CC BY
19
Вестник Курганской ГСХА № 3, 2017 Стмкжозшжжмьш науки 31
УДК 581.19:631.52:633.13
А. В. Любимова12, Д. И. Ерёмин2
ВЫЯВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ, ИДЕНТИЧНЫХ ПО КОМПОНЕНТНОМУ СОСТАВУ АВЕНИНА, В КОЛЛЕКЦИИ КУЛЬТУРНЫХ ВИДОВ ОВСА
1НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ - ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА ТЮМЕНСКОГО НАУЧНОГО
ЦЕНТРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН, ТЮМЕНЬ, РОССИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕВЕРНОГО
ЗАУРАЛЬЯ», ТЮМЕНЬ, РОССИЯ
A. V. Lyubimova12, D. I. Eryomin1 IDENTIFICATION OF SAMPLES IDENTICAL IN COMPONENT COMPOSITION OF AVENIN, IN THE COLLECTION OF OATS CULTURAL SPECIES ''SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE OF AGRICULTURE FOR NOTHERN TRANS-URALS REGION - BRANCH OF TYUMEN SCIENTIFIC CENTRE SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES,
TYUMEN, RUSSIA
2FEDERAL STATE BUDGET EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «NORTHERN TRANSURAL STATE AGRARIAN UNIVERSITY», TYUMEN, RUSSIA
Анна Валерьевна Любимова
Anna Valerevna Lyubimova кандидат биологических наук ostapenkoav88@yandex.ru
Дмитрий Иванович Ерёмин
Dmitrij Ivanovich Егуотлп
доктор биологических наук, доцент
soil-tyumen@yandex.ru
Аннотация. Исследования проводили в лаборатории сортовой идентификации семян Государственного аграрного университета Северного Зауралья с целью выявления образцов с идентичными спектрами авенина в коллекции культурных видов овса трех уровней плоидности - A. strigosa Schreb. (2n=14), A. abyssinica Höchst. (4n=28), A. byzantina C. Koch. (6n=42) и A. sativa L. (6n=42). Анализировали по 20 индивидуальных зерновок от каждого образца, отобранных методом случайной выборки. Электрофорети-ческое разделение авенина проводили в вертикальных пластинах полиакри-ламидного геля при постоянном напряжении 500 В в течение 4,0-4,5 часов. Установлено, что 46,7 % исследованных образцов были гомогенными по компонентному составу авенина, в том числе все образцы песчаного и абиссинского овса. В состав гетерогенных образцов входило от 2 до 12 биотипов. Всего обнаружено 683 биотипа. В результате построения дендрограммы выявлено 49 групп образцов с идентичными спектрами авенина, значение генетической дистанции по Dice между которыми равнялось нулю. Количество образцов в группах варьировало от 2 до 23. Наиболее многочисленными по составу были группы, сформированные образцами с генетическими формулами авенина Avn А2В1С3, А2В4С2, A2B1C2, A2B2C6*, A2B1C1, A2B4C1 и A4B4C2. Образцы с идентичным компонентным составом авенина могут обладать одинаковым набором базисных генов, а также схожими или даже идентичными хозяйственно-ценными признаками и адаптивными свойствами, что представляет интерес для селекции. Выделение групп образцов с идентичными спектрами авенина позволит проводить более эффективную оценку исходного материала при подборе оптимальных родительских пар для скрещиваний.
Ключевые слова: культурные виды овса, A. strigosa Schreb., A. abyssinica Höchst., A. sativa L., A. byzantina C. Koch., компонентный состав авенина, электрофоретический спектр, кластеризация, генетическое разнообразие.
