CC BY
54
УДК 577.21:633.111
ДИНАМИКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ СОРТОВ И ЛИНИЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ КРАСНОДАРСКОЙ СЕЛЕКЦИИ ПО АЛЛЕЛЯМ ГЛИАДИНКОДИРУЮЩИХ ЛОКУСОВ
Е.Е. МЕЛЬНИКОВА, кандидат биологических наук, зав. лабораторией (е-таИ: [email protected])
Г.И. БУКРЕЕВА, кандидат биологических наук, зав. отделом
Л.А. БЕСПАЛОВА, доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, зав. отделом
О.А. ЖУК, научный сотрудник
Н.Ю. БОРТНИКОВА, младший научный сотрудник
Краснодарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко, Центральная усадьба КНИИСХ, Краснодар, 350012, Российская Федерация
Резюме. Идентифицированы аллели глиадинкодирующих локусов, присутствующие в сортах и линиях озимой мягкой и шарозёрной пшеницы селекции КНИИСХ им П.П.Лукьяненко, с использованием электрофоретического анализа зерна. Наибольшую частоту встречаемости в селекционном материале за годы исследований имели аллели Gld-1A4 (Gli- А1Ь) - 40,8%, Gld-1В1 (вН-В1Ь) -41,2%, вЫ-1В3(вН-ВИ) - 42,2%, вЫ-Ю(вН-D1) - 47,6%. В сортах краснодарской селекции, внесённых в Государственный реестр селекционных достижений РФ на 2016 г., самой высокой частотой встречаемости отличались аллели вЫ-1А4(вИ-А1Ь) -40,3%, вЫ-1В1 (вН-В1Ь) -52,8%, вЫ-Ю(вН-D1) - 42,8%. Выявлены аллели, имеющие высокую селекционную значимость в условиях Краснодарского края: по локусувЫ-1А (вн-А1) - 4 (Ь), 10 (д), 12(Ь*), 14 (), по локусу вЫ-Ю (в1Ш1) - аллель 4 (¡) при селекции на качество. Для создания высокоурожайных сортов определенную ценность имеет аллель вЫ-1А5 (вН-А1а), а также ржаные транслокации 1А^1Я8 и 1В^1Я8, которые все чаще встречаются в селекционном материале (в 2011-2014 гг. в среднем 5,6% генотипов с транслокацией 1АЬ/1Я8 и 42,7% - с 1ВЬ/1Я8). Генетическое разнообразие селекционного материала озимой мягкой пшеницы характеризуется высоким полиморфизмом по аллелям глиадинкодирующих локусов, особенно по вЫ-1А (вН-А1). Всего по глиадинкодирующим локусам хромосом первой гомеологической группы идентифицировано 24 аллеля при электрофорезе на крахмальном геле (КГ) и 26 аллелей при электрофорезе на полиакриламидном геле (ПААГ). По локусу вЫ-1А (вИ-А1) выявлено 13 аллелей по каталогам и для кг, и для ПААГ. Полиморфизм по аллелям локусов вЫ-1В (вИ-В1) и вЫЮ (Gli-D1) значительно ниже - соответственно 6 и 7аллелей по каталогу для кг, 5 и 6 по каталогу для ПААГ. Ключевые слова: мягкая пшеница, глиадин, аллель, глиадинко-дирующие локусы, электрофорез.
Для цитирования: Динамика генетического разнообразия сортов и линий мягкой пшеницы краснодарской селекции по аллелям глиадинкодирующих локусов / Е.Е. Мельникова, Г.И. Букреева, Л.А. Беспалова, О.А. Жук, Н.Ю. Бортникова //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 3. С. 51-53.
Производство зерна озимой мягкой пшеницы в Краснодарском крае обеспечивается в основном благодаря сортам Краснодарского НИИСХ им. П.П. Лукьяненко, которые занимают 98% всей площади, отведённой под эту культуру в регионе [1]. В процессе селекционной работы уже на ранних ее этапах а также для контроля подлинности и чистоты семян сортов пшеницы в институте давно и эффективно используют метод электрофоретического анализа запасного белка глиадина(весь селекционный материал) и глютенина (КСИ и коллекция) [2].
