Способ оценки реализации геномов в полиплоидных пшеницах

Способ оценки реализации геномов в полиплоидных пшеницах

Реферат

 

Использование: изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам генетико-селекционных исследований. Сущность: согласно заявленному способу, растения различного количественного геномного состава выращивают в одинаковых условиях, анализируют количественные признаки, сравнивают результаты анализа и оценивают реализацию генома, при этом в качестве растений различного количественного геномного состава используют естественные полиплоидные пшеницы и их соответствующие гомологи. 4 ил.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам генетико-селекционных исследований.

Известен способ вклада генома в сложный количественный признак, включающий исследование содержания ядерного ДНК у синтезированных тетраплоидных форм и исходных диплоидных родительских форм, а в качестве оценки вклада генома используют сравнительные данные между фактическим значением признака в синтезированном амфиплоиде и теоретически рассчитанным, исходя из суммарного признака диплоидных источников геномов (РЖ. Генетика и селекция возделывания растений, 1986, 12.65,12, с.3).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, необходимость соответствующего оборудования и длительность процесса, связанная с получением тетраплоидных форм.

Известен способ оценки вклада генома, включающий исследование методом двумерного электрофореза белков проростков амфидиплоида и родительских форм, и использование в качестве оценки значение признака в амдиплоиде к теоретически рассчитанному, исходя из суммарного признака родительских форм (РЖ. Генетика и селекция возделывания растений, 1988, 2.65.86, с.14).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, необходимость соответствующего оборудования и длительность процесса, связанная с получением амфидиплоида.

Известен способ оценки вклада генома, включающий выращивание полиплоидных растений пшеницы разного количественного и качественного состава и их диплоидных сородичей источников исходных геномов, определение площади флагового листа и использование в качестве оценки фактического значения признака в полиплоиде к теоретически рассчитанному, исходя из суммарного признака диплоидных сородичей источников исходных геномов (С.Е.Дунаев, Р.Л.Богуславский, М.И.Зеленский. Сравнительная характеристика видов пшеницы по морфологии листа и содержанию хлорофилла в условиях Дагестана и Ленинградской области. В кн. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, 1989, т.127, с. 115-122).

Недостатком данного способа является необходимость выращивания наряду с полиплоидными видами их диплоидных сородичей источников исходных геномов.

Известен способ оценки вклада генома в сложный количественный признак пшеницы, включающий выделение из мягкой пшеницы T.aestivum ее тетраформы и использование в качестве оценки сравнительного анализа массы 1000 семян T. aestivum A^uBD и ее тетраформы A^uB (В.Г.Конаров, Н.К.Губарева, И.П.Гаврилюк, В. Бушук. Идентификация генома D у пшениц по глиакину. Вестник с/х науки, 1972, N 7, с.108-114) ближайший аналог.

Недостатком аналога является трудность получения тетраформы, которая сопряжена со скрещиванием и бакроссированием до 7-8 поколения, кроме того, в результате плохой всхожести и слабой жизнеспособности очень трудно получить семена тетраформ.

В качестве исследуемых образцов используют естественные полиплоидные растения и их соответствующие гомологи.

Задача изобретения снизить трудоемкость оценки реализации геномов в количественных признаках полиплоидных растений. При заявляемом способе исключается использование диплоидных сородичей носителей исходных геномов, одновременное выращивание которых увеличивает размеры опыта. Исключается также трудоемкий процесс, связанный с получением тетраформ или синтезом амфиплоидов, т.к. используются естественные полиплоидные видообразцы и их соответствующие гомологи.

Семена полиплоидных видообразцов разного количественного геномного состава, связанные между собой филогенетическим родством, и семена их гомологов, аналогичным образом связанные филогенетическим родством, высевают одновременно в сосуды, имеющие одинаковый объем. Растения выращивают до полной спелости. Затем их вымывают из сосудов и высушивают до воздушно-сухого состояния. Определяют количественные признаки (зерновую продуктивность, число корешков корневой системы или другие признаки). И по разнице этих признаков оценивают реализацию генома.

Суть изобретения основывается на обнаруженной дискретности формирования количественного признака в филогенезе пшеницы. Отмечено, что увеличение количественного признака по мере усложнения геномного состава растения носит определенный квантированный характер, т. е. количеству геномов в генотипе аллополиплоида соответствует точно такое же количество фенов или квантов в его фенотипе. Конечно, при условии реализации в фенотипе свойств всех геномов. Следовательно, свойства геномов диплоидных видов являются своего рода "кирпичиками", из которых складывается более сложный признак полиплоидного организма, имеющего в своем составе уже несколько таких геномов ("кирпичиков").

