Генетика и селекция растений
Потенциал дикорастущих сородичей как важного источника генетического разнообразия для селекции далеко не исчерпан.
У гороха они представлены видом Pisum fulvum и подвидом P. sativum subsp. еlatius. Дикорастущие представители подвида P. abyssinicum не известны. Дикие формы гороха характеризуются раскрываемостью (растрескиванием) зрелых бобов и баллистическим рассеиванием семян. Культурный горох представляет небольшую филетическую ветвь даже внутри P. sativum. Перспективные направления использования диких форм гороха:
1) устойчивость к вредителям и патогенам;
2) устойчивость к абиотическому стрессу;
3) питательная и кормовая ценность;
4) агротехнические преимущества (ветвистость, зимостойкость и пр.);
5) симбиотическая азотфиксация.
P. fulvum устойчив к гороховой зерновке, ржавчине, мучнистой росе и аскохитозу. Некоторые P. sativum subsp. elatius устойчивы к нематоде, заразихе, мучнистой росе, фузариозам, аскохитозу и белой гнили. Pisum sativum subsp. elatius реагируют на яйцекладку зерновки разрастаниями стенки боба, контролируемыми геном Np. Pisum abyssinicum устойчив
к нематоде и стеблевой гнили. У P. fulvum высокая скорость роста корней, у некоторых P. sativum subsp. elatius снижена испаряемость влаги, а образец JI2055 из Италии выживает при –20 °С. QTL-анализ проведен для признаков устойчивости P. fulvum к зерновке, мучнистой росе и ржавчине и для устойчивости P. sativum subsp. elatius к заразихе, стеблевой гнили, аскохитозу. Получены интрогрессивные линии, перенесшие устойчивость к зерновке
от P. fulvum к P. sativum. Практическому использованию диких форм гороха препятствует недостаточная информированность об их разнообразии и отличиях от культурных. Необходимо интенсифицировать исследования полезных свойств диких сородичей гороха и выявление их природного разнообразия, которое стремительно исчезает.
В настоящее время использование ряда интрогрессивных линий мягкой пшеницы, устойчивых к патогенам, в практической селекции сдерживается из-за отсутствия их цитогенетических характеристик, сведений о генетическом контроле к болезням и влиянии чужеродного генного материала на продуктивность и качество. Для решения этих задач были изучены интрогрессив- ные линии яровой мягкой пшеницы селекции НИИСХ Юго-Востока (T. aestivum × Ae. speltoides) Л195 и Л200, устойчивые к листовой и стеблевой ржавчинам, полученные от скрещивания пшенично- эгилопсной линии 26б-4 с сортами и линиями селекции НИИСХ Юго-Востока. Дифференциальное окрашивание по Гимза, флю-оресцентная in situ гибридизация (FISH) D-геномно-спе- цифическими повторами pAs1 и Fat, анализ М1 мейоза и фито- патологические тесты показали, что гены устойчивости к ржав- чинам, унаследованные от Ae. speltoides, находятся в участке хромосомы 2S, транслоцированном на хромосому 2D мягкой пшеницы, и высокоэффективны к обоим видам ржавчин. Изучение наследования генов устойчивости к листовой ржавчине, полученных от Ae. speltoides, выявило их тесное сцепление с гаметоцитными генами и отсутствие восприимчивых растений во втором и последующих поколениях. Исключением являлись лишь гибридные комбинации с линиями Л2032 и Л583, у которых в F2 и последующих поколениях с низкой частотой выщеплялись восприимчивые растения. Оценка Л195 и Л200 на устойчивость к Ug99 + Lr24 (TTKST) и саратовской популяции возбудителя стеблевой ржавчины показала высокую устойчивость линий к этому патогену. Пребридинговые исследования линий Л195 и Л200 выявили их преимущество по продуктивности зерна по сравнению с сортом-реципиентом Л503, а также хорошие показатели качества муки и хлеба. По комплексу агрономических показателей и высокой устойчивости к листовой и стеблевой ржавчинам линии Л195 и Л200 являются хорошими донорами для практической селекции мягкой пшеницы.
Для повышения устойчивости мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) к различным факторам биотического и абиотического стресса в настоящее время широко применяется создание новых форм с использованием интрогрессий участков геномов других видов злаков. Одним из наиболее существенных абиотических факторов внешней среды, препятствующих расширению территории возделывания пшеницы, является засоление почвы.