Все глиадинкодирующие локусы имеют большое количество аллельных вариантов, что позволяет записать формулу глиадина, соответствующую определённому сорту или селекционной линии. Это генетический паспорт
Достижения науки и техники АПК. 2016. Т 30. № 3 —
образца, по которому осуществляется идентификация семян пшеницы [3].
Использование аллелей глиадинкодирующих локусов в качестве генетических маркеров эффективно, вследствие их множественного аллелизма, кодоминантного наследования, независимости от условий выращивания и сопряжённости с хозяйственно-ценными признаками [2, 3, 4, 5].
Как известно, сорта, созданные в одном селекционном центре, имеют схожий (ограниченный) набор аллелей глиадинкодирующих локусов. Считается, что он формируется под действием искусственного отбора, проводимого для усиления того или иного хозяйственно-ценного признака. С другой стороны, естественный отбор обусловливает преобладание в сортах аллелей глиадинкодирующих локусов таких генотипов, которые наиболее приспособлены к местным условиям выращивания [5].
Цель работы - установить изменения аллельного состава глиадинкодирующих локусов у сортов и линий озимой мягкой пшеницы краснодарской селекции по годам, для определения закономерностей возникновения и поддержания ассоциаций генов в ходе селекционного процесса.
Условия, материалы и методы. Материалом для исследований послужили сорта и линии озимой мягкой пшеницы (ТгШсит аеэ^т Ь), созданные в КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко. Всего проанализировали 151 сорт. В 20112014 гг. по аллелям глиадинкодирующих локусов в среднем изучали 888 линий в год (882 линии - урожая 2011 г., 938 линий - 2012 г., 853 линии - 2013 г., 879 линий - 2014 г.).
Электрофоретический анализ запасных белков проводили на двух гелевых носителях: в 13%-ном крахмальном геле (КГ) в трубках и в 8,3%-ном полиакриламидном геле (ПААГ) на пластинах, согласно стандартным методикам [3, 6]. Аллели, идентифицированные с помощью кг, записывали соответственно каталогу[7] и обозначали цифрами, а аллели выявленные в результате электрофореза на ПААГ - по каталогу [8] и обозначали буквами латинского алфавита.
Результаты и обсуждение. До 2010 г. в линиях озимой мягкой пшеницы краснодарской селекции преобладали аллели характерные для сорта Безостая 1. Этот сорт, а также сорта, созданные с его участием, активно использовали в селекционных программах. Аллели вЫ-1А4 (вИ-А1Ь) и вЫ-Ю1 (Gli-D1Ь) и на сегодняшний день имеют самую высокую частоту встречаемости в сортах и линиях селекции КНИИСХ (см. табл.) - с максимумом 45,2% (аллель вЫ-1А4 (вИ-А1Ь)) в 2012 г. и 56,9% (аллель вМ-Ю1 (вН^1Ь)) в 2014 г.
Аллель вЫ-1А4(вИ-А1Ь), кроме сорта Безостая 1, ранее был идентифицирован в сортах Скороспелка Л-1, Скороспелка 3Б, затем Краснодарская 6, Ранняя 12, Кавказ.
Высокое разнообразие по аллелям глиадинкодирующе-го локуса хромосомы 1А в селекционном материале озимой пшеницы сохранялось на протяжении всех изучаемых лет. Из 17 аллелей, обозначенныхв кг-каталоге, выявлено 13, что составляет 76,5%. По ПААГ-каталогу в линиях краснодарской селекции идентифицировано 73,7% аллелей.
В 2011-2013 гг. аллель вЫ-1А4 (вН-А1Ь) чаще встречался в селекционном материале (43,17%, 45,2%, 44,4% соответственно годам определения), по сравнению с предыдущими годами (31,2% в 2003-2010 гг.). Однако в урожае 2014 г. количество генотипов с ним уменьшилось до 39,2%. При этом ценные по качествуновые районированные
- 51
Таблица. Аллели глиадинкодирующих локусов, выявленные в линиях ози мой мягкой пшеницы краснодарской селекции в различные годы
Локус Аллель Частота встречаемости, %
КГ I ПААГ 2003-2010 гг. | 2011 г. 2012 г. 2013 г. 2014 г.