Abstract. Research objective was to identify samples with identical avenin spectra in the collection of oats cultivated species with three levels of ploidy - Avena strigosa Schreb. (2n=14), Avena abyssinica Hochst. (4n=28), Avena sativa L. (6n=42), Avena byzantina C. Koch. (6n=42). We conducted research in laboratory of varietal seeds identification in NORTHERN TRANS-URAL STATE AGRARIAN UNIVERSITY. We used 20 individual samples of each variety selected by random sampling for laboratory analysis. Electrophoretic separation of prolamins was performed in vertical plates of polyacrylamide gel at a constant voltage of 500 V for 4.0-4.5 hours. It was found that 46.7% of studied samples were homogeneous in the component composition of avenin, including all samples of bristle oat and Ethiopian oat. The heterogeneous samples consisted of 2 to 12 biotypes. A total of 683 biotypes were found. As a result of dendrogram construction, 49 groups of samples with identical avenin spectra were identified, the value of genetic distance by Dice between them was equal to zero. The number of samples in the groups ranged from 2 to 23. The most numerous in composition were the groups formed by the samples with the genetic formulas of avenin Avn A2B1C3, A2B4C2, A2B1C2, A2B2C6*, A2B1C1, A2B4C1 and A4B4C2. Samples with identical component composition of avenin may have the same set of basic genes, as well as similar or even identical by agronomic characteristics and adaptive properties that are of interest for breeding. The identification of samples groups with identical avenin spectra will allow more effective evaluation of the source material during the selection of optimal parent pairs for crosses.
Keywords: cultivated species of oats, A. strigosa Schreb., A. abyssinica Hochst., A. sativa L., A. byzantina C. Koch., component composition of avenin, electrophoretic spectrum, clustering, genetic diversity.
Введение. Для учёта, сбережения и эффективного использования в селекции генофонда культурных растений и их диких сородичей, необходима точная идентификация видов, сортов и биотипов [1]. Для решения этих задач широко применяется электрофорез запасных спиртораство-римых белков семян - проламинов [2-4]. Аллельные варианты блоков компонентов проламинов имеют жёстко детерминированные связи с адаптивными свойствами генотипов
и ценными хозяйственными признаками, что позволяет обнаруживать необходимые ассоциации генов и использовать их в селекции [5-7]. Однако генетически близкие сорта могут иметь одинаковые спектры проламинов, что является следствием общности происхождения и отбора в процессе создания сортов экологических типов, наиболее приспособленных к определенным условиям среды [8]. Так, А. Ю. Новосельской-Драгович с соавторами (2013) при
32 Научный журнал Вестник Курганской ГСХА
исследовании глиадинкодирующих локусов сортов мягкой пшеницы омской и саратовской селекции установлено, что, зная генетическую формулу глиадина и биотипный состав образца, можно определить его принадлежность к определенному селекционному центру [9]. Появление большого количества сортов с идентичными спектрами может свидетельствовать о снижении генетического разнообразия в популяции, что может привести к генетической эрозии вида [10].
Для анализа генетического разнообразия овса используются проламины - авенины. Компоненты электрофоре-тических спектров авенина наследуются группами и контролируются тремя независимыми локусами Avn A, Avn B, Avn C [11]. Высокий уровень полиморфизма этих белков позволяет идентифицировать генотипы различных сортов, выявлять внутрисортовую гетерогенность, а также выявлять дублетные формы [12; 13].
Целью работы было выявление образцов с идентичными спектрами авенина в коллекции культурных видов овса.
Методика. Исследования проводили в лаборатории сортовой идентификации семян Государственного аграрного университета Северного Зауралья. Были проанализированы 276 образцов овса из коллекции ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова» и ФГБНУ «НИИСХ Северного Зауралья». Исследованные образцы относились к культурным видам Avena strigosa Schreb. (2n=14) - 11 образцов, Avena abyssinica Höchst. (4n=28) - 5 образцов, Avena byzantina C. Koch. (6n=42) - 12 образцов, Avena sativa L. (6n=42) - 222 образца, а также гибридам между A. sativa L. и A. byzantina C. Koch. (6n=42) - 26 образцов.
Для анализа использовали по 20 индивидуальных зерновок каждого образца, отобранных методом случайной выборки. Одномерный электрофорез авенинов проводили согласно стандартной методике [14] с некоторыми модификациями [15]. Идентификацию аллельных вариантов блоков компонентов проламина осуществляли на основании каталога, разработанного В.А. Портянко и др. [11]. В качестве стандарта использовали зерновки овса посевного сорта Астор (Avn A2 B4 C2).
