УДК 633.63 : 575.224.4
ИНДУЦИРОВАННЫЙ МУТАГЕНЕЗ У САХАРНОЙ СВЕКЛЫ (BETA VULGARIS L.): ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ TILLING-ПРОЕКТА
© 2012 г. А.В. Корниенко, А.К. Буторина
Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы им. А.Л. Мазлумова Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Рамонь, Воронежская обл.
E-mail: vniiss@mail.ru
Индуцированный мутагенез как одно из направлений селекции растений, получившее развитие с 40-х годов ХХ века, при использовании применительно к сахарной свекле как важнейшей сельскохозяйственной культуре во ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова дал ряд положительных научных и практических результатов: проверен на мутабильность исходный материал, имеющий разную генетическую природу; проведена оценка активности используемых физических и химических мутагенов и биологически активных веществ при различных режимах обработки и подобраны оптимальные варианты для получения мутантов по желаемым признакам; созданы популяции М2 и последующих поколений, обоснована важность соблюдения определенной последовательности и цикличности в работе. Снижение интереса к индуцированному мутагенезу к 90-м годам было обусловлено приоритетным развитием и широким использованием методов молекулярной биологии. Возрождению интереса к индуцированному мутагенезу в начале XXI века способствовала разработка нового метода "Целенаправленного поиска локальных повреждений в геноме - Targeting Induced Local Lesions in Genomes - TILLING", сочетающего использование индуцированного мутагенеза с молекулярными методами поиска мутаций. TILLING основан на создании популяций, обработанных мутагенами, предпочтительно вызывающими однонуклеотидные замены (SNPs). Это обеспечивает возможность получения множества аллельных вариантов генов, что очень важно для селекции. В разных странах уже разработаны TILLING- проекты для многих сельскохозяйственных растений, и в том числе для сахарной свеклы в Германии. Результаты, полученные по индуцированному мутагенезу у сахарной свеклы в России, открывают перспективы для разработки TILLING-проекта по свекле параллельно разработанному в Германии.
Ключевые слова: индуцированный мутагенез, Beta vulgaris L., физические мутагены, химические мутагены, EMS, точковые мутации, SNPs, TILLING-проекты.
После открытия в 30-х годах ХХ века индуцированного мутагенеза, как метода получения новых мутаций и многократного увеличения наследственных изменений у организмов под действием различных факторов среды (физических, химических и биологических), этот метод стал широко использоваться в селекции и для генетических исследований многих видов микроорганизмов и растений. Так применительно к сахарной свекле (Beta vulgaris L.) как важнейшей сельскохозяйственной культуре он расширил возможности для проведения генетического анализа и отбора, положив начало развитию нового направления - мутационной селекции данного вида ( Корниенко, 1990).
Наибольший интерес к исследованиям по индуцированному мутагенезу у разных организмов проявился в 50-е годы. Была показана высокая эффективность ионизирующей радиации и ряда химических мутагенов для получения мутаций, созданы коллекции мутантов разных видов, при использовании которых созданы ценные сорта сельскохозяйственных растений и штаммы микроорганизмов (Gustafsson, 1947; Gaul, 1965; Рапопорт, 1966; Дубинин, Тарасов, 1969; Алиханян и др., 1985).
Удалось установить, что среди химических мутагенов наиболее активными при обработке высших растений являются алкилирующие со-
единения: диэтил- и диметилсульфонат, этилме-тансульфонат, нитрозоалкилмочевины. Работы по индуцированному мутагенезу широко освещались в печати и обсуждались на совещаниях, посвященных этой проблеме, во многих странах, в том числе в СССР на регулярно проводимых совещаниях в Институте химической физики АН под руководством д.б.н. И.А. Рапопорта.
