Применение метода электрофореза проламинов овса для определения гибридной природы зёрен F1

Введение. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур зависит от целого ряда условий, среди которых ведущую роль играют создание и внедрение в производство новых высокопродуктивных и экологически пластичных сортов, а также улучшение их семеноводства [1]. Для их быстрого создания необходимо совершенствование селекционного процесса.

Принципиально новые возможности в селекции растений открылись с появлением биотехнологических методов, в частности методов биохимического маркирования. К биохимическим маркерам относят разнообразные белки и метаболиты [2, 3]. Для семенного контроля наиболее подходящими признаны запасные спирторастворимые белки семян - проламины, полиморфизм которых наилучшим образом раскрывается с помощью электрофореза. В настоящее время этот метод успешно применяется для сортовой идентификации в первичном семеноводстве [1, 4].

Благодаря кодоминантному типу наследования проламинов, электрофорез запасных белков даёт возможность типировать гетерозиготы и широко используется для определения процента гибридности, а также изучения генетической структуры растений F 1 таких злаковых культур, как пшеница, ячмень, тритикале и кукуруза [1, 4–6].

Одной из самых востребованных зерновых сельскохозяйственных культур в нашей стране и за рубежом является овёс. Это незаменимая зернофуражная, кормовая, а также ценная продовольственная культура. Для анализа генетического разнообразия овса успешно применяются высокополиморфные проламины – авенины [1, 2].

• В.А. Портянко с соавторами [7] установили, что авенины наследуются блоками, а их синтез

контролируется тремя независимыми локусами Avn A , Avn B и Avn C, расположенными в трёх гомеологичных хромосомах. Однако, несмотря на то, что исследования по изучению генетического контроля и характера наследования авенинов ведутся с 70-х годов ХХ века, информации об этих процессах и возможностях использования их в селекции по-прежнему мало [8, 9].

Цель работы . Оценка возможности использования авенинов для определения гибридно-сти зёрен первого поколения.

Материалы и методы. Материалом для исследования послужили зёрна родительских сортов овса и зёрна F 1 , полученные в результате их скрещивания. В гибридизацию были включены сорта овса, характеризующиеся ботаникоморфологическими и биологическими свойствами, ценными в селекционном отношении для Тюменской области (табл. 1).

Таблица 1

Номер п/п	Номер по каталогу ВИР	Сорт	Вид	Происхождение
1	14784	Тюменский голозёрный	A. sativa L.	Россия (Тюменская обл.)
2	-	Мегион	-“-	-“-
3	-	Фома	-“-	-“-
4	12245	Таёжник	-“-	Россия (Томская обл.)
5	14762	C.J. 5558	A. byzantina C. Koch.	США
6	14869	Enducks	-“-	Япония
7	15075	Flamingsprofi	A. sativa L. х A. byzantina C. Koch.	Германия

Перспективные сорта овса, включённые в гибридизацию

Гибридизацию проводили на опытном поле ФГБНУ «НИИСХ Северного Зауралья» в севообороте лаборатории селекции овса. Почвы опытного поля темноцветные с характерными для Западной Сибири признаками и свойствами [10]. Скрещивание проводили в 2012 г. с 11 по 26 июля и в 2013 г. с 18 по 29 июля согласно методике (рис. 1) [11].

Погодные условия в период гибридизации характеризовались повышенной температурой и отсутствием осадков, что отрицательно сказалось на количестве завязавшихся зёрен. Для лабораторного анализа использовали только индивидуальные зерновки F1, полученные в результате скрещиваний, процент удачи в которых составил от 5,5 до 19,3 % (табл. 2).

а

б

в

Рис. 1. Проведение гибридизации: а – цветок овса с пыльниками; б – метёлка с кастрированными цветками; в – питомник гибридизации

Гибридные комбинации с лучшей завязываемостью зёрен

Таблица 2

Номер п/п	Гибридная комбинация	Процент удачи, %
1	Фома х C.J. 5558	5,5
2	Тюменский голозёрный х Flamingsprofi	16,6
3	Тюменский голозёрный х Таёжник	6,6
4	Enducks х Мегион	6,6
5	Таёжник х Flamingsprofi	19,3

Для одномерного электрофореза авенинов применяли стандартную методику [12] с некоторыми модификациями [13]. Идентификацию аллельных состояний локусов Avn A , Avn B и Avn C осуществляли согласно каталогу генетической номенклатуры [7]. Исследования осуществляли в лаборатории сортовой идентификации семян ФГБОУ ВО «ГАУ Северного Зауралья». В качестве стандарта использовали зерновки овса посевного сорта Астор ( Avn A2B4C2). Для анализа методом случайной выборки отбирали по 20 зёрен от каждого родительского образца и по 3 зерна F 1 .

Результаты и их обсуждение. На первом этапе исследований была проанализирована структура исходных популяций сортов, включённых в скрещивания. Сравнительный анализ полученных электрофоретических спектров авенина показал, что все исследованные образцы имели индивидуальные, отличающиеся друг от друга и от стандартного сорта Астор спектры проламина.

Число биотипов, выявленных у изученных образцов, варьировало от 1 до 6. Наиболее полиморфными были сорта C.J. 5558 и Enducks, относящиеся к виду A. byzantina (табл. 3) .

Гетерогенность сортов может быть следствием как особенностей выведения – отбора родоначального растения, гетерозиготного по авенин-кодирующим локусам, так и простого механического или биологического засорения [7]. Морфологически однородные популяции, состоящие из нескольких биотипов, могут обладать скрытой изменчивостью стрессоустойчиво-сти и адаптивности к условиям окружающей среды [9, 14].

