ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 6, с. 855-863
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
КАРТИРОВАНИЕ QTL ВОДНОГО РЕЖИМА У ЯРОВОЙ
МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ
© 2014 г. Ю. В. Чесноков*, Э. А. Гончарова*, М. Н. Ситников*, Н. В. Кочерина*, У. Ловассер**, А. Бёрнер**
* Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства
им. Н.И. Вавилова, Санкт-Петербург **Лейбниц-Институт генетики растений и исследования возделываемых культур, Гатерслебен, Германия
Поступила в редакцию 12.03.2014 г.
Впервые проведена оценка и физиолого-генетическое картирование локусов хромосом — QTL (Quantitative Trait Loci), отвечающих за проявление морфо-физиологических и основных параметров водного статуса растений и связанных с ними количественных признаков высоты, массы и содержания сухого вещества у яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). В результате проведенных исследований по 10 изученным признакам было выявлено 13 QTL, расположенных на 1А, 1В, 2В, 2D, 4A, 5A, 5B, 5D, 6A и 6D группах сцепления. Некоторые из идентифицированных QTL определяли проявление нескольких признаков. Выявлены корреляционные связи физиологических составляющих водного статуса с количественными признаками высоты, массы и содержания сухого вещества у растений пшеницы и установлены коэффициенты корреляции для всех изученных признаков. Показана положительная средняя корреляция между признаками "водоудерживающая способность через 3 ч" и "водоудерживающая способность через 24 ч" (rxy = 47). Установлены корреляции между водоудерживающей способностью через 3 ч и высотой растения на стадии трубкования (rxy = 29), а также между водоудерживающей способностью через 3 ч и массой растения (rxy = 33). Статистические расчеты подтвердили наблюдавшиеся отрицательные корреляционные связи, значения которых близки к —1, между оводненностью листьев и содержанием сухого вещества в целом, а также по вариационным показателям корней линий картирующей популяции пшеницы. Полученные в настоящей работе результаты имеют ключевое значение для последующего проведения тонкого картирования генов, расположенных внутри выявленных QTL, их возможного клонирования с целью установления физиологических механизмов поддержания водного гомеостаза в клетках высших растений и практического осуществления маркер-вспомогательной оценки водного статуса растений пшеницы по изученным морфо-физиологическим и практически значимым признакам.
Ключевые слова: ТгШсыт ае.^ит — яровая мягкая пшеница — водный статус — морфо-физиологические и агрономические признаки — картирование 0Т£
DOI: 10.7868/S0015330314060049
ВВЕДЕНИЕ
Значение воды в процессах жизнедеятельности растений и прокариот определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма и она служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом физиолого-биохимических реакций [1, 2]. Особая роль воды в жизнедеятельности высших растений заключается в необходимости постоянного пополнения ее из-за потерь
Сокращение: QTL — локусы количественных признаков (от Quantitative Trait Loci).
Адрес для корреспонденции: Чесноков Юрий Валентинович. 190000 Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 44. ГНУ ВИР Россельхозакадемии, лаборатория молекулярной и экологической генетики. Электронная почта: yu.chesnokov@vir.nw.ru
при испарении в условиях действия различных эколого-географических стрессоров. Физиологические адаптации к подобным условиям включают высокую водоудерживающую способность клеток и тканей, обусловленную большой вязкостью и эластичностью цитоплазмы, значительную долю прочно связанной воды в общем водном запасе и поддержание водного гомеостаза клеток живых организмов [1, 3].
Большинство физиологических признаков, представляющих интерес для практической селекции, являются количественными и, как правило, определяются алелльной структурой определенного числа генетических локусов. В связи с этим, как следует из накопленных к сегодняшнему дню данных, спектр генов, детерминирующих
среднюю величину и генетическую дисперсию количественного признака обычно определяется лимитирующим фактором внешней среды [4]. Смена лимитирующего фактора влечет за собой также смену спектра генетических локусов, определяющих изменчивость признака [5, 6]. Тем не менее, в дополнение к вышесказанному было установлено существование отдельных ключевых генов [7], которые при любых условиях вносят свой вклад в формирование данного количественного признака, хотя мера этого вклада регламентируется внешней средой. Такие генетические локусы, названные локусами количественных признаков (QTL от Quantitative Trait Loci), и составляют главный интерес современного молекулярного подхода к селекции полигенных признаков, в том числе маркерной помощи отбору (MAS, от Marker Assisted Selection) [7].
