Аль-юсеф фенотипическое и генетическое разнообразие местной яровой мягкой пшеницы азии и африки из коллекции вир
На правах рукописи
Ваэль Абдель Хамид Аль-Юсеф ФЕНОТИПИЧЕСКОЕ И ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ МЕСТНОЙ ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ АЗИИ И АФРИКИ ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ВИР Специальность: 03.00.15 – Генетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург 2009
Работа выполнена в отделе генетических ресурсов пшеницы и отделе биохимии и мо лекулярной биологии Государственного научного центра Российской Федерации Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени Н.И. Вавилова.
доктор биологических наук
Научный консультант:
Митрофанова Ольга Павловна доктор биологических наук
Официальные оппоненты:
Анисимова Ирина Николаевна доктор биологических наук Шнеер Виктория Семеновна Санкт-Петербургский филиал
Ведущая организация:
Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН
Защита диссертации состоится « 20 » мая 2009 г. в « 11 » часов на заседании дис сертационного совета Д 006.041.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н.И. Вавилова по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 44. Факс: (812) 571-87-28;
e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова.
Автореферат разослан « 20 » апреля 2009 г.
Автореферат размещен на сайте http://www.vir.nw.ru « 17 » апреля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Вера Алексеевна Гаврилова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Разнообразие культурных и родственных им диких видов растений – это основной фонд для развития государственного семеноводства и селек ции (Вавилов, 1932), он является важной составляющей обеспечения продовольст венной безопасности любой страны. Во всем мире особое внимание уделяют сохра нению стародавних местных сортов (landraces), считая их потенциально полезными источниками аллелей генов и полигенных систем, обусловливающих устойчивость и толерантность пшеницы к различным неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам внешней среды (Вавилов, 1935;
Zeven, 1998). Десятки тысяч местных сор тов сохраняются в семенных банках и на полях фермеров, но большинство из них не адекватно описано и изучено для эффективного использования в селекции (Dreisigacker et al., 2005). В их число входит и коллекция пшеницы Государственного научного центра РФ, Всероссийского НИИ растениеводства имени Н.И. Вавилова (ВИР). Она содержит более 13 тыс. образцов, имеющих статус стародавних местных и полученных из них отбором старых селекционных сортов (Митрофанова, 2007). Пре имущественно это оригинальный материал, собранный экспедициями ВИР и про шедший полевое изучение еще в первой половине прошлого века. Он охарактеризо ван по морфологическим признакам и отношению к условиям среды (Фляксбергер, 1935;
Пальмова, 1935;
Вавилов, 1935, 1964;
Дорофеев и др., 1979). Однако получен ные знания большей частью находятся вне связи с конкретными образцами коллек ции, и они недостаточны для эффективной работы с ней. Необходимо иметь четкие представления об уровне и общей структуре не только ее фенотипического, но и гене тического разнообразия, определить место и значимость каждого образца в его фор мировании. Наличие такой информации повысит уровень изученности коллекции пшеницы, позволит оптимизировать состав ее активной части и уменьшить затраты на работу с ней.
Основная цель настоящего исследования – изучить фенотипическое и гене тическое разнообразие местной яровой мягкой пшеницы юго-западной и центральной Азии, северной и северо-восточной Африки, имеющейся в коллекции ВИР, и опреде лить структуру разнообразия выборки для повышения эффективности отбора образ цов для селекции и научных исследований.
Для достижения этой цели нужно было решить следующие задачи:
– охарактеризовать выборку местных сортов по морфологическим и фенологическим признакам, параметрам продуктивности растений и дать количественную оценку вы явленного разнообразия по признакам;
– исследовать полиморфизм выборки по глиадину и показать особенности его прояв ления;
– изучить микросателлитные последовательности у генотипов, отобранных из мест ной яровой мягкой пшеницы, и характер ее генетической дифференциации;
– определить особенности географического распределения вариаций признаков и раз нообразия генотипов;
– выявить структуру разнообразия изученной выборки коллекционных образцов.
Научная новизна исследований. Дана оценка местной яровой мягкой пшени це из коллекции ВИР по морфологическим и фенологическим признакам, параметрам продуктивности растений, электрофоретическим спектрам глиадина и составу алле лей пяти микросателлитов, известной локализации (МС-локусов). Показано, что ме стные сорта могут содержать в своем составе внутрисортовые группы растений, раз личия которых по комплексам качественных и количественных признаков сопостави мы с межсортовыми. Установлено, что местная мягкая пшеница из Азии имеет более широкое разнообразие по изученным признакам, чем местная пшеница из Африки. У генотипов, отобранных из местных сортов, идентифицировано 49 аллелей для пяти МС-локусов. Впервые показано, что наиболее широкое географическое распростра нение имеют аллели 131 и 133 локуса Xgwm415, а объединенные выборки генотипов из стран Азии и Африки дифференцированы по частоте встречаемости аллелей локу са Xgwm257. Группирование сортов и биотипов или генотипов по степени фенотипи ческого или генетического сходства не имеет четкой географической направленности, оно не связано с принадлежностью материала к какому-либо континенту или стране происхождения. Определена структура разнообразия изученной выборки образцов и возможности использования информации о ней при отборе материала для селекции и научных исследований. В составе выборки выявлены скороспелые и короткостебель ные сорта, представляющие интерес для дальнейшего изучения и использования в се лекции.
