Сравнительная характеристика коллекций посевного и византийского овса по компонентному составу авенина

Введение . Род Avena L., в соответствии с современной классификацией, объединяет 26 видов, которые имеют три уровня плоидности и представлены группами с числом хромосом 2 n = 14, 28 и 42. В каждой из групп плоидности есть культурные виды: A. strigosa Schreb. – овёс песчаный (щетинистый) (2n=14); A. abyssinica Hochst. – овёс абиссинский (2n=28); A. byzantina C. Koch. – овёс византийский (2n=42) и A. sativa L. – овёс посевной (2n = 42) [1]. На территории Российской Федерации возделываются два вида овса – посевной и византийский. Выращивание овса имеет широкие перспективы и практическое значение. В связи с этим все большее значение приобретает создание новых перспективных сортов, что требует улучшения селекционно-семеноводческой работы. Особого внимания заслуживает повышение эффективности оценки исходного материала при подборе пар для скрещиваний: помимо ценных хозяйственных признаков родительские формы должны обладать адаптивным потенциалом для конкретных природно-климатических условий. С появлением биотехнологических методов для решения таких задач начал успешно применяться электрофорез запасных спирторастворимых белков семян – проламинов [2–6]. На примере многих сельскохозяйственных культур установлена зависимость частоты встречаемости блоков компонентов проламинов от различных климатических факторов [7, 8].

Для анализа генетического разнообразия овса широко используются высокополиморфные запасные спирторастворимые белки – авенины. Компоненты электрофоретических спектров авенина наследуются блоками и контролируются тремя независимыми локусами: Avn A, Avn B и Avn C [9]. Однако данные о связи между изменчивостью аллельного разнообразия блоков компонентов авенина и природноклиматическими факторами в литературе практически отсутствуют, а каталог аллельных вариантов блоков компонентов проламина разработан лишь для посевного овса [10].

Цель исследований . Сравнительная характеристика коллекций посевного и византийского овса на основе компонентного состава авенина и оценка возможности применения блоков компонентов авенина в маркерной селекции при оценке исходного материала по овсу.

Материалы и методы . Для электрофоретического анализа проламинов использовали образцы культурных гексаплоидных видов рода Avena L., предоставленные Всероссийским институтом генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова и Научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северного Зауралья – филиалом Федерального исследовательского центра Тюменского научного центра Сибирского отделения РАН. В ходе работы было исследовано 12 образцов вида Avena byzan-tina C. Koch. и 223 образца вида Avena sativa L.

Одномерный электрофорез авенинов проводили в соответствии со стандартной методикой с модификациями [11, 12]. Для анализа методом случайной выборки отбирали по 20 зерновок каждого образца. Экстракцию белка проводили из муки индивидуальных зерновок 70%-м этанолом при температуре 40 °С в течение 40 мин. В полученный супернатант приливали по 300 мкл красителя метиленового зеленого. Экстракт белка вносили в полиакриламидный гель, наслаивая под буфер. Разделение белковых молекул проводили в вертикальных электрофоретических камерах с размерами формируемых пластин 178×175×1,5 мм (Helicon, Россия) в течение 3,5–4,0 ч при постоянном напряжении 500 V в алюминий-лактатном буфере (pH 3,1). Далее гелевые пластины окрашивали в 10%-м растворе трихлоруксусной кислоты с добавлением 0,05%-го Кумасси бриллиантового голубого R-250 в этаноле в течение 8 часов. Идентификацию аллелей блоков компонентов проламина, контролируемых локусами Avn A, Avn B, Avn C, проводили согласно каталогу генетической номенклатуры для посевного овса, разработанному В.А. Портянко и др. [9, 10]. В качестве стандарта использовали зерновки овса посевного сорта Астор (Avn A2 B4 C2). Полученные данные обрабатывали с использованием пакета программ STATISTICA 10 (StatSoft, Inc. (2011). STATISTICA (data analysis software system), version 10).

Результаты и их обсуждение . В результате анализа установлено, что в коллекции вида A. sativa 47,7 % образцов были гомогенными по компонентному составу авенина. Максимальное число биотипов в гетерогенных образцах этого вида достигало 9. Среди образцов A. byzantina гетерогенными были 75,0 %, а максимальное число биотипов, выявленных в одном образце, составило 12 шт. (табл. 1).

