научная статья по теме АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНОВ КОРОТКОСТЕБЕЛЬНОСТИ ПШЕНИЦЫ И РЖИ СРЕДИ СОРТООБРАЗЦОВ ЯРОВОЙ ГЕКСАПЛОИДНОЙ ТРИТИКАЛЕ (TRITICOSECALE WITTM.) Биология

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНОВ КОРОТКОСТЕБЕЛЬНОСТИ ПШЕНИЦЫ И РЖИ СРЕДИ СОРТООБРАЗЦОВ ЯРОВОЙ ГЕКСАПЛОИДНОЙ ТРИТИКАЛЕ (TRITICOSECALE WITTM.)»

ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 3, с. 334-340

ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ

УДК 577.21:575.113:633.1

АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНОВ КОРОТКОСТЕБЕЛЬНОСТИ ПШЕНИЦЫ И РЖИ СРЕДИ СОРТООБРАЗЦОВ ЯРОВОЙ ГЕКСАПЛОИДНОЙ ТРИТИКАЛЕ (Triticosecale Wittm.) © 2015 г. А. Д. Коршунова1, 2, М. Г. Дивашук1, 2, А. А. Соловьев1, Г. И. Карлов1, 2

1Российский государственный аграрный университет-МСХА имени К.А. Тимирязева, кафедра генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства, Москва 127550 2Центр молекулярной биотехнологии Российского государственного аграрного университета-МСХА

имени К.А. Тимирязева, Москва 127550 e-mail: karlovg@gmail.com; korshunova.ad88@gmail.com Поступила в редакцию 10.09.2014 г.

Проанализирована коллекция сортов и перспективных линий яровой гексаплоидной тритикале на наличие генов короткостебельности Rht-B1b, Rht-B1e, Rht8c пшеницы и ген короткостебельности Hl ржи. Выявлено, что гены короткостебельности у яровой тритикале представлены единственным геном Rht-B1b пшеницы. Наличие этого гена ассоциировано со снижением высоты растений яровой тритикале в среднем на 28 см, что составляет ~26%. Показано наличие гена Rht-B1b у всех исследованных коммерческих сортов яровой тритикале, что позволяет сделать вывод о важности использования генов короткостебельности для повышения конкурентоспособности этой культуры.

DOI: 10.7868/S0016675815030078

Гены короткостебельности у злаковых культур имеют крайне важное значение. Так, внедрение генов Шг-В1Ъ (ЯШ) и Ш-Б1Ъ (Ш2) в сорта пшеницы привело к значительному росту урожайности этой культуры [1]. В настоящее время активно используются и другие известные гены короткостебельности. Кроме строения и механизма действия генов короткостебельности широко изучается их распределение среди многих коллекций сортов пшеницы [2—6]. С помощью таких исследований становится возможной оценка экономической эффективности использования различных генов короткостебельности, адаптационных свойств сортов с этими генами в разных климатических условиях, а также выявление дополнительных эффектов генов короткостебельности и/или их сочетаний методами ассоциативной генетики [7—9].

На сегодняшний день у пшеницы выделено 22 гена короткостебельности ЕН1 [10]. Наиболее распространены среди сортов этой культуры гены тг-В1Ъ (ЯШ), т-тъ (Ш2), ЯЫ8с, №-Б1в (ЯНШ) [3, 5, 11]. При этом Ш-Б1Ъ (ЯШ) и Ш-В1в (ЕНИ1) — это мутантные аллели гена ЕН1-Б1, а Ш-Б1Ъ (ЯШ2) - гена ЯШ-Б1.

Растения, несущие аллель ЕН1-В1Ъ или ЕН1-Б1Ъ, являются не чувствительными к добавлению экзогенной гибберелловой кислоты (ГК). Эти аллели характеризуются наличием мутаций, приводящих в замене одной пары нуклеотидов и, следо-

вательно, к образованию стоп-кодона TAG вскоре после начала трансляции [1]. Мутация, приводящая к возникновению аллеля Rht-B1e, также обусловлена заменой одного нуклеотида и изменением кодона К61 (AAG) на стоп-кодон (TAG), но его позиция в Rht-B1e на три аминокислоты раньше, чем у Rht-B1b [12, 13]. Для всех перечисленных мутаций были разработаны молекулярные маркеры, хорошо зарекомендовавшие себя в многочисленных исследованиях [2, 6, 14].

