CC BY
158
ГЕНЕТИКА, БИОТЕХНОЛОГИЯ, СЕЛЕКЦИЯ И СЕМЕНОВОДСТВО
Известия ТСХА, выпуск 6, 2015 год
УДК 633/635:631.527
БИОРАЗНООБРАЗИЕ ДИКОРАСТУЩИХ ВИДОВ ИЗ РОДА AEGILOPS Ь. В КАЗАХСТАНЕ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ ПШЕНИЦЫ
М.А. ЕСИМБЕКОВА, К.М. БУЛАТОВА, Р.Ж. КУШАНОВА, К.Б. МУКИН (Казахский научно-исследовательский институт земледелия и растениеводства)
Дикие виды и дикорастущие сородичи являются ценной категорией материала генофонда любой сельскохозяйственной культуры. В статье представлены результаты сбора, интродукции, оценки по фенотипу и генотипу (2003-2014 гг.) биоразнообразия местных популяций видов-сородичей пшеницы (род Aegilops Ь.) Казахстана. Выделено по массе 1000 зерен — 25 образцов, по устойчивости к ржавчинным болезням — 45 образцов, по высокому содержанию белка в зерне — 14 образцов, которые рекомендованы для селекции. Образцы идентифицированы по составу запасных белков семян, установлена степень их по-лиморфности, сходства/различия по компонентному составу белков. Результаты проведенных исследований могут быть использованы в селекции, биотехнологии, частной генетике пшеницы.
Ключевые слова: агробиоразнообразие, дикорастущие виды-сородичи, род Aegilops Ь., сбор, фенотипирование, генотипирование, селекция.
В последние десятилетия проблемам сохранения и рационального использования генетических ресурсов растений, служащих основой для развития селекции и обеспечения продовольственной безопасности, уделяют большое внимание во всем мире. По данным Второго мирового отчета о состоянии генетических ресурсов для продовольствия и сельского хозяйства, число генбанков в странах мира составляет 1750, где сохраняется 7,03 млн образцов (ФАО, 2010).
В Казахстане сужение ареалов диких сородичей и разнообразия культурных растений в масштабе Республики [2, 6], использование методов интенсивного сельского хозяйства и введение в производство высокоурожайных сортов с ограниченной генетической базой привели в ряде случаев к потере уникального генетического материала местной селекции, т.е. к генэрозии [11]. Программными документами (Программа развития агропромышленного комплекса в Республике Казахстан на 2013-2020 годы «Агробизнес-2020») сохранение биоразнообразия определено как одно из основных направлений национальной программы по созданию продуктив-
5
ных и стрессоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур. Казахстаном подписан ряд международных договоров: Конвенция по Биологическому Разнообразию (1992 г.), Минское соглашение (1999 г.), договора о сотрудничестве с международными организациями СИММИТ, ИКАРДА (1996-1998 гг.), Нагойский Протокол (2015 г.), где прописаны механизмы доступа, использования и сохранения национальных генетических ресурсов.
Виды — сородичи культурных растений — это виды эволюционно-генетиче-ски близкие к культурным растениям, входящие в один род, пригодные для скрещивания с введением качественных признаков (устойчивость к био- и абиотическим стрессам, дефициту микроэлементов, эффективный фотосинтез и др.). Необходима последующая интрогрессия их в геномы лучших коммерческих сортов, потерявших широкий полиморфизм в процессе селекции и многовекового возделывания. Ряд исследователей полагает, что изучение видов-сородичей и идентификация видов-доноров позволит совершить ресинтез культур и улучшит их генетическое содержание [4].
В Казахстане дикие и дикорастущие сородичи культурных растений, которые составляют важный элемент национальных генетических ресурсов растений, представлены в коллекциях малым объемом, недостаточно изучены с точки зрения генетического биоразнообразия и селекционной полезности [5]. В этой связи исследования популяционного состава видов-сородичей, в частности, пшеницы, на основе нескольких индикаторов и в связи с сохранением ех^йи коллекций, отражающих видовое разнообразие, являются актуальными.
Цель исследования — формирование местного генофонда дикорастущих злаковых культур (род Aegilops L.) — сбор, интродукция и оценка агробиоразнообразия для использования в качестве исходного материала в селекции пшеницы на адаптивность и продуктивность. В рамках НИР были проведены: 1) сбор и интродукция дикорастущих видов-сородичей злаковых культур (род Aegilops L.); 2) мониторинг разнообразия собранного генофонда на уровне фенотипа (фенология, продуктивность, устойчивость к био- и абиотическим стрессам) и генотипа (запасные белки семян).
Материал и методика
Объектом исследований были 217 местных популяций 4-х дикорастущих видов — сородичей рода Aegilops L. — Ае. су1Мпса, Ае. crassa, Ае. tauschii, Ае. М-uncialis.
Сбор семян проводили согласно протоколам ЮАЯЛА, 2007 [17]; IPGRI, 1997 [20] и методическому руководству ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 1999 [8]. Для мониторинга коллекции по фенотипу использованы протоколы IPGRI, 1998 [21] и методическое руководство ВНИИР им. Н.И. Вавилова [8]. Исследования проведены в предгорной зоне Заилийского Алатау (орошение). Высота над уровнем моря — 740 м, 48° с.ш., 77° в.д. Климатические условия в период проведения исследований по температурному режиму и относительной влажности были на уровне среднемно-голетних показателей, с небольшими колебаниями по годам и месяцам. Электрофорез запасных белков, определение содержания белка в зерне проведены в лаборатории молекулярно-биологического анализа растений ТОО «КазНИИЗиР» на основе стандартных методов [3, 16, 19].
