ПРОБЛЕМЫ БЕЛКОВОГО МАРКИРОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
4. Развитие дернового процесса почвообразования увеличивало содержание подвижных
фосфатов в пахотном слое, а развитие оподзоливания приводило к элювиально-иллювиальному
их распределению. При сочетании процессов
в профиле почв отмечалось два пика аккумуляции тяжёлых металлов в Ап и В.
Литература
1. Седых В.А., Савич В.И., Сидоренко О.Д. Применение
в земледелии органических удобрений на основе птичьего
помёта. М.: РГАУ-МСХА, 2011. 175 с.
2. Праздников С.С., Аристархова Г.Г., Аристархов А.И. Баланс
тяжёлых металлов в агроценозах дерново-подзолистых почв
// Плодородие почвы и качество продукции при биологическом земледелии. М.: Колос, 1996. С. 305–321.
3. Титова В.И., Седов Л.К., Дабахова Е.В. Индустриальное птицеводство и экология: опыт сосуществования. Н.Новгород:
ВВАГС, 2004. 249 с.
4. Цыганов А.Р., Вильдфиум И.Р., Поддубный О.А. Влияние
образца органоминерального состава на урожайность столовой свёклы и накопление тяжёлых металлов // Агрохимия
и экология: история и современность. Н.Новгород: ВВАГС,
2008. Т. 1. С. 254–258.
5. Бушуев Н.Н. Тяжёлые металлы в органическом веществе
дерново-подзолистых почв при различном сельскохозяйственном использовании: автореф. дисс. … канд. наук. М.:
МСХА, 2004. 20 с.
6. Седых В.А., Норовсурэн Ж., Филиппова А.В. Особенности
использования птичьего помёта при применении в агроценозах // Известия Оренбургского государственного аграрного
университета. 2011. № 4 (32). С. 283–287.
7. Седых В.А., Кашанский А.Д., Химина Е.Г. и др. Изменение
подвижности тяжёлых металлов в дерново-подзолистых
почвах в зависимости от степени их гумусированности
и применения высоких доз органических удобрений //
Известия ТСХА. 2011. № 3. С. 1–8.
8. Савич В.И., Парахин Н.В., Степанова Л.П. и др. Агрономическая оценка гумусового состояния почв. Орёл: ОГАУ,
2001. Т. 1. 233 с.; Т. 2. 204 с.
Проблемы белкового маркирования признаков культивируемых
и дикорастущих видов растений
В. И. Авдеев, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ
Метод маркирования фитогенофонда с помощью запасных белков семян (проламинов
у злаков, глобулинов у двудольных растений) издавна и широко используется в растениеводстве,
ботанике, генетике. Как арбитражный метод он
рекомендован Международной ассоциацией по
семенному контролю (ISTA). В статье нет возможности описать все достижения этого метода,
они огромны, остановимся только на возникших
проблемах и методологических путях их решения.
Этот метод особенно востребован при паспортизации (идентификации) сортов и форм,
гибридов, видов и внутривидовых подразделений.
Причина заключается в том, что в сельском
хозяйстве нужны в первую очередь именно молекулярные паспорта. При этом не так важно,
какой хозяйственный признак маркирует данный
полипептидный компонент электрофореграммы,
но очень необходимо, чтобы сорта, виды и т.д.
чётко, как в паспорте, различались между собой.
Крайне важно, что с помощью этих паспортов
можно контролировать сортовую чистоту, которая при возделывании растений всегда изменяется за счёт постоянных мутаций, длительных
модификаций, интрогрессий генов.
Нужно признать, что маркирование признаков растений (урожайность, иммунитет,
качество, окраска, форма плодов и т.д.) всегда
оставалось крупной мировой проблемой. Проще
всего было получать молекулярные паспорта.
Это связано с генетической сложностью таких
признаков и с вытекающим отсюда неумением
«читать» полученные электрофореграммы, увязывать конкретные полипептидные компоненты
с внешними таксономическими и хозяйственно
ценными признаками. Проблема эта лучше всего
решена при маркировании генофонда злаков
[1], имеющих наиболее простые полипептидные
спектры проламинов, нежели довольно сложные спектры глобулинов двудольных растений.
Поэтому в данной статье на маркировании
признаков двудольных видов и будет сделан
основной акцент.