Гетерогенность образцов объясняется особенностями выведения. При создании сортов методом гибридизации и отбора из гибридных популяций высока вероятность попадания в выборку семян гетерозиготных растений, в том числе и по генам проламинов. Число биотипов в таком сорте будет зависеть от количества про-ламин-кодирующих локусов, по которым было гетерозиготно родоначальное растение. Необходимо отметить, что гетерогенные сорта довольно часто встречаются среди районированных благодаря тому, что имеют преимущество перед гомогенными сортами по реакции на различные стрессовые факторы [13]. При этом стоит учитывать, что присутствие нескольких типов спектра в одном образце может быть и результатом простого механического либо биологического засорения [14].

В результате анализа электрофоретических спектров установлено, что исследованные виды овса незначительно отличались по количеству белковых компонентов в спектрах образцов (табл.1). Среднее их количество в спектрах посевного овса составило 8,5, а в спектрах византийского – 8,2.

Характеристика спектров авенина посевного и византийского овса

Таблица 1

Вид овса	Биотипный состав		Компонентный состав
	Количество гетерогенных образцов, %	Максимальное число биотипов в образце, шт.	Min	Max	M±m	Общее количество компонентов, шт.
A. sativa L.	52,3	9	5	11	8,5±0,05	160
A. byzantina C. Koch.	75,0	12	6	10	8,2±0,13	59

Примечание. M – средняя арифметическая, m – ошибка средней арифметической, F=62,607; р<0,05.

Общее количество различных белковых компонентов, обнаруженных в результате анализа электрофореграмм образцов византийского овса, составило 59 шт., посевного овса – 160 шт. При этом установлено, что 84,7 % белковых компонентов, выявленных в спектрах образцов византийского овса, встречаются также у образцов A. sativa L. Присутствие большого количества одинаковых белковых фракций в спектрах этих видов может быть следствием их происхождения от одной родоначальной формы – A. sterilis L . и одинакового геномного состава ( ACD ) [1]. По мнению И.Г. Лоскутова с соавторами (2005), количество компонентов авенина в спектрах может быть связано со степенью распространения видов овса в природе. У видов с самым широким ареалом распространения наблюдается наибольшее число компонентов и типов спектров [15]. Полученные нами данные о компонентном составе проламинов культурных видов согласуются с этой теорией, поскольку овес посевной занимает самый широкий ареал на континентах, а распространение византийского овса ограничено в основном побережьем стран Средиземного моря.

В результате идентификации аллельных вариантов блоков компонентов проламина, контролируемых авенин-кодирующими локусами, рассчитана частота встречаемости вариантов блоков отдельно для каждого вида.

По локусу Avn A в каталоге представлено 8 вариантов блоков компонентов. Все они были обнаружены при анализе спектров авенина образцов посевного овса (табл. 2). В коллекции византийского овса не выявлены образцы с вар и а н тами блоков А1, А3, А5 и А7 в спектрах. Самым распространённым вариантом блоков компонентов у обоих исследованных видов был А2. Вторым по частоте встречаемости у образцов посевного овса был аллель А1 (9,1%). Биотипов византийского овса с этим аллельным вариантом не обнаружено. Наименьшей частотой встречаемости у сортов посевного овса характеризовались аллели А3, А6 и А8, выявленные менее чем у 1% образцов. Византийский овёс отличался более высокой частотой встречаемости образцов с аллелем А8 (6,5%) и более низкой – с аллелем А4 (1,6%).

Таблица 2

Частота встречаемости блоков компонентов авенина, контролируемых локусом Avn A, %

Вид овса	Аллель
	А1	А2	А3	А4	А5	А6	А7	А8	ned
A. sativa	9,1	41,1	0,8	7,7	2,8	0,4	2,0	0,4	35,7
A. byzantina	0,0	40,3	0,0	1,6	0,0	1,6	0,0	6,5	50,0

На сегодняшний день разнообразие аллельных состояний авенин-кодирующих локусов изучено недостаточно, поэтому не для всех образ- цов удалось провести полную идентификацию блоков компонентов. В случае, если обнаруженный блок компонентов отсутствовал в каталоге, вместо его порядкового номера в генетической формуле записывалось сочетание ned. Наибольшее количество образцов с не идентифицированными аллелями по локусу Avn A было в коллекции византийского овса (50%).

