CC BY
21
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2017 Стмкжозшжжмьш науки 53
УДК 581.19:631.52:633.13
А. В. Остапенко
ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ОБРАЗЦОВ ВИЗАНТИЙСКОГО ОВСА (A. BYZANTINA C. KOCH.) ПО КОМПОНЕНТНОМУ СОСТАВУ АВЕНИНА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕВЕРНОГО
ЗАУРАЛЬЯ», ТЮМЕНЬ, РОССИЯ
A. V. Ostapenko
DIFFERENTIATION OF SPECIES OF RED OAT (A. BYZANTINA C. KOCH.) ON COMPONENT COMPOSITION OF AVENIN FEDERAL STATE BUDGET EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «NORTHERN TRANS-URAL STATE AGRARIAN UNIVERSITY», TYUMEN, RUSSIA
Анна Валерьевна Остапенко
Anna Valerevna Ostapenko кандидат биологических наук anna_edelweiss@mail.ru
Аннотация. Исследования проводили в лаборатории сортовой идентификации семян Государственного аграрного университета Северного Зауралья с целью оценки генетической дифференциации образцов коллекции византийского овса по компонентному составу авенина. Анализировали по 20 индивидуальных зерновок от каждого образца, отобранных методом случайной выборки. Электрофоретическое разделение авенина проводили в вертикальных пластинах полиакриламидного геля при постоянном напряжении 500 В в течение 4,0-4,5 часов. Выявлено, что три из исследованных образцов византийского овса были гомогенными по компонентному составу авенина. Остальные образцы содержали от 2 до 12 биотипов. В результате кластеризации все образцы сгруппировались в три кластера, которые имели сложную структуру и состояли из большого количества более мелких под-кластеров и групп. Первый биотип образца Swam занял отдельностоящее положение. Выявлено 6 групп образцов с идентичными спектрами пролами-на. Совпадение спектров может быть результатом механического засорения одного сорта семенным материалом другого, поэтому с образцами, в состав которых входят такие биотипы, необходимо провести более тщательную семеноводческую работу. Результаты кластеризации не зависели ни от географического происхождения образцов, ни от их сортовой принадлежности. Уровень генетических различий внутри образцов часто превышал уровень различий между ними. Установлено, что исследованные образцы византий-
Введение. Овес это одна из основных зерновых культур, возделываемая на зернофуражные и пищевые цели. Благодаря своей высокой экологической пластичности и большому разнообразию форм, он произрастает на всех континентах мира, за исключением Антарктиды.
В соответствии с современной классификацией, род Avena L. насчитывает 26 видов, которые представлены группами с числом хромосом 2n = 14, 28, 42. В каждой группе плоидности есть культурные представители: A. sativaL., A. Byzantine C. Koch. (2n = 42), A. Abyssinica Hochst. (2n = 28) и A. Strigosa Schreb. (2n = 14). В Российской Федерации возделываются овес посевной и византийский [1].
Византийский овес значительно уступает A. Sativa L. по размерам занимаемых посевных площадей, однако широко используется в межвидовой гибридизации. Большинство форм этого вида обладают устойчивостью к корончатой и
ского овса характеризуются высоким уровнем генетического разнообразия и генетической неоднородностью. Генетическая дистанция между биотипами гетерогенных образцов C.J. 5558, Palini, Wandering, AV 17/3/10 и Haruabusa достигала 0,7. Такие образцы перспективны для использования в межвидовой гибридизации, так как позволят предотвратить сужение внутрипопуля-ционного генного разнообразия при создании сортов и дадут возможность получить генотипы, обладающие высокой экологической пластичностью.
Ключевые слова: византийский овес, A. Byzantine C. Koch., компонентный состав авенина, электрофоретический спектр, биотипный состав, кластеризация, генетическое разнообразие.
