р.и. берсимбаев, к.к. шулембаева использование хромосомной

Р.И. БЕРСИМБАЕВ, К.К. ШУЛЕМБАЕВА
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХРОМОСОМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ В
БИОТЕХНОЛОГИИ РАСТЕНИЙ: ДОСТИЖЕНИЯ И
ПЕРСПЕКТИВЫ
(Казахский национальный университет имени аль-Фараби)
Проведена локализация новых генов устойчивости к бурой ржавчине и
определены генотипы по типу и скорости развития у ряда сортообразцов
мягкой пшеницы. Результаты, полученные с помощью метода
межсортового замещения хромосом указывают на перспективность
использования анеуплоидии в селекции пшеницы
Одним из путей создания и внедрения в сельскохозяйственное
производство новых высокопродуктивных сортов, устойчивых к
стрессовым факторам внешней среды является совершенствование
методов и подходов классической генетики в сочетании с
биотехнологическими методами и использование их в традиционной
селекции.
Перспективность совместного использования этих методов заключается в
привлечении цитогенетического метода для локализации генов в
определенных хромосомах, контролирующих наиболее важные для
селекции признаки мягкой пшеницы. При этом представляется
возможность направленного получения за короткое время (2-3 года)
гомозиготной формы на начальном этапе межсортового замещения
хромосом. Для осуществления этих направлений необходимым условием
является подбор родительских пар, где используются в качестве
реципиента улучшаемый сорт местной селекции и доноры с
хозяйственно-ценными признаками.
Исследования направлены на изучение ряда проблем генетики
иммунитета, генетики типа и скорости развития мягкой пшеницы,
создание изогенных и замещенных линий с привлечением хромосомноандроклинной технологии. Выполнение этих работ предусматривает
решение теоретических вопросов, а также разработки методов создания
устойчивых к заболеваниям и вредителям, скороспелых и
засухоустойчивых исходных форм для селекции. Эти исследования
базируются в основном на уникально-генетическом материале в виде
серии моносомных линий сорта яровой мягкой пшеницы Казахстанская
126.
В настоящее время в генетическом анализе нет способов равных методу
моносомного анализа, с помощью которого можно было бы локализовать
гены в определенных хромосомах. Сведения о хромосомной локализации
позволяют установить число генов, контролирующих признак
устойчивости, определить действие генов и их аллельное
взаимоотношение, и тем самым направленно улучшать существующие
сорта с помощью хромосомной инженерии т. е. целенаправленно
переносить хромосомы, несущие хозяйственно-ценные признаки в
другой организм и кординально улучшать их наследственную основу.
В наших исследованиях важный интерес представляет изучение генетики
иммунитета и разработка методов создания устойчивых к желтой
ржавчине сортов пшеницы. Ранее не представляющий опасность желтая
ржавчина (Puccinia graminis tritici) сейчас становится наиболее
вредоносной болезнью пшеницы, распространенной почти повсеместно
на территории Казахстана. В связи с этим, в программу исследования
включены как доноры так и восприимчивые образцы мягкой пшеницы
генетического фонда КазНИИ земледелия им. В.Р.Вильямса.
В данной работе приводятся результаты исследования моносомного
анализа устойчивости к бурой ржавчине у разных образцов мягкой
пшеницы: мексиканских образцов к-48198, к-51070 и к-58840 /1/.
Определены эффекты действия генов и их аллельных взаимоотношений,
более того, гены контролирующие устойчивость к бурой ржавчине
перечисленных линий локализованы в определенных хромосомах и
идентифицированы на тест-аллелизм. Так например, ген Lr38 образца к48198 контролирующий тип реакции "0" против авирулентных рас
паразита во всех фазах онтогенеза, локализуется в хромосоме 1В. Ген,
локализованный в хромосоме 1В, обеспечивает высокий тип
устойчивости к популяции бурой ржавчины. В этой же хромосоме
локализованы другие гены Lr26 и Lr33. Ген, образца к-48198 отчетливо
отличается от гена Lr26 по реакции на заражение популяцией паразита и
клоном p26, а от гена Lr33 по реакции на заражение популяцией гриба и
по нечувствительности экспрессии исследуемого гена к температурным
условиям. У образца к-58840 новый ген LrM6, определяющий
проростковую устойчивость к бурой ржавчине, локализован в 3D
хромосоме и показано, что этот ген отличается от гена Lr 24 /3/.