6
Результаты и их обсуждение
Во флоре Казахстана дикорастущие сородичи пшеницы представлены 5 видами рода Aegilops L. — Ae. cylindrica, Ae. crassa, Ae. tauschii, Ae. triuncialis, Ae. juvenalis, в основном в Южных и Юго-Восточных областях Республики [1]. Сельскохозяйственная деятельность человека, процессы урбанизации способствуют генетической эрозии диких сородичей культурных растений. В Казахстане до настоящего времени используются в качестве пастбищных культур виды Aegilops L. (в том числе прямой дикий предок пшеницы — Ae. tauschii,), что может привести к полному их уничтожению [10]. Для целенаправленного сбора семенного материала, получения информации об эколого-географическом распространении дикорастущих видов-сородичей культурных растений местной флоры, их гетерогенности, времени созревания, способе размножения с 2003 по 2014 гг. были проведены экспедиционные сборы местных видов рода Aegilops L. по территории Казахстана [10, 15]. Стратегия и маршруты экспедиций были разработаны на анализе гербарного материала Института Ботаники и Фитоинтродукции Растений, МОН РК. Обследованием были охвачены места обитания видов Aegilops L. в 4-х областях Республики Казахстан: Алматин-ской, Восточно-Казахстанской, Жамбылской и Южно-Казахстанской.
Юго-Восточный и Восточный Казахстан
Для изучения дикой флоры Юго-Восточного и Восточного Казахстана было предпринято 3 экспедиции (2003, 2007, 2010 гг.). В 2003 г. было проведено маршрут-но-рекогносцировочное обследование 16 административных районов Алматинской и Восточно-Казахстанской областей. В 2007 и 2010 гг. экспедициями были охвачены предгорные зоны Заилийского и Джунгарского Алатау. Сбор семенного материала дикорастущих злаков был приурочен в первую очередь к степным экосистемам, а также к следующим крупным горным системам: Северный Тянь-Шань (хр. За-илийский Алатау, отроги Джунгарского Алатау), Южный Алтай (хр. Сарымсакты, предгорная равнина Нарымского хребта) и Западный Тарбагатай. Наиболее широкое распространение злаковых культур отмечено в степной, сухостепной, предгорной и полупустынной зонах. Экспедицией 2003 г. было обследовано 49 популяций дикорастущих растений, собрано 144 образца семян 28 видов из 14 родов семейства злаковых, в том числе 5 образцов 2-х видов рода Aegilops L.: Ae. cylindrica Host — 3 образца, Ae. squarosa (= Ae. tauschii Coss.) — 2 образца. В 2007 г. и 2010 г. было собрано 36 образцов (Ae. cylindrica — 25 обр., Ae. tauschii — 11 обр.) в основном в предгорьях Заилийского и Джунгарского Алатау, буферных зонах Кольсайского национального парка, Иле-Алатауского заповедника, где местами встречались целые заросли указанных видов. Сборы Ae. cylindrica проведены на высоте от 570 до 1213 м, Ae. tauschii — от 602 до 934 м над уровнем моря.
Центральный Казахстан
В Центральном Казахстане коллекция семенного материала была отобрана из различных популяций, связанных с различным ландшафтом и высотными зонами. Сбор образцов был выполнен на участках их естественной среды обитания: Северное Прибалхашье, горы Бектауата, Улутау, Ортау, Каракаралинские горы, близ соленого озера Коктенкуль, по правому берегу реки Сарысу, в пойме озера Зайсан, на предгорной равнине горного хребта Канченгиз, на отрогах горных хребтов Чингиз-тау, Акчатау, Калбинский и Тарбагатай. Одна из типичных характеристик климата —
7
резко выраженная засуха. В результате выполненного обследования были отмечены 45 участков среды обитания диких сородичей злаковых культур, собраны семена 133 образцов семейства Poaceae. Вид Aegilops cylindrical Host. встречался повсеместно.
Южный Казахстан
Исследована растительность предгорья Западного Тянь-Шаня, Казыгурта, Ка-ратау, а также поймы рек Сырдарья и Арысь, где было собрано 53 образца 4-х видов рода Aegilops L. — Ae. cylindrica, Ae. crassa, Ae. tauschii, Ae. triuncialis. Аксу-Жаба-галинский природный заповедник, расположенный в Северо-Западной оконечности хребта Таласское Алатау в Западном Тянь-Шане, является уникальным местом естественного обитания и сохранения in-situ трех видов рода Aegilops L. — Ae. cylindrica, Ae. crassa, Ae. triuncialis. Было собрано 13 образцов на различной высоте над уровнем моря (м): Ae.cylindrica — 810-2200; Ae. crassa — 710; Ae. triuncialis — 840, что, естественно, сказалось на популяционном составе и ценности материала. Экспедицией по 7 районам Жамбылской области было собрано 52 образца (гербарий, семена) Aegilops L. — Ae. cylindrical, Ae. tauschii, Ae. triuncialis, Ae. crassa.
