Peterhof collection of rye and its use in genetic studies

Full Text

Введение

Изучение наследственного разнообразия, представленного в генетических коллекциях микроорганизмов, животных и растений, позволило установить главные закономерности генетики, открыть важнейшие биологические явления и заложить основы для формирования новых, подчас неожиданных направлений исследований [1]. Неоценима роль генетических коллекций в создании новых штаммов промышленных микроорганизмов, пород животных и сортов растений, они служат основой для изучения частной генетики видов [2]. В настоящее время сопоставление данных по частной генетике помогает раскрыть эволюционную историю возникновения особенностей в структурно-функциональной организации геномов разных видов на фоне сохранения их общих характеристик. Выбор ржи, как объекта исследований, сделанный в своё время основателем генетической коллекции ржи В.С. Фёдоровым, не был случаен. Рожь среди зерновых характеризуется наибольшей устойчивостью к неблагоприятным факторам среды, разносторонним использованием и является компонентом тритикале. Небольшое число (n = 7) крупных хромосом и однослойное расположение мейоцитов в пыльнике благоприятствуют цитогенетическим исследованиям. Важнейшее достоинство ржи — высокий уровень генетического разнообразия, поддерживаемый благодаря перекрестному опылению в популяциях культурной и сорно-полевой ржи. В ходе создания генетической коллекции ржи изучали наследование качественных и количественных морфологических признаков, генетический контроль автофертильности, генетику мейоза, генетику межвидовой несовместимости. Фундаментальные исследования нашли своё отражение в практической селекции. Под руководством В.С. Фёдорова и В.Г. Смирнова был создан первый тетраплоидный сорт ржи Ленинградская тетра. В настоящее время на основании изучения генетики автофертильности получен исходный материал, который используется для совершенствования методов селекции популяционных сортов ржи. Однако возможности генетической коллекции ржи в отношения проведения фундаментальных исследований и их приложения к селекции далеко не исчерпаны.

История создания Петергофской генетической коллекции ржи

У истоков создания Петергофской генетической коллекции стояли сотрудники кафедры генетики и селекции Ленинградского (Санкт-Петербургского) государственного университета В.С. Фёдоров, В.Г. Смирнов, С.П. Соснихина. При создании коллекции, начиная с 60-х гг. прошлого века, использовали два основных подхода. Первый состоял в поиске и совместной изоляции растений с морфологическими отклонениями непосредственно в образцах сорно-полевой и культурной самонесовместимой ржи. На этом этапе были выделены как формы с доминантными признаками, характерными для сорно-полевой ржи — красноколосая, чёрноколосая, фиолетовозёрная, с антоциановой окраской ушек, так и формы с рецессивными признаками, найденными в разных популяциях культурной и сорно-полевой ржи — безлигульностью, отсутствием воска или антоциана на отдельных частях растения, ветвлением колоса, карликовостью разных типов. Размножение этих форм в дальнейшем проводили путём групповой изоляции. Вовлечение выделенных форм в гибридологический анализ позволило установить соответствующие доминантные или рецессивные мутантные гены [3]. Второй подход заключался в использовании инбридинга, который позволяет эффективно вскрывать гетерозиготность исходных растений по рецессивным спонтанным мутациям. С помощью самоопыления отдельных растений ржи разные авторы на протяжении многих лет выделяли мутантные формы, которые были описаны, но не были сохранены из-за низкой завязываемости семян у самонесовместимых генотипов [3]. Средний уровень завязываемости семян у самонесовместимых растений ржи составляет несколько процентов. Однако в популяциях ржи встречаются растения с завязываемостью семян на уровне 20–50 %. Появление таких растений объясняется мутациями в мультиаллельных локусах S или Z, контролирующих реакцию несовместимости, протекающую по гаметофитному типу [4]. Следствием гаметофитного проявления локусов несовместимости является доминирование способности к завязыванию семян у гибридов между самосовместимой и самонесовместимой рожью. Доминирование объясняется тем, что у гетерозигот по мутации автофертильности половина пыльцевых зёрен несёт мутацию автофертильности и способна к прорастанию на рыльце гибрида. При создании коллекции использовали три источника мутаций самосовместимости, выделенные при инбридинге растений трёх разных популяций ржи. Полученные автофертильные линии вовлекали в скрещивания с самонесовместимыми образцами генетической коллекции, несущими отдельные маркерные гены и их сочетания. В F2 таких гибридов закладывали автофертильные линии с различными сочетаниями маркерных признаков [3].