Практическая ценность работы состоит в том, что охарактеризована часть коллекции ВИР и по результатам ее изучения созданы описательные и оценочные ба зы данных, которые могут быть предоставлены широкому кругу пользователей.
Для исследований по геномике и биотехнологии мягкой пшеницы создана ори гинальная коллекция из 96 генотипов (линий), отобранных из местных сортов и обла дающих определенным составом аллелей пяти МС-локусов, коллекция паспортизиро вана по электрофоретическим спектрам глиадина и охарактеризована по морфологи ческим и некоторым хозяйственно-ценным признакам.
Положение, выносимое на защиту: представленная в коллекции ВИР местная яровая мягкая пшеница из юго-западной и центральной Азии, северной и северо восточной Африки дифференцирована на группы сортов или генотипов, и эта диффе ренциация не связана с принадлежностью пшеницы к определенному континенту или стране происхождения.
Диссертационная работа выполнена в рамках программ фундаментальных и прикладных исследований РАСХН на 2001-2005 гг. и 2006-2010 гг.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуж дались: на I (IX) Международной конференции молодых ботаников в Санкт Петербурге в Ботаническом Институте им. В.Л. Комарова РАН, 21-26 мая 2006 г. и на II Вавиловской Международной конференции во Всероссийском научно исследовательском институте растениеводства им. Н.И. Вавилова РАСХН, 26-30 но ября 2007 г.
Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубли ковано пять работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Структура работы традиционная. Она со стоит из введения, обзора литературы, 4 глав экспериментальной части, обсуждения, выводов, списка использованной литературы (135 наименований, в том числе 68 на иностранном языке), содержит 29 таблиц, 17 рисунков, 7 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В обзоре литературы даны общие представления о роде Triticum L., в двух разделах и трех подразделах рассмотрены местные сорта пшеницы и их значение для селекции (1.1.), генетические маркеры в оценке разнообразия пшеницы (1.2), в том числе морфологические маркеры (1.2.1.), биохимическая природа и генетический контроль глиадина (1.2.2.) и ДНК-маркеры (1.2.3.). В заключении обоснована цель и сформулированы задачи исследования.
2. Объект и методы исследования Для проведения работы из коллекции ВИР было отобрано 249 стародавних ме стных сортов яровой мягкой пшеницы Азии и Африки. Эти сорта собраны в 1926 1989 гг. преимущественно экспедициями ВИР в Иордании, Ираке, Палестине, Сирии, Турции, Иране, Ливии, Марокко, Тунисе, Египте и Эфиопии.
В 2003 г. на опытном поле Пушкинского филиала ВИР проводили сравнитель ную оценку материала по морфологическим и фенологическим признакам, некото рым параметрам продуктивности согласно Методическим указаниям ВИР (Мережко и др. 1999). Стандартом для определения фенофаз был сорт яровой мягкой пшеницы Ленинградка (к-47882, Россия, Ленинградская обл.). В 2004 г. там же для анализа глиадина и микросателлитов размножали отдельные растения (генотипы), отобран ные по типичным признакам каждого сорта.
Глиадин из эндосперма отдельных зерновок выделяли 5М водным раствором мочевины. Электрофоретический анализ экстрактов проводили в 6,5% ПААГе (рН 3,1) по (Гаврилюк и др., 1989;
Конарев и др., 2000). Электрофоретические спектры глиадина записывали в виде белковых формул в соответствии с эталонным спектром (Конарев, 1980). В качестве стандарта использовали озимую мягкую пшеницу Миро новская 808. Интенсивность компонентов оценивали по пяти балльной шкале.
Анализ микросателлитов известной локализации в геноме (МС-локусов) осу ществляли с помощью ПЦР-амплификации по Roder et al. (1998). ДНК из одного двух-трехнедельного проростка выделяли СТАВ–методом (Saghai-Maroof et al., 1984).
Амплификацию МС-локусов проводили в термоциклере Amplitron II фирмы Thermo lyne c использованием наборов реактивов для ПЦР (Силекс, Москва). Наличие про дуктов амплификации контролировали электрофорезом в 1,5% агарозном геле. Иден тификацию фрагментов ДНК проводили электрофорезом в пластинах 5% ПААГ в се квенаторе фирмы Cole-Parmer (кат. № 28563-10) с последующей их окраской сереб ром (Остерман, 1981;
Маниатис и др., 1984;
Sambrook et al., 1989). Наличие у каждого генотипа МС-локуса определенного размера определяли с помощью программы “Gel Analysis”.
Полученные результаты записаны в восьми таблицах в формате Microsoft Excel-2003. Для характеристики выборок растений, сортов или генотипов по качест венным и количественным признакам рассчитывали среднее, ошибку среднего и дру гие статистические показатели (Доспехов, 1979). Для выявления неоднородности ме стного сорта использовали метод К-средних, а для классификации сортов и биотипов или генотипов по степени их фенотипического или генетического сходства – иерар хический метод Уорда (Ward, 1963). Для последнего случая количественные признаки сводили к альтернативным в соответствии со шкалами классификатора (Филатенко, Шитова, 1989) и создавали матрицы бинарных исходных данных, где наличие вариа ции признака, компонента глиадина или определенного аллеля МС-локуса кодирова ли цифрой «1», отсутствие – «0». На основе бинарных матриц рассчитывали матрицы коэффициентов сходства по Dice (Dice, 1945). Кластерный анализ проводили с ис пользованием программного обеспечения NCSS 2000 и Statistica 6.0. Полученные дендрограммы сохраняли в формате WMF и редактировали в CorelDraw 12.