Таким образом, в результате проведенных с 2003 по 2011 гг. экспедиционных обследований 5 областей Республики Казахстан (табл. 1) впервые была сформирована для длительного хранения семенная коллекция местных популяций видов-сородичей пшеницы, которая составила 169 образцов 4 видов рода Aegilops L. — Ae. cylindrica (111), Ae. tauschii (34), Ae. triuncialis (16), Ae. crassa (8). Наибольшая встречаемость отмечена для видов Ae. cylindrica, Ae. tauschii. Определены места обитания, сделано картирование.
Т а б л и ц а 1
Объемы сборов диких видов — сородичей пшеницы флоры Казахстана —
род Aegilops L.
Род, разновидность Административные области/количество образцов
Алматинская Южно-Казахстанская Жамбылская Итого
Aegilops cylindrica 34 43 34 111
Aegilops tauschii 17 11 6 34
Aegilops triuncialis — 10 6 16
Aegilops crassa — 2 6 8
Итого: 51 66 52 169
Дикие и дикорастущие сородичи культурных растений как уникальный генетический ресурс способны решать проблемы устойчивости к болезням, вредителям, холоду, засухе, расширить неизбежно ограниченную генетическую базу современных сортов, переживших модернизацию сельского хозяйства [13, 14]. По фенотипи-ческим признакам изучено 217 образцов (дополнительно к собранному материалу в изучении была включена коллекция ИКАРДА из 48 образцов видов рода Aegil-ops Ь., собранная по территории РК) местных популяций четырех видов рода Aegil-ops Ь. — Ае. суИ^пса (149), Ае. tauschii (43), Ае. crassa (9), Ае. triuncialis (16).
8
В предгорной зоне Заилийского Алатау (осенний посев) отмечена значительная вариабельность основной фазы развития — длительности периода до колошения (ПДК, дни от 01.01.) в зависимости от вида и места сбора образца:
- размах изменчивости ПДК у образцов вида Ae. cylindrica составил 12 дней (133-145 дней). Наиболее скороспелыми были образцы из Жамбылского региона (133), наиболее позднеспелыми — образцы Южно-Казахстанской области (145). Популяции образцов Ae. cylindrica Алматинской области заняли среднюю позицию (140);
- популяции вида Ae. tauschii Жамбылского региона (ПДК — 155дн.) проходили фазу колошения на 22 дня позже, чем образцы Ae. cylindrica этого же региона и на 11 дней по сравнению с образцами Ae. tauschii Алматинской и Южно-Казахстанской областей (ПДК — 144). Замедленное развитие Ae. tauschii отмечено как в фазу выхода в трубку, так и в фазу колошения;
- размах изменчивости ПДК образцов Ae. crassa независимо от места сбора был на уровне 139-140 дней;
- образцы местной популяции вида Ae. triuncialis Жамбылской области имели наиболее длительный период «всходы-колошение» (ПДК — 158 дней) в анализируемой коллекции.
По высоте растений (ВР, см) размах изменчивости в зависимости от вида колебался от 28,0 см (Ae. crassa, ЮКО) до 50,0 см (Ae. cylindrica, Алматинская обл.): наиболее высокорослыми были образцы Ae. cylindrica (44,0-50,0 см), среднерослы-ми — образцы вида Ae. tauschii (35,0-38,0 см) и Ae. triuncialis (43,0 см), относительно низкорослы популяции Ae. crassa (28,0-37,0 см). Высокая продуктивная кустистость (ПК) была характерна для всех видов и колебалась от 7 шт. (Ae. tauschii, ЮКО) до 30 шт. (Ae. crassa, Жамбылская обл.) стеблей на одно растение. Высокая (20 шт.) продуктивная кустистость отмечена для образцов вида Ae. triuncialis Жамбылской области. Наиболее длинноколосыми (ДК — 12,0-14,0 см) были образцы Ae. crassa. Популяции Ae. triuncialis при высокой продуктивной кустистости имели очень короткий колос (до 5,0 см). Образцы Ae. cylindrica имели колос средней длины (10,0-12,0 см), характерный для вида в целом, независимо от места сбора. Длина колоса образцов Ae. tauschii колебалась от 6,0 до 12,0 см. Относительно высокая плотность колоса (13 шт. колосков/колос при длине колоса 12,0 см) была характерна для вида Ae. cylindrica, собранного в Алматинской области. Озерненность колоса (КЗК) в целом была невысокая: от 5 шт. (Ae. triuncialis, Жамбылская обл.) до 12 шт. (Ae. tauschii, Алматинская обл.) с колебаниями в пределах вида в зависимости от места сбора. Местные популяции отнесены к крупносемянным видам рода Aegilops L. — масса 1000 семян у местных экотипов 4-х видов колебалась в среднем от 40,0 г (Ae. tauschii, Ae. crassa) до 56,0 г (Ae. cylindrica, Ae. triuncialis) с высоким содержанием белка в зерне: Ae. cylindrica (17,6%), Ae. tauschii (16,5%), Ae. crassa (17,2%), Ae. triuncialis (18,1%). Средние данные признаков продуктивности 4-х местных видов рода Aegilops L. приведены на рисунке 1.
По материалам экспедиций, обследовавших территории Казахстана на зараженность ржавчиной, на листьях дикого злака Ae. cylindrical Host были обнаружены до 80-100% пустул желтой ржавчины (Puccinia striformis) — одной из агрессивных болезней пшеницы в Центральной Азии, а также уредопопуляции листовой ржавчины. На растениях этого вида происходит сохранение и становление рас в популяциях указанных видов ржавчин [7]. В 2006 г. на озимых посевах образцы вида Ae. cylindrica местной популяции из разных мест сбора проявили устойчивость
9
01 о
£ 20
10,6
и
7 2;5 8,3, 4
ш
17,6 18,1
—^е,^—_172
ДК, см. ККК. шт. КЗК. шт. М.1
Призн£1ки продуктивности и качества
□ Дв. су1^гюа ПДв. tauschin ПДв. tгiuпcialis ПДв. cгassa
Рис. 1. Признаки продуктивности и качества местных популяций рода АедИорэ 1_.