Высокий уровень гетерогенности и гетерозиготности популяций сорно-полевой (образец из Нахичевани) и культурной (сорт Вятка) ржи был подтверждён в исследованиях по специально разработанной схеме. Отдельные растения этих популяций скрещивали с двумя автофертильными линиями. Гибридные зерновки F1 высевали группами, представляющими исходные растения популяций, а затем проводили индивидуальную изоляцию. В каждой из инбредных семей F2 анализировали расщепление по морфологическим признакам. Расщепление по одному или нескольким признакам хотя бы в одной из семей в группе рассматривали как доказательство гетерозиготности исходного растения популяции. По этой схеме были изучены 68 растений сорно-полевой ржи и 54 растения сорта Вятка. Выявленный спектр аномалий проростков и взрослых растений соответствовал ранее описанному внутривидовому разнообразию [3]. Среди аномалий проростков ожидаемо преобладали хлорофильные аномалии разного типа. Неожиданной стала высокая частота гетерозигот по генам, обусловливающим мужскую стерильность. В обеих популяциях она превышала 50 %. Мужскую стерильность регистрировали по морфологии пыльников и подтверждали микроскопическим анализом пыльцевых зёрен. Дальнейший цитологический анализ показал, что мужская стерильность в 7–8 % случаев обусловлена аномалиями мейоза. Для поддержания и изучения мейотических аномалий растения в семьях с расщеплением по стерильности изолировали. Часть потомств от растений, завязавших семена при самоопылении, высевали, а часть семян оставляли в резерве. В высеянном потомстве проводили отбор семей с расщеплением по установленным аномалиям. Это позволяло использовать семена из резерва этих семей для проведения гибридологического анализа с целью идентификации мей-генов, изучения их аллелизма и взаимодействия мутантных генов. По этой же схеме все мутации воспроизводили в гетерозиготном состоянии, а также проводили гибридологический анализ с участием линий с нормальным мейозом. В итоге этой работы были установлены и картированы гены, мутантные аллели которых ведут к нарушениям синапсиса и структуры мейотических хромосом. Исходно было идентифицировано 30 мутаций, нарушающих ход мейотических делений. В целом было установлено, что 82,3 % растений сорно-полевой ржи и 98,1 % растений Вятки оказались гетерозиготными по одному или нескольким генам, контролирующим морфологические признаки и мужскую стерильность. На основе этого разнообразия была создана коллекция мейотических мутантов, а формы с морфологическими отклонениями расширили ранее изученное разнообразие. Можно констатировать, что в ходе создания и изучения генетической коллекции ржи было идентифицировано 35 генов с морфологическим проявлением, из них 19 локализованы или картированы в хромосомах с помощью изозимных и молекулярных маркёров [5]. В пору расцвета коллекция включала более 100 самонесовместимых форм и более 300 инбредных линий как с нормальным фенотипом, так и с отдельными мутантными генами и их разными сочетаниями.

Исследование мейотических аномалий

При исследовании мутантов, у которых мейоз блокирован или существенно изменен, выявляется система генов, контролирующих отдельные этапы мейотических делений, белки хромосом, синаптонемного комплекса и веретена деления. Высокая концентрация спонтанных мутаций по мей-генам в изученных популяциях ставит вопросы о роли мейотических мутаций в эволюции генома ржи и природе самих мутаций. В коллекцию мей-мутантов ржи входит 21 мутант. Мутации затрагивают синапсис гомологичных хромосом, веретено деления и компактизацию мейотических хромосом [6–8]. Исследования мейоза проводили в двух направлениях. Первое включало сегрегационный анализ с целью установления числа генов, контролирующих отдельные аномалии, тест на аллелизм для рецессивных моногенных аномалий, получение двойных мутантов в случае неаллельных мутаций и картирование идентифицированных генов с помощью изозимных и молекулярных маркёров. В ходе этого анализа исследовали взаимодействия мутантных генов и на основании цитологических картин мейоза определяли последовательность включения генов в контро­ле мейотических делений. Второе было направлено на изучение мутантов с помощью дополнительных цитологических методов. Использовали электронно-микроскопическое исследование и методы молекулярной цитогенетики — иммуноцитохимическую локализацию рекомбиногенных и структурных белков хромосом и синаптонемного комплекса, флуоресцентную in situ гибридизацию (FISH) с целью выявления ранних дефектов как в поведении хромосом, так и при формировании мейотических структур. Путем генетического анализа, сопровождавшегося цитологическим исследованием мейоза, выявлено шесть типов мутаций.

