Генотипическая характеристика салата рода Lactuca L. из мировой коллекции ВИР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, кандидат биологических наук Якупова, Инга Анатольевна

• Якупова, Инга Анатольевна
• кандидат биологических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Якупова, Инга Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика рода Lactuca L.

1.2. Межвидовая гибридизация в роде Lactuca

1.3. Особенности наследования признаков у Lactuca sativa L.

1.4. Использование молекулярных маркеров в исследованиях генетического разнообразия салата

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ

ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материал

2.2. Условия проведения исследований

2.3. Методы исследований

2.3.1. Полевые опыты

2.3.2. Электрофорез запасных белков семян

2.4. Статистическая обработка

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

3.1. Характеристика хозяйственно-ценных признаков образцов L. sativa

3.1.1. Морфологические признаки

3.1.2. Биологические особенности

3.2. Анализ генетического разнообразия салата с использованием полиморфизма белков семян 59 3.2.1. Гетерогенность и полиморфизм белков семян

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генотипическая характеристика салата рода Lactuca L. из мировой коллекции ВИР»

Салат {Lactuca L.) - популярная овощная культура семейства Compositae (Сложноцветные). Сорта салата обладают исключительно ценным биохимическим составом и характеризуются скороспелостью и высокой продуктивностью. В нашей стране производство салата в небольших объемах сосредоточено вокруг крупных городов. В то же время в странах Западной Европы и США салат является промышленной культурой и занимает одно из ведущих мест среди овощных растений по объему производства. Увеличение производства салата на основе новых научно-обоснованных технологий является важной народно-хозяйственной задачей.

Одним из основных направлений современной селекции салата является создание высокопродуктивных сортов, устойчивых к болезням и вредителям. Однако, возделываемый в культуре вид Lactuca sativa L, многолетняя селекция которого была основана преимущественно на внутривидовой рекомбинации хозяйственно-ценных признаков, характеризуется отсутствием доноров комплексной устойчивости к болезням и вредителям. В этой связи к числу приоритетных задач современной селекции салата относится привлечение диких видов, обладающих генами устойчивости и широким генофондом разнообразия признаков (Whitaker, Jagger, 1939; Verhoeff, 1960; Ryder, 1965, 1975; Small, 1984; Farra et al., 1987; Farrara, Michelmore, 1987; Shih et al., 1998; Sicard, et al., 1999; Zdravkovic et al., 2003; Grube et al., 2005).

Салат - самоопыляющееся растение. Тем не менее, при посеве в южных регионах отмечается высокая степень перекрестного опыления (319%) как между сортами L. sativa, так и между близкими видами (Bohn, Whitaker, 1951; Watts, 1958; Lindqvist, 1960a; Ryder, Whitaker, 1965; Цитович, 2003), что создает ряд проблем при поддержании и размножении сортрв. Детальная оценка частоты переопыления в условиях свободного цветения необходима как с научной точки зрения - в связи с проблемой поддержания генетической чистоты и сохранения аутентичности коллекционных образцов, так и в промышленном семеноводстве сортов. Однако, возможности использования для решения этих проблем маркерных морфологических признаков (окраски и формы листа, наличия кочана, характера листовой пластины и других) весьма ограничены в связи с сильной зависимостью проявления внешних признаков растений от условий выращивания. Кроме того, традиционные генетические исследования занимают продолжительный период времени, особенно в случае рецессивного характера наследования признаков.

Одна из проблем прикладной ботаники, генетики и селекции салата заключается в отсутствии единой внутривидовой классификации. Принятая в нашей стране классификация М.Э. Кирпичникова (1964), так же как и другие известные классификации (Bremer, 1994), основана на морфологических признаках. Это создает дополнительные трудности в идентификации образцов, принадлежащих к определенным морфологическим типам, в частности var. Capitata (разновидности кочанная) и var. Crispa (листовая кудрявая). В то же время при определенных условиях выращивания формы var. Capitata могут не образовывать или образуют рыхлый кочан, в связи с чем практически невозможно отнести их к той или иной разновидности.

В Мировой коллекции ВИР сосредоточено около 1500 образцов рода Lactuca. Большую часть коллекции составляют сорта L. sativa, дикие виды представлены 6 образцами. В генетическом плане эта коллекция практически не изучена. В частности, затруднены классификация и систематизация образцов, не решена проблема генетического засорения при репродуцировании образцов, отсутствует информация о возможности гибридизации образцов диких видов с сортами культурного салата для использования их генофонда в селекции.