Более 20 лет назад, когда начинались исследования по полипептидному изучению двудольных перекрёстноопыляющихся видов, предполагалось, что их спектры глобулинов окажутся
весьма полиморфными. В таком случае только
облегчается создание паспортов, но усложняется
работа как селекционеров, так и систематиков
(им всем нужно было научиться «читать» электрофореграммы). Однако опыты показали, что
и у этих видов спектры полипептидов остаются
сравнительно однотипными (мономорфными).
Это значительно упрощает труд систематиков,
поскольку такая мономорфность, особенно
в зоне основных 12S-глобулинов, даёт возможность выделить таксономический (родовой,
видовой и т.п.) биохимический радикал, о котором говорил Н. И. Вавилов [2]. Проблема же
«прочтения» спектров сохраняется даже и в том
случае, если у видов-самоопылителей выявлены
полиморфные спектры глобулинов [3–6].
Мономорфность спектров внутри видов
можно принимать как результат их адаптации
под действием естественного отбора. Виды при
зарождении были полиморфными, но за счёт
жёсткого отбора сохранился лишь один адаптивный тип генома, что и выразилось в мономорфном полипептидном спектре. В таком
случае весь спектр можно рассматривать как
отражение цельной адаптивной генетической
212
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
1. Динамика полипептидных компонентов запасных белков семян в эволюции генофонда
культивируемого абрикоса Оренбуржья
Тип
глобулинов
7S
12S
12S
*
За период 1993–2005 гг.
За период 2006–2010 гг.
стабильные
выпавшие
новые
стабильные
выпавшие
новые
полипеп- полипептиды полипептиды полипептиды
полипептиды
полипептиды полипептиды
тидов
позиции компонентов по специальной шкале
–*
1, 3, 5, 8, 10, 12,
14, 16, 19,
15, 24, 27, 29, 1, 3, 5, 8, 10, 12,
15, 21
14, 19, 22, 25,
17, 21, 32, 35
22, 23, 25,
33,
17, 24, 27, 29, 32,
28
30, 31
33, 35
кислые
42, 45,
38, 40, 44,
39, 52, 58, 62, 38, 42, 47, 48, 50, 39, 45, 52, 55, 37, 40, 44, 46,
47, 48, 50, 55 49, 57, 59, 70, 65, 68, 71, 73,
58, 62, 65, 68
68, 71, 73, 76 54, 56, 60, 64,
72,
76
70, 72, 74, 77
основные
81, 83, 85,
82, 84, 89, 98, 78, 88, 92, 95, 78, 81, 83, 85, 86,
92, 95
94, 96, 102, 105
86, 90
100
99, 103
88, 90, 99, 103
Примечание: Прочерк означает отсутствие деления 7S-глобулинов на типы полипептидов
системы, а это означает, что все (или почти
все) компоненты спектра нужно принимать за
единый маркёр той или иной адаптации. Однако
тогда возникает целый ряд вопросов. Например, не ясно, как возникли и почему успешно
существуют в природе виды с полиморфными
спектрами белков; или же, какую конкретную
адаптацию (к низкой или же к высокой температуре, влажности и т.д.) отражает изучаемый
спектр глобулинов?
Данные последних лет показывают, что ряд
положений по молекулярным основам фитоэволюции нужно пересмотреть. Так, по белковым
маркёрам резко различаются процессы культигенной и природной эволюции. В природе
у сливовых (Prunoideae Focke) мономорфны спектры большинства видов, в том числе абрикоса
(Armeniaca Scop.), но в условиях культигенной
эволюции в Оренбуржье у местного сортимента
наблюдается скачкообразная эволюция на зимостойкость и бурная динамика полипептидных
компонентов (табл. 1). При этом если на востоке у разных форм абрикоса выделен 21 полиморфный спектр, то на западе и юго-востоке
Оренбуржья являются полиморфными спектры
всех изученных местных форм абрикоса [7, 8].
В этой динамике особенно важно отметить три
взаимосвязанных процесса. Во-первых, разрушение под влиянием окультуривания таксономического радикала у видов абрикоса обыкновенного (компоненты 81, 83, 85) и абрикоса
маньчжурского (82, 84, 86), от гибридизации
которых и сформировался местный сортимент
[4]. Во-вторых, дерепрессия на первом этапе
изучения (1993–2005 гг.) компонентов 39, 42, 76,
95, а на втором этапе (2006–2010 гг.) – компонента 64, которые были присущи дикорастущим
формам абрикоса обыкновенного и репрессированы на начальном этапе их окультуривании (за
пределами Оренбуржья). Можно заметить, что
компоненты 39, 76 повторно выпали на втором
этапе культигенной эволюции (2006–2010 гг.).
