CC BY
41
УДК 633.11«324»:631.526.32
ГЕТЕРОГЕННОСТЬ СОРТА ПШЕНИЦЫ КАК ОСНОВА УЛУЧШЕНИЯ ЕГО В ПРОЦЕССЕ ПЕРВИЧНОГО СЕМЕНОВОДСТВА
В.П. НЕЦВЕТАЕВ, доктор биологических наук, зав. лабораторией (e-mail: [email protected]) О.Е. НЕРУБЕНКО, зав. опытным полем Л.С. БОНДАРЕНКО, младший научный сотрудник О.В. АКИНШИНА, младший научный сотрудник Т.А. РЫЖКОВА, кандидат биологических наук, научный сотрудник
И.П. МОТОРИНА, кандидат биологических наук, научный сотрудник
А.В. ПЕТРЕНКО, младший научный сотрудник Белгородский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, ул. Октябрьская, 58, Белгород, 308000, Российская Федерация
Резюме. Цель работы - выявление наследственной гетерогенности сорта озимой пшеницы Синтетик, оценка его отдельных генотипов по количественным признакам для улучшения сорта в процессе первичного семеноводства. Сорт Синтетик представляет собой гомозиготную популяцию по генам Gld 1D2 и Gld 1D5, контролирующим синтез глиадинов, а также по изоферментам бета-амилазы. Генетический анализ этой популяции подтверждает моногенный характер наследования бета-амилаз и вариантов глиадина. На основе изучения отдельных семей сорта Синтетик в течение 2014-2016 гг. в условиях Белгородской области установлено, что генотипы, несущие аллель Gld 1D5, формируют более высокие показатели качества муки (замес, ИДК), по сравнению с носителями аллели Gld 1D2. На урожайные свойства эти различия не влияли. Изофермент бета-амилазы, обозначенный как А, по сравнению с В, также показал тенденцию к улучшению показателя качества муки (замес), но способствовал ухудшению урожайных свойств на 1,5 ц/га (НСР095=1, 1). Для улучшения хлебопекарных качеств сорта Синтетик без ухудшения его урожайных свойств следует освободить его от генотипов, несущих аллель Gld 1D2. Отбор на качество зерна по изоферментам бета-амилаз нецелесообразен. Для улучшения урожайных свойств сорта возможен отбор в пользу носителей изо-фермента В бета-амилазы.
Ключевые слова: озимая пшеница, сорт Синтетик, глиади-ны, бета-амилазы, качество зерна, урожайность. Для цитирования: Гетерогенность сорта пшеницы как основа улучшения его в процессе первичного семеноводства / В.П. Нецветаев, О.Е. Нерубенко,Л.С. Бондаренко, О.В.Акиншина, Т.А. Рыжкова, И.П. Моторина, А.В. Петренко //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №6. С. 43-46.
Основой гетерогенности сортов зерновых служит отбор родоначального растения в младших поколениях самоопыления (F3-F4). Так, при отборе в F3 ожидаемая вероятность отбора гетерозиготного растения по одному гену составляет 25 %. В процессе селекции потомство таких растений проходит отбор на однородность по морфологическим признакам, но не тестируются по признакам и свойствам, не связанным с морфологией. В связи с этим, значительная часть сортов зерновых может быть полиморфной по качественным биохимическим признакам, которые могут влиять на формирование ряда количественных признаков и свойств растений. В частности, наследственная гетерогенность по запасным белкам эндосперма мягкой пшеницы оказывает влияние на проявлении показателей качества зерна [1, 2, 3, 4].
В связи с этим, мы оценили генетическую вариабельность по глиадинам и бета-амилазам у неДостижения науки и техники АПК. 2017. Т 31. № 6 —
которых сортов озимои мягкой пшеницы селекции ФГБНУ «Белгородский ФАНЦ РАН». Сорт Синтетик оказался гетерогенен по двум локусам, контролирующим варианты глиадинов и изоферменты бета-амилаз. Цель нашего исследования - изучение соответствия ожидаемому наследованию самоопыляющейся популяции сорта Синтетик по вариантам глиадина и изозимам бета-амилаз, для определения возможности улучшения сорта по ряду количественных признаков.