Для решения проблем классификации салата, выяснения характера внутривидовых и межвидовых взаимосвязей применялся анализ полиморфизма изоферментов, а также методы, основанные на современных

ДНК-технологиях (Kesseli, Michelmore, 1986; Kesseli et'al., 1991, 1994; Wielet al., 1999; Koopman, 2000). Тем не менее, для выявления генетического засорения образцов коллекции при их репродуцировании, а также при систематизации коллекции необходимы доступные и эффективные экспресс-методы. В качестве последних у ряда сельскохозяйственных культур весьма успешно используются методы анализа полиморфизма запасных белков семян, позволяющие решать широкий круг вопросов - от классификации коллекционных образцов до контроля генетической чистоты сортов в семеноводстве (В.Г. Конарев, 2000; А.В. Конарев, 1993, 2002). Однако у салата эти методы не применялись. Кроме того, информация о составе и изменчивости белков семян у Lactuca в мировой литературе практически отсутствует.

Цель исследования - характеристика генетического разнообразия в группе образцов салата из Мировой коллекции ВИР с использованием методов морфологического анализа, гибридизации и анализа полиморфизма белков семян.

В задачи исследований входило:

1. Изучение изменчивости морфологических и фенологических признаков растений в полевых условиях;

2. Изучение состава и изменчивости запасных белков семян; проведение сравнительного анализа различных образцов;

3. Проведение скрещиваний в группе образцов однолетних видов рода Lactuca;

4. Изучение характера наследования ряда морфологических и биохимических признаков в гибридных поколениях;

5. Оценка частоты появления спонтанных гибридов при свободном цветении с использованием маркерных морфологических (полевая оценка) и биохимических (запасные белки семян) признаков.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые получены гибриды с участием однолетних видов L. dregeana D.C., L. quercina L.,

L. serriola L., изучен характер наследования в Fi ряда важных в практическом отношении морфологических признаков. Впервые в качестве систематизирующего признака у салата использованы электрофоретические спектры запасных белков семян. Показано, что главными компонентами белковой фракции семян салата являются 11S глобулин и 2S альбумины. Выявлен полиморфизм компонентов запасных белков семян с Мт 20-50 кДа, а также компонентов с Мт 18 кДа и 19 к Да и выполнена классификация 71 образца коллекции по типам электрофоретического спектра. Показано, что кочанные (Capitata) и листовые (Crispa, Longifolia, Angustana, Sativa) разновидности L. sativa образуют самостоятельные группы, четко различающиеся по типам спектра. Кочанные формы дифференцируются по составу электрофоретических спектров белков семян на две группы с хрустящелистным и маслянолистным типом кочана. Установлен характер генетического контроля отдельных компонентов электрофоретического спектра белков.

Полученные данные о составе и генетической изменчивости белков семян у представителей рода Lactuca, а также информация о характере наследования морфологических и биохимических признаков у внутривидовых и межвидовых гибридов могут быть использованы в исследованиях по сравнительной генетике сложноцветных (Compositae). Электрофоретические спектры белков семян перспективны для использования в качестве систематизирующего признака при определении принадлежности образцов L. sativa к той или иной разновидности. Образцы диких видов L. dregeana, L. quercina, L. serriola могут быть успешно вовлечены в гибридизацию с L. sativa. Электрофорез белков семян рекомендуется как экспресс-метод оценки аутентичности образцов в процессе репродукции, а также для контроля над переносом генов из популяций диких видов к культурным формам и обратно.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на конференциях молодых ученых ВИР (СПб, 2002, 2003), на II международной

Заключение диссертации по теме «Генетика», Якупова, Инга Анатольевна

127 ВЫВОДЫ

1. В каждой из пяти разновидностей L. sativa выделены образцы с наилучшими сочетаниями показателей: продуктивности, длительности фазы хозяйственной годности, диаметра розетки и скороспелости. В разновидности кудрявая (Crispa) - Grand Rapids (к-914, к-114), Big Red; кочанная (Capitata) - Bibb, Львовский, Ilo (маслянолистного типа) и New York, Iceberg, Montemar (хрустящелистный тип); длиннолистная (Longifolia) - Pruhonicky cerveny и Parris Island Cos; узколистная (Angustana) - Во-сунг и Сан-я-бай; посевная (Sativa) - Местный №5 и Майкопский 11.

2. Главные белковые фракции семян салата представлены двумя гетерогенными группами полипептидов - 11S глобулином и 2S альбуминами. В электрофоретических спектрах суммарной белковой фракции семян присутствуют три группы компонентов: полипептиды 11S-глобулина (Мт 20 - 50 кДа), полипептиды 2S альбуминов (Мг <18 кДа) и низкомолекулярные полипептиды Mr 18 и 19 кДа. 3. Электрофоретические спектры белков салата характеризуются внутривидовым и межвидовым полиморфизмом. В зависимости от компонентного состава электрофоретического спектра белков с Мг 20 - 50 кДа изученные образцы разделены на 10 групп, различающихся по наличию компонентов 5, 6,10,14,19, 22 и 24.