1. Неаллельные асинаптические мутации sy1 и sy9, у гомозигот по которым в профазе I формируются только осевые элементы хромосом, не наблюдалось синаптонемных комплексов (СК) и имелись аномалии формирования «букета» хромосом, а на стадии метафазы I мейоза в 96,8 и 67,0 % клеток соответственно все хромосомы были унивалентными.
2. Слабая асинаптическая мутация sy3, которая препятствует полному завершению синапсиса в профазе I. В СК всегда наблюдались субтерминальные асинаптические сегменты, а в метафазе I — не менее одной пары унивалентов, однако число клеток с 14 унивалентами не превышало 2 %.
3. Мутации sy2, sy6, sy7, sy8, syl0 и syl9, вызывающие частично негомологичный синапсис: смену парт­неров спаривания и синапсис хромосом «на себя» в профазе I. В метафазе I число унивалентов варьировало и наблюдались мультиваленты.
4. Мутация mei6, которая вызывает формирование ультраструктурных выростов на латеральных элементах СК, пробелы и ветвление этих элементов.
5. Аллельные мутации mei8 и mei8-10, вызывающие неравномерную конденсацию хроматина вдоль хромосом в профазе 1, липкость и фрагментацию хромосом в метафазе I.
6. Аллельные мутации mei5 и mei10, вызывающие сверхконденсацию хромосом, нарушения формирования веретена деления и произвольный «арест» клеток на разных стадиях мейоза, но не влияющие на формирование оболочек микроспор даже вокруг клеток, блокированных в развитии на стадии профазы I.

Анализ картин мейоза у двойных мутантов ржи позволил выявить эпистатические взаимодействия в ряду асинаптических мутаций: sy10 > sy9 > sy1 > sy3 > sy19. Этот ряд отражает последовательность включения генов, контролирующих синапсис хромосом, в профазе I мейоза. С помощью изозимных и молекулярных маркеров установлено расположение на генетических картах шести синаптических генов. Гены sy1 и sy19 картированы в длинном плече хромосомы 7R [9]. Гены sy9 и sy18 на хромосоме 2R вблизи центромерной области [10–12]. Ген sy10 располагается на дистальном конце хромосомы 5R [13], а ген sy3 — на хромосоме 3R. Данные по совместному наследованию генов mei и их положение на генетических картах хромосом позволили предположить кластеризацию в локализации мей-генов. С помощью микросателлитных маркеров, сцепленных с мутантными генами, выделены двойные мутанты sy1, sy9. Согласно цитохимическим характеристикам СК фенотип двойного мутанта соответствует фенотипу мутанта sy9 [14]. В этом отношении была подтверждена гипотеза, выдвинутая на основе гибридологического анализа относительно эпистатического взаимодействия этих генов sy9 > sy1. Данные по картированию мейотических генов позволяют сравнивать ортологичные фрагменты генетических карт ржи и хорошо изученных родственных злаков (ячменя, риса, брахиподиума) и делать предположения относительно локализации у ржи известных мей-генов и их молекулярной функции.