3. Разнообразие местной яровой мягкой пшеницы Азии и Африки по морфоло гическим и фенологическим признакам, параметрам продуктивности растений 3.1. Неоднородность местных сортов. Полевая оценка 249 местных сортов яровой мягкой пшеницы показала, что из них в дальнейшем изучении можно исполь зовать только 230, поскольку девять имели озимый тип развития, пять – были позд ними и очень поздними яровыми и не сформировали выполненных зерновок, три – представляли собой популяции из мягкой и твердой пшеницы, но содержали растения только твердой пшеницы, и два образца имели низкую всхожесть.
По характеру проявления качественных морфологических признаков большин ство сортов были мономорфными, лишь 12 (к-202015, Египет;
кк-43720, -43730, 55728, Ирак;
кк-14317, -14333, -38598, -38674, -38675, -60213, Иран;
к-55733, Сирия;
к-44513, Эфиопия) оказались неоднородными. В пределах каждого наблюдали от двух до четырех биотипов, различающихся по окраске и форме колоса и зерновки, наличию – отсутствию остей или опушения на колосковых и цветковых чешуях, фор ме остей. Для проверки различий биотипов по другим признакам использовали непа раметрический критерий Крускала-Уоллиса (H Kruskal-Wallis test), который дает воз можность сравнивать параметры положения нескольких совокупностей с неизвест ным распределением (Глотов и др., 1982;
Зайцев, 1984). Сравнение показало, что био типы девяти образцов, каждый из которых был представлен пятью и более растения ми, достоверно различались по высоте растения, длине верхнего междоузлия и коло са, числу колосков в нем, числу зерен в колоске, длине остей и другим признакам.
Для выявления неоднородности по количественным признакам сортов, которые были мономорфными по морфологическим качественным признакам, использовали метод К-средних, который позволял в пределах образца объединить растения в груп пы таким образом, чтобы изменчивость внутри групп была минимальной, а между группами – максимальной, и путем выявления статистически значимых межгруппо вых различий определить неоднородные сорта. В результате анализа внутрисортовых групп из пяти и более растений выявлены статистически значимые различия по высо те растения для 140 сортов, длине колосоносного междоузлия – 112, длине колоса – 15, числу колосков – 15, числу зерен в колосе – 12 и другим признакам. Всего у трех сортов (к-21193, Египет;
к-16455, Марокко и к- 55715, Ирак) не обнаружено сущест венных различий между внутрисортовыми группами растений ни по какому призна ку. Напротив, у к-34821 (Марокко) и кк-16592, -55833 (Тунис) группы растений раз личались сразу по нескольким признакам (табл. 1).
Таким образом, большая часть изученных местных сортов оказалась неодно родной. Очевидно, различия по качественным морфологическим признакам имеют наследственную основу, а по количественным – могут быть обусловлены также влия нием условий внешней среды. Для доказательства существования генотипически раз личных внутрисортовых групп по количественным признакам нужны дальнейшие ис следования их по потомству. В нашей работе таких исследований не проводили. Био типы, выявленные по качественным морфологическим признакам, в дальнейшем рас сматривали наравне с сортами, чтобы уточнить характер и степень их наследственных различий.
3.2. Общая характеристика изменчивости признаков изученной выборки местных сортов. По каждому из семи морфологических признаков (окраска колоса и зерновки, наличие и форма остей, опушение колосковой и цветковой чешуй, форма колоса и зерновки) было выделено от двух до четырех градаций. Число градаций и Таблица 1. Средние значения признаков у биотипов неоднородных местных сортов № по каталогу Первая Вторая Третья ВИР, Признак Р n1 n2 n группа группа группа происхо ждение Высота растения, см 0,000 103,5* 86,7* – Длина колоса, см 0,000 8,9* 6,1* – к-34821, 10 5 – Марокко Число зерен, шт. 0,018 2,9* 2,0* – Число колосков, шт. 0,000 15,0* 9,6* – Высота растения 0,001 107,7 103,6* 114,7* Длина верхнего меж 0,001 50,4* 40,6* 40, к-16592, доузлия, см 8 7 Тунис Число зерен, шт. 0,035 2,9* 2,0* 2, Число колосков, шт. 0,003 13,0* 10,0* 12, Высота растения 0,000 86,2* 68,3* 79, Длина верхнего меж 0,000 32,8* 24,3* 5 22, к-55833, доузлия, см 10 Тунис Длина колоса, см 0,001 7,5* 5,8* 6, Число зерен, шт. 0,001 3,4* 2,2* 2, * – звездочкой отмечены статистически значимые различия между биотипами доля сортов и биотипов, относящихся к каждой из них, свидетельствовали о довольно широком разнообразии выборки местных сортов. Коэффициенты вариации для от дельных признаков составляли от 30 до 99,3%. Высокие значения объясняются рав номерным распределением сортов и биотипов по категориям каждого признака. Пре делы варьирования средних значений 10 количественных признаков также указывали на разнообразие по ним местной мягкой пшеницы (табл. 2). Коэффициенты вариации изменялись от 8,4 до 53,1%.