Abstract. The researches for the purpose of evaluating the genetic differentiation of samples of the red oat collection according to the component composition of avenin were conducted in laboratory identification varietal seeds FSBEI HE Northern Trans-Ural SAU. For laboratory analysis used 20 individual kernels of each variety, selected by random sampling. Electrophoretic separation of prol-amins was performed in vertical plates of polyacrylamide gel at a constant voltage of 500 V for 4.0-4.5 hours. It was revealed that three of the studied samples of red oat were homogeneous by the component composition of avenin. The remaining samples contained from 2 to 12 biotypes. As a result of clustering, all samples were grouped into three clusters that had a complex structure and consisted of a large number of smaller subclusters and groups. The first biotype sample Swam took a separate position. Six groups of samples with identical prolamine spectra were detected. The coincidence of the spectra can be the result of mechanical clogging of one seed by the seed material of another, so it is necessary to carry out more thorough seed-growing work with samples containing such biotypes. It was found that the results of clustering did not depend on the geographical origin of the samples and their varietal identity. The level of genetic differences within the samples often exceeded the level of differences between them. It is established that the studied samples of red oat are characterized by a high level of genetic diversity and genetic heterogeneity. Genetic distance between biotypes of heterogeneous samples C.J. 5558, Palini, Wandering, AV 17/3/10 and Haruabusa reached 0.7. Such samples are promising for use in interspecific hybridization, since they will prevent the narrowing of intrapopulation gene diversity in the creation of varieties and will allow obtaining genotypes with high ecological plasticity.
Keywords: red oat, A. byzantina C. Koch., component composition of avenin, electrophoretic spectrum, biotype composition,clustering, genetic diversity.
стеблевой ржавчине, пыльной головне, засухоустойчивы, отличаются скороспелостью и солевыносливостью. Зерно византийского овса наиболее богато белком по сравнению с другими видами [2]. A. Byzantine успешно скрещивается с посевным овсом, что дает возможность перенести ценные признаки, характерные для этого вида, в получаемые гибриды.
Большое значение при создании новых сортов имеет правильный подбор родительских особей для скрещиваний. На современном этапе селекции для оценки исходного материала используются не только традиционные методы, но и достижения генетики и биотехнологии, в том числе -электрофорез запасных спирторастворимых белков - про-ламинов [3-6]. Анализ селекционного материала с применением этого метода позволяет осуществлять контроль над включением геномов, хромосом или особенностей геноти-
па исходных форм в создаваемые гибриды; идентифицировать образцы коллекций, а также оценивать генетическую дифференциацию генофонда [7-9].
Проламины овса - авенины - наследуются блоками, их синтез контролируется локусами Avn А, Avn В и Avn С, а аллельные варианты блоков компонентов авенинасвязаны с ценными хозяйственными и адаптивно-значимыми признаками [10].
Целью исследований была оценка генетической дифференциации образцов коллекции византийского овса по компонентному составу авенина.
Методика. Анализы проводили в лаборатории сортовой идентификации семян Государственного аграрного университета Северного Зауралья. Исследовали коллекцию византийского овса, предоставленную ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова». Всего было проанализировано 12 образцов происхождением из Австрии, Австралии, Греции, Испании, Канады, Сирии, США, Чили и Японии.
Для анализа методом случайной выборки отбирали по 20 индивидуальных зерновок каждого образца. Одномерный электрофорез запасных белков овса проводили в соответствии со стандартной методикой [11]. В качестве стандарта использовали зерновки овса посевного сорта Астор
ских спектров установлено, что из всех исследованных образцов византийского овса только три были гомогенными по компонентному составу авенина. Остальные образцы содержали от 2 до 12 биотипов (таблица).
В настоящее время количество гетерогенных сортов среди районированных возрастает, чему способствует их высокая экологическая пластичность и устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды [14, 15]. Однако необходимо учитывать, что причинами гетерогенности могут быть как особенности выведения, так и простое механическое засорение одного сорта семенным материалом другого [16].
Для того чтобы оценить степень генетической дифференциации образцов, нами была проведена кластеризация методом UPGMA. Чтобы получить реальную картину взаимоотношений биотипов византийского овса, каждый из них рассматривался нами как отдельный образец. В результате была получена дендрограмма 62 образцов (рисунок).
В ходе кластеризации все образцы сгруппировались
(Avn A2 B4 C2).
На основе полученных электрофоретических спектров авенина была составлена компьютернаяматрица исходных данных, в которой присутствие компонента обозначали 1, а отсутствие - 0. Фракции белков различали между собой, основываясь на скорости их движения в гелевом носителе. Чтобы выявить степень генетической дифференциации образцов, данные матрицы обрабатывали методом кластерного анализа. В качестве индекса подобия использовали коэффициен^, ~ 2ияй
ПЦ+ПЬ, (1)
где пащ ^ь-число компонентов, присутствующих в спектрах А и В
ПаЬ - количество компонентов, общих для двух спектров.