Таким образом, опираясь на геномообусловленную дискретность и закон гомологических рядов наследственной изменчивости, можно существенно упростить оценку вклада генома в тот или иной количественный признак пшеницы. Для этого, например, достаточно провести сравнительный феногенетический анализ признаков двух- и трехгеномных видообразцов, связанных филогенетическим родством между собой и с соответствующими гомологами, одновременно. При реализации свойств всех геномов в фенотипе сравниваемых видообразцов, различие между двух- и трехгеномными образцами должно быть в пределах 1/3 признака, поскольку признак первого состоит из двух "кирпичиков", а второго из трех. Различия же между гомологами практически не должны быть или они будут минимальными. То есть согласно формуле: где ЧФ число фенов (квантов), характеризующих сложный количественный признак.

Допустим, в гексаплоиде A^bGD не проявляются свойства одного из трех геномов. Это можно проконтролировать сразу с двух позиций: во-первых, у него соответствующий признак будет на уровне такового тетраплоидного видообразца A^bG, во-вторых, он будет на 1/3 ниже, чем у его гомолога A^uBD. Если ранее был четко установлен уровень фенности признака одного из сравниваемых полиплоидных видообразцов, то можно оценить вклад генома, используя один из подходов: филогенетическое родство или гомологию. Однако результаты, полученные в связке, все-таки более надежны потому, что есть возможность двойного контроля.

В зависимости от того, какой признак исследуем, вероятно, методики несколько будут различаться. Например, для характеристики продукционных свойств необходимо задать спектр питания или сравнивать на оптимальном варианте, тогда как для характеристики корешковости корневой системы уровень минерального питания не играет такой существенной роли. Но в то же время во всех исследованиях принцип того, что необходимо сравнивать одновозрастные растения, выращенные в одинаковых условиях, неизменно должен соблюдаться.

Пример 1 Многие авторы, в том числе и Н.В.Вавилов, указывали, что T.persicum V_avA^uB имеет вторичное происхождение, т.е. является природной тетраформой A^uB, выщепившейся в свое время из T.aestivum L. A^uBD (Культурная флора СССР. Т. Пшеница. / Под ред. чл.-корр. ВАСХНИЛ В.Ф.Дорофеева, О.Н.Коровина. Л. Колос, Ленинградское отделение, 1979, с.182-183). С другой стороны, считается, что T.aestivum возник при спонтанной гибридизации T.persicum A^uB с Ac. tauschii Goss. D (Пшеницы мира. Видовой состав, достижения селекции, современные проблемы и исходный материал. / Под ред. В.Ф.Дорофеева. Л. ВО Агропромиздат, Ленинградское отделение 1987, с.14-18). Следовательно, в любом случае T. aestivum связан филогенетическим родством с T.persicum. То есть .

Отсюда, основываясь на филогенетическом родстве данных видов, нами проведен сравнительный анализ их продуктивности. В качестве объектов исследования использовали образцы T.persicum 17583 и T.aestivum сорт Московская 35. Растения выращивали в вегетационном домике с полиэтиленовым покрытием в сосудах емкостью 8 кг на почвенно-песчаном /1:6/ субстрате на соответствующих уровнях азотного питания, позволяющих наиболее полно выявлять потенциальные продукционные свойства исследуемых видообразцов. Растения выращивали строго по 5 шт. в сосуде. Повторность трехкратная. Обработка данных по Б.А.Доспехову (1985) (Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М. Агропромиздат, 1985, 351 с.).

Как показано на фиг.1. А, Б, T.aestivum по уровням минерального питания и по средней средневариантной продуктивности на 1/3 превосходит T.persicum. Следовательно, продуктивность T. persicum складывается из двух фенов, а T. aestivum из трех, т.е. налицо реализация в фенотипе первого продукционных свойств обоих геномов, а у последнего всего трех. Это подтверждено и по данным расширенного опыта, в котором использовались по три образца как мягкой пшеницы, так и T.persicum (фиг.2 А, Б). Таким образом, вклад генома в количественный признак, каковым является продуктивность, оценен.