вШ1 А 1 г 0 0 0 0 0,5
(вН А1) 2 о 1,9 5,56 8,63 10,3 7,7
3 f 10,2 7,38 7,03 4,2 6,6
4 Ь 31,2 43,17 45,2 44,4 39,2
5 с,а 15,9 12,24 11,1 13,2 14,4
6 т 3,9 2,05 3,3 2,8 1,8
7 Ь 0 0,37 0,1 0,3 0
9 д 0 2,24 2,02 0,8 1,7
10 24,1 11,87 10,02 11,1 11,3
12 Ь* 3,5 3,41 2,72 3,1 2,3
14 ! 7,4 5,83 5,4 2,6 6
16 е 0 2,73 3,9 7,2 8,5
1А!/Жв 0 2,73 3,9 7,2 8,5
новые 0 1,96 0,6 0 0
вШ 1В 1 Ь 51,9 39 38,3 37,8 38,7
(вН В1) 2 4,5 14,7 11,1 11,1 8,6
7 и 1,1 1 1,01 1,1 0,2
3 ! 39,9 40,4 42,9 43,4 44,2
4 д 2,1 3 4,3 6,5 7,3
5 с 0 0 0,7 0 0,1
новые 0 1,9 1,7 0,1 0,9
вШ 1й 1 Ь 35,4 41 51,3 53,4 56,9
(вН й1) 2 f 22,6 13 8,2 16,1 10,7
4 ] 17,2 16 15 13,4 13
5 0 7 2 2,1 5,2
7 д 20,3 19 23 14,2 14,2
6 1 0 0 0,2 0,3 0
8 ! 0 0 0,3 0,5 0
новые 0 4 0 0 0
сорта Ольхон, Уруп, Курень, которые широко используют в производстве, содержат этот аллель.
Сорт народной селекции Кособрюховка, а также районированные в 40-х гг. Круглик 393 и Новоукраинка 83 имели в своем генотипе аллель Gld-1A2 (Gli-A1о) и были хорошо приспособлены к почвенно-климатическим условиям Краснодарского края. Научная селекция способствовала внедрению в селекционный материал этого «старого» ал-леля - частота его встречаемости в линиях в 2003-2010 гг. составляла 1,9%, с последующим увеличением доли таких генотипов и достижением максимума в 2013 г. (10,3%). В этом же году был районирован сильный сорт шарозерной пшеницы Прасковья с Gld-1A2 (Gli-A1о). Однако в 2014 г. показатель встречаемости этого аллеля снизился до 7,7%.
Частота встречаемости аллеля Gld-1A6 (Gli-A1m), идентифицированного ранее в сортах Новоукраинка 83, Краснодарская 39, а также в более современных сортах Княжна, Красота, Половчанка, снижается по годам в линиях озимой мягкой пшеницы с 3,9 до 1,8%. У генотипов с этим аллелем качество зерна, как правило, не достигает уровня сильных пшениц. С его участием созданы сорт-филлер Дока и ценные по качеству сорта Доля, Вершина.
Частота аллелей глиадинкодирующего локуса 1А хромосомы - 3(0, 7(Ь), 12(Ь*),14(1) в селекционном материале пшеницы невысокая и по годам снижается. Хотя с участием аллеля Gld-1A12 (Gli-A1b*) созданы очень качественные сорта Грация, Лебедь и Память, с аллелем Gld-1A14 (Gli-A1l) - сорта сильных пшеницы Веда, Лига 1, Юнона. Генотипы пшениц с аллелем Gld-1A10 (Gli-A1g), особенно с сочетанием аллелей по первым хромосомам 10.1.7. (д.Ь.д.), имели высокие показатели по содержанию белка и клейковины в зерне, объемному выходу хлеба, эластичности и общей хлебопекарной оценке [2]. Кроме того, он идентифицирован в сортах Зимородок, Зимница, Краля, Бригада, Творец, Курс, Стан, Курьер. Частота встречаемо-
сти аллеля Ш-Ы10 (аШд) в селекционном материале с 2011 г. снижается и в среднем за 4 года составляет 11,1% против 24,1% в 2003-2010 гг.