Результаты моносомного анализа подтвердили выводы об отличии генов
устойчивости к бурой ржавчине у изучавшихся образцов от известных в
литературе /2/. Локализация и идентификация новых генов устойчивости
к болезням имеет большое экономическое значение, так как образцы,
имеющие новые эффективные гены, представляют собой ценный
исходный материал для использования их в селекционных программах и
являются базой селекции на иммунитет.
Относительно недавно с помощью моносомного анализа локализованы
новые гены устойчивости к бурой ржавчине у озимой мягкой пшеницы и398835 и проведена работа по идентификации хромосомы,
определяющей устойчивость взрослых растений пшеницы к-45933 к 56ой расе бурой ржавчины. Было показано, что устойчивость к бурой
ржавчине у взрослых растений линии и-398835 обусловлена двумя
неаллельными генами: доминантным и рецессивным. Гены LrM7 и lrk,
контролирующие тип реакции "0" и "1" против популяции биотипов
паразита юга Казахстана, локализованы в хромосомах 5А и 2А, а в
хромосомах 3D и 7D - гены с супрессорным эффектом, понижающие
устойчивость к бурой ржавчине у линии и-398835.
Устойчивость к бурой ржавчине мексиканского образца к-45933
контролируется двумя возрастными генами: LrG и LrM. С помощью
моносомного анализа были выявлены две "критические" хромосомы 5А и
2В. Избыток устойчивых растений у моносомных гибридов по 2В
хромосоме
объясняется
действием
гена
LrM,
ранее
идентифицированного И.Г.Одинцовой и Х.О. Пеуша /3/. Этот ген, по
данным авторов, аллелен гену Lr23. Новый высокоэффективный
доминантный ген, обозначенный нами временным символом LrG1,
находится в 5А хромосоме у этого образца. Понижающий устойчивость к
бурой ржавчине ген обнаружен в хромосоме 4D. При его влиянии
увеличивается количество восприимчивых фенотипов. Для выяснения
экспрессивности генов, локализованных в хромосомах 5А и 2В,
анализировали потомство гибридов F3. Результаты генетического
анализа
показали
высокую
экспрессивность
нового
гена,
локализованного в хромосоме 5А. Количество устойчивых растений по
5А хромосоме с типом реакции "0" составило 78,45%, что намного выше
показателя второй критической хромосомы 2В, где растения с типом
реакции "0" составили 29,10%. Высокоэффективный ген устойчивости к
бурой ржавчине образцов и-398835 и к-45933, локализованный в
маркерной хромосоме 5А создает широкие перспективы улучшения
сортов селекции путем замещения хромосом. Образец озимой мягкой
пшеницы 964 обладает комплексной устойчивостью к бурой, стеблевой,
желтой ржавчинам и головневым болезням. В фазе всходов эта линия
показала высокую устойчивость (0 баллов) к бурой ржавчине, а во
взрослой стадии онтогенеза в полевых условиях уровень устойчивости
снижается до 2/30 баллов. Это, по-видимому, объясняется экспрессией
понижающего устойчивость гена, который проявляется только в стадии
взрослых растений. Следовательно, устойчивость в ювенильной стадии
этого образца локализована в 1В хромосоме, а ген понижающий ее - в 3В
хромосоме. Доминантный ген, определяющий устойчивость образца 964,
обозначен временным символом LrZ.
Начиная с 2000 года в исследование привлекаются доноры устойчивости
к желтой ржавчине. Программа работы предусматривает цикл важных
исследований, направленных на улучшение перспективных и
районированных сортов яровой и озимой пшеницы КазНИИ земледелия.
Работа проводится в трех направлениях:
1. Идентификация генов устойчивости к желтой (Yr) ржавчине, с
привлечением
изогенных
линий
Тэтчер.