Ген короткостебельности Rht8c связан с чувствительностью растений к ГК, расположен на коротком плече хромосомы 2D и тесно сцеплен с микросателлитным локусом Xgwm261 [15]. Известно восемь аллелей этого микросателлита [10].

У ржи выделяют пять типов короткостебель-ности, контролируемых различными генами, но наиболее благоприятным эффектом, связанным не только со снижением высоты, но и с увеличением урожайности, обладает доминантный тип короткостебельности, кодируемый геном Hl. Ген Hl (Ddw1) был обнаружен В.Д. Кобылянским в 1972 г. у естественного мутанта ржи ЕМ-1 [31]. Он является гомеологом гена карликовости пшеницы Rht12 [16—18]. Расположен на длинном плече хромосомы 5R [19] и тесно сцеплен с микросателлитным локусом REMS1218 [20].

Тритикале обладает большим потенциалом, так как сочетает в себе достоинства обоих родительских видов: урожайность пшеницы и устой-

чивость ржи к биотическим и абиотическим факторам. К недостаткам яровой тритикале относится ее высокорослость. Несмотря на важность проблемы и широкое изучение распространения генов короткостебельности среди коллекций пшеницы и ржи многих стран мира, исследований по изучению встречаемости этих генов у самой тритикале не проводилось.

Нами впервые проведен анализ коллекции 86 сортов и линий яровой гексаплоидной тритикале различного происхождения, на наличие наиболее распространенных генов короткостебельности пшеницы и ржи с использованием молекулярных маркеров на эти гены.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалом служила коллекция яровой гексаплоидной тритикале кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ—МСХА имени К.А. Тимирязева. Она представлена 86 образцами различного географического происхождения: Россия, Мексика, США, Украина, Белоруссия, Австралия, Польша, Испания, Швейцария (таблица).

Образцы коллекции выращивали на Полевой опытной станции в 2014 г. Высота образцов измерялась до верхушки колоса без учета длины остей, в середине делянки, в трех различных местах.

Геномную ДНК выделяли из 3-дневных проростков по методу Bernatzky и Tanksley [21] с некоторыми модификациями.

Для выявления аллелей Rht-B1b и Rht-B1a использовали праймеры BF, MR1 и WR1 [22], аллеля Rht-B1e - праймеры BF, WR3, MR3 [12]. Продукты ПЦР разделяли в 2%-ном агарозном геле в буфере ТВЕ и окрашивали бромистым этидием для последующей визуализации в УФ трансиллюминаторе.

Наличие гена Hl определяли с помощью прай-меров REMS1218 [20]. Для выявления аллельных состояний гена Rht8 использовали микросател-литный маркер Xgwm261 [15]. Определение аллелей микросателлитов REMS1218 и Xgwm261 проводили с помощью фрагментного анализа с использованием генетического анализатора 3130xl Genetic Analyzer.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

У яровой гексаплоидной тритикале (2n = 42, AABBRR) могут присутствовать гены короткостебельности пшеницы Rht-B1b (Rhtl) и Rht-B1e (Rht11) (локализованные в хромосоме 4 субгенома B пшеницы) и гены короткостебельности ржи (локализованные в субгеноме R). Ген Rht8c (лока-

лизованный на хромосоме 2 субгенома Э пшеницы) может присутствовать только в случае 2Я/2Э замещения, транслокации или интрогрессии.