У неустойчивых сортов пшеницы в условиях засоления падает урожайность и ухудшается качество зерна. Целью данного исследования было установление степени влияния чужеродного генетического материала на устойчивость проростков мягкой пшеницы T. aestivum к засолению. Для скрининга интрогрессивных линий, несущих единичные фрагменты от Aegilops speltoides и T. timopheevii в хромосомах 2А, 5В и 6В мягкой пшеницы, применялся метод лабораторной оценки солеустойчивости проростков. Исходные родительские формы яровой мягкой пшеницы (Саратовская 29, Новосибирская 29 и Родина-1), обладающие умеренной солеустойчивостью, использовались в качестве контроля. В результате проведенной оценки установлено, что присутствие транслокации T5BS • 5BL-5SL в геноме Новосибирской 29 и Родины-1 обеспечивает повышение устойчивости. Другая транслокация от Ae. speltoides (T6BS • 6BL-6SL), наоборот, связана с понижением устойчивости. Различные фрагменты генома T. timopheevii также по-разному влияли на солеустойчивость: интрогрессия в хромосому 2А повышала, а в 5В существенно уменьшала устойчивость пшеницы к засолению. Наблюдаемые различия между исходными формами пшеницы и полученными на их основе интрогрессивными линиями обсуждаются с учетом локализации чужеродных интрогрессий в исследуемых образцах и расположения в хромосомах пшеницы известных генов, контролирующих солеустойчивость. Предполагается, что в длинном плече хромосомы 5В дистальнее маркера Xgwm0604 располагается ранее не описанный ген, влияющий на солеустойчивость проростков пшеницы.
Дифференциация по продолжительности вегетационного периода является неотъемлемым и во многом определяющим фактором целенаправленного формирования системы сортов
в регионе. Это связано с тем, что нельзя создать универсальный сорт, который с одинаковой эффективностью использует ресурсы среды и однотипно реагирует на осадки в разные периоды вегетации, фоны температур и динамику суховеев. Исследование направлено на поиск путей расширения варьирования параметров вегетационного периода твердой пшеницы в Среднем Поволжье. Были реализованы эксперименты по изучению эффектов генов Vrn (1,2) на структуру и продолжительность вегетационного периода, определены в зависимости от скороспелости генотипа основные показатели интегральных продукционных процессов в системе главных компонент Хармана, исследованы элементы формирования урожайности и параметры вегетационного периода в зависимости от уровня адаптивности сортов. В результате проведенных исследований установлено:
1) разнообразие твердой пшеницы по скороспелости в условиях Среднего Поволжья определяется значительным превалированием генетических систем, отличных от системы Vrn генов;
2) среднеспелые и среднепоздние генотипы имеют более высокий потенциал продуктивности, чем скороспелые, что в условиях Среднего Поволжья определяется формированием мощной листовой поверхности и фотосинтетического потенциала;
3) на продолжительность периода «всходы – колошение» значительное влияние оказывает взаимодействие «сорт – температура среды» с эффектом противоположной реакции сортов различного эколого-географического происхождения, что необходимо учитывать в селекционных программах;
4) наиболее сильная зависимость формирования элементов продуктивности от продолжительности вегетационного периода наблюдалась в группах неадаптированных генотипов;
5) расширение границ варьирования вегетационного периода твердой пшеницы в Среднем Поволжье возможно преимущественно за счет позднеспелых компонентов сортовых систем.
Представлены результаты двух летних исследований (2013–2014 гг.) гибридных форм (F4, F5) мягкой яровой пшеницы по изменчивости высоты растений в трех географических пунктах, находящихся в России (Тюменская область) и Германии (земля Баден-Вюртемберг, земля Нижняя Саксония) и значительно различающихся по почвенно-климатическим условиям. Дана характеристика территорий исследования по теплои влагообеспеченности в период вегетации растений яровой пшеницы. На основе гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова
(ГТК) выявлены различия между пунктами по степени увлажненности и засушливости в течение двух вегетационных сезонов (2013–2014 гг.). Показано, что реакция гибридов на меняющиеся факторы окружающей среды по признаку «высота растений» была неоднозначной. Среди проходивших испытание гибридных форм преобладала средняя степень изменчивости (CV = 11–25 %) данного признака. Выявлены гибридные комбинации, характеризовавшиеся наибольшим размахом варьирования длины главного побега. Морфотип гибридов был представлен низко и среднерослыми растениями. Установлено, что в условиях достаточного увлажнения гибриды формировали более высокие растения. С использованием трехфакторного дисперсионного анализа определен вклад основных факторов (пункт, год, генотип) в формирование высоты растений. Отмечена значительная доля влияния экологических условий каждого пункта в общей фенотипической изменчивости изучаемого признака. Выделены гибридные формы ( Hybrid × Лютесценс 70 и Cara × Cкэнт 3) с менее выраженными различиями по высоте растений и высокой устойчивостью к полеганию. Высота растений рассматривается как один из показателей, характеризующий экологическую пластичность генотипов в контрастных почвенно-климатических условиях.