К «новым» аллелям, появившимся в сортах и линиях селекции КНИИСХ, можно отнести Gld-1A9. Частота его встречаемости в линиях была сравнительно низкой и составляла » 2%. При этом в институте создан сорт шарозерной пшеницы Еремеевна с этим аллелем.
Аллель Gld-1A5 (Gli-A1a) идентифицирован в высокоурожайных сортах Крошка, Фортуна и др. Начиная с 2011 г., в селекционном материале частота его встречаемости уступала только Gld-1A4 (Gli-A1b). В 2016 г. районирован сорт сильной пшеницы Анка с этим аллелем.
С 2011 г. увеличилось количество линий озимой пшеницы с транслокацией ^/И^Б (транслокация короткого плеча хромосомы 1Я ржи на длинное плечо хромосомы 1А пшеницы). Использование сорта пшеницы Экспромт с такой транслокацией, источником которой послужил американский сорт ТАМ 107, а также других образцов Мироновского института - Смуглянка и Золотоколоса в селекционных программах, привело к увеличению частоты ее встречаемости у линий озимой мягкой пшеницы с 2,7 до 8,5%. Наличие транслокации 1AL/1RS в генотипе связано с высоким потенциалом продуктивности и высокой общей адаптивной способностью [9].
Необходимо также анализировать сочетание аллелей глиадинкодирующих локусов других хромосом с транслокацией 1AL/1RS в генотипе и выявлять аллели, нивелирующие её отрицательное влияние на качество зерна.
Одной из отличительных особенностей селекционного материала, созданного в КНИИСХ, можно считать высокую частоту встречаемости ржаной транслокации 1ВL/1RS (транслокация короткого плеча хромосомы ^ ржи на длинное плечо хромосомы 1В пшеницы), маркируемой аллелем Gld-1В3 (Gli-В1l). Ее источниками послужили сорта Аврора и Кавказ, созданные П.П. Лукьяненко и районированные в 1971 г. Эту транслокацию несут современные высокоурожайные сорта Фортуна, Васса, Юка и другие. В сортах Половчанка, Княжна, Красота, Таня и прочих рансло-кация 1ВL/1RS получена заново в результате тритикально-пшеничных скрещиваний. Мы подтвердили отрицательное влияние этой транслокации на качество зерна, а также доказали, что присутствие аллеля Gld-1D4 (Gli-D1j) его нивелирует [2]. Создание сортов Афина, Иришка, Баграт, Стан с траслокацией 1ВL/1RS и аллелем Gld-1D4 (Gli-D1j), обладающих высоким качеством зерна - огромное достижение селекционеров КНИИСХ. В 2016 г. внесён в Госреестр как сильная пшеница сорт Гурт, также несущий транслокацию 1ВL/1RS. На сегодняшний день она присутствует у 36,6% сортов краснодарской селекции, внесённых в Госреестр.
До 2011 г. в линиях озимой пшеницы краснодарской селекции по локусу Gld-1В (Gli-В1) превалировал ал_ Достижения науки и техники АПК. 2016. Т 30. № 3
лель Gld-1В1 (Gli-В1b). Он имеет самую высокую частоту встречаемости в коллекционном материале, однако в 2011-2014 гг. наблюдается снижение величины этого показателя в новых линиях (в среднем до 38,5%, против 51,9% в 2003-2010 гг.).
Аллель Gld-1В2 (Gli-В1d) в среднем за 4 года у линий озимой мягкой пшеницы имеет частоту встречаемости 11,4%. Ряд авторов считает, что он снижает качество зерна [3, 4]. Однако краснодарские сорта озимой мягкой пшеницы Палпич, Победа 50, Сила с наличием этого аллеля отнесены к числу сильных. В условиях Краснодарского края генотипы с аллелем Gld-1B2 (Gli- 8^) характеризуются высокими показателями содержания белка, силы муки и валориметри-ческой оценки, а также крепкой клейковиной, что, вероятно, не всегда позволяет получать высокообъемный хлеб [2]. Частота встречаемости этого аллеля в сортах, внесенных в Госреестр до 2009 г., составляла 10,3%, внесённых в Госреестр или проходящих ГСИ с 2010 г. - 7,3%. Он присутствует в высокоурожайных сортах Гром и Калым.