На основе полученных электрофоретических спектров авенина была составлена компьютерная матрица исходных данных, в которой присутствие компонента обозначали 1, а отсутствие - 0. Данные бинарной компьютерной матрицы обрабатывали методом кластерного анализа. В качестве индекса подобия использовали коэффициент Dice: 2nab
S =
па + nb'
(1)
состав гетерогенных образцов входило от 2 до 12 биотипов. Среди образцов вида A. sativa гомогенными были 47,7 %, вида A. byzantina - 25,0 %. Гетерогенность образцов обуславливается особенностями выведения. Однако присутствие нескольких типов спектра в одном образце может быть и результатом простого механического либо биологического засорения сорта.
Для того чтобы наиболее полного охарактеризовать компонентный состав авенина, все обнаруженные биотипы рассматривались как самостоятельные образцы. В результате, в матрицу были внесены данные о 683 образцах.
Полученная дендрограмма состояла из двух кластеров. Первый кластер сформировали только образцы песчаного овса. Второй имел сложную структуру с большим количеством подкластеров и более мелких групп, в которые объединялись образцы со схожим и даже идентичным компонентным составом авенина.
Всего было выявлено 49 групп образцов с идентичными спектрами авенина, значение генетической дистанции по Dice между которыми равнялось нулю. Количество образцов в этих группах варьировало от 2 до 23. Наиболее многочисленными по составу были группы, объединяющие образцы с генетическими формулами авенина Avn А2В1С3 - 23 образца; А2В4С2 - 19 образцов; A2B1C2 - 17 образцов; A2B2C6* - 12 образцов; A2B1C1, A2B4C1, A4B4C2- 10 образцов (рисунок).
где na и nb - это число компонентов, присутствующих в спектрах А и В, соответственно;
nab - количество компонентов, общих для двух спектров.
Коэффициент Dice S может приобрести любое значение от 0 до 1, где 0 означает отсутствие общих компонентов, а 1 говорит о том, что спектры идентичны [16].
Для кластеризации применялся метод попарного внутригруппового невзвешенного среднего (UPGMA - Unweighted Pair-Group Method with Arithmetic Mean). Кластеризацию проводили с помощью компьютерной программы MEGA 6.06.
Результаты. Анализ электрофоретических спектров авенина показал, что 46,7 % исследованных образцов были гомогенными по компонентному составу авенина, в том числе все образцы песчаного и абиссинского овса. В
St 1 2 3
Г (А2В4С1)
St - Астор (стандарт), а) 1. К-14717, 2. К-14922, 3 К-13360;. б) 1. К-14771, 2. К-14558, 3. К-14738; в) 1. К-14627, 2. К-14904, 3.
К-14638; г) 1. К-14253, 2. К-14810, 3. К-14960. В скобках указана генетическая формула авенина.
Рисунок - Электрофоретические спектры и схемы образцов с идентичными спектрами авенина
Таким образом, в результате электрофоретического анализа авенина культурных видов рода Avena L. установлено, что 33 % исследованных образцов имеют несорто-специфичные спектры проламина. Образцы с идентичным компонентным составом авенина могут обладать схожими или даже идентичными хозяйственно-ценными признаками и адаптивными свойствами. Известно, что маркирование сложных признаков осуществляется преимущественно через генотип [5]. Вероятно, в процессе отбора по количественным признакам происходило выделение генотипов с определёнными сочетаниями маркирующих их аллельных вариантов блоков компонентов авенина.
Заключение. Установлено, что 46,7 % исследованных образцов коллекции культурных видов овса были гомогенными по компонентному составу авенина, в том числе все образцы A. strigosa Schreb. и A. abyssinica Hochst. Среди образцов посевного овса гомогенными были 47,7 %, византийского - 25,0 %. В состав гетерогенных образцов входило от 2 до 12 биотипов. Всего обнаружено 683 биотипа. С помощью кластерного анализа выявлено 49 групп образцов с идентичными спектрами авенина. Наиболее многочислен-
Вестник Курганской ГСХА № 3, 2017 аппыжахазтстт^ науки 33
ными по составу были группы, объединяющие образцы с генетическими формулами авенина Avn А2В1С3, А2В4С2, A2B1C2, A2B2C6*, A2B1C1, A2B4C1 и A4B4C2. Выделение групп образцов с идентичными спектрами авенина представляет интерес для селекции, т. к. позволит проводить более эффективную оценку исходного материала при подборе оптимальных родительских пар для скрещиваний.
