Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, кандидат биологических наук Дедкова, Ольга Станиславовна

• Дедкова, Ольга Станиславовна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Дедкова, Ольга Станиславовна

БЛАГОДАРНОСТИ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Систематика рода Triticum L.

1.2. Происхождение пшениц, определение доноров геномов полиплоидных видов.

1.3. Основные гены, связанные с одомашниванием пшеницы.

1.4. География распространения пшениц.

1.5. Происхождение и филогенетические взаимосвязи пшениц Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum.

1.5.1. Полба обыкновенная Triticum dicoccum (Schrank.) Schuebl.

1.5.2. Гексаплоидные пшеницы; гипотезы происхождения спельты.

1.6. Методы исследования филогении.

1.6.1. Цитогенетические методы в филогенетических исследованиях.

1.6.2 Молекулярные методы в геномном анализе.

1.7. Классификация хромосом пшеницы.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1. Материалы исследования.

2.2. Метод С-дифференциального окрашивания хромосом.

2.3. Гибридизация in situ.

2.4. Методика составления хромосомного паспорта образца.

2.5.Математические методы анализа.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Общая характеристика кариотипа Т. dicoccum.

3.1.1. Типы хромосомных перестроек у пленчатого эммера.

3.1.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. dicoccum.

3.1.3. Исследование внутривидовой дивергенции эммера с помощью хромосомных маркеров.

3.1.4. Происхождение европейских полб.

3.2. Общая характеристика кариотипа пшеницы Т. spelta.

3.2.1. Типы хромосомных перестроек, выявленные у Т. spelta.

3.2.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. spelta.

3.2.3. Особенности внутривидовой дивергенции спельты.

3.3. Общая характеристика кариотипа пшеницы Т. aestivum.

3.3.2. Полиморфизм рисунков С-окрашивания кариотипа Т. aestivum.

3.4. Филогения полиплоидных пшениц Т. spelta, Т. aestivum и Т. dicoccum по данным цитогенетического анализа.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров»

На протяжении тысяч лет и сотен поколений существование самого человека и его домашних животных зависело от пшеницы. В Западном полушарии она играет значительную роль уже свыше 400 лет (Моррис, Сире, 1970). В Восточном полушарии нельзя с достоверностью указать такой период истории человечества, когда бы оно обходилось без пшеницы.

В настоящее время мягкая пшеница выращивается' более чем на 240 млн. га (Curtis, 2002), таких площадей не занимает никакая другая зерновая культура. В период с 1985 г. по 1995 г. рост производства зерна пшеницы составлял в среднем 0,9% (CIMMIT, 1996); в то время как человеческая популяция с 1993г. по 2000г. росла со скоростью 1,5%. Возрастающий дисбаланс можно решить с помощью увеличения производства пшеницы, что достижимо двумя путями^

1) расширением посевных площадей или'

2) улучшением урожайности на единицу посевной площади.

Наиболее перспективным является второй путь. На экспериментальных полях максимальная урожайность пшеницы может достигать 20 т/га (Curtis, 2002), в то же время ее средняя урожайность за период 1993-1995 г.г. в мире составила всего 2,5 т/га. И если по данным CIMMYT в 2006 году она выросла до 2,86 т/га, для удовлетворения мировых потребностей этого все равно недостаточно, и показатель урожайности желательно довести к 2025 году до 3,8 т/га (http://www.hpj.com).

Проводимая интенсивная селекция на повышение продуктивности в XX веке привела к значительному обеднению генофонда пшеницы и возникла проблема поиска источников хозяйственно-полезных признаков для ее улучшения. Для решения подобных задач используют местные формы и сорта пшеницы, хорошо адаптированные к условиям выращивания (так называемый первичный генофонд), виды пшеницы другого уровня плоидности и представителей близкородственного рода Aegilops (вторичный генофонд), а также виды других родов — Agropyron, Secale, Hordeum (третичный генофонд) (Конвенция о биологическом разнообразии UNEP 14—15 ноября 1996 г., Пункт 8.1 .www.cbd.int/doc/meeting/cop).