Таблица 2. Изменчивость количественных признаков в исследованной выборке сортов и биотипов (Пушкин, 2003 г.) Число сортов Пределы варь- CV, Признак Средняя и биотипов ирования % Высота растения, см 247 95,8 52,6-123,9 13, Длина верхнего междоузлия, см 247 38,6 18,7-57,9 18, Длина колоса, см 247 7,8 5,5-11,3 13, Число колосков, шт. 247 13,6 9,2-18,8 13, Плотность колоса 247 17,6 14,3-21,5 8, Число зерен в колоске, шт. 247 2,9 2,0-4,3 15, Длина остей, см 187 6,2 4,1-8,3 13, Число продуктивных стеблей, шт. 247 1,8 1,0-6,2 53, Продолжительность периода 247 30,2 24,0-45,0 12, «всходы – колошение», дн.
Продолжительность периода 247 35,6 23,0-45,0 14, «колошение –созревание», дн.
3.3. Сравнительный анализ географической изменчивости признаков и разнообразия местных сортов и биотипов. Для выявления особенностей географи ческого распределения разнообразия по признакам сопоставляли частоты встречаемо сти их градаций у групп местных сортов различного происхождения.
Встречаемость полуостистых и остистых форм была в три раза выше безос тых. Местные сорта из Египта и Иордании были представлены только остистыми сор тами. По форме остей господствовали сорта и биотипы с прямыми остями (84%).
Изогнутая форма остей обнаружена только у к-60187 из Ирака.
По цвету колоса – 74% всех сортов и биотипов были белоколосыми, при этом в Иордании и Тунисе обнаружены только такие формы, в остальных странах их встре чаемость варьировала от 56% до 96%. По форме колоса – 88% сортов и биотипов имели цилиндрическую форму колоса. Пирамидальную форму колосьев наблюдали у местных сортов из Палестины, Марокко, Сирии и Туниса.
Опушение колосковых и цветковых чешуй встречалось редко (6%) у некоторых местных сортов из Турции и Ирака.
По цвету зерна – образцы и биотипы с белой окраской зерновок составили 56%. Они преобладали среди местных сортов Ирака (94%) и Египта (91%). Красную окраску зерновок имели сорта Иордании и большая часть сортов Палестины (89%) и Эфиопии (62%). По форме зерновки – преобладали сорта и биотипы с яйцевидной формой зерновки (от 69% до 97%). Удлиненную форму зерновки имели растения ме стных сортов из Палестины, Ирана, Турции, Марокко и Туниса. Округлая форма зер новки выявлена у местных сортов Сирии, Туниса и Эфиопии, а почти шаровидная – у к-34836 и к-34840 из Марокко. По длине зерновки большинство (94%) местных сортов и их биотипов отнесены к классу «средние», длинные зерновки встречались у мест ных сортов Туниса, Турции и Ирана.
По высоте растения – почти 80% местных сортов и биотипов были среднерос лыми. Полукарликовые сорта и биотипы встречались чаще всего в Ираке (кк-55700, 55701, -55706, -55709, к-55711, к-55714, к-55718, к-55722, к-55725, к-60970, к-55728-1, к-55728-2), они также выявлены в Египте (к-20215), Иордании (к-17421), Иране (к 60215, к-60219), Ливии (к-55868, к-55877, к-55878), Сирии (к-55730, к-55737, к-55881, к-55733_2) и Тунисе(к-55833, к-55882). Высота растений варьировала от 52,6 до 79, см. Высокорослые местные сорта и биотипы (всего 25) обнаружены в разных странах.
Колосоносное междоузлие – длинное и очень длинное имели сорта из Египта, Палестины, Иордании, Марокко, Турции и Эфиопии, среднее – сорта и биотипы Ира ка, Ирана, Ливии и Сирии, а короткое – к-55882 из Туниса.
По длине колоса. Сорта и биотипы, имеющие средние по длине колосья, встре чались чаще (56%), чем с короткими колосьями (43%). Сорта, относящиеся к обоим классам признака, выявлены в каждой стране. Длинные колосья имели к-16065 и к 16073 из Турции и к-17365 из Палестины.
По числу колосков в колосе образцы отнесены к двум равным по объему клас сам: с очень малым и малым числом колосков. Среднее число колосков имели только восемь сортов и биотипов.
Число зерен в колоске. Большая часть сортов и биотипов (70%) имела малое число зерен в колоске (от трех до четырех), в то время как очень малое число зерен (менее трех) было характерным для сортов и биотипов Ирана (55%), Турции (33%) и Сирии (29%).
Плотность колоса. Преимущественно наблюдали образцы с рыхлыми колось ями (99%). Сорта и биотипы с очень рыхлыми колосьями встречались только в мате риале из Туниса, а со средними по плотности колосьями – из Египта и Ирана.