Условия, материалы и методы. Полевые опыты проводили в селекционном севообороте опытного поля отделения №2 ФГБНУ «Белгородский ФАНЦ РАН» (п. Гонки) в 2014-2016 гг. Семенной питомник П-2 сорта Синтетик закладывали по отдельным семьям на делянках, каждая площадью 18 м2 без повторений. Для оценки наследования качественных биохимических признаков изучали 91 случайно взятую семью. Для изучения сопряженности качественных и количественных признаков на сорте Синтетик исследовано 26 случайно отобранных семей, отличавщихся вариантами глиадина и изоферментами бета-амилаз, которые испытывали в течение трех лет . Многолетняя среднегодовая температура в точке испытания составляет +6,3 оС, годовое количество осадков - 553,0 мм. В 2014 г. среднегодовая температура была равна +9,4 оС и выпало 445,5 мм осадков. В 2015 г. величины этих показателей составляли - +10,3 оС и 394,3 мм соответственно, в 2016 г. - +9,8 оС и 644,7 мм (отчет метеопоста п. Гонки). Следовательно, в течение периода испытания температурные условия были выше нормы на 3,1-4,0 оС. В то же время, по количеству осадков условия оказались более пестрыми.
Для экстракции глиадинов раздавленное плоскогубцами зерно помещали в пробирку, заливали 55 %-ным раствором пропанола и оставляли на ночь при комнатной температуре. Утром пробирки прогревали при температуре 40 °С в течение 15 минут. После этого содержимое перемешивали палочкой из нержавеющей стали. Затем осуществляли центрифугирование в течение 10 минут при 2500 об./мин. Полученную надосадочную жидкость отбирали пипеткой (20 мкл) в чистые пробирки. К ней добавляли 20 мкл раствора, включающего 0,5М СН3-СООН + 6М ^Н2)2СО (мочевины)+20 г сахарозы в 100 мл раствора + пиронин Y (до ярко оранжевой окраски).
После перемешивания полученную смесь наносили в ячейки геля (»3-4 мм толщиной). Электрофорез проводили при напряжении 300В. Движение белков от анода к катоду. Электрофорез прекращали после выхода 3,5 меток пиронина У.
Состав геля (10 %-ный): гелевый буфер - 6,5 мл, раствор А-2,6 - 16,3 мл, мочевина (до 6М) - 23,4 г, аскорбиновая кислота - 32,5 мг, вода дистиллированная - до 65 мл, раствор FeSO47H2O - 0,325 мл, раствор персульфата калия - 0,43-0,60 мл, ТЕМЕД -80 мкл.
Состав гелевого буфера: вода дистиллированная - 1 л, уксусная кислота (ледяная) - 200 мл, глицин - 10 г.
Рис. 1. Варианты глиадина эндосперма семей сорта озимой мягкой пшеницы Синтетик: 1, 2, 4, 5 - несут вариант Ш5; 3, 6 - вариант Ш2.
Состав раствора А-2,6: вода дистиллированная -100 мл, метиленбисакриламид - 6,4 г, акриламид -240 г, вода дистиллированная - до 600 мл.
Раствор персульфата калия: персульфат калия -1,48 г, вода дистиллированная - 50 мл.
Раствор FeSO4•7H2O: 1 мг FeSO4 в 1 мл воды дистиллированной.
Один литр электродного буфера включал 0,4 г глицина и 4 мл уксусной кислоты. Белки фиксировали и окрашивали в течение ночи в растворе кумаси.
Состав раствора кумаси: ацетон - 125 мл, кумаси (бриллиантовый синий Я 250) - 0,5 г, ТХУ (трихлорук-сусная кислота) 60 % - 250 мл, дистиллированная вода - до 2,5 л.
Рис. 2. Зимограммы бета-амилазы семей сорта озимой мягкой пшеницы Синтетик: 1, 2 - тип А; 3, 4, 5 - тип В.