Изучение фенотипического проявления мутаций на различных стадиях мейотического цикла осуществляли на цитологическом и ультраструктурном уровнях [6–8] с помощью методов молекулярной цитогенетики [15, 16]. При вступлении в мейоз у асинаптического мутанта sy1 были выявлены дефекты кластеризации теломерных и центромерных районов хромосом [17]. Иммуноцитохимически показано отсутствие у этого мутанта рекомбиногенных белков Rad51/Dmc1. Сделано предположение, что отсутствие этих белков может быть связано с нарушениями сплайсинга на уровне посттранскрипционной регуляции генов RAD51 и DMC1, а sy1 может влиять на это эпистатически. У мутанта sy10 с гетерологичным синапсисом наблюдается переключение синапсиса с гомологичных хромосом на негомологичные. При гибридизации с зондами ДНК, специфичными для отдельных хромосом ржи (FISH), в метафазе II обнаружено, что 37 % редких бивалентов образованы негомологичными хромосомами и 30 % бивалентов включают короткое плечо хромосомы 4R [15]. Таким образом, можно предположить, что негомологичный синапсис может быть причиной образования транслокаций, которые играли важную роль в эволюции кариотипа у ржи [3]. При секвенировании генома ржи [18] установлено, что в результате таких транслокаций шесть из семи хромосом ржи представляют собой мозаики, составленные из синтенных фрагментов хромосом, которые у родственных видов входят в состав разных хромосом. У синаптических мутантов изучали динамику включения белков в СК, используя антитела к ортологичным белкам томатов и арабидопсиса. Известно, что белок Asy1 ассоциирован с хроматином вблизи осей хромосом, а Zip1 — белок центрального пространства СК. Белки, входящие в СК, изучены на всех стадиях профазы. У мутанта sy19 вдоль хромосом наблюдается прерывистый сигнал Asy1, у растений дикого типа сигнал непрерывный. У мутанта sy10 белки Asy1 и Zip1 образуют линейные треки, однако трехслойная структура СК не образуется и синапсис проходит гетерологично, как и у sy19 [15, 16]. У мутанта sy9 в 90 % клеток белок Asy1 отсутствует, в отличие от другого асинаптика sy1, где он выявляется в виде непрерывных линейных сигналов вдоль каждой хромосомы [15]. Важно отметить, что у ржи включение белка Zip1 в хромосомы происходит раньше, чем у других объектов, и до начала синапсиса этот белок выровнен в протяженную структуру вместе с Asy1. Консерватизм отдельных ключевых этапов мейоза и выявление гомологии основных генов [19], контролирующих мейоз, позволяют осуществить сравнительные геномные и протеомные исследования. Очевидные перспективы в этом отношении открывает полногеномное секвенирование ржи [20].

Изучение взаимодействия родительских геномов у пшенично-ржаных гибридов и первичных октоплоидных тритикале

При скрещивании пшеницы и ржи, а также при изучении первичных гексаплоидных и октоплоидных тритикале описаны многочисленные случаи отклонений от нормального развития, появления аномальных признаков и нестабильности родительских геномов [21, 22]. Подобные проявления взаимодействия геномов можно отнести к несовместимости (инконгруэнтности) геномов, которая в ряде случаев имеет простую генетическую интерпретацию [23]. Нами была поставлена задача систематического поиска, сегрегационного анализа и картирования полиморфных генов пшеницы и ржи, комплементарным взаимодействием которых можно объяснить появление аномальных признаков в F1, а также функциональную и структурную нестабильность геномов у пшенично-ржаных гибридов и амфидиплоидов [24, 25]. Согласно предложенному подходу, на первом этапе проводили скрещивания пшеницы «стандартного генотипа» Chinese spring с возможно большим набором инбредных линий ржи. Цель этого этапа — обнаружение различий в проявлении признаков у полученных амфигаплоидов. В числе таких признаков были обнаружены аномалии морфогенеза, некроз и хлороз листьев, а также эмбриональная и проростковая летальности [24]. У первичных тритикале, полученных после удвоения хромосом у амфигаплоидовс нормальным развитием, анализировали количественные признаки, формирование которых также может зависеть от полиморфных генов ржи со специфическим проявлением у аллополиплоидов [26, 27]. Гибриды от скрещивания пшеницы с межлинейными гибридами рживовлекали в сегрегационный анализ. Обнаружение генов ржи, ответственных за наблюдаемые аномалии, и анализ сцепления с молекулярными маркерами проводили, исходя из моногибридного соотношения 1 : 1, являющегося следствием гаметического расщепления генов ржи. С помощью этого подхода у инбредных линий ржи были идентифицированы два мутантных гена, ведущих к летальности пшенично-ржаных гибридов. Оба гена были картированы в хромосоме 6R относительно одних и тех же молекулярных маркёров. Разное положение на генетической карте указывало на неаллельность мутаций Hdw-R1 и Eml-R1. Последнее было подтверждено в сегрегационном тесте на аллелизм. Анализ гибридов между линиями ржи и нулли-тетрасомными линиями сорта Chinese spring подтвердил гипотезу о комплементарном взаимодействии генов ржи и пшеницы в определении эмбриональной летальности. Установлено, что эмбриональная летальность проявляется только в присутствии хромосомы 6A. На этом основании был сделан вывод, что хромосома 6A пшеницы Chinese spring несёт ген (аллель) межвидовой несовместимости, в то время как хромосомы 6B и 6D несут нормальные (совместимые) гомеоаллели этого гена. Показано, что хромосома 6A Chinese spring не проявляет комплементарности по отношению к мутации проростковой гибридной летальности ржи Hdw-R1. С помощью делеционного картирования показано, что ген эмбриональной летальности пшеницы Eml-R1 расположен в фрагменте хромосомы 6A гомеологичном фрагменту хромосомы ржи 6R с геном Eml. Возможную роль установленных генов в эволюции злаков подтверждает факт локализации генов ржи Eml-R1 и Hdw-R1 в районе сегментного обмена между хромосомами шестой и третьей гомеологичных групп, который произошёл в ходе эволюционных преобразований генома ржи [18].

