Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение іенетического разнообразия мягкой пшеницы (Tnticum aestivum L) является одной из самых актуальных проблем генетики вида, поскольку позволяет ответить на ряд вопросов, касающихся происхождения, эволюции и путей распространения важнейшей сельскохозяйственной культуры мира, которые остаются не до конца выясненными (Бадаева, 2000, Dvorak, Luo, 2001, Dubcovsky et al, 2007 и др)
Для получения объективной картины генетического разнообразия вида и изучения процессов его формирования необходимы оффекіивньїе генетические маркеры, в качестве которых в данном исследовании выступают гены глиадинов - запасных белков зерновки пшеницы Огромный внутривидовой полиморфизм этих белков, выявляемый при электрофорезе, обеспечивается множественным аллелизмом глиадинкодируюгцих локусов Относительная селективная нейтральность их полиморфизма и хорошо изученная генетика (Shepherd, 1968, Созинов, Попереля, 1979, Созинов, 1985 и др), позволили использовать глиадины в качестве генетических маркеров (Созинов, 1985, Конарсв, 1983) Однако эти исследования не охватывали фундаментальную проблему изучения генетического разнообразия вида в пространстве и во времени из-за ограничений, накладываемых на результаты экспериментов гелевым носителем Появление новых гелевых носителей (Bushuk, 1982) открыло перспективу многократного увеличения количества полипептидов глиадина, разделяемых этекгрофорезом, что, в свою очередь, расширило возможности использования глиадина в качестве генетического маркера для решения ряда фундаментальных вопросов генетики пшеницы Однако использование новых гелевых носителей требовало разработки соответствующей методики, с последующим изучением генетического контроля компонентов глиадина, характера их наследования, выявления аллелей глиадинкодирующих локусов (ГКЛ), контролирующих синтез элек-трофоретических компонентов, создание баз данных в виде каталога алтелей Использование обширных баз данных позволяло оценить вклад искусственного и естественного отбора в микроэвочюцию вида на современном этапе развития научной селекции и определить вектор происходящих в результате селекции генетических процессов, а также их влияние на іено-фонд вида, давало возможность проследить динамику уровня іенетической изменчивости от представителей древнего генофонда (аборигенных сортов и местных форм) до современных генотипов для оценки состояния генофонда современных сортов, который определяет пластичность вида и, следовательно, его жизнеспособность Расширенные возможности, предоставляемые новыми методиками, позволяли провести сравнительный анализ генетической изменчивости у разных видов рода Tritwum и получить объективную информацию об их фи*\
логенетических взаимоотношениях, которые изучены недостаточно полно и данные по этому вопросу у разных авторов крайне противоречивы (Вавилов, 1924, Удачин, 1991, Tsunewaki et al, 1993, Feldman et al, 1995, 2001, Nesbitt, 2001, Гончаров, 2007 и др) Позволяли изучить распределение генетической изменчивости, характерной для аборигенных сортов и местных линий в разных регионах, для формирования представлений о путях расселения пшеницы из Центров разнообразия в Европу и Азию
Исходя из всего вышеизложенного, была поставлена цепь и задачи настоящей диссертационной работы
Цель работы
Изучение закономерностей формирования биоразнообразия у мягкой пшеницы (ТгШсит aestivum L), ее происхождения, эволюции и распространения из центров разнообразия с использованием в качестве генетических маркеров генов запасных белков
Задачи работы
-
Установить генетический контроль и характер наследования полипептидов глиадина, разделяемых одномерным и двумерным электрофорезом
-
Изучить внутривидовую изменчивость глиадинкодирующих генов у сортов мягкой пшеницы Составить каталог аллелей по всем ГКЛ Создать базы данных по распределению частот аллелей у современных и стародавних сортов различных регионов мира
-
Изучить влияние искусственного отбора в процессе многолетней селекции на поддержание генетического разнообразия вида ТгШсит aestivum L Выявить генетические процессы, происходящие в генофонде мягкой пшеницы в результате селекции
-
Оценить состояние генофонда современных сортов мягкой пшеницы через сравнительный анализ генетического разнообразия современных и стародавних сортов
-