2. Хромосомная локализация генов устойчивости к желтой ржавчине
сортообразцов на основе моносомных линий сорта Казахстанская 126.
3. Межсортовое замещение хромосом с привлечением метода
биотехнологии, в частности культуры пыльников.
Осуществление программы переноса хромосомы от донора к реципиенту
довольно трудоемкий и длительный процесс. Работа сопровождается
постоянным цитологическим анализом. Эта программа может продлиться
от 4 до 6 лет в зависимости от генетического контроля замещаемого
признака. Следовательно для передачи генетической информации от
одного сорта к другому ускоренным путем, необходим поиск более
экономичных путей и методов. Возможности решения этой проблемы
расширяются при сочетании методов хромосомной инженерии и
культуры
пыльников
/4/.
Для получения аналога улучшаемого сорта на основе этого способа
требуется проведение трехкратного насыщающего скрещивания по
программе переноса хромосом. Эти сроки беккроссирования с
использованием направленного переноса хромосом вполне достаточны
для
востановления
генотипа
реципиента
(cхема
1).
Затем, на стадии третьего беккросса, используя метод культуры
пыльников, можно получить направленно-улучшенный константный
аналог ценного реципиентного сорта с приданием желаемого признака.
Как видно из схемы 1, сочетание этих методов сокращает процесс
замещения хромосом на 3-4 года.
Схема 1
Введение признака посредством сочетания методов хромосомной
инженерии и культуры пыльников может служить одним из путей
направленного улучшения наследственной основы ценных сортов и
ускоренного получения аналога сортов с требуемыми для селекции
признаками.
Кроме того, нами проводятся исследования по изучению генетики типа
развития районированных и перспективных в республике сортов мягкой
пшеницы. Интенсивное изучение генетики типа развития у мягкой
пшеницы, предпринятое в последнее десятилетие, позволило не только
изучить генетический контроль признака у значительного числа образцов
культуры, но и выявить на основе изучения геногеографии наличие
селекционного преимущества тех или иных аллелей, контролирующих
яровой тип развития /7/. Скорость развития пшеницы в основном
обусловлена генами системы Vrn, определяющий чувствительность к
яровизации и тип развития. Исследование селекционного преимущества
сортов с определенными генотипами по генам Vrn в конкретных
условиях возделывания позволит связать их экспрессию с оптимальной
длиной вегетационного периода.
В результате изучения генетической природы этого признака у
созданных нами сортообразцов яровой мягкой пшеницы установлены
число генов, контолирующих тип развития и определены генотипы по
системе генов Vrn /4/. Более того, сортообразцы с определенными
генотипами рекомендованы для возделывания в соответствующие
географические зоны республики. Так, например, сорта Надежда и Мирас
с генотипами Vrn1vrn2Vrn3 рекомендованы для богарного направления
южных или юго-восточных регионов республики. Замещенный аналог с
генотипам Vrn1vrn2vrn3 по результатам исследования несомненно
относится к ультроскороспелому типу. Среди высеваемых сортов яровой
мягкой пшеницы не имеются аналогов равных замещенной линии по
типу скорости развития. Эта линия по срокам колошения (46 дней)
намного превышает показателей ранее исследованных сортообразцов
местной селекции. Таким образом, проведенные нами исследования по
изучению генетики типа и скорости развития мягкой пшеницы
Казахстана создают базу для развертывания работ по использованию
доноров доминантного аллеля локусов Vrn3 для мягкой пшеницы. Сорта,
имеющие генотип Vrn1 Vrn3, рекомендованы использовать при
созданиии скороспелых форм яровой мягкой пшеницы в зоне с
засушливым климатом.