У пшенично-ржаных гибридов с нормальным развитием удваивали число хромосом с помощью колхицина. Это позволило изучить влияние генотипа ин­бредных линий ржи на формирование количественных (высота растений, признаки колоса, фертильность) и качественных признаков (устойчивость к грибным болезням) у первичных октоплоидных тритикале. Показано, что октоплоидные тритикале, полученные на основе линий с геном доминантной короткостебельности Ddw1, в среднем короче, чем линии, полученные на основе линий с рецессивной аллелью этого гена [26]. В ходе работы обнаружены линии ржи, которые не несут гена доминантной короткостебельности, но гибриды этих линий с пшеницей характеризуются укороченным стеблем. Способность завязывать семена при самоопылении позволяет отнести тритикале к самосовместимым растениям. В то же время многие гексаплоидные и октоплоидные формы тритикале получены на основе самонесовместимых форм ржи и включают все хромосомы ржи. Такие амфидиплоиды содержат в своём генотипе активные аллели генов самонесовместимости, которые в случае их проявления должны вести к резкому снижению завязываемости семян при самоопылении. Отсутствие реакции самонесовместимости позволяет говорить о супрессии генов несовместимости ржи в генотипах тритикале. Мы имели возможность сравнить завязываемость семян у 27 образцов тритикале, полученных на основе линий ржи с мутациями, нарушающими функционирование системы несовместимости. В среднем завязываемость семян у линий тритикале с мутациями самосовместимости в локусе T в два раза превышала завязываемость семян у линий тритикале с мутациями в локусах S и Z [27]. Большое разнообразие линий ржи позволило изучить устойчивость самих линий и тритикале, полученных на их основе, к грибным болезням. Анализировали устойчивость к двум патогенам — Puccinia recondita sp.f tritici, представленным местной популяцией, и высокоагрессивному изоляту Bipolaris sorokiniana (Sacc.), выделенному из природной популяции возбудителя (опытное поле ВИР, г. Пушкин). Bipolaris sorokiniana (Sacc.) является причиной двух болезней пшеницы — тёмно-бурой листовой пятнистости и обык­новенной корневой гнили. Из 91 исследованной линии ржи 41 линия оказалась устойчивой к бурой ржавчине. Однако линии первичных тритикале, полученные на основе восприимчивого сорта CS и устойчивых линий ржи, в большинстве случаев поражались бурой ржавчиной. Только две родственные линии могут служить донорами устойчивости к этому патогену для тритикалы и пшеницы. Возможной причиной восприимчивости является специфическая супрессия генов устойчивости ржи со стороны генотипа CS. При анализе устойчивости к Bipolaris sorokiniana (Sacc.) в тестах на пятнистость листьев и корневую гниль у инбредных линий ржи были обнаружены соответственно 16 и 6 устойчивых образцов. У межлинейных гибридов ржи установлен рецессивный характер наследования устойчивости к тёмно-бурой листовой пятнистости. Октоплоидные тритикале, полученные на основе устойчивых линий ржи, оказались высоковосприимчивы к тёмно-бурой листовой пятнистости в фазе проростков. Этот факт соответствует рецессивному проявлению устойчивости собственно у ржи. Устойчивость тритикале к обыкновенной корневой гнили была обнаружена у амфидиплоидов, полученных на основе как устойчивых, так и восприимчивых линий ржи. Кроме того, наблюдалось внутри- и межсемейное разнообразие отдельных линий тритикале по реакции на заражение корней проростков изолятом Bipolaris sorokiniana (Sacc.) (неопубликованные данные). Это разнообразие было выявлено у ряда линий тритикале и при анализе устойчивости к другим болезням. Неоднородность по устойчивости может объясняться потерей хромосом ржи с генами устойчивости и сложностью генетического контроля устойчивости с разными уровнями пенетрантности и экс­прессивности генов ржи и пшеницы, участвующих в контроле устойчивости. В качестве молекулярного механизма, усиливающего неоднородность по устойчивости, могут выступать структурные и функциональные перестройки родительских геномов, наблюдаемые у амфидиплоидов [28].