Кустистость продуктивная. Очень слабая кустистость отмечена для 75% изу ченных сортов и биотипов, средняя – для 21 сорта из Египта, Палестины и Сирии, вы сокая – для восьми сортов, пять из них из Палестины, очень высокая – для к-16065 и к-16071 из Турции и к-15818 из Палестины.
Продолжительность вегетационного периода. По продолжительности фазы всходы – колошение 82% сортов и биотипов были на уровне стандарта. Раньше его на пять дней выколосилось 10 сортов и биотипов из Ирака, Ирана, Иордании, Сирии, Туниса, Египта и Эфиопии. Некоторые из них, а также сорта и биотипы из класса «на уровне стандарта» раньше его достигли восковой спелости. Всего было выявлено по 14 скороспелых и позднеспелых сортов.
Результаты сравнительной количественной оценки разнообразия с использова нием индекса Шеннона показали, что по комплексу изученных признаков наиболее широкое разнообразие среди местных сортов и биотипов Турции (0,94) и Сирии (0,79), несколько уже – Ирака (0,70), Туниса (0,69), Ирана (0,67) и Марокко (0,66).
Наиболее узкое – Иордании (0,42) и Ливии (0,50). Однако такое уменьшение величи ны индекса отчасти может быть связано с числом изученных образцов по каждой стране. Средняя величина индекса Шеннона для составной выборки сортов и биоти пов стран Азии и Африки составляла 0,708+0,019 и 0,594+0,037, соответственно, ука зывая на то, что разнообразие местных сортов и биотипов Азии выше, чем Африки.
Если рассматривать значения индекса по признакам, то широкое разнообразие на блюдали по остистости (1,33), числу колосков (1,01) и продуктивной кустистости (0,99), несколько уже – по длине колоса и числу зерен (0,86), высоте растения (0,78) и окраске зерновки (0,72). Наиболее низкие значения индекса получены по наличию опушения на колосковых и цветковых чешуях (0,20), длине зерновки (0,26) и плотно сти колоса (0,06).
Таким образом, местная яровая мягкая пшеница из Азии и Африки характери зуется широким разнообразием по морфологическим, фенологическим и другим при знакам. Каких-либо четких закономерностей в географическом распределении вариа ций признаков нам не удалось обнаружить. Можно лишь утверждать, что в изученной части коллекции ВИР мало местных сортов с опушенными колосковыми и цветковы ми чешуями и коротким колосоносным междоузлием, но имеются короткостебельные формы и довольно много скороспелых форм, которые могут представлять интерес для дальнейшего изучения.
3.4. Классификация сортов и биотипов на основе сравнения их по ком плексу признаков. В кластерном анализе сорта и биотипы объединились в кластеры Б и В находящиеся в соподчиненном друг другу положении, к ним на более высоком иерархическом уровне присоединялся кластер А. Они содержали 95, 64 и 88 сортов и биотипоав, соответственно (рис. 1). В каждом кластере обнаружен материал всех изу ченных стран, но в разной пропорции. Исключение составил кластер В, в котором не оказалось сортового материала из Египта и Иордании. В пределах каждого кластера часто маленькие группки образовывали сорта и биотипы из одной страны.
Важно было понять, благодаря каким особенностям материала произошло объ единение сортов в кластеры? Различия сортов и биотипов разных кластеров по каче ственным морфологическим признакам колоса и зерновки оценивали по распределе нию разновидностей, к которым они относятся (Дорофеев и др., 1979). Полученные данные свидетельствовали о том, что в A и Б в основном находились сорта и биоти пы, имеющие остистый колос, а в В – безостый. В то же время различия по окраске колоса и зерновки, по-видимому, не были определяющими для объединения сортов в кластеры. Сравнение по количественным признакам выявило, что в A попали 20 вы сокорослых сортов и биотипов и преобладали образцы с очень длинным колосонос ным междоузлием (86). В Б оказалась группа из 22 полукарликовых образцов, при этом как в нем, так и в кластере В преимущественно встречались сорта с короткими колосьями (72 и 30, соответственно) и чаще сорта с очень малым числом колосков ( и 38, соответственно). По-видимому, различия материала по количественным призна кам определили его группирование.
Рис. 1. Схема дендро граммы, построенной по ре зультатам изучения выборки местных сортов по морфоло гическим и фенологическим признакам, параметрам про дуктивности растения 4. Разнообразие по электрофоретическим спектрам глиадина генотипов, ото бранных из местных сортов яровой мягкой пшеницы Поскольку при изучении морфологических и фенологических признаков, пара метров продуктивности растений было показано, что местные сорта неоднородные, для анализа глиадина и микросателлитов использовали зерновки с главных колосьев отдельных растений (генотипов), которые были отобраны из местных сортов по ти пичным для каждого сорта морфологическим признакам.
4.1. Общая характеристика компонентного состава глиадина. Электрофо ретические спектры глиадина изученной выборки генотипов содержали в -зоне 3- компонентов, – 4-6, – 2-6 и – 4-12. Разные типы спектров формировались как за счет наличия-отсутствия компонентов и субкомпонентов, так и варьирования их ин тенсивности.