Одним из перспективных видов для улучшения мягкой пшеницы может быть культурная двузернянка Triticum dicoccum (Schrank.) Schuebl (Terzi et al., 2007), характеризующаяся высоким качеством зерна и устойчивостью ко многим болезням. Помимо этого, перенос генетического материала от культурной полбы в мягкую пшеницу облегчается близким филогенетическим родством этих видов. В Америке созданы специальные программы по исследованию пленчатых пшениц как возможных доноров устойчивости к болезням для других хозяйственно-полезных видов, особенно Т. aestivum и Т. durum (www.ars.usda.gov/research/project).

Большой интерес представляют тетраплоидные и гексаплоидные виды

Triticum, отличающиеся охмягкой пшеницы по составу белков зерна. Особое значение это приобретает для людей, страдающих таким тяжелым наследственным заболеванием, как цилиакия. В последнее время активно изучают возможность использования муки из зерна пленчатых пшениц Т. spelta и Т. dicoccum в диетическом питании больных диабетом и сердечнососудистыми заболеваниями (Boguslavskij et. al, 2001). Из них также готовят ряд высококачественных крупяных, хлебобулочных и кондитерских изделий.

Пшеница также является одним из наиболее интересных модельных объектов в эволюционных исследованиях. Эволюция пшеницы, а точнее процессы возникновения, становления и последующей стабилизации групп растений; составляющих род Triticum, — один из важных и очень интересных вопросов современной науки.

Проблемы происхождения культурных растений на первых этапах земледелия с давних времен привлекали человека. В Древнем мире, где господствовала мифология, культурные растения считались щедрым подарком, данным человеку богами. Древние египтяне отдавали благодарности Изиде и Осирису за дар пшеницы и ячменя Египту и за обучение людей секретам их возделывания. Подобным образом древние греки приписывали подарок этих важных хлебных злаков Деметре, а римляне— божественной Церере (Фрэзер, 2001). За последние несколько веков ботаники и специалисты по истории земледелия пытались объяснить происхождение одомашненных растений и их эволюцию в условиях культивирования на научной основе.

Альфонс Декандоль (1886) (цит. по Feldman, 2001) был одним из первых, кто осознал, что исторический, лингвистический и фольклорный типы доказательств сами по себе недостаточны для определения происхождения культурных растений. В тот период развития науки самыми главными были данные, полученные с помощью ботанических и археологических методов. На современном этапе считают, что при анализе происхождения и эволюции культурного растения наиболее достоверным доказательством ^является идентификация дикого предка и определение области его распространения в прошлом и настоящем (Harlan, 1979; Zohary, Hopf, 1998; Feldman, 2001). Это дает возможность определять, какие изменения привели к одомашниванию, а также установить район- начала земледелия. Однако, если дикий предок не обнаружен или исчез, понимание полной истории данного вида или культуры значительно осложняется.

Изучению внутривидового разнообразия и филогенетических связей между видами полиплоидных пшениц посвящено большое количество работ, основанных на методах молекулярной биологии, биохимии и иммунохимии. Хорошо изучена цитогенетика многих видов рода Triticum, однако многие вопросы остались не решенными. В частности, большой интерес представляет выявление связи между особенностями распределения гетерохроматиновых блоков в кариотипе растения с его географическим распространением. Знание особенностей рисунков дифференциального окрашивания, присущих популяциям пшеницы из определенных районов произрастания, может способствовать уточнению района доместикации тетраплоидной пшеницы и места происхождения гексаплоидных форм. До настоящего времени не существует подходов для математической обработки результатов цитогенетических исследований.

Широкие возможности для таких работ открывают современные компьютерные технологии. Сравнение кариотипов конкретных сортов пшеницы с обобщенной видовой идиограммой хромосом позволяет создавать хромосомные паспорта (Badaeva et al., 1990а; Бадаева и др., 2005), являющиеся фактически базой данных, которую можно обрабатывать различными математическими методами. Такая' база может и должна использоваться в последующих работах при сравнении ранее исследованных образцов с вновь изученными. Расширение такой базы — ключ к успешному анализу филогенетических связей близкородственных видов.