Линейное размножение тритикале, полученных на основе инбредных линий с фиксированными генотипами, позволяет создать материал для детального изучения механизмов стабилизации генома у тритикале и роли отдельных генов ржи в этом процессе. Очевидно, что такое изучение следует проводить в ходе последовательных поколений, начиная с момента удвоения хромосом у исходных пшенично-ржаных гибридов. Анализ «старых» амфидиплоидов, воспроизводимых длительное время, не даёт ответа на вопрос о специфике взаимодействия геномов ржи и пшеницы и динамике этого взаимодействия.

Селекционные разработки

Глубокое понимание генетики и творческий подход к ней как теоретической основе селекции позволили В.С. Фёдорову и В.Г. Смирнову создать один из первых сортов тетраплоидной ржи [29]. С этой целью в 1962 г. была заложена синтетическая популяция автотетраплоидной ржи. Для её создания использовали 13 автотетраплоидов разного происхождения, а также гибриды первого и второго поколений нескольких комбинаций скрещивания исходных тетраплоидов. Главным принципом при создании этой популяции было использование генетически разнообразного материала — экспериментальных автотетраплоидов, полученных на основе лучших отечественных и зарубежных диплоидных сортов. Гетерогенность исходного материала обеспечивала в синтетической популяции высокий уровень гетерозиготности, основанной на аллельном разнообразии. При перекрёстном опылении гетерозиготность, а, следовательно, и гетерозис в популяциях тетраплоидов сохраняется неограниченно долго. Аллельное разнообразие по генам с адаптивной и хозяйственной ценностью служило материалом для естественного и искусственного отборов. В частности, разнообразие по аллелям в локусах несовместимости, согласно предположению авторов, должно было вести к устранению главного недостатка автотетраплоидов у ржи — низкой завязываемости семян. К началу работы были известны такие положительные качества тетраплоидов, как более короткий и прочный стебель и почти вдвое большая масса 1000 зёрен. Созданную популяцию размножали без отбора в течение пяти лет на изолированных участках. Анализ изменчивости количественных признаков в разных условиях выращивания показал, что теоретические предположения оправдались. Уже в первом поколении созданная популяция сравнялась по фертильности с диплоидной рожью. По большинству признаков популяция тетраплоидной ржи оказалась стабильной, а по некоторым признакам наблюдались положительные изменения при сохранении главного достоинства тетраплоидной ржи — устойчивости к полеганию. Авторы объяснили подобное проявление признаков стабилизацией и сбалансированностью генотипической структуры популяции в ходе её свободного размножения. В 1967 г. через рекордный для ржи срок в пять лет синтетическая популяция тетраплоидной ржи, названная решением учёного совета биолого-почвенного факультета ЛГУ Фёдоровской тетраплоидной № 1, была принята в государственное сортоиспытание. После его успешного прохождения в Ленинградской области и Прибалтике сорт выращивали в производственных масштабах под названием Ленинградская тетра.