В / зоне во всех спектрах присутствовали компоненты 71 и 42. С очень вы сокой частотой (от 94,7 до 99,1%) выявлялись также 61 и 62, 2 и 52. Напротив, ком поненты 3, 5, 73, 41 присутствовали в спектрах глиадина менее чем у 5,3% геноти пов. Основное разнообразие / глиадинов формировалось за счет компонентов 2, 4, 72 и 1, 31, 32, 33, 51, имеющих встречаемость от 15,1 до 82,7%. Из 62 выявленных комбинаций компонентов наиболее часто встречающимися и распространенными бы ли (1) 24616271 12324252, (2) 2461627172 2324252, (3) 61627172 232425152 и (4) 61627172 232334252. Они обнаружены у 22, 44, 23 и 11 генотипов, соответственно. Из всех комбинаций 37 были специфичными для какой-либо одной страны, причем в ка ждом из 29 случаев они были обнаружены у одного из генотипов. Распределение по странам генотипов, имеющих специфичные комбинации компонентов, было нерав номерным. Среди местных сортов Египта, такие генотипы не выявлены, а среди сор тов Ирака, Ирана и Эфиопии они встречались довольно часто (табл. 3.).
Таблица 3. Разнообразие генотипов по компонентному составу электрофорети ческих зон глиадина Число различных типов спектра глиадина по Всего раз Число зонам (из них выявленные только в одной стра- личных ти Страна изученных не – представленные единичными генотипами) пов спектра генотипов глиадина /- - Азия: 132 Центральная Иран 40 17 (7-5) 18 (3-3) 30 (19-16) Юго-западная Иордания 6 4 (1-1) 4 (1-1) 6 (5-5) Ирак 33 16 (6-5) 16 (5-4) 18 (13-10) Палестина 25 13 (3-2) 10 (1-0) 19 (16-11) Сирия 13 10 (4-4) 8 (0-0) 11 (6-5) Турция 15 11 (3-3) 10 (1-1) 14 (11-10) Африка: 93 Северная Ливия 10 3 (1-0) 3 (1-1) 5 (2-1) Марокко 16 11 (3-2) 10 (1-1) 12 (9-7) Тунис 17 9 (3-2) 6 (2-1) 9 (7-6) Северо-восточная Египет 31 10 (0-0) 13 (5-4) 18 (12-10) Эфиопия 19 12 (6-5) 10 (2-1) 14 (12-10) В -зоне во всех спектрах присутствовал компонент 3. Частота остальных компонентов варьировала от 15,6 до 86,7%. Всего обнаружено 46 различных комби наций, из них 21342 – у 33 генотипов и 121342 – 31. Генотипы со специфичными комбинациями компонентов (всего 22) редко встречались среди местных сортов Па лестины и Сирии и довольно часто – в составе сортов Египта, Ирака, Ирана.
В -зоне высокую встречаемость имел только компонент 92 (92%), низкую (0,9 2,2%) – 1, 31 и 51. Из 130 различных комбинаций компонентов чаще других встреча лись 42718292 (13 генотипов из Египта), 2426271818292 (10 генотипов из Ирака, и по одному из Египта и Ирана), 2324262718292 (6 генотипов из Туниса, и по одному из Египта, Ирана и Сирии) и 24262718292 (3 генотипа из Туниса, два из Ливии и по од ному из Египта и Ирана). Большая часть (112, или 86%) комбинаций компонентов отнесена к классу специфических и обнаружена у генотипов какой-либо одной стра ны. Среди них каждая из 91 комбинации присутствовала у какого-либо одного гено типа (табл. 3). Остальные комбинации компонентов обнаружены у 2-4 генотипов.
Анализ построенной матрицы меры сходства по Dice (или связи типа корреля ции), показал, что можно выделить четыре группы взаимосвязанных между собой компонентов (коэффициент больше 0,70): 1) – 2 – 4 – 1;
2) – 61 – 62 – 72 – 32 – 21 – 42 – 42 – 62 – 71 – 82 – 92;
3) – 41 – 43;
4) – 91 – 93 – 102. В преде лах первых трех групп выявлены определенные ограничения по сочетанию компо нентов, все они рассмотрены в диссертации. Компоненты глиадина последней груп пы характеризовались полным сцеплением, поэтому 93 и 102 были отнесены к ка тегории «избыточных» признаков и исключены из дальнейшего анализа.
4.2. Классификация изученной выборки генотипов по сходству электрофо ретических спектров глиадина. Рассчитанные коэффициенты сходства электрофо ретических спектров глиадина с учетом интенсивности компонентов варьировали от 0,040 до 1,000, средняя величина составила 0,374. Дендрограмма, построенная на ос нове сравнения спектров, содержала кластеры Б и В, находящиеся в соподчиненном положении, к которым на более высоком иерархическом уровне присоединялся сна чала кластер А, затем Г. (рис. 2а). Кластеры содержали 54, 70, 43 и 58 генотипов, со ответственно. В каждом из них группировались генотипы, отобранные из местных сортов разных стран Азии и Африки, причем часто вместе в виде небольших группок оказывались генотипы из какой-либо одной страны (рис.2б).