Коллекция яровой гексаплоидной тритикале кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ—МСХА имени К.А. Тимирязева, состоящая из 86 образцов, была проанализирована с помощью молекулярных маркеров на наличие аллелей короткостебельности Ек1-Б1Ъ, Ек1-Б1в, Ек18с и гена Н1. Наличие аллеля Ек1-Б1Ъ было показано у 73 анализируемых образцов, что составляло 84.9% образцов коллекции. Аллель ЯМ-БЫ не был обнаружен ни у одного из образцов. Сравнение распределения по этим аллелям можно провести только с коллекциями пшеницы, так как данные о встречаемости аллелей короткостебельности у яровой тритикале в литературе отсутствуют. Среди сортов мягкой пшеницы, выращиваемых на юге России, было показано следующее распределение: аллель Ек1-Б1Ъ несли 38% сортов, аллель ЯМ-БЫ — 20% [2]. Среди зарубежных коллекций аллель Ек1-Б1Ъ был обнаружен у 16% сортов Украины [3], у 40% сортов Сербии [4], у 6% сортов Германии [5]. В США обнаружено 28% сортов с аллелем Ек1-Б1Ъ [6]. При этом во многих сортах пшеницы присутствуют другие аллели короткостебельности. Как можно видеть, в целом встречаемость аллеля Ек1-Б1Ъ среди яровой тритикале выше, чем среди сортов мягкой пшеницы. Связано это с тем, что у пшеницы по генам короткостебельности наблюдается большое разнообразие и в разных сортах снижение высоты обеспечивается различными генами.

При расчете средних высот изучаемых нами образцов по группам с аллелем Ек1-Б1Ъ и без него из анализа были исключены образцы, по которым ранее было показано наличие замещения 2Я/2Э [23]. Это обусловлено тем, что само по себе замещение 2Я/2Э вызывает значительное снижение высоты растений [24]. Средняя высота образцов с аллелем Ек1-Б1Ъ составила 77 см, а в отсутствие аллеля Ек1-Б1Ъ — 105 см. Таким образом, наличие аллеля Ек1-Б1Ъ у яровой тритикале ассоциировано со снижением высоты растений в среднем на 28 см, что составляет около 26%. У пшеницы этот показатель снижения высоты имеет близкое значение и составляет около 22% [25].

Анализ на наличие гена Ек18 проводили с помощью фрагментного анализа микросателлитно-го маркера Х^ш261, сцепленного с данным геном [15], только у тех образцов, у которых ранее было показано наличие замещения 2Я/2Э или транслокаций [23, 26]. В коллекции таких образцов было 19, у 18 из них было показано наличие аллеля 165 пн, а у одного образца (131/7), несущего хромосому 2Э и транслокацию T2RS.2RL-2BL

Характеристика сортов и линий яровой гексаплоидной тритикале по наличию аллелей генов короткостебельности, замещения 2R/2D [23] и высоте

Сорт/селекционная линия Rht-Blb 2R/2D Аллель Xgwm261 Аллель REMS1218 Высота, см

Хлебодар Харьковский + - - a 90.0

Белорусский + - - a 93.3

Лана + - - a 75.0

Ульяна + - - d 81.7

Узор + - - a -

Gabo + - - a 88.3

Dublett + - - a 73.3

Gredo + - - a 86.7

Légalo + - - a 78.3

Wanad + - - a 73.3

Abaco + - - a 80.0

Activo + - - a 70.0

Арта 59 + - - g 86.7

131/7 + b a 66.7

Амиго + - - c -

Ярило + - - f 70.0

Памяти Мережко + - - g 93.3

Кармен + - - d 55.0

Норманн + - - d -

Укро + - - f 85.0

Соловей Харьковский + - - a 85.0

Khar'kovskiy 1 + - - a 70.0

Sandro + - - a 95.0

PI587265 +/- + a a -

Белорусский 26 + - - a 101.7

К-1763 - + a d 73.3

К-1767 + - - a 81.7

К-1220 + + a d 83.3

К-1200 + - - a 101.7

К-1202 + + a d -

K-1203 + + a d -

К-1185 + + a e 53.3

К-1433 - + a c 56.7

К-1190 + + a d -

K 1186 + + a d -

PI 422258 - + a d -

PI 422260 + - - a 58.3

PI519877 +/- + a c -

PI 520445 +/- - - a 60.0

PI 520484 + - - e 88.3

PI 429082 + - - e 86.7

Presto // Tesmo + - - a 81.7

Т 327 + - - c 100.0

Т 323 + - - a 101.7

Т 324 + - - a 71.7

Т 328 + - - d 65.0

Т 329 + - - c -

Т 348 + - - a 93.3

Таблица. Окончание

Сорт/селекционная линия Ш-Б1Ъ 2R/2D Аллель Xgwm261 Аллель REMS1218 Высота, см

Мексика 38 + - - й 91.7

Мексика 57 + - - а -

Мексика 55 + - - а 51.7

ПРАГ 557 + - -

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком