Введение к работе
Актуальность проблемы. Генетическая эрозия, вызванная современными методами культивирования растений, привела к сужению разнообразия мягкой пшеницы Triticum aestivum L. по генам, контролирующим хозяйственно-ценные признаки, в том числе по генам устойчивости к болезням. Для увеличения генетического разнообразия и в качестве источников эффективных генов устойчивости используются сородичи пшеницы — дикие и культурные виды злаков (Friebe et al. 1996, Гончаров 2002). Одним из таких видов является Т. timopheevii Zhuk. (2w=28, геномная формула GGA А), обладающий комплексным иммунитетом к желтой, бурой и стеблевой ржавчинам, мучнистой росе, пыльной и твердой головне, фузариозу, гессенской и шведской мухам, клопу-черепашке, зеленоглазке и пьявице (Дорофееев и др. 1979). Вид Т. timopheevii недостаточно использовался в селекционных работах и потенциал этого вида как источника эффективных генов устойчивости еще далеко не исчерпан к настоящему моменту (Broun-Guedira et al. 1996, Будашкина и др. 1988). Поиск новых и эффективных генов, контролирующих устойчивость к заболеваниям, подбор доноров для селекционных программ и создание новых улучшенных генотипов пшеницы являются неизменно актуальными задачами, направленными на расширение генетического разнообразия сельскохозяйственных культур.
Одним из наиболее распространенных и вредоносных заболеваний пшеницы является бурая ржавчина, вызываемая базидиальным грибом Puccinia triticina Eriks. При развитии сильной эпифитотии потери урожая зерна в результате поражения растений могут достигать 40-50% (Маркелова 2011, Roelfs et al. 1992). Наиболее эффективным способом борьбы является создание и культивирование сортов и линий пшеницы, обладающих устойчивостью к бурой ржавчине. Лишь немногие из интенсивно используемых Lr-генов (генов устойчивости к бурой ржавчине) способны на сегодняшний день обеспечить длительную устойчивость (durable resistance) (Kou, Wang 2010, Qi et al. 1999, Singh et al. 2005). Ранее в ИЦиГ CO РАН была создана коллекция гибридных линий мягкой пшеницы, устойчивых к бурой ржавчине, полученная на основе скрещивания Т. aestivum с Т. timopheevii, (Будашкина и др. 1988). Леоновой с соавторами (2008) было показано на двух сестринских линиях, что устойчивость к листовой ржавчине детерминируется тремя локусами QLr.icg-lA, QLr.icg-2A и QLr.icgSB, картированных на хромосомах 1А, 2А и 5В, соответственно. Созданные гибридные линии содержали множественные участки интрогрессии от Т. timopheevii, что негативно влияло на формирование количественных признаков и не позволяло оценить вклад отдельных локусов в формирование признака устойчивости.
Создание и изучение линий мягкой пшеницы, несущих в составе генома только целевой ген (почти изогенные линии) или фрагмент хромосомы дикого или культурного родственного вида, преследует несколько целей. В первую очередь это оценка потенциала гена (или интрогрессивного фрагмента) в формировании изучаемого признака (Салина и др. 2008, Uhrin et al. 2010). Линии, содержащие только целевой ген (или фрагмент хромосомы) от образца - донора признака, могут использоваться в качестве моделей для локализации генов, изучения их структуры и экспрессии, а также в качестве источника новых генов в селекционном процессе.
Использование маркеров для отбора нужных генотипов растений в беккроссных поколениях (marker assisted backcrossing, МАВ) является одним из
новых подходов, который в настоящее время используется для ускорения процессов интрогрессии целевых генов и создания почти изогенных линий (Collard, Mackill 2008). Использование молекулярных маркеров позволяет также контролировать элиминацию генетического материала донора и отбирать генотипы с минимальным размером интрогрессивного фрагмента.