Изучить вклад естественного отбора в микроэволюцию вида на современном этапе научной селекции выявить закономерности формирования генетической изменчивости ГКЛ у сортов пшеницы, районированных в различных климатических зонах РФ, определить механизмы, вызывающие пространственную дифференциацию аллелей ГКЛ Исследовать влияние отбора на динамику частот аллелей ГКЛ в искусственно созданной гибридной популяции
-
Изучить филогенетические взаимоотношения видов в роде ТгШсит L на основе сравнения генетической изменчивости их глиадинкодирующих генов
-
Реконструировать пути распространения культуры мягкой пшеницы из Центров разнообразия, используя базы данных по распределению частот аллелей ГКЛ у представителей древнего генофонда (аборигенных сортов) различных регионов
Научная почины
Впервые изучен генетический контроль и характер наследования электрофоретических компонентов глиадина с использованием двумерного электрофореза Показано, что олектро-форетический спектр распадается на 6 групп (блоков) сцеплено наследующихся компонентов, которые контролируется 6-ю локусами, расположенными на 1-й и 6-й гомеологических хромосомах, что полностью подтвердило результаты, полученные при помощи одномерного электрофореза в полиакриламидіюм геле Впервые описан полиморфизм 966 сорюв мягкой пшеницы по электрофоретическим спектрам глиадина с использованием одномерного электрофореза в полиакриламидіюм геле Установлен множественный аллелизм ГКЛ -для шести локусов выявлено 170 аллелей, различающихся количеством, интенсивностью и подвижностью контролируемых ими электрофоретических компонентов Создан каталог аллелей ГКЛ и определены 267 сортов, электрофорегическне спектры которых служат эталонами для конкретных аллелей ГКЛ
Впервые выдвинута гипотеза о сложной структуре ГКЛ, представляющих собой кластер тесно сцепленных генов, контролирующих синтез нескольких полипептидов глиадина, которые наследуются как единый менделеевский признак В кластере, как правило, имеется «ядро» генов, между которыми нет рекомбинации и гены, находящиеся на некотором расстоянии от ядра Определена частота рекомбинации между наиболее отдаленным геном и остальной частью кластера
Впервые с помощью SDS-электрофореза получена оценка молекулярной массы всех компонентов, входящих в блоки, контролируемые разными аллелями всех глиадинкодирующих локусов Это позволило обосновать гипотезу об эволюции глиадинкодирующих генов, посредством дупликации с последующей дивергенцией последовательностей в результате мутационного и рекомбинационного процесса, что привело к изменению как размера протеин-кодирующей части, так и числа экспрессирующихся генов
Впервые экспериментально с помощью искусственно созданной гибридной популяции показана возможное іь маркирования аллелями ГКЛ признаков со сложным полигенным контролем, таких как адаптивная и селекционная ценность генотипов, а, следовательно, возможность маркирования генотипов сортов
Впервые выявлен клинальный характер генетической изменчивости ГКЛ на территории РФ Установлены конкретные абиотические факторы, поддерживающие эту клину
Впервые установлено, что в результате искусственного отбора при долговременном селекционном процессе происходит уменьшение генетического разнообразия вида Triticum aesti-
vum L в целом, что ведет к его генетической эрозии Выявлены основные факторы, вызывающие генетическую эрозию данного вида
Подтверждена гипотеза о полифилетическом происхождении Triticum aestivum L Выявлены филогенетические связи между некоторыми видами рода Triticum, позволившие выдвинуть и обосновать гипотезу о происхождении мягкой пшеницы
Впервые показано, что в горных районах Закавказья и Центральной Азии сосредоточен максимум аллельного разнообразия ГЬСЛ, что подтверждает представление об этих районах как центрах разнообразия мягкой пшеницы Показано, что генотипы сортов Закавказья и Центральной Азии получили D-геном из разных источников
Впервые выдвинута гипотеза о путях распространения культуры мягкой пшеницы из Центров разнообразия в Европу и Азию на основании распределения частот аллелей глиадинко-дирующих локусов
Практическая ценность работы