Высокие темпы исследований, которые наблюдаются сейчас в области
молекулярной генетики растений, объясняются в первую очередь
необходимостью конструирования новых сортов, обладающих рядом
полезных свойств. Для достижения этой цели, требуется создание
генетической карты сельскохозяйственных культур. Генетические карты,
помимо изучения структуры и организации генома, могут быть
использованы в таких направлениях как идентификация и маркирование
селекционно-ценных количественных и качественных признаков. С
помощью использования молекулярных маркеров в последние годы
локализованы одиночные гены и полигенные локусы, контролирующие
многие важные признаки у пшеницы и других сельскохозяйственных
культур /8/. Описано использование молекулярных маркеров для
идентификации хромосом ячменя и ржи в геноме пшеницы. Эти подходы
неоценимы в плане их использования в направлении фундаментальных
исследований в области молекулярной генетики, которые в ближайшем
будущем могут найти практическое применение в селекции.
С использованием другого подхода - анеуплоидного метода нами
проводятся исследования по созданию маркированнных изогенных линий
сорта пшеницы Казахстанская 126. Программа создания маркированных
замещенных аналогов сорта Казахстанская 126 предусматривает два
взаимообусловленных этапа: 1) Создание маркированных изогенных
линий, где в каждом очередном потомстве беккроссов генотипы с
рецессивными генами бракуются, а генотипы реципиента с вводимым
маркерным геном на 98% должны быть восстановлены, приобретая при
этом маркированные доминантные гены доноров. 2) Осуществление
замещения хромосом путем введения маркированных генов в
соответствующие хромосомы моносомных линий сорта Казахстанская
126.
Использование надежного гена маркера дает возможность полностью
обойтись без трудоемкого цитологического анализа. Однако при этом
остается минимальный цитологический контроль, сопровождающий
программу беккроссов. Полученный нами ценный исходный материал
может быть использован во время гибридизации, а также сокращает
сроки и облегчает выполнение работ при осуществлении межсортового
замещения хромосом. Более того полученный нами материал в виде
изогенных и маркированных замещенных линий имеет практический
выход как ценный исходный материал для селекции и как созданный
новый сорт.
Таким образом, новая серия моносомных линий яровой мягкой пшеницы
сорта Казахстанская 126, широко используется для локализации генов,
контролирующих ряд важных качественных и количественных принаков
пшеницы и межсортового замещения хромосом для улучшения
районированных и перспективных сортов местной селекции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шулембаева К.К. Создание серии моносомных линий по сорту яровой
мягкой пшеницы Казахстанская 126 и некоторые результаты
моносомного анализа // Известия СО АН СССР (сер.биол.). N3. 1988.
2. Танкиманова М.К., Берсимбаев Р.И., Одинцова И.Г., Шулембаева
Хромосомная локализация новых генов устойчивости пшеницы к бурой
ржавчине
//
Генетика.
1993.
Т.29.
N7.
С.1116-1123.
3. Одинцова Л.Г., Пеуша Х.О. Наследование устойчивости к бурой
ржавчине у тринадцати образцов мягкой // Тр. по прикладной ботанике,
генетике
и
селекции.
1982.
Т.71.
Вып.3.
С.41-47.
4. Шулембаева К.К. Анеуплоидия в селекционно-генетических
исследованиях пшеницы и межсортовое замещение хромосом //
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук.
Республика
Казахстан,
Алматы,
1999.
5. Pugsley A.T. The impact of plant physiology on Australlan wheat breeding
//
Euphytica.1963.-Vol.33,N3.-P.
743-749.
6. Стельмах А.Ф.Анализ частоты аллелей и генотипов по локусам Vrn1Vrn3 у яровой мягкой пшеницы // Генетика.-1986.-Т.22,N10.-С.2459-2468.
7. Ригин Б.В.,Гончаров Н.Г. Генетика онтогенеза пшеницы // Итоги науки
и техники. Сер. Генетика и селекция возделываемых растений. М.
ВИНИТИ.
1989.
-С.146
8. Малышев С.В., Картель Н.А. Молекулярные маркеры в генетическом
картировании растений // Мол.биология. РАН.1997.Т.31.N2.С.197-208.
SUMMARY
Using the methods of chromosomes engineering, distant hybridization and
backcross breeding marked monosomes and lines of spring soft wheat wer
created. By combining methods of chromosome engineering, a valnable anther
culture of digaploids was prepared and delivered to genefond of wheat at
Kazakh Research Institute of plant Breeding.