Этому подвержены и многие другие компоненты
(табл. 1). В-третьих, произошло сильное услож-
нение (в 2,5 раза) исходных в эволюции спектров
полипептидов и прежде всего полипептидного
состава 12S-глобулинов [8].
Усложнение спектров в культуре за счёт гибридизации было известно и у злаков [1], оно
выявлено в природе также при гибридизации
видов микровишни (Microcerasus Webb) и видов
миндаля (Amygdalus L.), растущих в Средней
и Передней Азии [4]. Но таких темпов и результатов, как в культуре, природная эволюция
не знает. У культивируемого абрикоса за 10–12
лет на 50С выросла морозостойкость, резко
улучшились помологические признаки [7, 9].
Однако на фоне таких генетических изменений
абрикос не перестал быть абрикосом.
Из данных таблицы 1 следует, что при культигенной фитоэволюции резко усилены процессы
репрессии и дерепрессии (нестабильности) генов,
а сами культивары, имея набор нестабильных
генов, представляют собой длительную модификацию. Виды в природе обладают мономорфным
генотипом, лишённым таких нестабильных генов
за счёт жёсткого естественного отбора. Поэтому
в природе они имеют обычно чётко выраженный
белковый радикал. Однако он исчезает при гибридизации видов (что связано с разрушением
их экониши) и с усилением разных генетических
событий (мутации, транспозиции генов и т.д.).
Эти процессы могут вызвать не только природные явления, но и сам человек.
Анализ белковых маркёров показывает, что
их полиморфизм возникает за счёт изменений
различных компонентов белкового спектра, но
более всего эти изменения идут среди низкомолекулярных полипептидов 12S-глобулинов [4–9].
Согласно теории [10], они, и особенно основные
полипептиды 12S-глобулинов, являются древнейшими, а высокомолекулярные 7S-глобулины –
эволюционно молодыми. У природных видов,
возникших миллионы лет назад, стабильные
различия существуют именно в зоне основных
полипептидов 12S-глобулинов, различия же внутри видов (между особями разных популяций) –
в зоне кислых 12S-глобулинов. Быстрая культи-
213
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
2. Полипептидный состав запасных белков семян местных форм абрикоса
Позиции полипептидных компонентов по шкале (1 балл – слабой, 2 балла – сильной интенсивности)
12S-глобулины, основные компоненты
103
100
99
98
95
92
90
89
88
85
1
1
1
1
1
2
1
1
2
2
1
1
2
основные компоненты
12S-глобулины, кислые компоненты
81
78
76
73
72
71
70
68
65
62
1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
1
кислые компоненты
58
57
55
52
50
49
48
45
44
42
1
1
2
1
2
1
1
1
1
2
1
7S-глобулины, компоненты
35
32
30
29
27
25
24
23
21
17
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
1
83
1
1
59
1
39
1
15
1
Примечание: В спектрах не приведены постоянные компоненты в позициях 14, 12 и 10. Молекулярные массы
полипептидов: 65 килодальтон, или кДа (в позиции 22 единицы шкалы); 45 кДа (в позиции 37 единиц); 25 кДа (в
позиции 65 единиц); 17,5 кДа (в позиции 108 единиц). Верхний спектр – отборная форма Ок-В-43-1 (1993–1995
гг., сортотип Киевский) [11], нижний спектр – потомки того же сортотипа (2005 г.) [7]
генная эволюция затрагивает все зоны спектра,
но особенно значительно изменяет древние их
зоны (табл. 1). В этом случае путём усложнения
спектров прирастает, конечно, масса генома (т.е.
геном омолаживается), но одновременно сильно
и очень быстро изменяются древние адаптации
(например, устойчивость к зимним температурам). В итоге в условиях Оренбуржья у абрикоса
наблюдается стремительная гипотермическая
эволюция [6–9]. В связи с этим важным было
выявить, какие же компоненты стабильно закрепились в полипептидных спектрах. Для этого
были изучены полипептидные спектры семян
отборной формы Ок-В-43-1 [11], выращенной в г.