В производственной практике не теряет актуальности вопрос иммунитета сортов ячменя озимого к головневым заболеваниям. Первыми сортами селекции СГИ – НЦ СС (Украина), обладающими комплексной устойчивостью к головневым заболеваниям, были: Зимовый (2005), Достойный, Трудивнык, Селена Стар, Абориген (2006). В дальнейшем были созданы Академичный, Айвенго (2012), Буревий (2013), Снигова королэва (2014), Девятый вал (2015).
Все они получены с участием доноров с.і. 13664 и Джау Кабутак, однако природа групповой устойчивости оставалась недостаточно изученной. Целью данной работы было изучение проблемы головневых заболеваний на культуре ячменя озимого в условиях юга Украины, установление природы групповой устойчивости доноров с.і. 13664 и Джау Кабутак к черной пыльной и твердой головне, создание нового высокопродуктивного селекционного материала, устойчивого к головневым заболеваниям. По резуль- татам проведенной работы установлено, что недобор урожая вследствие прямых и скрытых потерь может доходить до 44,1 %, в зависимости от уровня восприимчивости – устойчивости сорта. Выявлен моногенный доминантный контроль устойчивости к видам черной пыльной и твердой головни. В F2 дигибридного анализирующего скрещивания доля рекомбинантов составила 5,1–9,5 %. Предполагается, что имеет место неполное сцепленное наследование генов устойчивости. Апробирован метод естественного инфицирования на искусственном фоне (в полевых условиях) местными популяциями черной пыльной (Ustilago nigra) и твердой (Ustilago hordei) головни с тестовой (инвазивной) оценкой сортообразцов на этапе конкурсного сортоиспытания.
Цель данного исследования – выявление генетического материала, характеризующегося высокой скоростью роста и максимальными размерами корневой системы; изучение полиморфизма российских и зарубежных сортов риса по маркерам, связанным с генами, определяющими эффективное использование фосфора; установление возможности использования перечисленных в статье SSR маркеров (Simple Sequence Repeats – простые повторяющиеся последовательности) для интрогрессии локализованных ранее генов и разделение образцов-доноров, выявляемых в российской генплазме, на группы с высокой вероятностью формирования устойчивости за счет различных генетических механизмов. Обсуждаются признаки, определяющие интенсивность поглощения фосфора сортами риса, и их наследование. Изучен полиморфизм 72 образцов риса российской и зарубежной селекции по скорости формирования корневой системы и ее размерам при созревании. Максимальная скорость формирования корневой системы характерна для сортов: Лиман, Арборио, Дальневосточный, Seleniо, Oceano, Атлант, Musa, Фонтан, Cerere, Шарм, Серпантин, Ханкайский 52, Лидер, Боярин, Дружный. Российские образцы характеризовались более высокой скоростью роста по сравнению с итальянскими. В фазу созревания масса корня у сортов риса варьировала от 1,5 до 4,5 г, максимальной массой корня характеризовались сорта: Карнизе, Рапан, Оникс, Г-57; длина корня у сортов риса варьировала от 17 до 26 см. Максимальные значения отмечены у сортов: Д 25-2, Г 75-5, Рыжик, Г-52, Крепыш, Снежинка. Полиморфизм российских и зарубежных сортов по всем изучаемым SSR локусам, связанным с генами, определяющими усвоение фосфора, показал наличие возможности проведения маркерной селекции в отношении этого признака в изученной генплазме. Максимальное число аллелей отмечено при использовании маркера RM 247, расположенного на хромосоме 12.