На сегодняшний день возросло количество линий с аллелем Gld-1B4 (Gli-B1g). Он присутствует в морозостойком сорте Морозко, который был районирован в 2015 г.
По локусу Gld-1D (Gli-D1) самой высокой частотой встречаемости в сортах и линиях озимой мягкой пшеницы отличался аллель Gld-1D1 (Gli-D1b), к 2014 г. она составила 56,9% в линиях и 42,4% в районированных сортах.
Аллель Gld-1D4 (Gli-D1j) связан с высоким качеством зерна, его частота встречаемости в селекцион-
ном материале в среднем за 2011-2014 гг. составила 14,35%, в сортах, внесенных в Госреестр Российская Федерация до 2016 г., - 16,7%.
Другие аллели локуса Gld-1D (Gli-D1) в селекционной работе используются реже и их частота встречаемости к 2014 г. снижается, например, у аллеля Gld-1D2 (Gli-D1f) - до 10,7% против 22,6% в 2011 г., у Gld-1D7 (Gli-D1g) - до 14,2% против 20,3%.
Выводы. Аллели глиадинкодирующих локусов, имеющие наибольшую частоту встречаемости в краснодарских сортах превалировали также в селекционном материале на протяжении всех изучаемых лет. Не всегда образцы с «новыми» аллелями, способны конкурировать с линиями, имеющими характерный аллельный состав глиадина для этой зоны. В связи с чем увеличение количества селекционных линий с транслокацией 1AL/1RS перспективно для создания высокоурожайных сортов.
Отдельные аллели, не вовлекающиеся в скрещивания в других регионах из-за отрицательной связи с качеством зерна, в условиях Краснодара - ценны и связаны с определёнными селекционно значимыми признаками. К их числу относятся Gld-1B2 (Gli-B1d) и транслокация 1BL/1RS.
Высокий полиморфизм глиадина как в линиях, так и в сортах озимой мягкой пшеницы селекции КНИИСХ - это результат широкого использования исходного материала озимой пшеницы из других селекцентров, а также стран ближнего и дальнего зарубежья, позволяющего сортам широко адаптироваться в разных агроклиматических зонах.
Литература.
1. Эволюция уборочного индекса и прогресс селекции озимой мягкой пшеницы на урожайность / Л.А. Беспалова, И.Н. Кудряшов, Ф.А. Колесников, А.В. Новиков, О.Ю. Пузырная, Т.И. Грицай, Г.Д. Набоков, А.Н. Боровик, В.Р. Керимов // Земледелие. 2014. №3. С.9-11.
2. Зима В.Г., Букреева Г.И., Мельникова Е.Е. Сопряжённость аллелей глиадинкодирующих локусов с качеством зерна озимой мягкой пшеницы в условиях Краснодарского края// Труды КубГАУ. 2012. №2(35). С. 157-161.
3. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272 с.
4. Копусь М.М. Полиморфизм белков зерна и селекция озимых пшениц: автореф. дис. докт. биол. наук. Краснодар, 1998.48 с.
5. Созинов А.А., Метаковский Е.В., Поморцев А.А. Проблемы использования блоков компонентов проламина в качестве генетических маркеров у пшениц и ячменя// Сельскохозяйственная биология. 1987. № 1. С. 3-11.
6. Metakovsky E.V., Novoselskaya A.Yu. Gliadin allele identification in common wheat. 1. Methodological aspects of the analysis of Gliadin patterns by one - demensional polyacrylamid gel electrophoresis// J. Genet. and Breed. 1991. V. 45. № 4. Pp. 317-324.
7. Попереля Ф.А., Собко Т.А. Генетика глиадина озимой мягкой пшеницы//Сборникстатей по материалам конференции «Вопросы генетики и селекции зерновых культур». КОЦ СЭВ. Одесса (СССР), НИИР Прага-Румыния (ЧССР). 1987. Вып. 3. С. 231-242.