Величина S может приобрести любое значение от 0 до 1, где 0 означает отсутствие общих компонентов, а 1 говорит о том, что спектры идентичны [12].
Для кластеризации применялся метод попарного внутригруппового невзвешенного среднего (UPGMA - Unweighted Pair-Group Method with Arithmetic Mean) [13]. Построение дендрограммы выполняли с использованием программы TREECON 1.3b для Windows с проведением bootstrap анализа для 100 повторностей.
Результаты. В результате анализа электрофоретиче-
в три кластера, имеющих сложную структуру и состоящих из большого количества более мелких подкластеров и групп. Исключение составил первый биотип образца Swam, который занял отдельностоящее положение. Генетическая дистанция по Dice между этим биотипом и остальными исследованными образцами составила 0,8. Необходимо отметить, что оставшиеся биотипы этого образца присутствовали во всех кластерах дендрограммы.
В ряде случаев, биотипы, входящие в состав разных сортов, объединялись в группы, генетическая дистанция между которыми равнялась 0, что говорит об идентичности электрофоретических спектров таких образцов. В группы образцов с совпадающими спектрами вошли: C.J. 5558 (1 биотип), Palini (5 биотип); Enducks (5 биотип), C.J. 5558 (5 биотип), Palini (6 биотип); C.J. 5558 (3 биотип), Wandering (1 биотип); Swam (3 биотип), Haruabusa (8 биотип); AV 17/3/10 (5 биотип), Haruabusa (3 биотип); Haruabusa (9 биотип), EXPJ-76-var-offcv 1271 (1 биотип), Palini (2 биотип). Как видно, группы с идентичными спектрами образовали в основном биотипы, имеющие низкую
Таблица - Генетические формулы авенина исследованных образцов византийского овса
№ п/п № по каталогу ВИР Сорт Происхождение Число биотипов
1 11624 Swam Австрия 5
2 14842 Wandering Австралия 6
3 14836 Palini Греция 6
4 14471 Aldenpenas Испания 1
5 12285 69G04 Канада 5
6 15039 Местный Сирия 1
7 13360 EXP J-76-var-off cv 1271 США 2
8 14762 C.J. 5558 -"- 6
9 14892 America Чили 1
10 14856 AV 17/3/10 Япония 12
11 14869 Enducks 6
12 14873 Haruabusa 11
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2017 Ctaibcmjconmcmummae науки 55
частоту встречаемости и не являющиеся доминирующими в сортах. В данном случае, совпадение спектров исследованных образцов может быть результатом не только генетической близости, но и механического засорения одного сорта семенным материалом другого. Следовательно, необходимо обратить внимание на образцы, в спектрах которых выявлены биотипы с идентичными спектрами авенина, и проводить с ними более тщательную семеноводческую работу.
Установлено,что результаты кластеризации не зависели ни от географического происхождения образцов, ни от их сортовой принадлежности. При этом уровень генетических различий внутри образцов часто превышал уровень различий между ними. Так, биотипы гетероген-ныхобразцов C.J. 5558, Palini, Wandering, AV 17/3/10 и Haruabusaвошли в состав всех кластеров дендрограм-мы. Генетическая дистанция между ними достигала 0,7. Это свидетельствует о высоком уровне генетического разнообразия и генетической неоднородностивнутри проанализированных сортов, а также их экологической пластичности. Использование таких образцов в селекции имеет большое значение для получения более урожайных сортов, улучшения качественных показателей зерна и повышения устойчивости растений к неблагоприятным-факторам окружающей среды.
В более ранних исследованиях выявлено, что при кластеризации образцов гексаплоидных видов овса на основе данных о компонентном составе проламина, группировка образцов в подкластеры определяется в первую очередь теми компонентами, синтез которых контролируется локусом AvnC. Существует предположение, что авенины, синтез которых контролирует-сяэтим локусом, играют наибольшую роль в процессе приспособляемости особей, а также в маркировании генетических систем, контролирующих выраженность адаптивно значимых количественных признаков [17]. Таким образом, группы образцов византийского овса, сгруппировавшиеся в один подкластер, могут обладать схожим адаптивным потенциалом в определенных природно-климатических условиях.