Список литературы
1 Конарев А.В., Перчук И.Н., Накаяма С. Использование полиморфизма проламинов в изучении исходного материала и семеноводстве кормовых злаковых трав. Аграрная Россия. 2002. №3. С.63-65.
2 Конарев А.В. Адаптивый характер молекулярного полиморфизма и его использование в решении проблем генетических ресурсов растений и селекции. Аграрная Россия. 2002. № 3. С. 4-11.
3 Фомина М.Н., Тоболова Г. 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.
4 Фомина М.Н., Остапенко А.В., Тоболова Г.В. Использование метода электрофореза проламинов в первичном семеноводстве овса: рекомендации. Тюмень, ФГБНУ «НИ-ИСХ Северного Зауралья», 2016, 32 с.
5 Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. Москва, Наука, 1985, 272 с.
6 Тоболова Г.В., Летяго Ю.А., Белкина РИ. Оценка сортов мягкой яровой пшеницы по технологическим свойствам и биохимическим признакам. Агропродовольствен-ная политика России. 2015. № 5 (41). С. 64-67.
7 Остапенко А.В., Тоболова ГВ. Анализ частоты встречаемости аллелей авенин-кодирующих локусов у сортов овса. Аграрный научный журнал. 2015. № 2. С. 24-26.
8 Зобова Н.В., Онуфриенок Т.В., Чуслин А.А. Особенности полиморфизма проламинов сортов ячменя, возделываемых в Красноярском крае. Достижения науки и техники АПК. 2014. № 6. С.7-10.
9 Новосельская-Драгович А.Ю., Фисенко А.В., Пухаль-ский В.А. Генетическая дифференциация сортов мягкой пшеницы с использованием множественных аллелей гли-адинкодирующих локусов. Генетика. 2013. Т. 49. № 5. С. 569-580.
10. Новосельская-Драгович А.Ю., Беспалова Л.А., ШишкинаА.А. и др. Изучение генетического разнообразия сортов мягкой озимой пшеницы по глиадинкодирующим ло-кусам. Генетика. 2015. Т. 51. № 3. С. 324-334.
11 Портянко В.А., Поморцев А.А., Калашник Н.А. и др. Генетический контроль авенинов и принципы их классификации. Генетика. 1987. Т. 23. № 5. С.584-590.
12 Лоскутов И.Г, Губарева Н.К., Алпатьева Н.В. Полиморфизм авенина в изучении дикорастущих видов овса. Аграрная Россия. 2005. № 2. С. 43-48.
13 Ибрагимова М.З., Остапенко А.В. Характеристика генетического разнообразия сибирских сортов овса Avena L. по спектрам авенина. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 6. С. 126-133.
14 Поморцев А.А., Кудрявцев А.М., Упелниек В.П., и др. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений. Москва, ФГНУ «Росинформагротех», 2004, 96 с.
15 Остапенко А.В., Тоболова ГВ. Изучение полиморфизма авенина сортов овса посевного (Avena sativa L.) в Тюменской области. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013. Т. 171. С. 38-42.
16 Nei M., Li W. Mathematical model for studying genet-
ic variation in terms of restriction endonucleases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V 76. Pp. 5269-5273.
References
1 Konarev A.V., Perchuk I.N., Nakaiama S. Ispol'zovanie polimorfizma prolaminov v izuchenii iskhodnogo materiala i semenovodstve kormovykh zlakovykh trav. Agrarian Russia. 2002. No.3. Pp.63-65 (in Russ.).
