ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 5, с. 568-583
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.113:633.11
ГЕНЕТИКА И ГЕНОМИКА ПШЕНИЦЫ: ЗАПАСНЫЕ БЕЛКИ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ И ИММУНИТЕТ
© 2015 г. А. Ю. Новосельская-Драгович
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, Москва 119991
e-mail: dragova@mail.ru Поступила в редакцию 26.12.2014 г.
Развитие генетики и генетических методов исследования позволило объяснить огромный наблюдаемый полиморфизм запасных белков зерновки пшеницы (глиадинов и глютенинов), установить их генетический контроль и на основе множественного аллелизма разработать систему идентификации генотипов пшеницы. Система обладает исключительно высокой чувствительностью и эффективностью, позволяя проводить исследования по установлению аутентичности сортов и их чистоте, по динамике аллельного разнообразия во времени и пространстве, филогенетике и многое другое, используя обширные базы данных по аллельному составу глиадинкодирующих локусов. Исследования молекулярной структуры генов, контролирующих синтез запасных белков, и их организации в хромосомах, а также структуры генома мягкой пшеницы позволяют выявить молекулярные механизмы изменчивости генома и его реорганизации в ответ на резкое изменение условий существования и технологий возделывания. Многоуровневая система защиты растений от патогенов и неблагоприятных факторов среды, выработанная в процессе эволюции пшеницы, продолжает поражать воображение новыми генами устойчивости и новыми типами антимикробных пептидов, открытыми и просеквенированными в последнее время, а также структурой и механизмами их действия в ответ на воздействие патогенов. Изучение нуклеотидных последовательностей генов, вовлеченных у пшеницы в процесс доместикации и определяющих экологическую пластичность — тип развития растений (гены Vrn) и признаки колоса (ген Q), обеспечивающие успешное возделывание пшеницы человеком, позволило установить, что причиной детерминации таких признаков являются конкретные мутации.
DOI: 10.7868/S0016675815050045
С начала развития земледелия и до настоящего времени мягкая пшеница ТгШеыт агзИуыт Ь. име-
1
ет огромное экономическое значение , представляя собой одну из основных сельскохозяйственных культур мира. Поэтому интенсивные исследования по генетике пшеницы начались почти одновременно с формированием генетики как науки. Первая работа по генетике пшениц появилась на следующий же год после переоткрытия законов Менделя [1].
Мягкая пшеница — самоопыляющийся, пластичный вид, который возделывается как в южных, так и северных широтах. Она представляет собой гексаполиплоид (2п = 6х = 42), произошедший в результате объединения трех элементарных геномов — А, В и Э [2].
Быстрый рост численности населения Земли предполагает необходимость в увеличении про-
1 Пшеница — основной продукт питания и источник белка для 40% населения Земли, она обеспечивает 20% пищевых калорий, потребляемых в мире. По данным БАО ее посевы занимают более 30% всех обрабатываемых площадей в мире и более 50% в Европе. В мире в среднем за 5 лет (2004— 2009 годы) под пшеницу засевалось более 217 млн га, с которых собиралось около 630 млн тонн зерна, а в 2011 г. собрано уже более 701 млн тонн (http://faostat.fao.org/).
дуктивности зерновых культур, по крайней мере на 2% в год [3]. Однако традиционная селекция с этим не справляется. Поэтому все исследования, которые проводятся по генетике и быстроразви-вающейся геномике пшеницы, направлены на понимание устройства и функционирования ее сложного полиплоидного генома и на этой основе — конструирования генотипов с заданными характеристиками, которые могли бы без риска для окружающей среды обеспечить пищевые потребности человечества в будущем [4].
Основные области, на которые направлены исследования, — это запасные белки зерна, иммунитет растений и экологическая пластичность, обеспечивающие урожайность и высокое качество зерна пшеницы.
Запасной белок — важнейший компонент зерновки пшеницы, составляющий до 16% ее эндосперма и занимающий значительную долю в белковом рационе человека (http://faostat.fao.org/). Молекулярная структура запасных белков определяет их способность образовывать в воде сложный белковый каркас, обеспечивающий вязкость и эластичность теста и, следовательно, качество муки и хлеба [5, 6].
Общеизвестно быстрое преодоление патогенами защитных барьеров растений. Поэтому в мире ведутся интенсивные исследования по адекватному и опережающему усилению защитных систем пшеницы, поиску новых генов устойчивости среди ее диких и культурных родственников, их интрогрессии в геном мягкой пшеницы для создания высокоиммунных форм [7—9].
Цель данного обзора — рассмотреть достижения генетики и геномики в таких областях исследований, как запасные белки зерна и системы защиты растений пшеницы.
ЗАПАСНЫЕ БЕЛКИ ПШЕНИЦЫ
Зерновка пшеницы, обладая устойчивостью к различным стрессам, прекрасно приспособлена для выживания и прорастания зародыша. Одну из главных ролей в формировании этих свойств зерновки играют запасные белки эндосперма. Они используются зародышем во время прорастания, обеспечивают его необходимыми для выживания аминокислотами — глутаминовой кислотой и пролином, защищая тем самым от неблагоприятных условий среды [10].