Объектами данного исследования стали три вида полиплоидной пшеницы: Triticum dicoccum (Schrank) Huebl. (2n=28), Т. spelta L. (2n=42) и Т. aestivum L.(2n=42), тесно связанные друг с другом эволюционное Так, предполагают, что Т. dicoccum послужила непосредственным предком гексаплоидных пшениц (донор ВА-компонента генома) (Dvorak et al., 1992). Открытым остается вопрос о происхождении азиатской и европейской групп спельты. В то же время Т. spelta считается многими авторами наиболее древней формой гексаплоидных пшениц, от которой возникли мягкие пшеницы (Kuckuck, 1964; Моррис, Сире, 1970; Salamini, 2002). Целью нашей работы было изучение внутривидового разнообразия пшениц Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum с помощью метода дифференциального окрашивания хромом (С-бэндинга) и уточнение филогенетических отношений этих видов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Исследовать уровень полиморфизма гетерохроматических (ГХ) районов хромосом у образцов трех видов полиплоидной пшеницы разного географического происхождения с помощью С-метода дифференциального окрашивания.

• Определить типы, частоту и географическое распространение хромосомных перестроек у Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum. С помощью геномной гибридизации in situ (GISH) локализовать точки разрывов на хромосомах 7А и 5В в образцах культурной полбы, несущих транслокацию Т7А:5В.

• Составить хромосомные паспорта исследованных образцов пшеницы путем сравнения обобщенной видовой идиограммы с рисунками дифференциального окрашивания их кариотипов. На основании хромосомных паспортов сформировать базу данных для статистического анализа.

• С помощью методов кластерного анализа исследовать внутривидовое разнообразие видов Т. dicoccum и Т. spelta.

• Оценить филогенетическое родство видов Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum.

Заключение диссертации по теме «Генетика», Дедкова, Ольга Станиславовна

выводы

1. Показано, что каждый из 191 изученного образца Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum характеризуются уникальным распределением С-блоков на хромосомах. Предложен способ количественного описания рисунков дифференциального окрашивания кариотипа в виде электронной таблицы («хромосомного паспорта») для проведения филогенетического анализа с помощью компьютерных технологий.

2. Не обнаружено существенных различий по морфологии и распределению С-блоков на хромосомах А- и В- геномов тетраплоидных (Т. dicoccum) и гексаплоидных видов пшеницы (Т. spelta, Т. aestivum). Таким образом, появление гексаплоидных пшениц не связано с крупными хромосомными аберрациями.

3. Среди культурной полбы выделено несколько четко-отличающихся географических групп. Наиболее полиморфной оказалась североафриканская Т. dicoccum, что вероятнее всего связано с множественной интродукцией. Показано высокое сходство кариотипов полб из Эфиопии и Индии и выявлен вариант окрашивания хромосомы 1В, маркирующий эту группу. Сужение полиморфизма индийской популяции говорит о первичности эфиопской полбы и о большой роли эффекта основателя в эволюции пшеницы в Индии.

4. Европейская популяция Т. dicoccum по рисункам С-окрашивания хромосом 2А, 4А и наличию/отсутствию транслокации 7А:5В делится на две ветви — волжско-балканскую и собственно европейскую. Т7А:5В транслокация и производные от нее перестройки выявлены у 75% исследованных образцов собственно европейского эммера. Методом гибридизации in situ установлено, что транслокация 7А:5В является реципрокной. Высокое сходство образцов, несущих 7А:5В транслокацию, свидетельствует об общности их происхождения, а широкое распространение перестройки, возможно, связано с ее адаптивной значимостью. Показано, что азиатская спельта отличается от европейской наличием маркерного блока в коротком плече хромосомы 2А. По этому признаку европейская спельта более сходна с мягкой пшеницей, чем с азиатской спельтой. Высокий полиморфизм рисунков С-окрашивания азиатской спельты дает основание предположить, что она является самой древней гексаплоидной пшеницей.