Возможности CAPS-маркеров (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences – полиморфизм рестрикционных фрагментов амплифицированной ДНК) для решения широкого спектра задач биологии растений способствовали их широкому использованию в последние годы в генетике и селекции растений. В данном обзоре проведен анализ результатов применения CAPS-маркеров за последние 3–5 лет. Особое внимание уделено работам, связанным с изучением генов, контролирующих хозяйственно важные признаки у различных видов растений, а также примерам использования CAPS-маркеров в селекции растений. Обсуждение данных работ предваряется упоминанием основных принципов разработки и анализа CAPS-маркеров, а также рассмотрением достоинств и недостатков данного класса ДНК-маркеров. Использование CAPS-маркеров основано на амплификации фрагмента ДНК при помощи ПЦР со специфическими праймерами и дальнейшем гидролизе с помощью эндонуклеаз рестрикции, продукты которого разделяются с помощью электрофореза в агарозном геле. Функциональные CAPS-маркеры разрабатывают на основе известной нуклеотидной последовательности изучаемого гена для характеристики его строения, функции, экспрессии и регуляции. CAPS-маркеры, основанные на фрагментах ДНК, тесно сцепленных с изучаемыми генами, особенно полезны для маркер-ориентированной селекции (Marker-Assisted Selection, MAS) и широко используются в отборе на устойчивость пшеницы, ячменя, сои, картофеля, томатов и других культурных растений к фитопатогенам. CAPS-маркеры часто применяют при создании генетических карт, а также для точной локализации изучаемых генов. С их использованием были впервые созданы молекулярно-генетические карты некоторых видов растений и картирован целый ряд генов и локусов количественных признаков (QTL), контролирующих тип развития растений, устойчивость к фитопатогенам, качество зерна (у некоторых видов злаков) и форму плодов (у томата). Важное применение CAPS-маркеры находят в филогенетических исследованиях, при изучении генетического полиморфизма, особенно у близких видов. Таким образом, CAPS-маркеры представляют собой эффективный инструмент как в молекулярно-генетических исследованиях, так и в селекции растений.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА
Cекреция глюкокортикоидных гормонов (кортизола у людей и кортикостерона у грызунов) надпочечниками в течение суток имеет пульсирующий характер, с периодом примерно
в 1 ч (ультрадианный, или внутрисуточный ритм), что находит отражение в содержании их в плазме и межклеточной жидкости. Однако подавляющее большинство исследований по регуляции экспрессии генов глюкокортикоидами выполнено без учета внутрисуточных колебаний гормонального уровня с использованием синтетических гормонов (дексаметазон, триамценолон), характеризующихся на порядок более прочными комплексами с рецептором глюкокортикоидов (ГР), чем природные гормоны. В настоящем обзоре собраны результаты пока немногочисленных исследований, проведенных с помощью воспроизводящей ультрадианный ритм обработки природными глюкоркортикоидами как культур клеток, так и адреналэктомированных животных. Анализ этих данных показывает, что в условиях физиологических пульсаций природных гормонов наблюдаются аналогичные часовые пульсации в связывании ГР со своими сайтами на ДНК (GREs) в ядрах клеток и такие же пульсации экспрессии генов на уровне первичных транскриптов как в культуре клеток, так и в разных органах экспериментальных животных. В противоположность этому, в результате циклической обработки синтетическим глюкокортикоидом дексаметазоном, так же как и в случае постоянного присутствия как природных, так и синтетических глюкокортикоидов, никаких пульсаций не происходит. Кроме того, количество зрелой мРНК исследованных генов оказывается существенно ниже в случае циклической обработки природными глюкокортикоидами по сравнению с циклическим введением дексаметазона или постоянным присутствием гормонов. Авторы проведенных исследований выдвигают предположение о том, что пульсация генов имеет большое значение для формирования правильного ответа на глюкокортикоидные гормоны и что постоянная гормональная стимуляция может приводить к искажению характера транскриптома клеток-мишеней и, следовательно, вызывать нежелательные физиологические последствия.
Генетика и селекция животных
Межпородное скрещивание (кроссбридинг) способствует интродукции новых аллелей, повышению уровня генетического разнообразия крупного рогатого скота, достижению желательных фенотипических характеристик исходных пород. Однако следствием кроссбридинга может стать снижение степени генетической дифференциации пород, обусловленное потерей части их уникального аллелофонда. Цель настоящей работы – изучение влияния кроссбридинга на изменчивость аллелофонда отечественного черно-пестрого скота с использованием
10 локусов микросателлитов (BM1818, BM2113, ETH10, ETH225, TGLA122, TGLA126, TGLA227, ILST005, ETH185, ILST006). Исследо- вания проводили на чистопородных быках-производителях черно-пестрой породы (BW_PB, n = 14) и кроссах с голштинской породой с кровностью по черно-пестрой породе 25,0–62,5 % (BW_KR1, n = 16) и менее 12,5 % (BW-KR2, n = 67). В качестве группы сравнения использовали быков голштинской породы (HOLST, n = 42). Установлено, что с увеличением доли кровности по голштинской породе наблюдается снижение генетического разнообразия, оцененного по среднему числу эффективных аллелей (с 4,59 ± 0,46 до 3,87 ± 0,53), информационному индексу Шеннона (с 1,60 ± 0,13 до 1,46 ± 0,14) и уровню наблюдаемой гетерозиготности (с 0,779 ± 0,053 до 0,687 ± 0,055). Показано, что следствием кроссбридинга является повышение генетического сходства с HOLST: Fst = 0,058, 0,036 и 0,026, Rst = 0,088, 0,060
и 0,050, DNei = 0,306, 0,178 и 0,123 для BW_PB, BW_KR1 и BW_KR2 соответственно. Снижение генетических различий между черно-пестрой и голштинской породами, обусловленное кроссбридингом, подтверждено результатами кластерного анализа. Таким образом, для эффективного управления генетическими ресурсами сельскохозяйственных животных необходим мониторинг оценки состояния аллелофонда и уровня генетической изменчивости в популяциях.