2 Konarev A.V. Adaptivyi kharakter molekuliarnogo polimorfizma i ego ispol'zovanie v reshenii problem geneticheskikh resursov rastenii i selektsii. Agrarian Russia. 2002. No. 3. Pp.411 (in Russ.).
3 Fomina M.N., Tobolova G. V., Ostapenko A. V. Ispol'zovanie metoda elektroforeza prolaminov v pervichnom semenovodstve na primere sorta ovsa Otrada. Achievements of Science and Technology of AIC. 2016. V. 30. No. 12. Pp. 14-16 (in Russ.).
4 Fomina M.N., Ostapenko A.V., Tobolova G.V. Ispol'zovanie metoda elektroforeza prolaminov v pervichnom semenovodstve ovsa: rekomendatsii. Tiumen', FGBNU «NIISKh Sever-nogo Zaural'ia», 2016, 32 p. (in Russ.).
5 Sozinov A.A. Polimorfizm belkov i ego znachenie v ge-netike i selektsii. Moskva, Nauka, 1985, 272 p. (in Russ.).
6 Tobolova G.V., Letiago Iu.A., Belkina R.I. Otsenka sor-tov miagkoi iarovoi pshenitsy po tekhnologicheskim svoistvam i biokhimicheskim prizna-kam. Agro-food policy in Russia. 2015. No. 5 (41). Pp. 64-67 (in Russ.).
7 Ostapenko A.V., Tobolova G.V. Analiz chastoty vstrech-aemosti allelei avenin-kodiruiushchikh lokusov u sortov ovsa. Agrarian Scientific Journal. 2015. No. 2. Pp. 24-26 (in Russ.).
8 Zobova N.V., Onufrienok T.V., Chuslin A.A. Osobennosti polimorfizma prolaminov sortov iachmenia, vozdelyvaemykh v Krasnoiarskom krae. Achievements of Science and Technology of AIC. 2014. No. 6. Pp.7-10 (in Russ.).
9 Novosel'skaia-Dragovich A.Iu., Fisenko A.V., Pukhal'skii V.A. Geneticheskaia differentsiatsiia sortov miagkoi pshenitsy s ispol'zovaniem mnozhestvennykh allelei gliadinkodiruiush-chikh lokusov. Russian Journal of Genetics. 2013. V.49. No. 5. Pp. 569-580 (in Russ.).
10 Novosel'skaia-Dragovich A.Iu., Bespalova L.A., Shish-kina A.A. Izuchenie geneticheskogo raznoobraziia sortov miag-koi ozimoi pshenitsy po gliadinkodiruiushchim lokusam. Russian Journal of Genetics. 2015. V. 51. No. 3. Pp. 324-334 (in Russ.).
11 Portianko V.A., Pomortsev A.A., Kalashnik N.A. Gene-tiche-skii kontrol' aveninov i printsipy ikh klassifikatsii. Russian Journal of Genetics. 1987. V.23. No. 5. Pp.584-590 (in Russ.).
12 Loskutov I.G., Gubareva N.K., Alpat'eva N.V. Polimorfizm avenina v izuchenii dikorastushchikh vidov ovsa. Agrarian Russia. 2005. No. 2. Pp. 43-48 (in Russ.).
13 Ibragimova M.Z., Ostapenko A.V. Kharakteristika ge-neticheskogo raznoobraziia sibirskikh sortov ovsa Avena L. po spektram avenina. Bulletin of KrasGAU. 2016. No. 6. Pp. 126133 (in Russ.).
14 Pomortsev A.A., Kudriavtsev A.M., Upelniek V.P. Meto-dika provedeniia laboratornogo sortovogo kontrolia po grup-pam sel'skokhoziaistvennykh rastenii. Moskva, FGNU «Rosin-formagrotekh», 2004, 96 p. (in Russ.).
15 Ostapenko A.V., Tobolova G.V. Izuchenie polimorfizma avenina sortov ovsa posevnogo (Avena sativa L.) v Tiumenskoi oblasti. Bulletin applied botani, genetics and plant breeding. 2013. V.171. Pp. 38-42 (in Russ.).
16 Nei M., Li W. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V 76. Pp. 5269-5273.