Наличие у европейской спельты варианта окрашивания хромосомы 2А, характерного для европейского Т. dicoccum указывает на то, что Т.- spelta ssp. spelta по-видимому образовалась в результате гибридизации гексаплоидной пшеницы и тетраплоидной Т. dicoccum. Хромосомные перестройки обнаружены в 37% образцов спельты, 41% эммера и 29% сортов мягкой пшеницы. Всего было идентифицировано 32 варианта хромосомных перестроек, включая транслокации и инверсии, с преобладанием одиночных транслокаций. Частота и спектры перестроек отличались как между видами, так и образцами одного вида из различных географических районов. Наибольшее разнообразие типов перестроек наблюдалось среди гексаплоидных пшениц Центральной Азии и эммеров Северной Африки, что совпадает с центрами разнообразия культурных растений Н.И. Вавилова.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Дедкова, Ольга Станиславовна, 2008 год

1. Абрамова, Л.И. Кариотип пшеницы // Генетика культурных растений. Зерновые культуры. —Л. : Агропромиздат, JIO, 1986. — С. 28—37.

2. Амосова А.В., Бадаева Е.Д., Муравенко О.В., Зеленин А.В. Использование метода GISH для сравнения близкородственных геномов тетраплоидных и гексаплоидных видов пшеницы // Онтогенез. — В печати.

3. Бадаев, Н.С., Бадаева, Е.Д., Болыиева, H.JL, Зеленин, А.В. Идентификация хромосом А- и D- геномов пшеницы с использованием замещений и перестроек между гомеологами у пшениц и тритикале // Докл. Акад. Наук СССР. — 1983. — №. 273. С. 994—996.

4. Бадаева, Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическое исследование : дисс. . доктора биолог, наук. — М., 2000.— 481 с.

5. Бадаева, Е.Д. Хромосомный анализ при исследовании происхождения B-(G-) геномов полиплоидных пшениц // Биологические мембраны. — 2001. — Т. 18. —№3. —С. 216—229.

6. Вавилов, Н.И. Центры происхождения культурных растений. // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. — 1926. — Т. 16. — Вып. 2. — 248 с.

7. Вавилов, Н.И. Научные основы селекции пшеницы. — М., Л. : Сельхозгиз, 1935. —С. 3—244.

8. Вавилов, Н.И. Избранные труды в пяти томах. — М. : Наука, 1962. — Т. 3. — С.17.

9. Вавилов, Н.И. Мировые ресурсы сортов хлебных злаков, зерновых бобовых, льна и их использование в селекции. Пшеница . — М.—Л. : Наука, 1964. — 123 с.

10. Вавилов, Н.И. Происхождение и география культурных растений. — JI. : Наука, 1987, —440 с.

11. Вавилов, Н.И., Букинич, Д.Д. Земледельческий Афганистан. — J1. : Изд-во Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур при СНК СССР и Государственного института опытной агрономии НКЗ РСФСР, 1929. — 533 с.

12. Вейр, Б. Анализ генетических данных. — М.: Мир, 1995. — 400 с.

13. Вишнякова, Х.С., Ячевская, Г.Л., Поляков, В.Ю. Изучение геномной структуры двух форм неполных пшенично-пырейных амфидиплоидов 2п=56 // Генетика. — 1994. т. 30. — №. 2 — С. 244—249.

14. Вишнякова, Х.С., Ячевская, Г.Л., Поляков, В.Ю. Изучение геномной структуры пшенично-пырейных дисомных дополненных линий // Генетика. — 1994. — Т. 30. — №. 3 — С. 404—410.

15. Воденичарова, М.С. Электрофоретическое исследование девяти изоферментных систем у представителей субтрибы Triticeae : дисс. . канд. биол. наук. — М.,18.