Гели отмывали водопроводной водой и проводили фотографирование полученных спектров белков.
Методика выделения и разделения бета-амилаз пшеницы описана ранее [5]. Реологические свойства шрота определяли на приборе Миксолаб (Франция) [6], показатель индекса деформации клейковины - на приборе ИДК-3М. Оценку наследования качественных признаков вели по данным Fа, как описано ранее [7]. Дисперсионный анализ проводили в программе Statnov. Для оценки существенности различий между средними использовали критерий Стьюдента (^ [8].
Результаты и обсуждение. Сорт озимой мягкой пшеницы Синтетик - гетерогенен по вариантам глиадина и изоферментам бета-амилазы (рис. 1, 2).
Оценка встречаемости выявленных аллелей ло-кусов, контролирующих глиадины, и бета-амилаз на соответствие ожидаемому расщеплению в показала, что расщепление по изоферментам бета-амилазы соответствует моногенному. В то же время, наследование по вариантам глиадина, контролируемым Ю хромосомой, отклоняется от моногенного. Дигенность наследования также не подтверждается (табл. 1). Таким образом, отклонение от моногенного наследования можно интерпретировать действием отбора в пользу аллеля 01с1 Ю5.
Таблица 1. Встречаемость изоферментов бета-амилазы и вариантов глиадина в сорте Синтетик
Символы аллелей (У уз. у) Фенотипические классы вР х2,. х2 л 3:1
У 1 у
А х а 26 19 1,08* 14,11 Gld Ю5 х Gld Ю2 29 17 3,13 3,51
аллель А (в-Ату А) контролирует вариант бета-амилазы А, аллель а (в-Ату а) ответственен за синтез изофермента бета амилазы В.
* - существенность соответствия ожидаемому расщеплению.
Оценка сцепления генетических факторов, ответственных за синтез глиадинов GLD Ю и представленных изоферментов бета-амилаза, показала независимость их наследования (табл. 2).
Таблица 2. Оценка встречаемости разных генотипов по локусамGld 1 и в-Amy в сорте Синтетик
Символы аллелей (А+В х а+Ь) Фенотипические классы в Р^™ Х 1:1:1:1 Р
1 А 1 а
Gld Ю5+ в-Ату А х В 19 9 7,54 > 0,05 Gld Ю2+ в-Ату а Ь 7 10
Это подтверждает данные о генетике изучаемых признаков [9, 10, 11, 12].
Судя по электрофореграммам глиадина (см. рис. 1) сорт Синтетик несёт ржаную транслокацию 1RS.1BL, которая идентифицируется по варианту глиадина GLD 1В3. Присутствие этих белков в эндосперме снижает технологические качества зерна [4, 11, 13].
Различия между семьями сорта по вариантам глиадина контролируемым аллелями GlC Ш2 и GlC Ю5 хромосомы Ю, не повлияли на их урожайность (табл. 3). В то же время, они сказались на формировании одного из основных показателей качества - замесе. В целом носители аллеля GlC Ю5, по сравнению с семьями с альтернативным ал-лелем - GlC Ю2, на протяжении трех лет отличались значительно лучшими реологическими свойствами теста. При этом в 2015 г. проявились существенные различия между указанными группами семей по амилолитической активности.