Использование метода QTL анализа уже позволило установить некоторые закономерности реализации генетических программ при водном стрессе у отдельных видов растений. Так, например, известно, что урожай кукурузы значительно снижается при водном стрессе в фазе цветения растений. В соответствии с этим одной из основных задач растениеводства является повышение продуктивности растений в условиях водного дефицита и засухи. Однако следует иметь в виду, что физиологический признак засухоустойчивости обычно полигенен и частично коррелирует с другими признаками. Для решения этой сложной проблемы в середине 1990-х гг. был использован метод идентификации QTL с конечной целью разработки стратегии маркер-вспомогательной селекции по данному признаку у кукурузы и пшеницы [8, 9]. Такой подход и послужил основой последующих исследований физиолого-генетиче-ских составляющих водного статуса растений.
Большинство исследований эффектов засухи у растений обычно проводят на вегетативных органах и прежде всего на листовом аппарате. Потеря воды, как правило, активирует два типа реакций в зависимости от возраста растительных тканей: (1) быструю остановку роста клеток в молодых растущих органах и (2) снижение уровня фотосинтеза и изменение метаболизма сахарозы в листьях. Абсцизовая кислота (АБК), выделяемая кончиками корней и циркулирующая в ксилеме, играет важную триггерную роль в подобного рода ответных реакциях на стресс. Сталкиваясь с многочисленными взаимозависимыми взаимодействиями, очень трудно установить причинные связи, которые объяснили бы наблюдаемый ответ вегетирующего растения, вызываемый несколькими предполагаемыми ключевыми элементами. Прояснение этого вопроса особенно важно для возделываемых растений, поскольку идентификация таких основных элементов или генов позволит получить способ воздействия на организм с
целью повышения адаптации или усиления устойчивости растительного организма к стрессу. С этой точки зрения использование методологии QTL — наиболее подходящий подход, поскольку она позволяет устанавливать корреляции между различными признаками. Кроме того, ко-лока-лизация QTL может предоставить информацию о сцеплении признаков на разных уровнях интеграции от активности ферментов до газового обмена или роста листьев.
Первая попытка выявить QTL, определяющие количественные уровни АБК по отношению к степени проявления водного стресса, была предпринята на расщепляющихся маркированных популяциях F2 пшеницы и кукурузы [8]. Несмотря на то, что плотность маркеров была довольно низка (32 у кукурузы), авторам удалось продемонстрировать принципиальную возможность применения данного метода. Более тщательный анализ проведен уже на 81 популяции F2 кукурузы и 84 маркерах. В дополнение к АБК проблема водного стресса была перепроверена и в отношении других свойств, таких как устьичная проводимость, водный потенциал, тургор, число корней, сила натяжения корней, флуоресценция хлорофилла и некоторых параметров пыльников [10].
В недавней работе [11] у пшеницы в фазе проростков были картированы QTL реактивности к АБК. Сделано это было с использованием картирующей популяции F2, полученной в результате скрещивания сорта Chinese Spring (CS) и линии CS, имеющей замену 5А хромосомы, полученной от сорта Hope (Hope5A). В результате проведенного QTL анализа был идентифицирован QTL на 5А хромосоме, который определял степень засухоустойчивости и состояние покоя семян у пшеницы. Физиологические характеристики, определяемые данным QTL, были незначительны и сводились к определению физиологических параметров засухоустойчивости и схожих параметров состояния покоя у семян. Авторы предполагают, что изменения в реактивности к АБК у пшеницы, как минимум частично, определяются выявленным на 5А хромосоме QTL и что этот QTL контролирует механизм обезвоживания, а также устойчивость проростков к недостатку влаги.
Схожие результаты были получены в другой работе при использовании F8:9 рекомбинантных инбредных линий двух картирующих популяций пшеницы в лабораторных условиях при проведении осмотического стресса и обычного водного режима. Были картированы 88 QTL, определяющие 3.33—77.01% фенотипической изменчивости физиологической устойчивости к засухе при проявлении ряда агрономически значимых признаков [12]. Авторы установили, что из 88 выявленных QTL только 22 имели отношение к засухоустойчивости, и к тому же не все из этих 22 QTL,
определяющих устойчивость к засухе, можно было выявить прямым анализом в лабораторных условиях, что говорит о важности проведения и полевых экспериментов.
В исследованиях малайзийских ученых также были выявлены и локализованы РТЬ засухоустойчивости у пшеницы [13]. Выполнив совокупные испытания 120 генотипов F2 картирующей популяции в условиях засухи, авторы установили, что относительное содержание воды в условиях засухоустойчивости проявляет продленную изменчивость, указывающую на минорный генный эффект при проявлении данного признака. Проведенный одномаркерный анализ позволил идентифицировать основные РТЬ, ассоциированные с признаком засухоустойчивости. Полученные результаты позволили выявить молекулярные SSR маркеры — два на 5Э и один на 5А хромосомах, демонстрирующие достоверную ассоциацию с признаком засухоустойчивости, предопределяя 30, 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.