к желтой ржавчине (MR — 5-10-25%). По ряду популяций из Алматинской области процент поражения желтой ржавчиной к третьей оценке снизился до нуля. Однако популяция Ае. суИ^пса из Жамбылского района показала высокую восприимчивость к бурой ржавчине (80,0-100%). В 2007 г. на 38 образцах Ае. су1Мпса, 9 образцах Ае. tauschii и 1 образце Ае. crassa проявление как желтой, так и бурой ржавчины, было высоким (80-100%). В 2009 г. поражение желтой ржавчиной отдельных образцов Ае. суИ^пса, Ае. tauschii, Ае. crassa достигало 90%. На яровом посеве 2007 г. местный материал почти полностью поразился бурой ржавчиной. За годы исследований не отмечено поражения видами ржавчины 16 образцов Ае. triuncialis ^ — 5-10%). Всего выделено по устойчивости к каждому виду ржавчины 45 образцов (табл. 2).
Оценка значимости редких компонентов глиадина и субъединиц глютенина Ае. cylindrica для изменения качественных показателей муки и теста пшеницы может открыть новые источники генетического улучшения технологических параметров продуктов переработки пшеничного зерна [12]. Кроме того, специфические компоненты белков, выявленные при изучении дикого сородича, могут служить молекулярными маркерами интрогрессии элементов генома Ае. cylindrica в геном мягкой пшеницы. Анализ спектров глиадина образцов, собранных в экспедициях из различных мест произрастания, показал гетерогенность белков по составу, значительный меж- и внутрипопуляционный полиморфизм. Характерным для спектра глиадинов Ае. cylindrica было отсутствие в спектре а-гладинов, насыщенность компонентами g и Ь зон (табл. 3).
По спектру проламинов образцы Ае. cylindrica из экологически разных регионов обнаружили большое сходство. Различия состояли в основном по зоне быстро-подвижных компонентов, причем аналогичное разнообразие наблюдалось и внутри популяций. Проведена идентификация всех коллекционных образцов Ае. суИ^пса, собранных в ходе экспедиций по Республике. По всем популяциям идентифицировано 6 вариантов электрофоретических спектров белка. Число проламиновых биоти-
56 56
47,8
50
40
40
к 40
30
12,5
8,3
9
8,3
10
0
Белок, %
10
Образцы диких видов-сородичей рода Aegilops L. устойчивые к желтой и бурой ржавчинам
Род/вид Место сбора: область/район Географические координаты Кол-во устойчивых обр., шт
Ae. cylindrica Алматинская, Илийский 43°21.23' - 076°50.18' 2
Апматинская,Талдыкурган 43°10.066' - 076°31.712' 3
Алматинская, Карасайский 43°10.085' - 076°31.745' 1
Алматинская, Раимбекский 43°10.063' - 076°31.712' 1
Жамбылская, Шуйский 43°26.395' - 073°53.199' 1
Жамбылская, Жуалинский 42°38.949' - 070°39.68' 1
Жамбылская, Т.Рыскулова 42°31.614' - 070°23.360' 1
ЮКО, Сайрамский 42° 16.840' - 069°33.500' 1
ЮКО, Тюлькубасский 42°55.606' - 070°28.701' 2
Ae. tauschii Алматинская, Карасайский 43°08 34' - 076°36.45' 2
Алматинская, Жамбылский 43°17.295' - 076°15.542' 2
Алматинская, Ескельдинский 44°39.008' - 078°01.364' 1
Алматинская, Саркандский 45°25.446' - 079°55.908' 2
Жамбылская, Т.Рыскулова 42°55.041' - 072°36.723' 2
Ae. triuncialis Жамбылская, Т.Рыскулова 42°57.470' - 072°10.283' 1
Жамбылская, Байзакский 42°59.917' - 072°10.28' 1
Жамбылская, Жуалинский 42°66.659' - 072°01.421' 2
Жамбылская, Талаский 42°49.721' - 070°57.033' 2
ЮКО, Тюлькубаский 42°66.714' - 072°01.512 ' 1
ЮКО, Сайрамский 42° 16.840' - 069°33.500' 3
ЮКО, Казыгуртский 41°17.420' - 069°33.500' 1
ЮКО, Сарыагашский 41°54.401' - 069°46.860' 2
ЮКО, Шардарьинский 41°12.214' - 068°33.194' 1
ЮКО, Арысский 42°31.904' - 068°46.398' 1
ЮКО, Ордабасинкий 43° 28.099' - 068°49.539' 1
Ae. crassa Жамбылская, Байзакский 42°59.917' - 072°00.407' 1
ЮКО, Сайрамский 42°03.481' - 070°30.811' 2
ЮКО, Шардарьинский 41°12.214' - 068°33.194' 1
ЮКО, Сарыагашский 41°12.214' - 068°33.193' 1
ЮКО, Арыский 42°07.103' - 068°06.994' 1
ЮКО, Ордабасинский 42°49.770' - 069°07.809' 1
Итого: 45
11
Глиадиновые формулы выявленных типов спектра Ае. cylindrica местных популяций
Биотип Белковые зоны, компоненты
а Р У ю