За синтез изоэнзимов фермента бета-амилазы ответственны локусы в-Ату-А1, в-Ату-В1 и в-Ату-D1, расположенные соответственно в хромосомах 5AL, 4BL, 4DL [9, 10, 11]. Локус в-Ату-А1, расположен на расстоянии 13,70+3,37 % рекомбинации от фактора В1Ь1 (Безостость vs. остистость) в хромосоме 5AL [14]. Локус в-Ату^1 находится в хромосоме 4DL на расстоянии 33,40+10,31 % рекомбинации от фактора
Таблица 3. Показатели качества зерна и продуктивности семей сорта Синтетик, имеющих разные варианты глиадина
Вариант глиадина Выборка, количество семей Урожайность, ц/га ИДК, усл. ед. Замес, балл Вязкость, балл Амилаза, балл Ретро-градация, балл
2014
GLD Ю2 10 67,0+1,8 96,0+2,2 2,0+0,2* 3,2+0,5 4,7+0,3 5,2+0,6
GLD Ю5 16 66,5+0,9 92,0+1,6 2,5+0,2* 3,7+0,3 4,7+0,2 5,6+0,4
2015
GLD Ю2 10 52,3+1,2 92,0+1,9 3,2+0,4* 2,8+0,8 3,3+0,2* 3,1+0,6
GLD Ю5 15 54,9+1,5 89,3+1,8 4,3+0,3* 4,6+0,5 2,8+0,2* 3,7+0,4
2016
GLD Ю2 10 54,1+2,0 102,3+1,5* 1,7+0,2* 1,1+0,3 3,9+0,1 1,9+0,4
GLD Ю5 15 55,4+3,1 92,4+1,3* 2,7+0,3* 1,8+0,4 3,9+0,1 2,5+0,4
Среднее
GLD Ю2 57,8 96,8 2,3* 2,4 4,0 3,4*
GLD Ю5 58,9 91,2 3,2* 3,4 3,8 3,9*
НСР0,95 3,9 9,5 0,8 1,8 0,8 0,3
* - существенные различия, между группами семей, отличающимися вариантами глиадина
ЯМ 2 (высота растения) [14]. Ранее показано [15], что изоферменты бета-амилазы зерна пшеницы могут влиять на формирование его качества.
По результатам наших исследований 2014 г. различий между группами семей сорта Синтетик по изучаемым количественным признакам не обнаружено. В 2015 г. урожайность семей, несущих альтернативные изоэнзимы бета-амилазы, также существенно не отличалась (табл. 4).
за три года показал, что семьи, несущие вариант фермента В, оказались на 1,5 ц/га более продуктивными, чем носители изоэнзимов - А (см. табл. 4). Аналогичная ситуация сложилась по показателю ретрограда-ция, что связано с влиянием вариантов глиадина (см. табл. 3). Здесь также существенных различий между выделенными группами по годам не наблюдали. В то же время, в целом за три года различия оказались значимыми. Доля влияния среды (года) составила 3,9 %,
Таблица 4. Показатели качества зерна и продуктивности семей сорта Синтетик, несущих разные изоферменты бета-амилазы
Изоферменты А-амилазы Выборка Урожайность, ц/га Натура зерна, г/л ИДК, усл. ед. Замес, балл Вязкость, балл Амилаза, балл Ретроградация, балл
2014
А 16 65,9+1,1 810,0+1,6 93,4+1,4 2,4+0,2 3,7+0,4 4,8+0,2 5,4+0,4
В 10 67,9+1,3 813,2+1,3 93,7+2,7 2015 2,2+0,3 3,3+0,4 4,7+0,3 5,5+0,5
А 15 53,4+1,6 748,3+2,1* 89,3+1,6 4,2+0,4 4,8+0,6* 2,9+0,2 3,7+0,5
В 10 54,5+0,9 754,7+1,3* 92,0+2,3 2016 3,3+0,3 2,5+0,5* 3,1+0,1 3,1+0,4
А 15 54,3+2,9 714,3+1,1 95,7+1,9 2,7+0,3* 1,7+0,4 3,9+0,1 2,4+0,4
В 10 55,7+2,3 716,3+1,3 97,3+2,1 1,7+0,2* 1,3+0,2 3,8+0,1 2,1+0,3
Среднее
А 57,9* 757,4 92,8 3,1 3,4 3,9 3,8
В 59,4* 761,4 94,3 2,7 2,4 3,9 3,6
НСР0,95 1,1 6,1 3,0 1,2 2,7 0,4 0,9
* - существенные различия между группами семей, отличающимися изоферментами бета-амилаз
В то же время, носители варианта А этого фермента характеризовались существенно меньшей натурой зерна и более высокой вязкостью теста. Соответственно, 10 семей имеющих вариант В в 2015 г. отличались более высокими показателями качества зерна, по сравнению с 16 семьями, несущими вариант А. При этом более низкая вязкость теста способствует более качественной выпечке и меньшему черстве-нию полученного хлебопродукта. В 2016 г. в семьях, несущих зимограммы бета-амилазы типа А, индекс замес был существенно выше, чем в семьях с альтернативным вариантом этого фермента. По урожайности различия по годам между семьями с изоферментами бета-амилазы А и В были недостоверны. Характерно, что уровень урожайности по годам в период исследований был близким (табл. 4). Соответственно, доля влияния среды (года) составила 1,6 %. На этом фоне проявились наследственные различия между выделенными группами линий по урожайным свойствам (доля влияния генотипа составила 98,3 %, случайные отклонения - 0,1 %). Дисперсионный анализ данных
генотипа (вариантов глиадина) - 96,0 %, случайные отклонения - 0,1 %.
