 57 компонентов, C. fruticosa — 39—59 компонентов (табл. 1, 3, 4). В итоге у древних видов спектры беднее не более чем на 10%. Наиболее молодым выглядит только C. fruticosa. Культигенный (т.е. действительно эволюционно молодой) вид C. vulgaris имеет в обычные годы до 60—69 компонентов. Сравнительно богатые спектры (40—45 компонентов и более) также получены при изучении четырёх видов вишни (C. kurilensis, C. maximowiczii, C. sachalinensis, C. maackii), естественно растущих на Дальнем Востоке [2]. Такая близость дикорастущих видов по количеству компонентов, видимо, обусловлена тем, что эти древние виды не остановились в своей эволюции, а быстро изменяются в современную эпоху. В этом плане виды вишни существенно отличаются от видов рода Juglans L. (орех). Этот род очень древний, ему не менее чем

70—80 млн лет. В спектрах пяти его изученных видов из Евразии и Северной Америки найдены только 28—34 компонента [4]. Т.е. этот род мало изменялся в процессе эволюции, но и, в отличие от рода Cerasus Mill., очень резко сократил свой древний ареал.

Используя белковые маркёры, можно уточнить родственные связи видов вишни. Так, отмечено, что молодой вид C. fruticosa, помимо древних типовых компонентов 83 и 85, содержит интрогрессии от восточноазиатских видов. Это проявляется в их общности по компоненту 36, который отсутствует у C. avium, растущего в природе [3]. Дальнейший анализ показал, что изученные виды с Дальнего Востока и C. fruticosa чётко объединяют также компоненты 45, 47, 62, однако они могут иногда выявляться и у сортов C. avium. Что интересно, эти же четыре компонента (от 36 до 62) нестабильны у

сортов C. vulgaris, растущих в засушливых условиях. Есть связи C. pennsylvanica с евразийскими видами. Так, общими со всеми изученными видами являются компоненты 22, 29, 35, 42, 87, 88, 89, но у C. fruticosa они могут стать нестабильными при засухе. Компонент 48 является общим для видов Дальнего Востока, C. pennsylvanica и C. avium, а, например, компонент 70 есть у видов Дальнего Востока, C. pennsylvanica и в засушливых условиях у C. fruticosa. Все вышеназванные компоненты лишь частично (в связи с засушливыми условиями) присущи культиварам C. vulgaris, кроме стабильного компонента 22; компонент же 46, наоборот, сохраняется в этих неблагоприятных условиях (табл. 1—4).

Итак, предпринятый подробный анализ белковых маркёров у видов, сортов и форм Cerasus Mill. позволил установить родственные связи изученных видов, выявить стабильные полипептидные электрофоретические компоненты, которые сохраняются в различных экологических условиях среды, и, наоборот, оценить вклад в изменчивость видов и культиваров нестабильной части генома. Полученные данные объясняют выявленные различия в классификационном положении одних и тех же культиваров вишни [5, 6], а также могут быть использованы при прогнозе поведения сортов,

форм и интродуцентов в новых условиях культуры, позволяют назвать полипептиды, связанные с конкретными адаптациями растений к факторам внешней среды.

Литература

1. Авдеев В.И. Абрикосы Евразии: эволюция, генофонд, интродукция, селекция. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2012. 408 с.

2. Царенко В. П., Царенко Н.А. Дикорастущие косточковые плодовые растения Дальнего Востока. Владивосток: Даль-наука, 2007. 302 с.

3. Авдеев В.И. Плодовые растения Средней Азии, их происхождение, классификация, исходный материал для селекции: дисс. ... докт. с.-х. наук. СПб.: ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 1997. 238 с.

4. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж. Сравнительное исследование плодовых растений подсемейств сливовых и ореховых методом электрофореза запасных белков семян // Вестник Оренбургского ГПУ. Электронный научный журнал. Оренбург, 2013. № 1. С. 61—73. www.vestospu.ru

5. Юшев А.А. Генофонд родов Microcerasus Webb emend. Spach, Padellus Vass. и Cerasus Mill. для селекции: дисс. ... докт. биол. наук в форме научного доклада. СПб.: ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 1993. 50 с.

6. Авдеев В.И., Сапрыкина И.А. Анализ современного генофонда вишни и сливы на территории Оренбуржья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 1 (45). С. 137-141.

7. Авдеев В.И., Комар-Тёмная Л.Д., Саудабаева А.Ж. Белковые маркёры ряда южных декоративных культиваров косточковых плодовых растений // Вестник Оренбургского ГПУ. Электронный научный журнал. 2013. № 3. С. 1-13. http: www.vestospu.ru

8. Авдеев В.И. Биоэкологические и морфологические связи маркёров запасных белков семян у культиваров абрикоса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 2 (40). С. 241-246.