Действие жёсткой системы гаметофитной несовместимости у ржи исключает использование индивидуального отбора при создании и улучшении сор­тов-популяций. Все сортовые популяции созданы на основе массового или индивидуально-семейственного отбора. Однако селекция сортов-гибридов строится на индивидуальном отборе — путём отбора потомств от самоопыления. Инбредные линии выделяют из популяций гибридизации с источником автофертильности, последующим инбридингом и оценкой линий на комбинационную способность и другие полезные признаки. Изучение генетики автофертильности [30–32] позволило предложить схему внедрения индивидуального отбора и в селекцию сортов-популяций [33, 34]. Схема позволяет использовать преимущества наиболее эффективного индивидуального отбора (оценки и отбора инбредных потомств) для создания популяций разного целевого назначения на основе районированных, высокоадаптивных открыто-опыляемых сортов. Схема подразумевает включение мутации автофертильности в селектируемый материал, проведение однократного само­опыления сорто-линейных гибридов, всестороннюю оценку инбредных потомств, переопыление лучших из них по тем или иным показателям и последующее устранение мутации автофертильности с помощью изозимного маркера с восстановлением перекрестного опыления и популяционного гетерозиса. Вариант предложенной схемы, реализуемый в сотрудничестве с НИИСХ Северо-Востока, рассчитан на улучшение и диверсификацию районированных сортов-популяций, созданных на основе гена доминантной короткостебельности (сорт Снежана), и позволяет решить еще одну задачу селекции ржи — добиться константности растений по высоте в пределах сорта. С использованием ежегодно получаемых возвратных гибридов разрабатывается неразрушающий экспресс-метод оценки качества зерна ржи с помощью инфракрасной спектроскопии. Разработка этого метода позволит определять содержание отдельных компонентов и показателей качества в зерне с одного растения и использовать это зерно для посева уже в год полученияурожая.

Заключение

Потенциал генетической коллекции ржи до настоящего времени не был использован в должной мере. Его раскрытию может способствовать привлечение генных маркёров, разработанных на основе полногеномного секвенирования у ржи [20]. Инбредные линии, полученные на основе различных сортов культурной и образцов сорно-полевой ржи, несут функционально различные аллели генов, отвечающих за многообразие количественных признаков. Эти аллели влияют на урожайность, устойчивость и качественные характеристики зерна и биомассы. Проявление многих аллелей порознь или в сочетании друг с другом ведёт к инбредной депрессии, снижающей мощность развития, фертильность и выживаемость. Аллельное разнообразие экспериментальных линий значительно больше, чем разнообразие селекционных линий, которые проходят жёсткий отбор. Идентификация соответствующих генов и установление их функции представляют интерес с точки зрения изучения природы инбредной депрессии и гетерозиса, использования полезных аллелей для улучшения селекционных линий. Экспериментальные линии с нормальным фенотипом и линии с морфологическими мутациями могут служить для изучения природы спонтанных мутаций, структурных и функциональных перестроек генома ржи в ходе инбридинга. Аллельное разнообразие может возникать за счёт точковых мутаций, инсерций-делеций, встраивания мобильных элементов в последовательность генов. Своего рода моделью для выяснения природы спонтанного мутирования могут служить гены с установленной функцией, а также мутации с качественным проявлением. В этой связи интересно отметить, что при создании коллекции выделено разное число линий с аллельными мутациями, имеющими морфологическое проявление. Большинство мутантных генов представлено только в одной из линий,в то время как независимо получены четыре образца с геном карликовости ct2 и пять образцов с мутацией ветвистого колоса m. Мутация безантоциановости vi1 идентифицирована у 13 линий независимого происхождения, а мутации vi2-vi6 только в одной из линий каждая. Полногеномное ассоциативное картирование, проводимое c привлечением линий Петергофской генетической коллекции и гибридов линий с тестерами, позволит установить фрагменты хромосом, связанных с проявлением инбредной депрессии и гетерозиса. Рожь, благодаря высокой внутривидовой изменчивости, фиксированной в инбредных линиях, и низкому уровню неравновесия по сцеплению, является уникальным объектом среди родственных зерновых для такого рода исследований.

Часть исследований выполнена в рамках темы госзадания № АААА - А16-116111610177-3 "Генетика и селекция ржи на основе наследственного природного разнообразия".

References

Supplementary files