8. Metakovsky E.V. Gliadin allele identification in common wheat. 2. Catalogue of Gliadin alleles in common wheat // J. Genet. and Breed. 1991. V. 45. № 4. Pp. 325-344.
9. Генетический ресурс современных мироновских сортов пшеницы мягкой/В.А. Власенко, В.С. Кочмарский, Л.А. Коломи-ец, С.О. Хоменко, В.И. Солона //Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы. Тезисы докл. II Вавиловской Междунар. конф. Спб.: ВИР, 2007. С.432-433.
DYNAMICS OF GENETIC DIVERSITY OF CULTIVARS AND LINES OF COMMON WHEAT OF KRASNODAR BREEDING ON THE ALLELES OF GLIADIN ENCODING LOCI
E.E. Mel'nikova, G.I. Bukreeva, L.A. Bespalova, O.A. Zhuk, N. Yu. Bortnikova
Krasnodar P.P. Lukyanenko Research Institute of Agriculture, Central Estate KNIISKH, Krasnodar, 350012, Russian Federation Summary. With the use of electrophoretic analysis of grain it was identified alleles of gliadin encoding loci in the varieties and lines of common and shot wheats (Triticum aestivum and T. sphaerococcum) of the breeding of the P.P. Lukianenko Krasnodar Research Institute of Agriculture. The following alleles had the highest frequency of occurrence in breeding material during the study: Gld-1A4 (Gli-A1b) - 40.8%, Gld-1B1 (Gli-B1b) - 41.2%, Gld-1B3 (Gli-B1l) - 42.2%, Gld-1D (Gli-D1) - 47.6%. Among the varieties of Krasnodar breeding, included in the State Register of Selection Achievements of Russian Federation to 2016, the highest frequency of occurrence is for alleles Gld-1A4 (Gli-A1b) - 40.3%, Gld-1B1 (Gli-B1b) - 52.8%, Gld-1D (Gli-D1) - 42.8%. It was determined the alleles with high selection significance under conditions of Krasnodar region: for the Gld-1A (Gli-A1) locus they are 4 (b), 10 (g), 12 (b*), 14 (l); for the Gld-1D (Gli-D1) locus it is the 4 (j) allele for the breeding on the quality. To develop high-yield varieties the Gld-1A5 (Gli-A1a) allele is of certain value, as well as rye translocations 1AL/1RS and 1BL/1RS. They are found in breeding material in increasing frequency (in 20112014 there were on the average 5.6% of genotypes with 1AL/1RS translocation and 42.7% of genotypes with 1BL/1RS translocation). The genetic diversity of breeding material of winter common wheat is characterized by high polymorphism in alleles of gliadin encoding loci, especially in Gld-1A (Gli-A1). In total for gliadin encoding loci of chromosomes of the first homeologous group it was identified 24 alleles by electrophoresis in starch gel (SG) and 26 alleles by PAGE. For the Gld-1A (Gli-A1) locus it was identified 13 alleles both for SG and for PAGE in catalogues. Polymorphism of alleles of loci Gld-1B (Gli-B1) and Gld-1D (Gli-D1) is significantly lower: 6 and 7 alleles for SG, 5 and 6 alleles for PAGE.
Keywords: common wheat, gliadin, allele, gliadin encoding loci, electrophoresis.
Author Details: E.E. Mel'nikova, Cand. Sc. (Biol.), head of laboratory (e-mail: [email protected]); G.I. Bukreeva, Cand. Sc. (Biol.), head of division; L.A. Bespalova, D. Sc. (Agr.), member of the RAS, head of division; O.A. Zhuk, research fellow; N.Yu. Bortnikova, junior research fellow. For citation: Mel'nikova E.E., Bukreeva G.I., Bespalova L.A., Zhuk O.A., Bortnikova N.Yu. Dynamics of Genetic Diversity of Cultivars and Lines of Common Wheat of Krasnodar Breeding on the Alleles of Gliadin Encoding Loci . Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016. Vol. 30. No. 3. Pp. 51-53 (In Russ.).
Достижения науки и техники АПК. 2016. Т 30. № 3
53
