Изучение аллельного состава глиадин-кодирующих локусов селекционных линий твердой пшеницы

Введение. Твердая пшеница (Triticum durum Desf.) – сельскохозяйственная культура, зерно которой является ценнейшим сырьем для макаронной и кондитерской промышленности, а также для создания круп и диетического питания [1]. В селекционном процессе при выведении новых сортов, обладающих комплексом хозяйственно ценных и адаптивно значимых призна- ков, важное место занимает совершенствование системы оценки селекционного материала. На современном этапе селекции для этой цели применяются методы молекулярного и биохимического маркирования [2–4]. Наиболее доступным и эффективным в настоящее время является метод электрофореза запасных спирторастворимых белков – проламинов [5, 6].

Глиадины – запасные спирторастворимые белки зерна пшеницы – достаточно хорошо изучены и успешно применяются в селекционном процессе. Проламины твердой пшеницы наследуются кодоминантно, группами – блоками компонентов и контролируются четырьмя локусами генов – Gli-A1^d, Gli-B1^d, Gli-A2^d и Gli-B2^d , расположенными на коротких плечах хромосом первой и шестой гомеологической группы [7]. Глиа-дины характеризуются высоким уровнем полиморфизма, что позволяет, основываясь на их компонентном составе, различать до 80 % сортов [8]. Это дает возможность использовать такие белки для регистрации и идентификации сортов, биотипов и линий, определения биотип-ного состава сортов, а также позволяет проводить оценку селекционного материала. В частности, проламины используются для подтверждения гибридности особей, выявления нетипичных генотипов и установления причин их появления [9–12]. Понимание природы возникновения таких генотипов крайне важно для селекции и семеноводства, особенно если они были обнаружены в гетерогенных сортах, полученных из гибридных популяций. В этом случае появление нетипичных растений может быть объяснено не только механическим засорением, но и разнообразными биологическими процессами: мутациями, свободным опылением, расщеплениями, – происходящими внутри популяции самого сорта. При этом новые генотипы могут стать ценным исходным материалом для селекции. Для включения в селекционный процесс необходимо подтвердить, что они не представляют собой сортовую примесь, т. е. не идентичны генетически уже существующим сортам.

Цель исследования : изучение аллельного состава глиадин-кодирующих локусов селекционных линий твердой пшеницы для определения возможности их включения в селекционный процесс.

Задачи исследования: изучить компонентный состав глиадина селекционных линий; оценить генетическое сходство между исследуемыми линиями и сортами твердой пшеницы; определить причину появления нетипичных генотипов.

Материалы и методы исследования. Материалом для исследования послужили 4 селекционные линии, выделенные из посевов сорта твердой пшеницы Безенчукская степная в Челябинском научно-исследовательском институте сельского хозяйства.

Сорт Безенчукская степная имеет разновидность hordeiforme (табл. 1) . Но при возделывании его на полях Челябинского НИИСХ в посевах были обнаружены нетипичные растения разновидности leucurum.

Таблица 1

Характеристика сортов твердой пшеницы, возделываемых в Челябинском НИИСХ

Сорт	Учреждение-оригинатор	Происхождение*	Разновидность
Безенчукская степная	Самарский НИИСХ имени Н.М. Тулайкова	Индивидуальный отбор из гибридной популяции F 2 Саратовская золотистая / Безенчукская 182 // Безенчук-ская 182 // Гордеиформе 740	hordeiforme
Марина	Самарский НИИСХ имени Н.М. Тулайкова	Индивидуальный отбор из F 2 гибридной популяции Валентина / Гордеи-форме 1434. В родословную Гор-деиформе 1434 входят сорта Безен-чукская 182, Саратовская золотистая и Гордеиформе 740	leucurum

*Данные  официального сайта Самарского НИИСХ имени Н.М. Тулайкова   (URL:

.

Наиболее очевидная причина появления особей другой разновидности – механическое засорение. В данном случае источником появления сортовой примеси мог быть сорт твердой пшеницы Марина, также возделываемый на полях института (см. табл. 1). Однако по показателям продуктивности колоса и качества зерна нетипичные генотипы превосходили сорта Бе-зенчукская степная и Марина (табл. 2). Эти генотипы были размножены и послужили основой для получения 4 селекционных линий твердой пшеницы.

Анализы проводили по общепринятым методикам: ГОСТ 10842-89, ГОСТ 10846-91, ГОСТ 54478-2011, ГОСТ 10987-76, ГОСТ 10840-2017; урожайность определяли путем ручного обмолота снопов с последующим пересчетом на т/га.

Для оценки генетической структуры и происхождения селекционных линий были исследованы запасные спирторастворимые белки зерна методом нативного электрофореза. Анализы проводили в лаборатории сортовой идентификации семян Института прикладных аграрных исследований и разработок Государственного аграрного университета Северного Зауралья в 2019 г.