Выводы. Таким образом, представленные данные свидетельствуют о том, что сорт Синтетик, отличающийся по глиадинам (глиадины Ю5 и Ю2), контролируемым локусом 01С Ю хромосомы Ш, можно улучшить по качеству (по ИДК на 5,6 ед., замесу на 0,9 баллов) при сохранении урожайных свойств. Учитывая сопряженность вариантов бета-амилаз с урожайностью, этот сорт можно улучшить по продуктивности (на 1,5 ц/га) путем отбора в пользу носителей изоэнзимов типа В этого фермента.
Показатели урожайности семей сорта Синтетик в исследуемый временной период в значительной степени определялись наследственными факторами. Аналогичная закономерность касалась параметров качества зерна, связанных с различием семей по глиадинам, контролируемым хромосомой Ю. Здесь также основное влияние(более 90 %)на вариацию показателей качества (замес, ретроградация) оказывали наследственные различия.
Литература.
1. Попереля Ф.А. Полиморфизм глиадина и его связь с качеством зерна, продуктивностью и адаптивными свойствами сортов мягкой озимой пшеницы // Селекция, семеноводство и интенсивная технология возделывания озимой пшеницы. М.: Агропромиздат, 1989. С. 138-150.
2. Копусь М.М. Система комплексной оценки генотипов пшеницы по глиадинам// Генетика и селекция растений на Дону. Ростов-на-Дону: ВНИИСиЗК, 1995. С. 33-38.
3. Неудачин В.П., Зима В.Г., Букреева Г.И. Связь глиадиновых компонентов с качеством клейковины озимой пшеницы в условиях Краснодарского края// Пшеница и тритикале. Краснодар: Советская Кубань, 2001. С. 367-374.
4. Comparative flour quality and protein characteristics of 1BL/1RS and 1AL/1RS wheat-rye tranlocation lines / R.A. Graybosch, C.J. Peterson, L.E. Hansen, D. Worrall, D.R. Shelton, A. Lukaszewski//J. CerealSci. 1993. Vol. 17. P. 95-106.
5. Полиморфизм по бета-амилазе зерна озимой мягкой пшеницы/В.П. Нецветаев, О.В. Акиншина, Л.С. Бондаренко, И.П. Моторина//Генетика. 2012. Т. 48. №2. С. 168-174.
6. Сравнительная оценка реологических свойств муки и шрота мягкой пшеницы на приборе Mixolab / В.П. Нецветаев, М.Ю. Третьяков, О.В. Лютенко, Л.С. Пащенко, И.И. Попкова//Научные ведомости БелГУ. Серия. Естественные науки. Белгород: БГУ. 2010. №21 (92). Вып. 13. С. 56-62.
7. Нецветаев В.П. Руководство по генетическому анализу растений: учеб.-метод. пособие. Белгород: БелГУ, 2008. С. 3-35.
8. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
9. Ainsworth C.C., Gale M.D., Baird S. The genetics of beta-amylase isozymes in wheat. Allelic variation among hexaploid varieties and intrachromosomal gene locations // Theoretical and Applied Genetics. 1983. V. 66. P. 39-49.