а б Рис. 2. Схема (а) и фрагмент (б) дендрограммы, построенной по результатам сравнения электрофоретических спектров глиадина На рис. 3. показан вклад генотипов каждого кластера в частоту встречаемости компонента в изученной выборке. В А отсутствовали генотипы с компонентом 61 и очень редкими были генотипы с 2, 4, 1 42 и 63. В то же время доля генотипов с 45 была наиболее высокой. В Б не было генотипов с компонентом 91 и наиболее низкой была доля генотипов с 81. В кластере В чаще чем в других кластерах были генотипы с компонентами 72, 32, 21, 42, 2, 62, 82 и 92, а в Г – с 2, 4 и 1, контролируемых хромосомой 6А, в то же время значительно реже присутствовали ге нотипы, содержащие в спектрах глиадина компоненты 72 и 51.
Число генотипов 6(1) 6(2) 7(1) 7(2) 7(3) 3(1) 3(2) 3(3) 4(1) 4(2) 5(1) 5(2) 2(1) 2(2) 2(3) 4(1) 4(2) 3(1) 3(2) 4(1) 4(2) 4(3) 591) 5(2) 6(1) 6(2) 6(3) 7(1) 7(2) 8(1) 8(2) 9(1) 9(2) 10(1) А Б В Г Рис. 3. Вклад генотипов кластеров А, Б, В и Г в частоту встречаемости компонентов глиадина в изученной выборке Выявлено 27 групп генотипов, которые имели идентичные или очень близкие по компонентному составу электрофоретические спектры глиадина. Такие группы ге нотипов отобраны из местных сортов разных стран, однако в составе каждой группы объединены генотипы, происходящие из одной страны, и в большинстве случаев сходные по морфологическим признакам колоса и зерновки. Полный список образцов таких групп приведен в диссертации.
Итак, электрофоретический анализ глиадина показал, что генотипы, представ ляющие местные сорта, различаются по большому числу комбинаций компонентов /-, - и -зон глиадина. Многие из этих комбинаций глиадиновых белков были спе цифическими для какой-либо одной страны и часто встречались всего у одного гено типа. Наиболее широкий набор специфических комбинаций компонентов обнаружен у генотипов, отобранных из сортов Ирана, Ирака и Эфиопии. Генотипы, представ ляющие сорта Египта, не имели таких комбинаций компонентов в /-зоне, в то же самое время их -зона была одной из самых изменчивых. В целом из 132 изученных генотипов местных сортов стран Азии 115 (87,1%) имели характерные только для них электрофоретические спектры глиадина, а из 93 генотипов, отобранных из местных сортов стран Африки, – 71 (76,3%).
5. Разнообразие генотипов по микросателлитам 5.1. Общая характеристика изученных микросателлитов. Изучали микроса теллиты у 96 генотипов, случайно отобранных из выборки 225 генотипов, проанали зированных по глиадину. Отбор проводили так, чтобы генотипы представляли все ис ходное разнообразие местных сортов по происхождению и ботаническим разновид ностям. В наборе генотипов идентифицировано 49 аллелей у пяти МС-локусов (рис.
4) с встречаемостью от 1 до 53%. По величине встречаемости аллели условно разде ляли на уникальные – выявленные только у одного генотипа, редкие – у двух-четырех генотипов и часто встречающиеся – более чем у 5% генотипов.
Рис. 4. Электрофоретические спектры продуктов амплификации ДНК некоторых генотипов мягкой яровой пшеницы (приведены №№ по каталогу ВИР) с участием прай меров микросателлитного локуса Xgwm415. Положение некоторых фрагментов (аллелей) ДНК отмече но стрелками с указанием их разме ра в п.н. М – маркеры ДНК pUC19/Msp I с указанием размеров фрагментов ДНК в п.н.
Для МС-локуса Xgwm257 (хромосома 2В) определено восемь аллелей, из них 201 у к-38686 (Иран) был уникальным. К редким аллелям отнесен 199, он выявлен у к-55729 (Ирак) и к-43048 (Иран). Все остальные аллели встречались у восьми и более генотипов. Наиболее часто встречающимися и широко распространенными были и 195. Однако первый из них не обнаружен у генотипов, отобранных из местных сор тов Турции и Ливии, а второй – Египта.
У МС-локуса Xgwm415 (хромосома 5А) идентифицировано четыре аллеля, из них 135 – уникальный (к-17411, Иордания), 129 обнаружен у шести генотипов. Осо бенно частыми и широко распространенными были 131 и 133 (табл. 3).
МС-локус Xgwm190 (хромосома 5D) имел 10 аллелей, из них 220 был уникаль ным (к-43761, Эфиопия), 202 отнесен к группе редких (к-16451, Марокко и к-55890, Ливия), а 210, 212 и 214 встречались у 18, 14 и 16 генотипов, соответственно.
У МС-локуса Xgwm46 (хромосома 7В) выявлено 18 аллелей. Среди них 154 (к 17418, Иордания) и 180 (к-55730, Сирия) – уникальные аллели, а 148 (к-16405, Ма рокко;
к-17330, Палестина и к-32849, Иран), 150 (к-16451, Марокко, к-17310 и к 17378 из Палестины), 162 (к-16411, Марокко и к-16558, Тунис), 164 (к-16430, Марок ко и к-16065, Турция), 166 (к-16455, Марокко;
к-55844, Тунис;
к-19038, Эфиопия и к 16073, Турция), 178 (к-16081, Турция;
к-55702, Ирак;
к-13072 и к-38686 из Ирана) и 182 (к-55833, Тунис;
к-19916, Эфиопия и к-20197, Египет) – редкие. Аллели 172 и обнаружены у 16 и 10 генотипов, соответственно.