Орске (восток Оренбуржья) путём посева семян
местной мелкоплодной формы из пригорода г.
Киева (Украина) [12], и спектр близких к ней
форм [7], выделенных в сортотип Киевский.
Форма Ок-В-43-1 в возрасте 30 лет была отобрана
в 1993 г. [12], а близкие к ней формы в Орске
изучены в 2005 г. [7].
Анализ двух типов спектров показывает, что
общими компонентами между формой Ок-В-431 (мать) и её потомками являются компоненты
90, 88, 85, 83, 81, 55, 35, 14, 12, 10. У потомков
появились 26 новых компонентов (55 %), т.е.
их спектры усложнились в 1,8 раза (табл. 2).
Поскольку сортотипы абрикоса выделяются по
признакам эндокарпия (косточки) [4, 12], то
есть смысл сопоставить эти признаки у матери
и потомков. В сортотипе Киевский имеются
следующие общие признаки мелкой косточки:
форма яйцевидная, в середине вздутая, немного
асимметричная; вершина с коротким остриём;
основание (воронка) щелевидное, выемчатое
и слабоморщинистое; брюшной шов острый,
окаймлён по бокам бороздками; спинной шов
закрытый, хорошо развитый; поверхность косточки мелкошероховатая, семя горькое. Из
общих компонентов для анализа исключаются
компоненты 85, 83 и 81, составляющие радикал
для вида абрикос обыкновенный [6], и стабильные для всех форм компоненты 90, 35, 12, 10
(табл. 1). Компоненты 88 и 55 специфичны для
этого сортотипа, их можно связать с его общими
признаками косточки.
Теперь нужно выявить полипептиды, связанные у этого сортотипа с гипотермической
адаптацией. Как отмечено, за 1993–2005 гг.,
когда сложилась эта адаптация, появилось 26
новых компонентов. Из них в генофонд местного
абрикоса стабильно вошли компоненты 103, 99,
68, 65, 62, 27, 24, другие же (компоненты 48, 42
и т.д.) уже были у менее адаптированных форм
в 1993–1995 гг. (табл. 1 и 2). Из семи перечисленных новых компонентов с гипотермической
адаптацией у изучаемого сортотипа связаны два
компонента основных (28 %), три компонента
(43%) кислых 12S-глобулинов (всего – 71%) и два
компонента 7S-глобулинов. В целом же среди
генофонда местного абрикоса Оренбуржья на
долю новых компонентов 12S-глобулинов, заново
возникших в процессе культигенной эволюции,
приходится 80 % компонентов [8]. Из семи выше
выделенных компонентов в местном генофонде
особенно распространены новые компоненты
99, 65, 29, 27 [8], они в наибольшей степени
и связаны с гипотермической адаптацией. Как
видим, из этих четырёх компонентов 50 % (два
полипептида) приходится на 7S-глобулины, что
соответствует ранее выдвинутой теории полипептидной эволюции [10].
214
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таким образом, использование белковых
маркёров показывает их важное значение для
анализа фитоэволюции, выявляет особенности
протекания этой эволюции в условиях культуры.
Литература
1. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб.: ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 1998. 376 с.
2. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной
изменчивости. Линнеевский вид как система. Л.: Наука,
1967. 92 с.
3. Гаврилюк И.П., Егги Э.Э. Глобулины как маркёры в решении
проблем филогении, отдалённой гибридизации и сортовой
идентификации бобовых // Теоретические основы селекции.
Молекулярно-биологические аспекты прикладной ботаники,
генетики и селекции. М.: Колос, 1992. Т. 1. С. 232–287.
4. Авдеев В.И. Плодовые растения Средней Азии, их происхождение, классификация, исходный материал для селекции:
дисс. … д-ра с.-х. наук. СПб.: ВНИИР им. Н.И. Вавилова,
1997. 328 с.
5. Авдеев В.И. Проблемы и перспективы белкового маркирования дикорастущих видов растений // Тр. Института
биоресурсов и прикладной экологии. Оренбург: ОГПУ,
2002. Вып. 2. С. 21–31.
6. Авдеев В.И. Белковые маркёры в систематике и селекции
двудольных растений: учебн. пособие / Под грифом МСХ
РФ. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2012. 56 с.