Проблема формирования типа поведения соболей в постнаталь- ном онтогенезе изучена недостаточно. В исследованиях было установлено, что на формирование типа поведения соболей большое влияние оказывает антропогенный фактор. Представ- ляет очевидный интерес выявление других составляющих, которые могут влиять на формирование типа поведения соболей по отношению к человеку. Изучались тип поведения щенков с возрастом, связь между полом и окраской щенков, зависимость между типом поведения щенков, величиной помета и происхож- дением родителей. Часть родителей 262 тестируемых щенков относилась к чистопородным по окраске животным (порода черный соболь), селекция которых велась в хозяйстве на протя- жении 40 лет. Другие родители имели прилитие крови соболей, отловленных в 1990-х гг. на Камчатке и Урале (помесные). Тип поведения определяли по общепринятому тесту «на руку». Баллом «0» оценивали зверей, избегающих контакта. Зверей, шедших на контакт и демонстрировавших спокойный (положи- тельная реакция) тип поведения, оценивали от +1 до +5 баллов. Зверей с агрессивным (отрицательная реакция) типом поведения оценивали от –1 до –4 баллов. Тестирование одних и тех же зверей проводили в возрасте 4, 5 и 6 месяцев. При заключи- тельном тестировании в 6 месяцев 78,6 % щенков обоего пола проявили реакцию избегания, 20,2 % отнесены к спокойному типу и 1,2 % – к агрессивному. В результате проведенных исследований было установлено, что на формирование поведенческих реакций молодых соболей оказывает влияние пол зверей: среди самцов по сравнению с самками преобладают звери со спокойной реакцией (различия статистически достоверны, p > 0,99–0,999). Тип поведения молодняка соболей не связан с возрастом, но отмечено, что при каждом последующем тестировании доля спокойных зверей увеличивается (различия статистически не достоверны, p < 0,90). Не найдена статистически достоверная зависимость между окраской и доместикационным поведением щенков ввиду малочисленности таких зверей. Численность щенков в помете и породная принадлежность родителей не влияют на формирование типа поведения соболей.
Сто лет хромосомной теории наследственности
Статья посвящена столетию выхода в свет первой монографии Т.Х. Моргана, А. Стертеванта, Г. Меллера, К. Бриджеса «The Mechanism of Mendelian Heredity» (1915) (Механизм менделевской наследственности), в которой была изложена программа генетических исследований Моргана. Актуальность статьи определяется тем, что как ученый Т.Х. Морган является уникальной исторической фигурой, олицетворяющей собой развитие новой области биологии – генетики – в течение первых десятилетий ХХ в. Деятельность Моргана и его учеников позволяет изучать взаимодействие между генетикой и другими биологическими дисциплинами. Исторический анализ этой монографии позволяет выяснить важные аспекты формирования генетики как науки. Кроме того, монография представляет собой яркий пример работы научной школы – первой научной школы в генетике, благодаря которой лидерство в генетических исследованиях перешло от Европы к Америке. В формировании хромосомной теории наследственности основную роль сыграли изучение мутаций и цитологический анализ хромосомных перестроек. Это послужило экспериментальным доказательством сцепления определенных генов в хромосоме и стало отправной точкой в открытии кроссинговера, что было огромным шагом вперед. Составление хромосомных карт, изучение хромосомных перестроек берут начало в школе Моргана. В Нобелевской лекции (1934 г.) Т.Х. Морган изложил не только результаты работы своей группы, но и программу развития генетики на долгие годы вперед.
ISSN 2500-3259 (Online)