В начале прошлого века было установлено, что запасные белки делятся на две фракции: спирто-растворимую — глиадины (Gli) и нерастворимую — глютенины (Glu) [11, 12]. Как было показано позже, Glu подразделяются на низкомолекулярные (LMW) и высокомолекулярные (HMW) глютени-ны и играют главную роль в определении качества теста и хлеба [4, 5, 12]. Благодаря дисульфид-ным связям через аминокислоту цистеин и водородным связям между остатками аминокислоты глутамин из молекул глютенина формируется макромолекула, самая крупная из всех существующих в природе, ее молекулярная масса может достигать нескольких десятков млн дальтон [13]. Глиадины также имеют в своем аминокислотном 2
составе цистеин , однако они образуют только внутримолекулярные S-S связи и считаются простыми мономерными белками, с молекулярной массой 30-78 kD [6, 10, 14].
Почти полное отсутствие межмолекулярных связей обусловило разделение глиадинов на большое число компонентов при электрофорезе. Именно с электрофоретического разделения глиадина начались его обширные генетические исследования. Был выявлен огромный полиморфизм глиадина: каждый сорт мягкой пшеницы характеризовался уникальным набором электро-форетических компонентов [15, 16]. Для удобства интерпретации весь многокомпонентный спектр был разделен на четыре зоны: а, р, у и ю [17]. Эта
классификация используется и сейчас в молекулярных и геномных исследованиях.
Генетический контроль электрофоретических компонентов глиадина, как было показано с помощью анеуплоидных линий сорта пшеницы Chinese Spring, осуществляется шестью независимыми локусами Gli-1 и Gli-2 (Gli-A1, Gli-B1, Gli-D1, Gli-A2, Gli-B2, Gli-D2), расположенными в ди-стальной части коротких плеч хромосом 1A, 1B, 1D, 6A, 6B и 6D соответственно. Сцепление между локусом и центромерой практически отсутствует, т.е. локусы наследуются независимо [18, 19]. Аллели локусов Gli-1 и Gli-2 обозначаются буквами латинского алфавита согласно международной номенклатуре [20].
Каждый локус контролирует синтез нескольких компонентов глиадина, которые наследуются сцепленными группами, получившими название блоков компонентов глиадинов [16].
Наследуемость полипептидов глиадина блоком определяется кластерами генов, которые сцеплены на хромосоме и представляют собой
3
практически не рекомбинирующий локус [21, 22]. Необходимо отметить, что компоненты, входящие в блок и контролируемые одним локусом (кластером генов), различаются подвижностью в электрическом поле, интенсивностью окраски и молекулярной массой [23, 24]. Это позволило авторам выдвинуть гипотезу об эволюции глиадин-кодирующих генов, посредством дупликации с последующей дивергенцией последовательностей в результате мутационного и рекомбинаци-онного процессов, что привело к изменению как размера протеинкодирующей части, так и числа экспрессирующихся генов. Эта гипотеза получила подтверждение на молекулярном уровне (см. ниже).
Структура полиморфизма и его генетический контроль близки у всех классов запасных белков. Полиморфизм HMW глютенинов, выявляемый в SDS PAGE (с редуцирующим агентом), обеспечивается аллелями трех локусов — Glu-A1, Glu-B1, Glu-D1, которые находятся у центромеры на длинных плечах хромосом 1A, 1B и 1D соответственно [25, 26] и характеризуются максимально 30 аллелями [25, 27, 28]. Локусы Glu-3, кодирующие синтез субъединиц LMW, находятся в коротких плечах хромосом 1A, 1B и 1D [19, 29] и тесно сцеплены с глиадинкодирующими локусами Gli-1. Расстояние между ними колеблется от 1.5 ± 0.3% до 2.8 ± 1.3% рекомбинации в зависимости от генома (A, B или D) и сортов, использованных в скрещиваниях [19, 30—32]. Тесное сцепление двух локусов увеличивает интерес к глиадинам как маркерам определенных аллелей Glu-3, в значи-
Все запасные белки характеризуются высоким содержанием аминокислот пролина и глутамина, поэтому они называются проламинами.
' Частота рекомбинации между наиболее удаленными генами, находящимися в одном локусе ОН и кодирующими синтез компонентов одного блока, не превышает 1%.
тельной степени влияющих на качество муки и хлеба.
Как и глиадины, все субъединицы HMW и LMW глютенина, контролируемые одним локу-сом, наследуются блоками [33]. Для локусов 01ы-1 и 01ы-3 характерен множественный аллелизм [12, 27, 28, 34]. Надо отметить, что размах полиморфизма по локусам 01ы-1 и 01ы-3 уступает таковому по любому локусу ОН.
Для систематизации (классификации) множественных аллелей локусов ОН-1, ОН-2, О1и-1, О1и-3 были составлены каталоги контролируемых ими и выявляемых электрофоретически блоков компонентов [12, 25, 35]. Каталог представляет собой генетическую номенклатуру, с помощью которой можно описать аллельное состояние генов, контролирующих запасные белки любого сорта или линии. Каталог блоков компонентов глиадина к 2006 году состоял из 148 блоков (в среднем 2
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.