Исследовали по 100 индивидуальных зерновок, отобранных методом случайной выборки от каждой линии, а также от сортов Безенчукская степная и Марина. Анализ проводили в соответствии со стандартной методикой [13]. В качестве стандарта использовали сорт твердой пшеницы Langdon. Идентификацию аллельных состояний блоков компонентов глиадина проводили в соответствии с опубликованными каталогами [7, 14]. За эталонные были приняты спектры сортов Безенчукская степная и Марина, опубликованные в Сводном каталоге электрофоретических спектров глиадина сортов-эталонов, районированных в Российской Федерации до 2010 г. включительно [13].

Таблица 2

Результаты экологического испытания сортов и селекционных линий яровой твердой пшеницы, паровой предшественник, 2018 г.

СК s с; i— о о	аз X ф w аз >S аз о	1_____ аз £ О Ф аз ^8	ф ¥ 1 £ а. ® й ГО о щ	Клейковина		1— о сЕ о ф о	=Е
				ф аз О О
Безенчукская степная	2,8	48,9	12,29	33,9	99, II	61,0	788
Марина	2,0	53,2	11,41	30,9	90, II	56,0	775
Линия № 1	3,4	46,9	14,44	32,9	95, II	95,0	836
Линия № 2	3,3	50,1	16,60	36,9	107, III	94,0	824
Линия № 3	3,1	53,6	16,04	35,2	106, III	96,0	801
Линия № 4	3,4	49,4	14,68	32,0	102, II	96,0	810
НСР 05	0,2	2,7	0,72	1,8	5	3,7	65

Для определения генетического сходства между изучаемыми сортами и линиями была применена кластеризация методом попарного внутригруппового невзвешенного среднего (UPGMA – Unweighted Pair-Group Method with Arithmetic Mean). В качестве индекса подобия использовали коэффициент Dice. Построение дендрограммы выполняли с использованием программы TREECON 1.3b.

Результаты исследования. В результате проведенного исследования установлено, что спектры глиадина сортов Безенчукская степная и Марина, возделываемых в Челябинском НИ-ИСХ, соответствуют эталонным. Генетические формулы глиадина сортов имеют вид: Безен-чукская степная – Gli-A1^d g; B1^d a; A2^d a; B2^d h+hj; B5^d a , Марина – Gli-A1^d g; B1^d c; A2^d a; B2^d h+a+h+a; B5^d o+o+b+b.

Анализ селекционных линий показал, что линия № 3 гомогенная по компонентному составу глиадина. Линии № 2 и 4 состояли из 2 биотипов, линия № 1 – из 3 (табл. 3).

Ни одна из исследованных линий не соответствовала сорту Безенчукская степная. Это указывает на то, что генотипы, от которых были получены эти линии, появились в посевах сорта Безенчукская степная в результате механического засорения. У селекционной линии № 1 преобладал тип спектра (95,45 %), по компонентному составу глиадина идентичный II био- типу сорта Марина. К этому же биотипу относилась большая часть исследованных зерновок линии № 2 (93,18 %). Остальные типы спектра, обнаруженные в этих линиях, встречались с частотой от 1,14 до 6,82 % и соответствовали биотипам линий № 3 и 4. Селекционные линии № 3 и 4 по компонентному составу глиадина были близки спектрам сорта Марина (рис. 1), в каждом случае отличаясь аллелями по двум локусам.

Для того чтобы оценить генетическое сходство исследуемых образцов, нами была проведена кластеризация (рис. 2).

В результате образцы разделились на 2 кластера. Первый образовали I и III биотипы сорта Марина и сорт Безенчукская степная. Оставшиеся образцы сформировали второй кластер, включающий 2 подкластера (Dice = 0,2). В первый подкластер вошли II и IV биотипы сорта Марина, а также основные биотипы селекционных линий № 1 и 2. Генетическая дистанция по Dice между сортом Марина и этими биотипами равнялась нулю. Второй подкластер сформировали две группы образцов. В первую группу объединились селекционная линия № 3 и идентичные ей биотипы, выявленные нами в линиях № 1, 2 и 4. Вторую группу сформировали основной биотип линии № 4 и II биотип линии № 2. Генетическая дистанция между линией № 3 и основным биотипом линии № 4 составила 0,16.