Подробный обзор работ по экспериментальному получению и практическому использованию мутаций у сельскохозяйственных растений (по состоянию на 1970 год) приводит В.В. Хвостова (1971). Применение индуцированного мутагенеза в селекции сахарной свеклы имело особое значение в связи с узостью ее генетической основы, обусловленной ее происхождением. Согласно Фишеру (Fisher, 1989), сахарная свекла произошла от формы, обнаруженной в XVII веке Achard в посевах белой кормовой свеклы в Си-лезии и предположительно являющейся гибридом от скрещивания между кормовой свеклой и листовой (мангольдом). От этой формы в дальнейшем были получены гибриды от свободного опыления, и все гибриды имели единый источник цитоплазматической мужской стерильности, обусловленный S-цитоплазмой материнского растения. Стимулом к применению индуцированного мутагенеза в селекции сахарной свеклы, помимо необходимости расширения ее генетической основы, послужило также осознание той огромной роли, которую сыграло использование спонтанных мутаций в становлении сахарной свеклы как культуры и в создании ее сортов. Во-первых, это были полиплоиды и анеуплоиды. В 1937 году Паншин (1937) обнаружил в посевах сахарной свеклы растения, которые наряду с диплоидным (2п = 18) имели гетероплоидный, триплоидный и тетраплоидный наборы хромосом. Триплоиды (2n = 3х = 27) превосходили диплоиды по урожайности и сахаристости корня, что побудило ученых к поиску и искусственному получению тетраплоидных форм (2п=4х=36), которые можно было использовать как компоненты скрещиваний с диплоидами для направленного получения три-плоидов. Кроме того было показано, что при совместном выращивании тетраплоидов с диплои-дами они легко переопылялись, в результате чего появлялись гетерозисные триплоидные гибриды (Лутков, 1966). Из апробированных методов экспериментального удвоения числа хромосом у диплоидных растений для создания полиплоидных наилучшие результаты были получены при обработке семян свеклы раствором алкалоида колхицина, а обработка колхицином молодых соцветий позволяла получать нередуцированную
(с двойным набором хромосом) пыльцу, использование которой при опылении диплоидных форм также приводило к образованию полиплоидов. Таким образом, при использовании колхицина в качестве мутагена стало возможным создавать новые ценные полиплоидные гетерозисные гибридные сорта - триплоидные и анизоплоидные (смесь триплоидов с диплоидами и тетраплоида-ми), которые нашли широкое распространение в посевах сахарной свеклы во многих странах мира (Панин, 1967).
Важное значение для генетических исследований имело обнаружение и получение анеу-плоидных форм, а именно, трисомиков. Создание линий-трисомиков (2n = 18 + 1) по всем 9 хромосомам гаплоидного набора у сахарной свеклы (Butterfass, 1964; Romagosa et al., 1987) обеспечило возможность идентификации ее хромосом, что не представлялось возможным ранее из-за малого размера хромосом и сходства их морфологии. Этим было положено начало определению групп сцепления и картированию генома сахарной свеклы.
Существенное улучшение сахарной свеклы началось именно с использования спонтанных мутаций. К их числу, например, относится мутация нецветушности, контролируемая рецессивным мутантным геном b, присутствие которого в гомозиготной форме (bb) обеспечивало двухлетний цикл развития сахарной свеклы и формирование нормального запасающего корня в первый год жизни, а цветение - во второй, в отличие от большинства диких форм свеклы, характеризующихся однолетним жизненным циклом и являющихся гомо- или гетерозиготами по доминантному гену В (BB, Bb). В локус, контролирующий раннее цветение (bolting) у свеклы, впервые был описан Мунерати (Munerati, 1931). У родственного дикого вида сахарной свеклы - приморской свеклы (B. vulgaris ssp. maritima L.) В аллель индуцировала bolting после длиннодневных условий без требований яровизации (Abe et al., 1997). Отмечается, что степень пенетрантности этого гена проявляется в зависимости от генетических и средо-вых факторов (Abegg, 1936; Owen, Farlan, 1958; Schimamoto et al., 1990; Boudry et al., 1994).
Однако как показали недавние исследования, генетический контроль раннего цветения у свеклы является более сложным, и для его исследования требуются подходы обратной генетики (Pin et al., 2011). Немецкими учеными помимо локуса В, локализованного на II-й хромосоме, были установлены три новых локуса В2, В3 и В4. Локус В2 был картирован с AFLP- маркерами на IX-й хро-
мосоме, а локус В4 - на II-й на генетическом расстоянии примерно в 9сМ от локуса В. Данные сегрегационного анализа показали, что локусы В2 и В4 действуют эпистатически к локусу В при контроле за ранним цветением, в то время как предполагаемый локус В3 действует независимо и также способствует раннему цветению у диких видов свеклы (Abou-Elwafa et al., 2011).
Важную роль для обеспечения эффективности возделывания сахарной свеклы имело также использование мутации раздельноплодности (раздельноцветковости, одноростковости). У типичных для свеклы сростноцветковых (сростно-плодных, многоростковых) растений образуется соцветие-"клубочек", в котором первый цветок формируется из меристематической ткани цветоносного побега, а последующие - из ткани цветоложа этого цветка, и завязи всех образующихся цветков крепятся на одной цветоножке (Savitsky, 1952). После оплодотворения образуется сопло-дие-"клубочек", в котором может находиться до 5 сросшихся плодов. Поскольку такое соплодие-"клубочек" у свеклы является посевной единицей, при прорастании оно дает несколько ростков. Это затрудняет механизированную обработку свеклы, делая обязательным своевременное прореживание всходов, что требует больших затрат ручного труда. Поэтому в посевах сахарной свеклы учеными проводился поиск раздельноцветко-вых форм как исходного материала для создания раздельноплодных сортов. Впервые два таких растения были обнаружены и описаны В.Ф. Савицким (Savitsky, 1950) в США в популяции многоросткового сорта Мичиганский гибрид 18. Они дали начало двум линиям одноростковой сахарной свеклы (SLC-101 и SLC-107). Растения-родоначальники этих линий, по описаниям В.Ф. Савицкого, были морфологически выровненными, сильно депрессирован
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.