Пример 2 Он логически связан с первым. В данном случае провели сравнительный феногенетический анализ продуктивности видов-гомологов: T.persicum A^uB, T.aestivum A^uBD, с одной стороны, и T.militinae A^bG, T.miguschovae A^bGD, с другой (Пшеницы мира, 1987), опираясь на закон гомологических рядов наследственной изменчивости как теоретическую основу фенетики популяций (Яблоков, 1989).

Методика исследования аналогичная, что и в примере 1, за исключением того, что сравнительный анализ проведен на оптимальном варианте минерального питания. На оптимальных уровнях минерального питания межгеномные различия наиболее ярко выражены, что нам и требуется для сравнения (см. пример 1. Гамзикова О.Н. Удачин Р.А. и др. Реакция пшеницы на уровень азотного питания в эволюционном аспекте. С-х биология. 1986 N 3, с.53-56). В качестве объектов исследования взяли те же образцы T.persicum 17583 и T.aestivum сорт Московская 35 и соответствующие гомологи T.militinae 46007 и T.miguschovae 57361. Первые в настоящем примере служат своего рода маркерами для выявления уровня "фенности" признака у гомологов.

На фоне продуктивности тетраплоида T.persicum урожай T.aestivum, безусловно, трехфенный. Однако продуктивность T.miguschovae практически равна таковой T. militinae. Различия в урожайности между ними статистически недостоверны. Таким образом, в фенотипе гексаплоида T.miguschovae мы наблюдаем реализацию продукционных свойств только двух геномов, а не трех, как следовало бы ожидать, исходя из трехгеномной его природы. Следовательно, T.miguschovae неполный гомолог T.aestivum. Однако согласно закону гомологических рядов наследственной изменчивости, вполне логично ожидать получение по данной филогенетической ветви пшеницы полного гомолога последнего, т.е. такой формы (вида), которая обладала бы трехфенной продуктивностью, поскольку в фенотипе T.miguschovae не проявляются свойства одного из трех геномов.

Пример 3 Оценку вклада генома в количественный признак можно провести и по другим (количественным) признакам. Роль корневой системы в формировании продуктивности растения общеизвестна.

Параллельно исследованию продуктивности мы изучали число корешков корневой системы на тех же образцах, включая как первичные, так и вторичные корни. Опыты проводили на специально подготовленных грядках, в которые добавляли песок, чтобы легче было извлекать растения. Зерновки каждого видообразца высевали одновременно, каждую индивидуально, в рядки на расстояние 10-15 см друг от друга и 20-25 см между рядками. В цветение, когда число корешков стабилизировалось и рост корневой системы фактически прекратился, мы осторожно подкапывали растения на глубину 10-15 см, аккуратно подрезали корни, отмывали, подсчитывали число корешков, приходящиеся на одно растение. Проанализировано не менее 25 растений каждого видообразца.

Следует отметить, что в данном примере мы еще более упростили способ оценки. Так, из гистограмм, представленных на фиг.4, видно, что у T.aestivum на 1/3 больше корешков, чем у T.persicum, т.е. двухгеномный тетраплоид, как и следовало ожидать, обладает двухфенной корешконосностью, а гексаплоид - трехфенной. Аналогичная картина наблюдается между этими видами и по площади флагового листа по данным сотрудников ВИР (Дунаева, Богуславский, Зеленский, 1969) (с. аналог). Взаимосвязь между развитием корневой системы и надземных органов также не требует доказательств.

Теперь, зная трехфазный уровень продуктивности и корешковости T.aestivum, мы провели сравнительный анализ только гексаплоидных представителей и установили, что и по корешковости T.miguschovae 1/3 отстает от T.aestivum. Следовательно, вывод о том, что в фенотипе первого не реализуются свойства одного из трех геномов, сделанный из сравнительного анализа продукционных свойств этих гомологов, подтверждается. Таким образом, мы оценили, что вклада одного из трех геномов в количественные признаки T.miguschovae не происходит.

В целом из вышепредставленных примеров следует, что мы существенно упростили способ оценки вклада генома в количественный признак пшеницы.

Формула изобретения

Способ оценки реализации геномов в полиплоидных пшеницах, включающий выращивание в одинаковых условиях растений различного количественного геномного состава, анализ количественных признаков выращенных растений и последующее сравнение результатов анализа, по которым оценивают реализацию генома, отличающийся тем, что в качестве растений различного количественного геномного состава используют естественные полиплоидные пшеницы и их соответствующие гомологи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4