По локусу Avn В в каталоге прописаны 5 вариантов блоков компонентов. Частота встречаемости аллелей по этому локусу была примерно одинаковой среди образцов A. sativa, A.

byzantina (табл. 3). Исключение составил аллель В2, который был самым редким в коллекции посевного овса (5,4%), а в коллекции византийского овса обнаружен у 22,6 % образцов. Чаще всего у исследованных видов встречались образцы с блоком В1 (25,6–27,5%), а самыми малочисленными оказались биотипы с вариантами В3 и В5, частота встречаемости которых не превышала 6,2 %.

Таблица 3

Частота встречаемости блоков компонентов авенина, контролируемых локусом Avn В, %

Вид овса	Аллель
	В1	В2	В3	В4	В5	ned
A. sativa	25,6	5,4	6,2	16,1	5,6	41,1
A. byzantina	27,5	22,6	3,2	16,1	1,6	29,0

По локусу Avn С преобладал в спектрах образцов A. sativa, A. byzantina блок компонентов С3, частота встречаемости которого составила 26,0 и 37,2 % соответственно (табл. 4). Вторым по распространённости был вариант блока С2 (17,9 и 17,7%). Немного реже встречались образцы с блоками С1 и С6*.

Самыми редкими в спектрах образцов посевного овса были блоки С5 и С6а с частотой встречаемости 2,8 %. В коллекции византийского овса реже остальных встречался блок С5 (1,6%). Ни у одного из исследованных образцов не были обнаружены блоки С4 и С6, а в коллекции византийского овса также не выявлены варианты С6a и C6b .

Таблица 4

Частота встречаемости блоков компонентов авенина, контролируемых локусом Avn С, %

Вид овса	Аллель
	С1	С2	С3	С4	С4*	С5	С6	С6*	С6a	С6b	С7	ned
A. sativa	14,9	17,9	26,0	0,0	5,0	2,8	0,0	7,7	2,8	7,1	5,0	10,8
A. byzantina	14,5	17,7	37,2	0,0	4,8	1,6	0,0	12,9	0,0	0,0	8,1	3,2

Таким образом, установлено, что коллекции A. sativa и A. byzantina отличаются как по общему числу обнаруженных вариантов блоков компонентов проламина, так и по частоте их встречаемости. Эти отличия могут быть следствием того, что посевной и византийский овёс имеют разные центры формообразования [1]. Известно, что аллельные варианты блоков компонентов проламинов имеют жёстко детерминированные связи с адаптивными свойствами генотипов [2]. В процессе эволюционного развития каждого из видов появлялись особи, несущие ассоциации генов, дающие им преимущества в определённых природно-климатических условиях. Со временем количество особей с таким гено- типом в популяции увеличивалось, что привело к повышению частоты встречаемости маркирующих этот генотип блоков компонентов авенина. При этом среди неидентифицированных блоков могут быть как общие для обоих исследованных видов, но отличающиеся по частоте встречаемости, так и видоспецифичные аллельные варианты, перспективные для использования в качестве маркеров ценных хозяйственных и адаптивных признаков.

Выводы

• 1.    В коллекции посевного овса количество образцов, гетерогенных по компонентному со-

• ставу авенина, составило 52,3 %; максимальное число биотипов, выявленных в одном образце, достигало 9. В коллекции A. byzantina гетерогенными были 75,0 % образцов, количество биотипов достигало 12 шт.

• 2.    Общее количество компонентов авенина, выявленных в спектрах образцов посевного овса, составило 160. В спектрах образцов византийского овса обнаружено 59 компонентов, 84,7 % которых встречаются также у образцов A. sativa L., что является следствием их происхождения от одной родоначальной формы – A. sterilis L .

• 3.    Коллекции A. sativa и A. byzantina отличаются по общему числу обнаруженных вариантов блоков компонентов проламина и частоте их встречаемости, что может быть результатом эволюционного развития видов в отличающихся природно-климатических условиях.

• 4.    Полученный материал представляет интерес для дальнейшего исследования и выявления блоков компонентов, в том числе видоспецифичных, маркирующих ценные хозяйственные и адаптивные признаки.