1 — 1 4 4 4 4 4 3 5 89 85,82 79,77 73,71 68 1 2 3 4 5 3 4 51 1 65 63 58 55 53 1 2 3 4 5 1 1 34 233 3 46 34 2927,25 221916 1 4 5 6 7 8 9
2 — 4 4 4 4 4 3 5 87 82 80,77 73,71 68 1 2 3 4 5 3 4 51 1 65 63 58 55 53 1 2 3 4 5 1 1 34 233 3 46 34 2927,25 221916 1 4 5 6 7 8 9
3 — 3 3 3 3 3 1 4 4 3 87 85,82 80,78,77 72,71 68 1 2 3 4 5 1 1 51 1 65 63 58 55 53 1 2 3 4 5 1 1 31 333 3 3 46 34 31,2927 2221 17,15 1 4 5 6 7 8 9
4 — 1 1 4 4 4 3 4 4 1 89,87 85,82 80,78 73,71 69 1 2 3 4 5 1 51 1 63 58 55 53 2 3 4 5 1 1 31 333 3 46 34 30,2927 221916 1 4 5 6 7 8 9
5 — 3 5 4 4 4 3 3 4 3 3 89,87 85,82 80,78,77 72,71 68 1 2 3 4 5 4 5 1 65 58 49 1 3 5 1 1 32 433 3 3 40 33 31,2927 22 21 17,15 2 4 5 6 7 8 9
6 — 1 4 4 4 4 4 3 5 89 85,82 79,77 73,71 68 1 2 3 4 5 4 5 2 1 65 63 57 55 1 2 3 4 1 1342 333 46 34 29 27,25 2219 16 1 4 5 678 9
пов в отдельных образцах варьировало от 2 до 4. Анализ процентного соотношения генотипов Ае. сylindrica в местных популяциях Алматинской, Жамбылской и Южно-Казахстанской областей по типам спектра глиадина показал, что в Алматинской и Жамбылской областях преобладают растения с 1-м типом спектра глиадина, тогда как в Южно-Казахстанской — растения со 2-м типом спектра (рис. 2). В целом генетическое разнообразие популяций Жамбылской области выше, чем в остальных регионах: выявлено 6 глиадиновых биотипов.
Результаты электрофоретического анализа (в щелочной среде) комплекса запасных белков единичных семян образцов Ае. cylindrica местных популяций показали, что в зоне спектра, где располагаются высокомолекулярные субьединицы глю-тенинов мягкой пшеницы, выявляются 3 полосы, одна из которых занимает в геле позицию х субьединиц высокомолекулярных глютенинов, кодируемых Glu-D1 или Glu-A1 локусами. Вариаций по спектру ВМСГ среди местных образцов Ае. cylindrica не выявлено.
Молекулярный анализ показал, что уровень различий вида Ае. cylindrica составляет 0,007-0,067.
Проведена идентификация и оценена степень генетического разнообразия 14 образцов Ae. tauschii из различных мест произрастания Алматинской, Жамбылской и Южно-Казахстанской областей. Характерным для всех образцов Ae. tauschii
12
II тип
I тип
II тип
I тип
II тип
Алматинская обл.
Южно-Казахстанская обл.
Жамбылская обл.
Рис. 2. Процентное соотношение генотипов Ае. суЫпоа в местных популяциях юго-востока Казахстана по типам спектра глиадина
также было отсутствие в спектре запасного белка проламина a-глиадинов, ш и р зоны спектра были наиболее насыщены компонентами глиадина, тогда как у зона оказалась менее насыщена белками, большая часть которых была в количественном отношении слабо выражена, рисунок 3.
Меж- и внутрипопуляционный полиморфизм Ae. tauschii по глиадину был значительно выше, нежели у Ae. cylindrical. Было выявлено 13 вариантов белко-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Рис. 3. Спектр запасного белка проламина образцов Ае. (аиэоЫг. 1^Э150 — Алматинская, Карасай; 2^Э151 — Алматинская, Карасай; 3 — Богарная 56; 4^Э155 — Алматинская, Коксу; 5^Э162 — Алматинская, Илийский; 6-^Э163 — Алматинская, Талдыкурган; 7^Э197 — Алматинская; 8^Э198 — Алматинская; 9^Э683 — Алматинская; 10^Э684 — Алматинская; 11^Э753 — Жамбылская; 12^Э754 — Жамбылская; 13^Э755 — Жамбылская; 14^Э684 — Жамбылская; 15^Э753 — Жамбылская; 16^Э754 — Жамбылская; 17^Э755 — Жамбылская; 18 — Богарная 56; 19-WS755 — Жамбыская; 20^Э757 — Жамбылская
13
вого спектра, т.е. практически в каждом образце превалировали генотипы со специфическим спектром белка (табл. 4).
Изучением разнообразия высокомолекулярных субъединиц глютенина (ВМСГ) методами электрофореза в щелочной и кислой среде у образцов Ае. tauschii (2п=2х=14, ББ) выявлено 42 аллели глютенинкодирующих локусов, некоторые из них не имели аналогов среди известных аллелей мягкой пшеницы [18]. В составе ВМСГ Ае. tausсhii медленно подвижная субъединица этой зоны обозначена Ш'х (рис. 4). Высокомолекулярная субъединица с наибольшей мобильностью в пределах данной зоны геля обозначена Ш'у.
