ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 577.21:633.11+633.14
АЛЛЕЛЬНЫЙ СОСТАВ ГЕНОВ VRN-A1, VRN-B1, VRN-B3 У ЛИНИЙ УДВОЕННЫХ ГАПЛОИДОВ ГЕКСАПЛОИДНОЙ ТРИТИКАЛЕ
© 2015 г. О. И. Зайцева, В. А. Лемеш
Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси, Минск 220072
e-mail: O.Zaitseva@igc.bas-net.by Поступила в редакцию 29.08.2014 г.
У 42 линий удвоенных гаплоидов гексаплоидной тритикале, полученных в культуре пыльников in vitro, определен аллельный состав генов Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-B3, контролирующих реакцию на яровизацию и ассоциированных с адаптационной способностью, сроками созревания и урожайностью злаковых культур. По локусу Vrn-A1 выявлено два аллеля (Vrn-A1a и vrn-A1), по локусу Vrn-B1 — три аллеля (Vrn-B1a, Vrn-B1cи vrn-B1). Все удвоенные гаплоиды содержали рецессивные аллели ло-куса Vrn-B3. Выделены 12 линий яровой тритикале, характеризующиеся комбинацией аллелей, ассоциированных с ранним созреванием и высоким потенциалом зерновой продуктивности.
DOI: 10.7868/S0016675815070140
Комплексное использование биотехнологических и молекулярно-генетических подходов приобретает все большую актуальность как среди исследователей, так и в селекционной практике в связи с ускоренным созданием новых улучшенных и конкурентоспособных сортов для современного сельскохозяйственного производства. Использование методов андрогенеза позволяет получать линейный материал (удвоенные гаплоиды) за одно поколение и исключает длительный процесс инбридинга, применяемый в классической селекции для закрепления желательных признаков. Наряду с этим применение молекулярных маркеров для отбора селекционного материала делает возможным проводить адресный поиск интересующих генов и их комбинаций.
Одним из важных хозяйственно ценных признаков является способность растений адаптироваться к различным условиям внешней среды. Определенную роль в адаптационной способности играют гены, контролирующие потребность в яровизации (воздействии на растения пониженными температурами для стимулирования цветения). По признаку потребности в яровизации многие злаковые культуры, такие как пшеница, рожь, ячмень и тритикале, делятся на яровые, озимые и двуручки. Озимым культурам для перехода к колошению необходима яровизация. Яровые растения выколашиваются без яровизации при посеве весной. Двуручки способны переходить к генеративному развитию как при весеннем, так и при осеннем посеве.
Для пшеницы установлено четыре локуса, контролирующих потребность в яровизации, — Угп-1, Угп-2, Угп-3и Угп-4 [1-4].
Гены Угп-1 кодируют МЛЭ8-бокс-содержа-щие транскрипционные факторы, отвечающие за переход апикальных меристем побегов от вегетативной к генеративной стадии, и сходны с семейством генов ЛРЕТЛ1Л1 (ЛР1) арабидопсиса [1]. В геноме гексаплоидной пшеницы локус Угп-1 представлен генами Угп-Л1, Угп-В1 и Угп-Б1, расположенными на длинных плечах хромосом 5-й гомеологичной группы [5, 6]. Ранее данные локу-сы носили название Угп1, Угп2 и Угп3 [7]. Множественный аллелизм локусов Угп-Л1, Угп-В1 и Угп-Б1 является определяющим фактором типа развития гексаплоидной пшеницы [8-12]. Для локуса Угп-Л1 мягкой пшеницы в настоящее время установлены три доминантных аллеля: Угп-Л1а характеризуется инсерцией в промоторной области, аллель Угп-Л1Ь — делецией 20 пн в промоторной области, аллель Угп-Л1с — делецией в первом интроне [1, 10]. Для локуса Угп-В1 известно три доминантных аллеля: Угп-В1а характеризуется большой делецией 6850 пн в первом интроне [13], Угп-В1Ь отличается от Угп-В1а однонуклеотидной заменой и делецией 36 пн в составе первого ин-трона [12], аллель Угп-В1с характеризуется делецией 820 пн и дупликацией 431 пн, перемещенной в начало данной делеции в первом интроне [14, 15].