4. Образцы культурного салата успешно вступают в гибридизацию с образцами диких видов L. serriola, L. quercina, L. dregeana, L. livida, L. saligna с образованием фертильных гибридов. Образцы диких видов L. serriola, L. quercina, L. dregeana также генетически совместимы и при скрещиваниях между собой образуют жизнеспособные фертильные гибриды. Гибридизация L. quercina с другими однолетними видами возможна только при использовании этого вида в качестве отцовской формы. Для отдельных межвидовых гибридов, полученных с участием L. quercina, L. dregeana и L. serriola, характерны нарушения в развитии растений Fb выражающиеся в гибели части растений на различных стадиях развития либо в стерильности.

5. Характер наследования ряда морфологических признаков (формы листа, пузырчатости листа, окраски листа и окраски семян) в Fi гибридов от скрещиваний однолетних видов Lactuca аналогичен наблюдаемому при внутривидовой гибридизации у L. sativa.

6. Компоненты электрофоретического спектра белков семян при внутривидовых и межвидовых скрещиваниях образцов однолетних видов салата наследуются как моногенные признаки. Идентифицирован ряд локусов (SpA, SpB, SpD, SpE), контролирующих соответственно компоненты 5, 19, 22 и 24.

128

7. Компоненты электрофоретического спектра белков семян могут служить генетическими маркерами для контроля генетической чистоты образцов L. sativa и выявления спонтанных внутривидовых и межвидовых гибридов в образцах салата, репродуцированных без изоляции. Показатели частоты появления спонтанных гибридов, полученные по данным электрофоретического анализа белков, значительно превышают аналогичные показатели, полученные при полевой оценке (для L. saligna соответственно 30% и 4%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Салат - одна из трех распространенных сельскохозяйственных культур, относящихся к семейству сложноцветных (Compositae). Генетика салата, так же как и других представителей этого семейства (подсолнечника, сафлора) пока еще недостаточно изучены. В этой связи большую актуальность в последнее время приобрели исследования по сравнительной генетике и геномике сложноцветных, направленные на расшифровку их генома и познание особенностей его функционирования, а также построение насыщенных генетических карт (Argyris et al. 2005, Heesacker et al. 2006, Hu et al. 2005 Kesseli et al. 1991, Kozik 2002 и др.). Важную роль в таких исследованиях имеют данные о характере генетического разнообразия исследуемых объектов. В настоящей работе с использованием методов морфологического анализа, гибридизации и анализа полиморфизма белков семян исследовано генетическое разнообразие в группе образцов салата из Мировой коллекции ВИР. Изученные образцы представляли все основные разновидности культурного салата L. sativa, а также ряд однолетних диких видов, перспективных для использования в селекции, прежде всего, в качестве доноров устойчивости к болезням. Принципиальные возможности использования коллекционных образцов салата в генетических исследованиях определяются следующим. Салат - самоопыляющаяся культура; образцы коллекции, поддерживаемые путем самоопыления на протяжении многих поколений, представляют практически линейный материал. Использованные в экспериментах образцы получены путем строгого самоопыления и были тестированы на их аутентичность.

В результате морфологического анализа в каждой из проанализированных разновидностей культурного салата выделены образцы с наилучшими сочетаниями показателей продуктивности, длительности фазы хозяйственной годности, диаметра розетки и скороспелости. Сорта

Grand Rapids, Red Salad Bowl, Bibb, Львовский, New York, Iceberg и Pruhonicky cerveny, характеризуются наибольшей массой одного растения. Наиболее высокой продуктивностью отличаются сорта кочанных разновидностей Capitata с кочаном хрустящелистного типа (193,1 ± 80,4 г) и сорта длиннолистной разновидности Longifolia (184,0± 15,9 г). Наименьшим периодом длительности хозяйственной годности (около трех дней) характеризуются сорта Selma Lollo и 77-171, а самым длительным (примерно 20 дней) - сорт Guma (маслянолистный тип кочана). Наибольший диаметр розетки имеют сорта Red Salad Bowl, Catalogna, Rossimo (листовая кудрявая разновидность), Bibb, Crispilla Blanca и Ostinata (кочанная разновидность с маслянолистным типом кочана), Resi, New York и Laura (с хрустящелистным кочаном), Parris Island Cos, Pruhonicky cerveny и Латук Римский (кочанная длиннолистная разновидность). К наиболее скороспелым среди изученных сортов относятся Rossimo и Lollo Rossa (вступление в фазу хозяйственной годности отмечалось соответственно на 54±1,5 и 55±1,1 день).