В результате изучения состава высокомолекулярных субъединиц глютенина (ВМСГ) природных популяций Ае. tausсhii, образцы семян которых были собраны в различных регионах Алматинской области в 2003-2010 гг., установлено, что в области спектра глютенинов, контролируемых у мягкой пшеницы локусами Glu-A1, Glu-B1, Glu-D1, у дикого вида насчитывается 2 субъединицы. Выявлена специфичность ряда популяций по относительной подвижности субъединиц. Уровень внутрипопуляционного полиморфизма изученных образцов по составу глютенинов незначителен.
Т а б л и ц а 4
Регистрация местных образцов Ае. tausсhii по спектру глиадина
№ п/п а Р У ю
WS150 — 87 84,81 75 72,71 12 3 4 66,6458 2 3 38 34 30 26 23 20 3 4 5 6 7 8
WS151,197, 757 — 87 82 79 71 12 3 4 66,6458 2 3 38 34 30 26 23 20 3 4 5 6 7 8
WS155 — 84,82 75 72 68 2 3 4 5 58 53 3 5 38 34 30 26 23 20 3 4 5 6 7 8
WS162 — 89,87 81 75 69 12 3 5 64 58 53 1 3 5 3834 30 26 23 20 3 4 5 6 7 8
WS163,683, 684 — 88 84,81 75 70,69 12 3 5 58 53 3 5 3834 30 26 23 20 3 4 5 6 7 8
WS198 — 89 85,81 71 1 2 4 63 58 55 53 2 3 4 5 33 27,26 22 4 6 7
WS753 — 87 81 75 70 12 3 5 66 6358 53 1 2 3 5 38 35,3430 26 23 3 4 5 6 7
WS754 — 8782 75 72 68 1 2 3 4 5 58 55 53 3 4 5 35,33 27,26 23 4 6 7
WS755 — 8882 79,76 72 68 1 2 3 4 5 58 55 53 3 4 5 35,33 30 26 23 4 5 6 7
WS756 — 8682 76 72 12 3 4 65 55 53 1 4 5 33 31,29 26 23 20 4 5 6 7 8
WS757 — 86 82 78,77 71 68 1 2 3 4 5 58 53 3 5 38 34 26 23 20 3 4 6 7 8
14
Сравнительные анализы глиадиновых белков местных популяций Ae. triuncialis и Ae. crassa из разных географических мест показали, что каждый из изученных видов имеет свой характерный спектр, отличающийся по числу белковых компонентов и их интенсивности. Наиболее богатым по белковому составу были образцы Ae. triuncialis — выявлено от 14 до 17 компонентов, распределенных по всем трем зонам. Интерес представляют зоны II и III. В них наблюдаются отличия по содержанию компонентов, которые могут быть использованы для идентификации внутривидовых биотипов. Следует отметить, что у этого вида каждая зона спектра включает компоненты, отсутствующие у других видов. Образцы Ae. triuncialis были изучены по спектру глиадинов в кислой и щелочной системе электрофореза (рис. 5). Выявлено высокое разнообразие образцов как из Жамбылской области (2009 г), так и из Южно-Казахстанской области (2011 г. сбора). По составу глиадинов все образцы имели высокую гетерозиготность и вариабельность по компонентам всех зон, однако образцы из Южно-Казахстанской области (в. н.у.м. — 520-612) были генетически более
Рис. 4. Спектр запасных белков семян популяции Ае. tаusоhii. 1, 2 — WS154a с. Балгабен Жамбылско-го р-на; 5 — Ае. оуНпбпоа, 6 — WS151 п. Бурундай; 4, 7, 8 — WS150 Карасайский р-он; 3 — озимая мягкая пшеница Богарная 56; I — ВМСГ; II — низкомолекулярные глютенины (НМГ) и глиадины
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
а б
Рис. 5. Спектр проламинов образцов Ае. tгiunоialis. 1 — мягкая пшеница Богарная 56; 2, 3 — Ае. tausоhii; 4 — Ае. Шп^а^ WS758; 5 — WS759; 6 — WS760; 7 — WS761; 8 — WS 762; 9 — WS 763; 10 — WS945; 11 -WS953; 12 — WS946; 13 — WS948; 14 — WS951; 15 — WS952; 16 — мягкая пшеница Безостая 1
15
разнообразны, чем образцы, собранные на высоте 488-934 м н.у.м., причиной чего может быть географическое расположение образцов.
У вида Ae. crassa число компонентов составляло 15. Анализ состава высокомолекулярных и низкомолекулярных глютенинов и глиадинов показал, что все образцы Ae. crassa были идентичны, что согласуется с данными С. Наимова [9], который также отмечает низкое разнообразие таджикских популяций этого вида по составу глиадинов. Высокомолекулярные глютенины насчитывают 4 компонента, все они по электрофоретической подвижности соотносятся с зоной ВМСГ гексаплоидной и тетраплоидной пшеницы.
Выводы
1. Экспедиционным обследованием дикорастущих видов-сородичей пшеницы Восточного, Центрального и Южного Казахстана собрано 169 образцов семян местных популяций 4-х видов рода Aegilops L., в том числе — Ae. cylindrica (111 обр.), Ae. tauschii (34 обр.), Ae. triuncialis (16 обр.) и Ae. crassa (8 обр.).