7. Шмыгарёва В.В. Формовое разнообразие культивируемого
Armeniaca Scop. на востоке оренбургского Приуралья: автореф. дис. … канд. биол. наук. Оренбург, 2011. 19 с.
8. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж. Сравнительный анализ адаптаций по полипептидным маркёрам абрикосов Оренбуржья
// Приёмы повышения адаптивности косточковых культур,
вопросы осеверения и расширения границ садоводства:
сборник материалов международного симпозиума. Челябинск: НПО «Сады России», 2011. С. 45–51.
9. Авдеев В.И., Саудабаева А.Ж., Стародубцева Е.П. Генофонд
местного абрикоса Оренбуржья (Приуралье) // Известия
Оренбургского государственного аграрного университета.
2011. № 2. С. 234–238.
10. Авдеев В.И. Этапы формирования степных ландшафтов
в Евразии. Аспекты эволюции видов Poaceae // Известия
Оренбургского государственного аграрного университета.
2009. № 2. С. 59–65.
11. Авдеев В.И., Гнусенкова Е.А. Белковое маркирование видов
и культиваров абрикоса. Сообщение 2. Виды Armeniaca Scop.,
примитивные формы и сорта // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2004. № 4. С. 55–58.
12. Авдеев В.И. Важнейшие сортотипы абрикоса мировой
селекции. Оренбург: ОГУ, 1999. 80 с.
Продуцирование биологически активных веществ
в тканях Urtica Dioica L. на шламовом поле
криолитового производства
А. А. Гладышев, соискатель, Н. Ф. Гусев, д.б.н., А. С. Королёв, к.т.н., Оренбургский ГАУ; О. Н. Немерешина, к.б.н.,
Оренбургская ГМА
Одной из наиболее значимых проблем экологии на данном этапе развития общества является
исследование влияния отходов химических производств на природные и созданные человеком
экосистемы. Среди предприятий Южного Урала,
негативно влияющих на экосистемы, следует
выделить Южно-Уральский криолитовый завод (ЮУКЗ), расположенный в г. Кувандыке
Оренбургской области. Предприятие относится
ко второму классу опасности и на сегодняшний
день выпускает криолит искусственный технический, алюминия трифторид малокремнистый
технический, алюминия сульфат технический
очищенный и борную кислоту. Исходным сырьём
для производства служит природный фторид
кальция (плавиковый шпат, или флюорит).
Для производства криолита на заводе применяется кислотный способ, недостатком которого
считается его экологическая опасность, так как
в составе отходов содержатся: плавиковая кислота, гидроксид алюминия, карбонат натрия,
кремнефтористоводородная кислота, серная кислота, тяжёлые металлы. Кроме того, криолитовый
завод выбрасывает в атмосферу значительное
количество сернистого газа, оксид и диоксид
углерода, фтористый водород и взвешенные
частицы. С 1941 по 1976 г. отходы производства
складировались в шламонакопителе (старое
шламовое поле) ЮУКЗ, расположенном непосредственно вблизи завода на окраине Кувандыка. Шламовое поле завода представляет собой
открытую площадку с отходами производства,
оказывающими негативное влияние на живые
организмы. С 1976 г. отходы складируются на
новом шламонакопителе, расположенном в отдалении от города, а на старом шламовом поле
была проведена рекультивация, в результате
чего отходы производства были засыпаны слоем
глинистого грунта толщиной до 1,5 м. В настоящее время на рекультивированной территории
идёт сукцессия, направленная на формирование
естественного зонального фитоценоза.
Одним из видов рудеральной флоры региона, встречающимся на изучаемой территории,
является крапива двудомная [1, 2].
Целью нашего исследования явилось изучение особенностей синтеза и накопления биологически активных веществ в тканях крапивы
двудомной – Urtica dioica L., семейства крапивные – Urticaceae Juss., произрастающей на рекультивированном шламовом поле криолитового
производства.
На территории оренбургского Предуралья
крапива двудомная растёт как сорное и рудеральное растение на сухих и влажных почвах,
в зарослях кустарников, у жилья, в лесу, на вырубках и в оврагах [2]. Листья крапивы широко
используются в качестве лекарственного сырья,
содержащего витамины, органические кислоты,
дубильные вещества, флавоноиды и микроэле-
215