Выводы. Исследованная коллекция образцов византийского овса характеризуется высоким уровнем полиморфизма по спектрам авенина. Гетерогенными были 75% проанализированных образцов, в состав которых входило от 2 до 12 биотипов. В результате кластеризации выявлено 6 групп образцов с идентичными спектрами проламина. Совпадение спектров может быть результатом механического засорения одного сорта семенным материалом другого, поэтому с образцами, в состав которых входят такие биотипы, необходимо провести более тщательную семеноводческую работу.
Установлено, что исследованные образцы византийского овса характеризуются высоким уровнем генетического разнообразия и генетической неоднородностью. Такие образцы перспективны для использования в межвидовой гибридизации, так как позволят предотвратить сужение внутрипопуляционного генного разнообразия при создании сортов и дадут возможность получить генотипы, обладающие высокой экологической пластичностью.
Через дефис указаны номера биотипов. Шкала показывает значение генетической дистанции по Dice. На ветвях указаны значения бутстреп-индексов.
Рисунок - Дендрограмма образцов овса византийского, построенная на основе данных о компонентном составе авенина.
Список литературы
1 Лоскутов И.П Овёс (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. СПб., ПНЦ РФ ВИР, 2007, 336 с.
2 Родионова Н.А., Солдатов В.Н., Мережко В.Е. и др. Культурная флора. Овёс. М., Колос, 1994, Т.II. Ч.3, 367 с.
3 Фомина М.Н., Остапенко А.В., Тоболова П.В. Использование метода электрофореза проламинов в первичном семеноводстве овса: рекомендации. Тюмень, ФПБНУ «НИ-ИСХ Северного Зауралья», 2016, 32 с.
4 Иванова Ю.С., Фомина М.Н., Лоскутов И.П. Исходный материал для создания высокобелковых сортов овса в зоне Северного Зауралья. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017. Т. 178. №2. С. 38-47.
5 Ибрагимова М.З., Остапенко А.В. Характеристика генетического разнообразия сибирских сортов овса AvenaL. по спектрам авенина. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 6. С. 126-133.
6 Остапенко А.В., Тоболова П.В. Применение метода электрофореза проламинов овса для определения гибридной природы зерен F1. Вестник КрасГАУ. 2017. № 2(125). С. 14-21.
7 Любимова А. В., Еремин Д. И. Изучение генетического разнообразия сортов овса Сибирской селекции по авенин-кодирующим локусам. Агропродовольственная политика России. 2017. № 9 (69). С. 70-74.
8 Лоскутов И.П. Роль молекулярно-биологических исследований в познании генофонда овса и его эффективном использовании в селекции. Аграрная Россия. 2008. № 3. С. 14-19.
9 Фомина М.Н., Тоболова П.В., Остапенко А.В. Использование метода электрофореза проламинов в первичном семеноводстве на примере сорта овса Отрада. Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. № 12. С. 14-16.
10 Портянко В.А., Поморцев А.А., Калашник Н.А. и др. Пенетический контроль авенинов и принципы их классификации. Генетика. 1987. Т.23. № 5. С. 584-590.
11 Поморцев А.А., Кудрявцев А.М., Упелниек В.П., и др. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений. Москва, ФПНУ «Росинформагротех», 2004, 96 с.
12 Nei M., Li W. Mathematicalmodelforstudyinggeneticvar iationintermsofrestrictionendonucleases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V. 76. P. 5269-5273.
13 Sneath P. H., Sokal R.R. Numerical taxonomy. The principles and practice of numerical classification, 1973, 200 p.
14 Казак А.А., Логинов Ю.П., Шаманин В.П., Юдин А.А. Селекция адаптивных сортов яровой пшеницы в Сибири. Зерновое хозяйство России. 2015. № 1. С. 26-30.
15 Логинов Ю.П., Тоболова П.В., Казак А.А., Труфа-нов В.В. Биотипные спектры ярового сорта пшеницы Тюменская 80. Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2012. № 2. С. 29-34.
16 Поморцев А.А., Лялина Е.В., Калабушкин Б.А. Пор-деин-кодирующие локусы как генетические маркеры у ячменя. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009. Т.165. С. 36-40.
17 Остапенко А.В. Полиморфизм проламина культурных видов рода Avena L. в филогенетических и прикладных исследованиях: дис. ... канд. биол. наук. М., 2016, 175 с.