Нами впервые получены данные о биохимическом составе и генетической изменчивости запасных белков семян у представителей рода Lactuca. В частности, показано, что главные белковые фракции семян салата представлены двумя гетерогенными группами полипептидов - 11S глобулином и 2S альбуминами. Группа компонентов с Мт 20 - 50 кДа включает компоненты 11S глобулина, а компоненты, с Мг менее 18 кДа, соответствуют альбуминовой фракции. Кроме того, в составе электрофоретических спектров запасных белков семян выявлены низкомолекулярные компоненты с Мх 18 и 19 кДа.

Электрофоретические спектры белков салата оказались полиморфными как среди образцов одного вида, так и между различными видами. В зависимости от компонентного состава электрофоретического спектра белков с молекулярной массой 20 до 50 к Да, изученные образцы разделены на 10 групп, различающихся по наличию компонентов 5, 6, 10, 14, 19, 22 и 24. Образцы разновидности Crispa представлены двумя основными типами спектра. Их характерной особенностью этих спектров является отсутствие компонентов 19, 22 и 24. В зависимости от типа спектра, все образцы кочанного салата разделены на 5 групп. Характерной особенностью большинства кочанных форм является наличие электрофоретического компонента 5. Впервые получена информация о генетических особенностях семян форм салата, у которых образование кочана зависит от условий среды. К ним относятся образцы с хрустящелистным кочаном (Adriatica Nr 2, Adriatica Nr 3), характеризующиеся специфическим типом спектра запасных белков семян (отсутствием компонента 5).

Таким образом, в работе впервые показана возможность использования полиморфизма запасных белков семян в качестве систематизирующего признака у салата. С использованием полученных данных методом кластерного анализа впервые выполнена систематизация образцов коллекции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Якупова, Инга Анатольевна, 2006 год

1. Анисимова И.Н. Идентификация генетического и селекционного материала подсолнечника по белкам семян // Аграрная Россия. 2002. № 3. С. 52-58.

2. Анисимова И.Н. Полиморфизм гелиантинина и его использование в идентификации сортов, линий и гибридов подсолнечника // С.х. биология 1991. № 1. С. 88-95.

3. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Пендинен Г.И., Антонова О.Ю., Гаврилова В.А.,Чернов В.Е. молекулярные маркеры в исследовании генетического разнообразия отдаленных гибридов растений //Аграрная Россия 2005. №2. С. 4-13.

4. Анисимова И.Н., Анащенко А.В., Гаврилюк И.П. некоторые вопросы геномного анализа рода Helianthus L. // Вестн.с.х. науки 1982. №3.

5. Анисимова И.Н., Гаврилюк И.П. Гетерогенность и полиморфизм 11S глобулина семян подсолнечника // Генетика 1989. Т. 25. №7. С. 1248-1255.

6. Бернье Ж., Кине Ж-М., Сакс Р. Физиология цветения. Т. 1 -Факторы цветения. М.: 192с.

7. Вайнтрауб И.А., Шутов А.Д. молекулярный вес субъединиц 11S белка семян сои // Биохимия 1971. т. 36. вып. 56. С.1086-1088.

8. Гаврилова В. А., Анисимова И.Н. Генетика культурных растений. Подсолнечник. СПб: ВИР. 2003. 209с.

9. Гаврилюк И.П., Губарева Н.К., Конарев В.Г. Выделение и фракционирование и идентификация белков, используемых в геномном анализе культурных растений // Тр.прикл.бот.ген.сел. ВНИИ растениевод 1973. т.52. вып.1. С.249-281.

10. Гостимский С.А. Кокаева З.Г., Боброва В.К. Использование молекулярных маркеров для анализа генома растений Н Генетика. 1999. №35. 11: С. 1538-1543.

11. Егги Э.Э., Гаврилюк И.П. Иммунохимическая специфичность субъединиц и полипептидов легумина // Биохимия 1985. т.50. №10. С. 1599-1606.

12. Ежова Т.А., Лебедева О.В., Огаркова О.А., Пеннин А.А., Солдатова О.П., Шестаков С.В. Arabidopsis thaliana- модельный объект генетики растений. Москва.: 2003. 220с.

13. Кирпичников М. Э. Латук, салат Lactuca sativa L. // Флора СССР. М. Л. 1964. Т. 29.

14. Кирпичников М. Э. Семейство Сложноцветные Compositae P.F. Gmdin // Флора СССР. М. Л. 1959. Т. 25.

15. Конарев А. В. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян. СПб.: 2000. 186 с.

16. Конарев А.В. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб., 2001. Изд. 2-е. 418 с.17