Биотипный состав родительских сортов

Таблица 3

Номер п/п	Номер по кат. ВИР	Сорт	Число биотипов	Формула авенина
1	14784	Тюменский голозёрный	1	A2BnedC3
2	-	Мегион	2	A2+nedBnedC5
3	-	Фома	1	A4B5C1
4	12245	Таёжник	2	A2+1BnedC2
5	14762	C.J. 5558	6	A8+ned+2+8+2+2B4+1+2+2+1+4C1+2+6*+1+2+1
6	14869	Enducks	6	Aned+ned+2+ned+2+2B2+5+ned+ned+1+nedC3+7+3 +2+2+1
7	15075	Flamingsprofi	3	A4+ned+4Bned+ned+4C1+3+2

В результате определения аллелей авенин-кодирующих локусов у проанализированных сортов идентифицировано 4 различных варианта локуса Avn A. Установлено, что наиболее распространённой была аллель А2 (71,4% сортов), в спектрах сортов Фома и Flamingsprofi обнаружена аллель А4. По локусу Avn B идентифицировано 4 аллельных варианта с одинаковой частотой встречаемости (28,6%). Локус Avn C был представлен 6 аллелями. Наиболее распространенными были варианты С1, С2 и С3.

На сегодняшний день разнообразие аллельных состояний по авенин-кодирующим локусам изучено недостаточно. В спектрах некоторых исследованных сортов были выявлены аллели локусов Avn A и Avn B, отсутствующие в катало- ге генетической номенклатуры. При записи генетических формул такие аллели обозначались сочетанием ned. Для идентификации новых аллельных вариантов необходимы проведение гибридизации и оценка характера наследования компонентов авенина минимум у двух поколений гибридов.

В результате электрофоретического анализа установлено, что зерновки трёх гибридных комбинаций имели спектры проламина, идентичные спектрам одного из родителей. Так, для исследованных зерновок от скрещивания сортов Тюменский голозёрный и Таёжник был характерен электрофоретический спектр сорта Тюменский голозёрный (рис. 2).

St 1     2     3     4     5 St

а

Рис. 2. Электрофоретические спектры (а) и схемы электрофореграмм (б) образцов овса посевного: 1 – Тюменский голозёрный; 2, 3, 4 – F1; 5 – Таёжник; St – стандарт (Астор)

б

Аналогичный результат был получен при исследовании зёрен, полученных в комбинациях Фома х C.J. 5558 и Enducks х Мегион – их спектры совпадали со спектрами сортов Фома и Мегион соответственно.

При анализе зерновок F1 от скрещиваний сортов Тюменский голозёрный х Flamingsprofi и Таёжник х Flamingsprofi установлено, что в их спектрах присутствуют все компоненты авенина, характерные для электрофореграмм обоих родителей (рис. 3).

а                                                б

Рис. 3. Электрофоретические спектры (а) и схемы электрофореграмм (б) образцов овса посевного: 1 – Тюменский голозёрный; 2, 3, 4 – F1; 5 – Flamingsprofi (2-й биотип); 6 – Flamingsprofi (1-й биотип); St – стандарт (Астор)

Наш анализ показал, что в обеих комбинациях в качестве одного из родителей выступали растения только первого биотипа политипного сорта Flamingsprofi. Возможно, это обусловлено тем, что особи этого биотипа преобладали в популяции и чаще остальных участвовали в скрещиваниях. Генетическая формула авенина зерновок, полученных в комбинации Тюменский голозёрный х Flamingsprofi, имела вид Avn А2,4Вned,nedС3,1, а в комбинации Таёжник х Flamingsprofi – Avn А2, 4Вned, nedС2,1. Подобная картина отмечалась в работе В.А. Портянко с соавторами [7]. На электрофореграммах F 1 от реципрокных скрещиваний различных сортов овса, исследованных авторами, присутствовали все белковые полосы, имеющиеся у родителей, что указывало на кодоминантный тип наследования авенинов.

Таким образом, с помощью электрофоретического анализа нами подтверждена гибридная природа зёрен, полученных от скрещиваний сортов Тюменский голозёрный х Flamingsprofi и Таёжник х Flamingsprofi.

Спектры зерновок от скрещиваний сортов Тюменский голозёрный х Таёжник, Фома х C.J. 5558 и Enducks х Мегион не характерны для гетерозигот, следовательно, исследованные зёрна не являются гибридами. Появление таких зерновок при проведении гибридизации обусловлено особенностями биологии цветения овса. Согласно данным Г.А. Баталовой с соавторами [2], в условиях засухи происходит ускорение развития генеративных органов овса, а само цветение наступает раньше. Также в солнечную ветреную погоду у овса часто наблюдается естественное опыление. Таким образом, засушливые и жаркие погодные условия во время проведения гибридизации могли привести к самоопылению либо перекрёстному опылению цветков овса.

Выводы

• 1.    В результате электрофоретического анализа авенинов подтверждена гибридная природа зерновок, полученных от скрещиваний сортов Тюменский голозёрный х Flamingsprofi и Та-

• ёжник х Flamingsprofi. Зёрна F1 этих комбинаций рекомендуется использовать для размножения и осуществления дальнейшей селекционной работы, а также для идентификации новых блоков компонентов авенина.

• 2.    Спектры зёрен от скрещиваний сортов Тюменский голозёрный х Таёжник, Фома х C.J. 5558 и Enducks х Мегион содержат компоненты авенина, характерные для спектров только одного из родителей, что указывает на их негибридное происхождение.

• 3.    Использование метода электрофореза авенинов при проведении селекционной работы по овсу позволит достаточно быстро и эффективно осуществлять проверку гибридной природы зёрен F 1 и своевременно исключать из дальнейшей работы зерновки, появившиеся в результате естественного опыления растений.