2. Выявлены перспективные образцы: масса 1000 зерен — 25 обр.; устойчивость к ржавчинным болезням — 45 обр.; содержание белка в зерне — 14 обр. (18,0-23,0%).
3. Идентификацией местных образцов видов-сородичей рода Aegilops L. по составу запасных белков зерна — проламинов и глютелинов — установлена степень их генетического разнообразия, полиморфности, сходства-различия по компонентному составу белков. Характерным для спектра глиадинов Ae. cylindrica было отсутствие в спектре a-гладинов, насыщенность компонентами g и ß зон. По всем популяциям идентифицировано 6 вариантов электрофоретических спектров белка. Молекулярный анализ показал, что уровень различий вида Ae. cylindrica составляет 0,007-0,067. Характерным для всех образцов Ae. tauschii также было отсутствие в спектре запасного белка проламина a глиадинов, w и ß зоны спектра были наиболее насыщены компонентами глиадина. Меж- и внутри-популяционный полиморфизм Ae. tausMi по глиадину был значительно выше, нежели у Ae. cylindrica, было выявлено 13 вариантов белкового спектра. Местные популяции Ae. triuncialis и Ae. crassa из разных географических мест имели свой характерный спектр. Наиболее богатым по белковому составу были образцы Ae. triuncialis: выявлено от 14 до 17 компонентов, распределенных по всем трем зонам. У вида Ae. crassa число компонентов составляло 15. По составу высокомолекулярных и низкомолекулярных глютенинов и глиадинов все образцы Ae. crassa были идентичны.
Библиографический список
1. Абдуллина С.А. Список сосудистых растений Казахстана. Алма-Ата, 1998. 186 с.
2. Байтенов М.С. К изучению и охране редких и исчезающих видов растений в Казахской ССР // кн. «Изучение и охрана заповедных объектов». Алма-Ата: Кайнар, 1984. С. 65-67.
3. БулатоваК.М. Изучение компонентного состава глютенина пшеницы// Вестник с.-х. науки Казахстана. 1985, № 4. С. 37-39.
4. Гончаров Н.П., Кодратенко Е.А., Храброва М.А., Коновалов А.А., Лайкова Л.И., Блинов А.Г., Головнина К.А., Глушков С.А. Рукотворные виды — источник расширения биоразнообразия пшениц // Агромеридиан. 2008. № 3, 4. С. 86-91.
16
5. Есимбекова М.А. Сохранение биоразнообразия генетических ресурсов сельскохозяйственных растений, возможности использования в селекции // ИББР МОН РК: Международная научная конференция по биологии и биотехнологии растений. Алматы, 2014. С. 25-27.
6. Исмаилов Б.А. Генетические ресурсы кормовых растений Казахстана и использование их в селекции // Матер. Межд. конф. «Развитие ключевых направлений сельскохозяйственной науки в Казахстане: селекция, биотехнология, генетические ресурсы», МСХ РК / СИММИТ/ГТЦ/ИКАРДА. Астана. 2004. С. 137-141.
7. Койшибаев М., Моргунов А.И., Yahyaoui А., Рсалиев Ш, Жунусова М.К. Фитопатоло-гическая оценка устойчивости озимой пшеницы к основным грибным болезням и эффективные гены для селекции // Сб. науч. трудов «Эволюция научных технологий в растениеводстве». Т. 1. Пшеница. Краснодар. 2004. С. 363-371.
8. Мережко А.Ф. Пополнение, сохранение в живом виде и изучение мировой коллекции пшеницы, эгилопса и тритикале // Методические указания. ВИР. 1999. С. 3-81.
9. Наймов С., Касымова Г.Ф., Насырова Ф.Ю., Донцова С.В., Нигмонов М., Игамбер-диева З. Биоразнообразие произрастающих в различных климатических условиях Таджикистана видов родаAegilops L. // Агромеридиан. 3(4). 2006. С. 96-101.
10. Ситпаева Г.Т., Есимбекова М.Ф., Моргунов А.И., Карабаев М.К. О современном состоянии генетического потенциала диких сородичей злаков на юго-востоке и востоке Казахстана // Межд. конфер. «Развитие ключевых направлений сельскохозяйственных наук в Казахстане: селекция, биотехнология, генетические ресурсы». Астана, 2004. С. 246-252.
11. Уразалиев Р.А., Есимбекова М.А., Алимгазинова Б.Ш. Проблемы инвентаризации, сохранения и изучения генофонда сельскохозяйственных растений Казахстана // Международная конференция «Биологические основы селекции и генофонда растений». Алматы, 2005. С. 267-271.
12. Хакимова А.Г., Конарев В.Г. Агрегирующая способность клейковины разных видов пшеницы и эгилопса // Тр. по пр. ботанике, генетике и селекции. 1981. Т. 70. Вып. 2. С. 27-34.
13. Храмцова Е.В., Киселева И.С. Эгилопс и дикие виды пшеницы как источники полезных свойств для современных сортов пшеницы // Матер. VI Межд. симп. «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». М., 2005. Т. 2. С. 402-403.
14. Чикида Н.Н., Мартынов С.В., Добротворская Т.В., КолесоваМ.А. Антонов Д.Г. Ты-рышкин Л.Г. Виды рода Aegilops как генетические источники для селекции пшеницы устойчивости к болезням и вредителям// Материалы VI Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». М., 2005. Т. 1. С. 146-148.