10. Рыбалка А.И., Созинов А.А. Генетический анализ fi-амилазы зерна пшеницы // Генетика. 1980. Т. 16. № 6. С. 1059-1067.
11. Рибалка О.1. Яюсть пшеницi та П полiпшення. Кив: Логос, 2011. 495 с.
12. Созинов А.А., Стельмах А.Ф., Рыбалка А.И. Гибридологический и моносомный анализ глиадина у сортов пшеницы // Генетика. 1978. Т. 14. №11. С. 1955-1967.
13. Новый подход к оценке качества зерна мягкой пшеницы/В.П. Нецветаев, Л.С. Бондаренко, О.В. Акиншина, Т.А. Рыжкова //Достижения науки и техники АПК. 2012. №9. С. 24-26.
14. Нецветаев В.П., Бондаренко Л.С., Акиншина О.В. Генетический анализ изоферментов бета-амилазы мягкой пшеницы// Достижения науки и техники АПК. 2015. №4. С. 17-19.
15. Нецветаев В.П., Акиншина О.В., Бондаренко Л.С. Использование гомозиготной популяции для генетического анализа бета-амилазы и оценки её агрегирующей способности у озимой мягкой пшеницы//Генетика. 2014. Т. 50. №11. С. 1305-1309.
HETEROGENEITY OF THE WHEAT VARIETY AS THE BASIS FOR ITS IMPROVEMENT IN THE PRIMARY SEED PRODUCTION
V.P. Netsvetaev, O.E. Nerubenko, L.S. Bondarenko, O.V. Akinshina, T.A. Ryzhkova, I.P. Motorina, A.V. Petrenko
Belgorod Agricultural Research Institute, ul. Oktyabr'skaya, 58, Belgorod, 308001, Russian Federation
Abstract. The purpose of the work was to identify the hereditary heterogeneity of winter wheat 'Sintetik', to evaluate its individual genotypes by quantitative characteristics to improve the variety in the process of primary seed production. It was established that Sintetik variety represents a homozygous population for Gld 1D2 and Gld 1D5 genes, which controls the synthesis of gliadines, as well as for beta-amylase isoenzymes. Genetic analysis of this population confirms the monogenic nature of the inheritance of beta-amylases and gliadines. Based on the study of individual families from this variety during 2014-2016 under conditions of Belgorod region, it was established that the genotypes having Gld 1D5 allele had higher quality parameters of flour (mixing index, gluten strain indicator) compared to the carriers of Gld 1D2 allele. These differences did not affect productivity. The beta-amylase isozyme designated as A compared to B also showed a tendency to improve a flour quality index (mixing index), but contributed to a deterioration in yields by 150 kg/ha (LSD(0.95) = 1.1). To improve the baking qualities of Sintetik variety without deterioration of its yield, it should be released from the genotypes having Gld 1D2 allele. The selection on the grain quality by isozymes of beta-amylase is not appropriate. To improve productive characteristics of the variety it is possible to use improving selection for the carriers of isoenzyme B of beta-amylase.
Keywords: winter wheat, Sintetik variety, gliadines, beta-amylase, grain quality, productivity.
Author Details: V.P. Netsvetaev, D. Sc. (Biol.), prof. (e-mail: [email protected]); O.E. Nerubenko, Director of the Experimental Field; L.S. Bondarenko, junior research fellow; O.V. Akinshina, junior research fellow; T.A. Ryzhkova, Cand. Sc. (Biol.), research fellow; I.P. Motorina, Cand. Sc. (Biol.), research fellow; A.V. Petrenko, junior research fellow.
For citation: Netsvetaev V.P., Nerubenko O.E., Bondarenko L.S., Akinshina O.V., Ryzhkova T.A., Motorina I.P., Petrenko A.V. Heterogeneity of the Wheat Variety as the Basis for Its Improvement in the Primary Seed Production. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2017. V.31. No. 6. Pp. 43-46 (in Russ.).
ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!
Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.
Цены договорные. Заявки отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166. Тел.: (963) 758-48-44. E-mail: [email protected]