Локус Угп-2 включает два тесно сцепленных и взаимосвязанных гена — ZCCT1 и ZCCT2, кодирующих белки, которые характеризуются присутствием "цинковых пальцев" и ССТ-домена. Мутации генов ZCCT1 (УЖ-Л2 и УШ-В2) и ZCCT2 часто выявляются у диплоидной пшеницы, при этом рецессивные аллели ассоциированы с яровым типом развития растений [2, 16]. В настоя-
щее время гены локуса Vrn-2 у гексаплоидной пшеницы не определены, однако их присутствие подтверждается экспериментами по введению в геном озимого сорта гексаплоидной пшеницы Jagger фрагмента гена ZCCT1 пшеницы T. mono-coccum. Снижение транскрипционного уровня Vrn-2 при помощи РНК-интерференции значительно ускоряло цветение трансгенных растений [2, 16].
Vrn-B3 (Vrn-3) локус (известный ранее как Vrn5 или Vrn-B4) ортологичен FT-гену арабидопсиса [3]. Доминантный аллель, найденный в сорте Hope, ассоциирован с инсерцией транспозона в промоторе Vrn-B3. Vrn-B3 локализован на коротком плече 7B хромосомы. Vrn-3 способствует транскрипции Vrn-1 и ускоряет цветение [3].
Локус Vrn-D4(Vrn4) впервые выявлен у австралийского сорта Gabo [17] и картирован в области центромеры на коротком плече 5D хромосомы между маркерами Xcfd78 и Xbarc205 [4, 18]. Ранее возникали сомнения по поводу существования локуса Vrn-D4 [19]. Однако Iwaki et al. [20] при помощи генетического анализа выявили аллель Vrn-D4, отвечающий за тип развития у большого числа форм пшеницы.
Генетический контроль реакции на яровизацию ржи изучен значительно меньше [21]. При помощи RFLP-маркирования подтверждено, что на хромосоме 5RL расположен ген Sp1 (Vrn-R1), гомеологичный генам Vrn-1 пшеницы [22].
Точные механизмы регуляции времени цветения злаковых культур на данный момент не установлены. Согласно логической модели генной сети [23], переход от вегетативной к репродуктивной стадии развития озимой пшеницы зависит от фотопериода и яровизации. Транскрипционный фактор Vrn-1 является ключевым регулятором, который индуцируется при яровизации и ускоряет переход к репродуктивной стадии развития растений. Осенью цветению озимой пшеницы препятствует репрессор цветения Vrn-2, который ингибирует транскрипцию гена Vrn-B3. Яровизация индуцирует экспрессию гена Vrn-1, который является репрессором гена Vrn-2, подавляющего экспрессию Vrn-B3. В результате возрастание экспрессии гена Vrn-1 увеличивает уровень экспрессии Vrn-B3. Весной, при длинном дне, Vrn-B3 усиливает транскрипцию Vrn-1, что ускоряет цветение [24]. В то же время Chen и Dubcovsky [25] показали, что экспрессия гена Vrn-1 регулирует время цветения тетраплоидной пшеницы, но не является обязательной для его инициации. Мутантные растения пшеницы с нокаутированными генами Vrn-1 переходили к генеративной фазе развития, хотя и со значительной задержкой.
С помощью модели генной сети, отражающей регуляцию времени цветения озимой пшеницы, показано, что в условиях длинного дня экспрес-
сию Vrn-B3 усиливают продукты генов PPD1 и ОТ2, определяющие чувствительность к фотопериоду. Сезонные изменения длины дня через фоторецепторы передаются циркадным часам, которые модулируют время цветения [23].
Различные комбинации аллелей локусов, связанных с реакцией на яровизацию, по-разному влияют на сроки колошения, высоту растений и структуру урожая у пшеницы [26]. В связи с этим информация об аллельном составе генов, контролирующих потребность в яровизации, может повысить эффективность селекционных программ, поскольку позволяет оценивать как адаптивный потенциал, так и предполагаемую урожайность растений.