Таблица 3

Результаты лабораторного сортового контроля селекционных линий твердой пшеницы

Номер линии	Кол-во типов спектра, шт.	Соответствие спектру сорта (да/нет)		Формула глиадина
		Марина	Безенчукская степная
1	3	Да, II биотип (95,45 %)	Нет	Преобладающий биотип: Gli-A1d g; B1d c; A2d a; B2d a Gli-A1 d g; Bi d la; A2 d d; B2d a (3,41 %); Gli-A1 d g; Bi d la; A2d a; B2d ou (1,14 %)
2	2	Да, II биотип (93,18 %)	Нет	Преобладающий биотип: Gli-A1d g; B1d c; A2d a; B2d a Gli-Al d g; Bi d la; A2d a; B2d ou (6,82 %)
3	1	Нет	Нет	Gli-A1d g; B1d la; A2d a; B2d ou
4	2	Нет	Нет	Преобладающий биотип: Gli-A1d g; B1d la; A2d d; B2d a Gli-A1d g; Bi d la; A2d a; B2d ou ( 1,14 %)

Л1 Л2 ЛЗ L. Б.с. М. Л4 ЛЗ L.

Рис. 1. Электрофоретические спектры преобладающих биотипов селекционных линий твердой пшеницы: Л1–Л4 – линии № 1–4; Б.с. – Безенчукская степная (I биотип); М. – Марина

(II биотип); L. – Langdon (стрелкой указано направление миграции белков при электрофорезе)

В .4          03          02          0.1

-I-----------------------I-----------------------1-----------------------I-----------------------

Марина (I)

Марина (III)

Безенчукская степная (I)

Безенчукская степная (II)

Линия №1 (III)

Линия №2 (II)

Линия №3

Линия №4 (II)

Линия №4 (I)

Линия №1 (II)

— Марина (IV)

■ Линия №2 (I) Марина (II)

Линия №1 (I)

Рис. 2. Дендрограмма сортов и селекционных линий твердой пшеницы

(шкала показывает значение генетической дистанции по Dice, на ветвях указаны значения bootstrap-индексов, в скобках – номера биотипов)

Близость сорта Безенчукская степная к I и III биотипам сорта Марина объяснима общностью их происхождения (см. табл. 1). Компоненты глиадина наследуются блоками, частота рекомбинаций внутри которых крайне низка. Характер наследования блоков компонентов глиадина кодоминантный. Это выражается в том, что при скрещивании гибриды F 1 имеют весь набор компонентов проламина родительских особей [15]. В следующих поколениях происходят расщепления, однако все потомки будут иметь разнообразные комбинации только тех блоков компонентов, которые были у родительских особей.

Отсутствие генетических различий между первыми биотипами линий № 1, 2 и II биотипом сорта Марина подтверждает, что семенной материал сорта Безенчукская степная подвергся механическому засорению. Линии № 1 и 2 представляют собой размноженный II биотип сорта Марина. Механическое смешивание сортов – частое явление на предприятиях, возделывающих несколько сортов одной культуры. Этому способствует использование для посева, уборки и доработки зерна одной и той же техники и плохая ее очистка от семян предыдущего сорта.

Линии № 3 и 4 не идентичны, но генетически близки сорту Марина, что указывает на их родство. На наш взгляд, они появились в результате биологического засорения. Появление биологической примеси возможно, например, в случае расщеплений при остаточной гетерозиготности сорта, а также в результате спонтанной гибридизации и мутационных процессов [16]. Сорт Марина включен в Государственный реестр селекционных достижений РФ в 2009 г. и возделывается более 10 лет. Остаточная гетерозиготность в данном случае маловероятна. Для твердой пшеницы характерно закрытое цветение, однако, как и у других самоопыляющихся сельскохозяйственных культур, часть цветков может цвести открыто. Этому способствует повышенная температура и влажность воздуха [17]. Результатом становятся естественные скрещивания, которые приводят к появлению новых генотипов. По нашему мнению, генотипы линий № 3 и 4 представляют собой естественные гибриды либо мутантные формы, в формировании которых участвовал сорт Марина. Учитывая, что линии № 3 и 4 характеризуются высокими показателями качества зерна, они являются перспективными для дальнейшего изучения и включения в селекционный процесс.

Выводы

• 1.    В результате электрофоретического анализа установлено, что все селекционные линии представляют собой механическую примесь. Линии № 1 и 2 имеют генетическую формулу глиадина Gli-A1^d g; B1^d c; A2^d a; B2^d a, идентичны II биотипу сорта Марина.

• 2.    Селекционные линии № 3 и 4 по компонентному составу глиадина отличаются от сорта Марина (Dice = 0,2). Генетическая формула глиадина линии №3 Gli-A1^d g; B1^d la; A2^d a; B2^d ou, основного биотипа линии № 4 – Gli-A1^d g; B1^d la; A2^d d; B2^d a. Эти генотипы представляют собой спонтанные гибриды или мутантные формы II биотипа сорта Марина.

• 3.    Линии № 3 и 4, характеризующиеся уникальными спектрами глиадина, оставлены для дальнейшего изучения и включения в селекционный процесс.