Основная цель нашей работы - это создание интрогрессивных линий мягкой пшеницы с использованием молекулярно-генетических методов и изучение влияния отдельных участков хромосом Triticum timopheevii Zhuk. на формирование устойчивости к бурой ржавчине и количественные признаки мягкой пшеницы. Задачи данного исследования:
-
Создание линий мягкой пшеницы с единичными интрогрессивными фрагментами от Т. timopheevii или их комбинациями путем контролирования процессов беккроссирования микросателлитными (SSR) маркерами.
-
Молекулярно-цитологический анализ интрогрессивных линий мягкой пшеницы. Определение хромосомной локализации и размера интрогрессивных фрагментов в созданных линиях.
-
Оценка интрогрессивных линий мягкой пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине.
-
Оценка влияния различных фрагментов интрогрессии Т. timopheevii и их комбинаций на хозяйственно-ценные признаки мягкой пшеницы.
Научная новизна работы. В результате проведенной работы нами впервые с применением отбора с помощью молекулярных маркеров были получены линии мягкой пшеницы, несущие единичные транслокации от Т. timopheevii. Впервые показано, что локус QLr.icgSB, перенесенный в геном мягкой пшеницы от Т. timopheevii, обеспечивает устойчивость линий мягкой пшеницы к бурой ржавчине на всех стадиях развития растения. Продемонстрирована эффективность комплексного подхода при использовании молекулярных SSR-маркеров и цитологических методов для анализа форм мягкой пшеницы, полученных с участием материала Т. timopheevii.
Практическая ценность работы. В результате данного исследования получено пять цитологически стабильных линий мягкой пшеницы с единичными транслокациями от Т. timopheevii, обладающие устойчивостью к бурой ржавчине, которые могут быть использованы в селекции в качестве доноров устойчивости. В ходе данной работы был отработан метод маркер-ориентированного отбора, использование которого позволяет значительно сокращать время получения новых улучшенных генотипов пшеницы. Были отобраны молекулярные маркеры, позволяющие эффективно маркировать локусы, контролирующие признак устойчивости к бурой ржавчине. Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Локус QLr.icgSB, перенесенный в геном мягкой пшеницы от Т. timopheevii, обеспечивает устойчивость линий мягкой пшеницы к бурой ржавчине, характерной для Западной Сибири, на всех стадиях развития растения.
-
Комбинация минорных локусов устойчивости к бурой ржавчине QLr.icg-2A и QLr.icg-lA у интрогрессивных линий мягкой пшеницы оказывает сдерживающий эффект на развитие болезни на стадии взрослых растений и не приводит к развитию гиперчувствительного ответа.
Личный вклад автора. Основная часть экспериментальной работы и анализ полученных результатов выполнена автором самостоятельно. Данные по
устойчивости на стадии проростков предоставлены сотрудниками ГНУ СибНИИРС Россельхозакадемии Сочаловой Л.А. и Христовым Ю.А. Данные по количественным признакам у интрогрессивных линий в Омской области 2009-2010 гг. (поле 1) предоставлены сотрудниками ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии Беланом И.А. и Россеевой Л.П. Данные по микросателлитным маркерам, уточняющие границы интрогрессивных фрагментов, предоставлены Леоновой И.Н. Апробация работы. Результаты работы были представлены на 11 международных и российских конференциях, среди которых 1-ая международная школа-конференция молодых учёных «Генетика и селекция растений, основанная на современных генетических знаниях и технологиях» (2008, Москва-Звенигород), 5-ый съезд ВОГиС (2009, Москва), международная конференция «Генетика, геномика и биотехнология растений» (2010, Новосибирск), международная конференция «Green plant breeding technologies» (2010, Vienna, Austria), международная конференция «Генетические ресурсы и геномика пшеницы» (2011, Новосибирск), 20th ITMI/2ndWGC Joint Workshop (2011, Beijing, China) и другие, a также обсуждались на отчетной сессии ИЦиГ СО РАН (2008, 2011). Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях, получен патент «Способ создания линий мягкой пшеницы, устойчивых к бурой листовой ржавчине», номер 2407283 RU.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 15 рисунков. Библиографический указатель содержит 280 источников.