Тритикале является гибридом пшеницы и ржи, поэтому в его геноме присутствует ряд РГп-локу-сов пшеницы и ген Sp1 (Vrn-R1) ржи. Однако информация о генах, контролирующих потребность в яровизации, у тритикале крайне ограничена [27, 28]. Целью нашей работы являлось установление аллельного состава генов Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-B3у линий удвоенных гаплоидов гексаплоидной тритикале для целенаправленного составления селекционных программ.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материалом для исследования служили 42 линии удвоенных гаплоидов гексаплоидной тритикале второго семенного поколения. Для линий DH-31-1-08-1 и DH-(7-16)-1-11-1 проанализированы также растения первого семенного поколения. Удвоенные гаплоиды получены нами в культуре пыльников in vitro путем спонтанной дипло-идизации согласно ранее описанной методике [29]. На основании сортов и гибридов тритикале созданы 22 линии, 20 удвоенных гаплоидов были получены на основании ранее созданных линий (табл. 1). В качестве контроля с известным ал-лельным состоянием генов, контролирующих реакцию на яровизацию, использовался сорт мягкой пшеницы Рассвет.
ДНК выделяли из шести зерновок для каждой линии. Зерновки растирали при помощи гомогенизатора TissueLyserll (Qiagen, Германия). Выделение и очистку ДНК проводили с помощью наборов "Genomic DNA Purification Kit" (Termo Scientific, Литва) согласно методике, предложенной производителем. Для установления аллельного состава использовали маркеры к локусам Vrn-1, Vrn-B3 [3, 10, 13, 15]. Для определения аллелей генов Vrn-А1 и Vrn-B3 проводили ПЦР с парами доминантных и кодоминантных праймеров, для выявления аллелей Vrn-B1 применяли мультиплексную полимеразную цепную реакцию с тремя праймерами (табл. 2).
Таблица 1. Происхождение линий удвоенных гаплоидов тритикале, полученных в культуре пыльников in vitro
Удвоенные гаплоиды Происхождение Тип развития
DH-31-1-08-1 Садко Яровой
DH-3-2-08-2; DH-3-1-08-2 WS-102 »
DH-27-1-08-1; DH-4-1-08-2; DH-3-1-09 Дублет »
DH-12-1-09 ПСИ 61 х СНД 492/02 F1 »
DH-25-1-09; DH-25-2-09; DH-25-3-09; DH-25-4-09; DH-25-5-09 Узор х Гренадо Fj »
DH-10-1-08-1 (Матейко х Presto) х WS-102 Fj »
DH-30-1-08-1 Мешко х Banti Fx »
DH-50-1-08-2 WS-102 х Дублет Fx »
DH-11-1-09; DH-11-2-09 Cume х Дублет F2 »
DH-15-1-09 Kargo х Ростань F2 »
DH-(1-9)-1-11-1; DH-(1-11)-1-11-1 DH-31-1-08-1 »
DH-(3-2)-1-11-1; DH-(3-5)-1-11-1; DH-(3-5)-2-11-1; DH-(3-5)-3-11-1; DH-(3-8)-1-11-1; DH-(3-8)-2-11-1; DH-(3-8)-3-11-1; DH-(3-14)-1-11-1; DH-(3-14)-2-11-1; DH-(3-14)-3-11-1; DH-(3-16)-1-11-1; DH-(3-16)-2-11-1; DH-(3-16)-3-11-1; DH-(3-17)-1-11-1; DH-(3-17)-2-11-1; DH-(3-17)-3-11-1 DH-27-1-08-1 »
DH-(7-16)-1-11-1 DH-50-1-08-2 »
DH-(11-10)-1-11-1 DH-11-2-09 »
DH-(12-2)-1-11-1 DH-12-1-09 »
DH-(14-4)-1-11-1 DH-25-1-09 »
DH-96-4-10-3; DH-96-4-4-10-1 (Гермес х Aswo) х Капылянка F3 Озимый
Полимеразная цепная реакция в
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.