Множественный аллелизм ГКЛ позволяет с высокой точностью и эффективностью маркировать генотипы сортов, что может быть использовано а) в селекции и семеноводстве для определения чистоты и подлинности сортов, программированного подбора пар при гибридизации, создания генетически выровненных сортов, б) в области торговли семенным материалом, когда необходимо определить соответствие партии семян коммерческим требованиям, в) в судебной (арбитражной) практике, где требуется не только оценить чистоту и подлинность сортов и их родословных, но и выявить источник примесей Глиадиновые маркеры целесообразно использовать для контроля чистоты и повторности образцов в коллекциях, а также для мониторинга генетических процессов, происходящих в образцах в течение их длительного воспроизводства Кроме того, множественные аллели ГКЛ могут быть использованы как генетические маркеры в частной и популяционной генетике мягкой пшеницы при картировании генов, для маркирования участков хромосом, при изучении популяционной структуры и динамики ее изменений, в филогенетических исследованиях рода Triticum L
Основные положения диссертации, выносимые на злщигу
-
Генетический контроль глиадинов осуществляется 6-ю песцеплеипьши локусами хромосом 1-й и 6-й гомеологичсской группы Одним локусом контролируется несколько сцеплено наследующихся полипептидов - блоков электрофоретических компонентов глиадина Глиа-динкодирующие локусы представляют собой кластер тесносцепленных, практически нереком-бинирующих генов и характеризуются множественным аллелизмом
-
Микроэволюция мягкой пшеницы в процессе долговременной селекции определяется, в павном, искусственным отбором, в резучьтате действия которого происходит постепенное
сужение генетической изменчивости вида, то есть его генетическая эрозия Причина эрозии -замена уникального местного генофонда генетическим материалом ограниченного числа сортов-доноров
-
Естественный отбор поддерживает генетическое разнообразие мягкой пшеницы через механизмы адаптации растении к абиотическим факторам среды, что вызывает клинальную изменчивость глиадинкодирующих локусов у современных сортов России
-
Филогенетические связи между видами рода Triticum L, выявляемые при сравнительном анализе их генетической изменчивости, позволяют определить возможного тетраплоидного предшественника мягкой пшеницы, подтвердить гипотезу полифилетического происхождения вида
-
Изменчивость ГКЛ у аборигенных сортов горных районов Памира и Гиндукуша позволяет рассматривать их как центры разнообразия мягкой пшеницы, а генотипы сортов этих регионов как две іенетические ветви, которые получили D-гміом из разных источников
-
Распространение мягкой пшеницы в Европу из центров разнообразия, согласно распределению аллелей ГКЛ у аборигенных сортов, шло как минимум двумя крупными волнами
Апробация работы
Результаты работы доложены на международных и всероссийских съездах, симпозиумах, конференциях и семинарах, а именно на Международном совещании по пшенице и кукурузе (Hungary, Martonvashar, 1989), 3-м (Hungary, Budapest, 1987) и 4-м (Canada, Winnipeg, 1990) Международном Симпозиуме по белкам глютена (Workshop on Gluten Proteins), 5-м и 6-м Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1985, 1987), Конгрессе генетиков Сербии (Serbia, Subotica, 2004), 3-м Съезде ВОГиС (Москва, 2004), 2-м Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (Санкт-Петербург, 2006), 2-й Вавиловской международной конференции (Санкт-Петербург, 2007), семинарах в университетах Любляны, Нового Сада (Slovenia, 1991, Serbia, 1991) и Векше (Vaxjo University, Sweden, 2006), Институтских научных семинарах в НИИ Agricultural research institute SERBIA -Small Grains Research Centre (Serbia, Kraguevac , 2004, 2005) и в НИИ Institute Field and Vegetable Crops, (Seibia, Nov і Sad, 2005, 2006, 2008)
Публикации
Материал диссертации опубликован в 41 работах в международных, отечественных научных журналах и сборниках
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора в период с 1981 по 2006 год При оформлении научных публикаций, постановке проблемы
диссертации участие автора было определяющим Исследования проведены в Институте общей генетики им НИ Вавилова РАН Автор приносит глубокую благодарность акад РАСХН А А Созинову, д-ру Е В Метаковскому и другим бывшим и настоящим сотрудникам лаборатории, в сотрудничестве с которыми были выполнены некоторые разделы работы Особую признательность автор выражает научному консультанту д б н , проф В А Пухагь-скому за поддержку выполненных исследований, критические замечания и полезные советы, высказанные в процессе написания работы
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, трех глав, описывающих результаты экспериментов, заключения, выводов, списка литературы Материал диссертации изложен на 317 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и 50 таблиц Список литературы содержит 659 работ, из них 543 на иностранных языках