15. Alimgazinova B.Sh., Yessimbekova M.A. Plant Genetic Resources of Kazakhstan: Status and Prospects// Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2013. Vol. 3, № 1. P. 21-25.
16. Galili G., Feldman M. Genetic control of endosperm proteins in wheat. 2. Variation in high molecular weight glutenin and gliadin subunits of Triticum aestivum // Theor. and Appl. Genet. 1983. V. 66. P. 77-76.
17. Gene Bank Management for Germplasm Collection. ICARDA. 2007. 46 p.
18. Konarev V.G., GavrilyukI.P. andPeneva T.I. About nature and origin of wheat genome on the data of biochemistry and immunochemistry of grain proteins // Selsk. Biol. 11(5). 1976. P. 656-665.
19. Laemmli U.K. Clevage of structural proteinsduring assembly of the head of bacteriophage. T.4. // Nature. 1970. V. 277. № 4. P. 178-189.
20. MaxtedN., Painting K., Guarino L. Ecogeographic Surveys. University of Birmingham, IPGRI. Rome, 1997. Р. 16.
21. Stalker H.T., Chapman C. Scientific Management of germplasm: characterization, evaluation and enhancement. IPGRI, 1992. 160 p.
17
AGROBIODIVERSITY OF WHEAT WILD RELATIVES (AEGILOPS L.) IN KAZAKHSTAN APPROPRIATE FOR WHEAT BREEDING
M.A. YESSIMBEKOVA, K.M. BULATOVA, R^. KUSHANOVA, K.B. MUKIN (Kazakh Research Institute of Agriculture and Crop Production)
Wild species and wild relatives are valuable gene pool of any crop. The article presents the results of the collection, introduction and assessment of biodiversity of wheat wild relative local populations by phenotype and genotype (gen. Aegilops L.) growing in Kazakhstan. It was collected and introduced 169 accessions. There were selected 25 accessions on the 1000 grain weight, 45 accessions for resistance to rust diseases, 14 accessions of high protein content, which are recommended for breeding.
By the evaluation of the seed storage proteins the degree ofpolymorphism, similarities/differences in the component composition ofproteins was established. The results of these studies can be used in plant breeding and biotechnology of wheat genetics.
Key words: agricultural biodiversity, wild relatives, genus Aegilops L., collection, phenotyp-ing, genotyping, breeding.
Есимбекова Минура Ахметовна — д. б. н., зав. отделом генофонда полевых культур ТОО «Казахский НИИ земледелия и растениеводства» МСХ РК (040909, Республика Казахстан, Алматинская обл., Карасайский р-н, п. Алмалыбак, ул. Ерлепесова 1; тел.: (872771) 5-38-08, (872738) 9-45-16, (701) 395-72-53; e-mail: [email protected]).
Булатова Кульпаш Мансуровна — д. б. н., зав. лабораторией молекулярно-генетиче-ского анализа ТОО «Казахский НИИ земледелия и растениеводства» МСХ РК (040909, Республика Казахстан, Алматинская обл., Карасайский р-н, п. Алмалыбак, ул. Ерлепесова 1; тел.: (872771) 5-32-16; e-mail: [email protected]).
Кушанова Рыстай Жармагалиевна — науч. сотр. отдела генофонда полевых культур ТОО «Казахский НИИ земледелия и растениеводства» МСХ РК (040909, Республика Казахстан, Алматинская обл., Карасайский р-н, п. Алмалыбак, ул. Ерлепесова 1; тел.: (872771) 5-38-72, (701) 795-04-51; e-mail: [email protected]).
Мукин Кадыржан Бакитжанович — к. с.-х. н., ст. науч. сотр. отдела генофонда полевых культур ТОО «Казахский НИИ земледелия и растениеводства» МСХ РК (040909, Республика Казахстан, Алматинская обл., Карасайский р-н, п. Алмалыбак, ул. Ерлепесова 1; тел.: (872771) 5-38-61; e-mail: [email protected]).
Yessimbekova Minura Ahmetovna — Doctor of Biological Sciences, Head of the Gene Pool Department of the Kazakh Research Institute of Agriculture and Plant Growing, the Ministry of Agriculture (040909, Almaty region, Karasai district, Almalybak v., Erlepesova str.,1; tel.: (872771) 5-38-08, (872738) 9-45-16, (701) 395-72-53; e-mail: [email protected]).
Bulatova Kulpash Mansurovna — Doctor of Biological Sciences, Head of the Laboratory of Molecular Genetic Analysis of the Kazakh Research Institute of Agriculture and Plant Growing, the Ministry of Agriculture (040909, Almaty region, Karasai district, Almalybak v., Erlepesova str.,1; tel.: (872771) 5-32-16; e-mail: [email protected]).
Kushanova Rystay Zharmagalievna - Researcher of the Gene Pool Department of the Kazakh Research Institute of Agriculture and Plant Growing, the Ministry of Agriculture (040909, Almaty region, Karasai district, Almalybak v., Erlepesova str.,1; tel.: (872771) 5-38-72, (701) 795-04-51; e-mail: [email protected]).
Mukin Kadyrzhan Bakytzhanovich - PhD in Agricultural Sciences, Senior Researcher of the Gene Pool Department of the Kazakh Research Institute of Agriculture and Plant Growing, the Ministry of Agriculture (040909, Almaty region, Karasai district, Almalybak v., Erlepesova str.,1; tel.: (872771) 5-38-61; e-mail: [email protected]).
18