References
1 Loskutov I. G. Ovyos (Avena L.). Rasprostranenie, siste-matika, ehvolyuciya i selekcionnaya cennost'. St. Petersburg, 2007, 336 p. (in Russ.).
2 Rodionova N.A., Soldatov V.N., Merezhko V.E. Kul'tur-naya flora. Ovyos. Moscow, Kolos, 1994, Volume II. Part 3, 367 p. (in Russ.).
3 Fomina M.N., Ostapenko A.V., Tobolova G.V. Ispol'zo-vanie metoda ehlektroforeza prolaminov v pervichnom se-menovodstve ovsa: rekomendacii. Tyumen', 2016, 32 p. (in Russ.).
4 Ivanova Yu.S., Fomina M.N., Loskutov I.G. Iskhodnyj material dlya sozdaniya vysokobelkovyh sortov ovsa v zone Severnogo Zaural'ya. Bulletin applied botani, genetics and plant breeding. 2017. V. 178. No. 2. P. 38-47 (in Russ.).
5 Ibragimova M.Z., Ostapenko A.V. Harakteristika gene-ticheskogo raznoobraziya sibirskih sortov ovsa Avena L. po spektram avenina. Bulletin of KrasGAU. 2016. No. 6. P. 126133 (in Russ.).
6 Ostapenko A.V., Tobolova G.V. Primenenie metoda ehlektroforeza prolaminov ovsa dlya opredeleniya gibridnoj prirody zeren F1. Bulletin of KrasGAU. 2017. No. 2 (125). P. 14-21 (in Russ.).
7 Lyubimova A. V., Eremin D. I. Izuchenie geneticheskogo raznoobraziya sortov ovsa Sibirskoj selekcii po avenin-kodiruy-ushchim lokusam. Agro-food policy in Russia. 2017. No. 9 (69). P. 70-74 (in Russ.).
8 Loskutov I.G. Rol' molekulyarno-biologicheskih issledo-vanij v poznanii genofonda ovsa i ego ehffektivnom ispol'zovanii v selekcii. Agrarian Russia. 2008. NO. 3. P. 14-19 (in Russ.).
9 Fomina M.N., Tobolova G.V., Ostapenko A.V. Ispol'zo-vanie metoda ehlektroforeza prolaminov v pervichnom se-menovodstve na primere sorta ovsa Otrada. Achievements of Science and Technology of AIC. 2016. V. 30. No. 12. P. 14-16 (in Russ.).
10 Portyanko V.A., Pomorcev A.A., Kalashnik N.A. Ge-neticheskij kontrol' aveninov i principy ih klassifikacii. Russian Journal of Genetics. 1987. V. 23. No. 5. P. 584-590 (in Russ.).
11 Pomorcev A.A., Kudryavcev A.M., Upelniek V.P. Meto-dika provedeniya laboratornogo sortovogo kontrolya po grup-pam sel'skohozyajstvennyh rastenij. Moscow, 2004, 96 p. (in Russ.).
12 Nei M., Li W. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V. 76. P. 5269-5273.
13 Sneath P. H., Sokal R.R. Numerical taxonomy. The principles and practice of numerical classification, 1973, 200 p.
14 Kazak A.A., Loginov Yu.P., SHamanin V.P., Yudin A.A. Selekciya adaptivnyh sortov yarovoj pshenicy v Sibiri. Grain economy of Russia. 2015. No. 1. P. 26-30 (in Russ.).
15 Loginov Yu.P., Tobolova G.V., Kazak A.A., Trufanov V. V. Biotipnye spektry yarovogo sorta pshenicy Tyumenskaya 80. Siberian Herald of Agricultural Science. 2012. No. 2. P. 29-34 (in Russ.).
16 Pomorcev A.A., Lyalina E.V., Kalabushkin B.A. Gordein-kodiruyushchie lokusy kak geneticheskie markery u yachmenya. Bulletin applied botani, genetics and plant breeding. 2009. V.165. P. 36-40 (in Russ.).
17 Ostapenko A.V. Polimorfizm prolamina kul'turnyh vidov roda Avena L. v filogeneticheskih i prikladnyh issledovaniyah (Doctoral dissertation). Moscow, 2016, 175 p. (in Russ.).