Для МС-локуса Xgwm44 (хромосома 7D) идентифицировано девять аллелей:
168 (к-13072, Иран) – уникальный, 182 (к-15818 и к-17330 из Палестины;
к-55723, Ирак и к-14335, Иран) и 184 (к-55717, Ирак и к-13491, Иран) – редкие. Остальные – часто встречающиеся. Если из выявленных аллелей по каждому МС-локусу составить ряды, показывающие увеличение (уменьшение) их размера, и сравнить эти ряды у выборок генотипов разных стран, то можно видеть, что полный ряд последователь ных динуклеотидных изменений выявлен только у генотипов, отобранных из местных сортов Ирана по МС-локусу Xgwm 44 (табл. 3). Во всех остальных случаях ряды были неполными и часто прерывистыми. По локусу Xgwm 257 генотипы из Египта, Ливии и Марокко чаще содержали аллели с меньшим числом повторов, а из Ирана и отчасти Ирака – с большим числом. Сравнение объединенных выборок генотипов, представ ляющих страны Азии и Африки, по встречаемости аллелей этого локуса, показало высокую статистическую достоверность различий между сравниваемыми рядами ал лелей и на уровне континентов (2факт.=14,244, 2теор.=13,815 при 0,1% уровне значимо сти и df=2). Аналогичный характер различий выявлен у генотипов из Марокко и Ира на по аллелям локуса Xgwm 190.
Таблица 3. Распределение по странам аллелей пяти МС-локусов Азия Африка Аллели МС Центр. Юго-западная Северная Северо-восточ.
Всего Всего локус PIC Эфи Мар Сир Ирн Ирк Иор Лив Пал Тун Тур Еги (хромосма) 187 1 2 5 189 6 4 1 1 6 191 1 2 3 1 3 Xgwm 193 2 2 2 2 3 2 2 2 11 257 0. 195 2 2 4 1 5 7 1 1 2 21 (2В) 197 5 3 1 1 1 10 199 1 1 201 1 129 1 1 2 2 Xgwm 131 6 3 5 7 2 4 5 3 2 10 27 415 0. 133 4 5 4 7 4 1 4 5 24 (5А) 135 1 202 1 1 204 1 2 2 3 206 2 2 3 1 4 208 2 2 1 1 1 6 Xgwm 210 3 5 2 1 2 2 11 190 0. 212 2 1 2 2 1 1 2 7 (5D) 214 4 1 2 1 1 1 1 1 3 10 216 3 3 1 2 1 9 218 2 1 1 4 220 1 144 1 1 1 1 1 2 146 1 2 4 2 7 148 1 1 2 150 2 2 152 1 2 2 5 154 1 156 2 1 1 1 5 162 1 1 Xgwm 164 1 1 46 0. 166 1 1 1 1 (7В) 168 4 1 170 1 1 2 2 2 2 172 3 3 1 4 1 11 174 2 3 2 5 176 2 1 2 1 5 178 2 1 1 180 1 182 1 1 1 168 1 170 1 1 1 4 1 1 7 172 1 1 2 1 3 1 9 174 3 2 1 2 1 5 3 1 9 Xgwm 44 176 1 4 5 1 1 3 3 3 0. 11 (7D) 178 1 1 1 1 2 1 3 6 180 1 3 1 3 1 3 5 182 1 1 2 184 1 1 5.2. Классификация генотипов на основе сходства состава аллелей МС локусов. Коэффициенты сходства по наборам аллелей пяти МС-локусов между лю быми парами генотипов варьировали от 0,000 до 0,800. Только к–17167 (Сирия) и к– 55711 (Ирак) имели идентичный состав аллелей (коэффициент сходства 1,000), ос тальные – оригинальные наборы. Среднее значение коэффициента сходства составило 0,441, что указывало на довольно высокое разнообразие генотипов. В кластерном анализе генотипы объединились в кластеры А и Б из 53 и 43 генотипов, соответствен но. В А оказались все генотипы из Египта и Иордании и большая часть (64-83%) – из Палестины, Ирана и Ливии. В Б преобладали генотипы из Ирака, Сирии, Туниса и Эфиопии. Генотипы, отобранные из местных сортов Марокко и Турции, равномерно распределились по обоим кластерам.
Различия между генотипами кластеров были следующими. Генотипы с редкими аллелями Xgwm190208, Xgwm257201, Xgwm415135, Xgwm190220, Xgwm46150, 154, 162, 164, 168, 180 и Xgwm44168, 182, 184 присутствовали только в одном из кластеров. По аллелям Xgwm257187, 191;
Xgwm190210, 214, 216;
Xgwm46144, 148, 152, 172, 174 и Xgwm44168, 182, 184 доли генотипов существенно различались. Разделение всей выборки на два кластера было связано с аллелями 131 и 133 локуса Xgwm415. Из всех генотипов 51 имел аллель 131, из них 47 вошли в кластер А и только 4 в Б. В то же время из 38 генотипов, содержа щих аллель 133, 37 оказались в кластере Б и один – в А. Следует отметить, что гено типы с обоими аллелями имели широкое географическое распространение, они были отобраны из местных сортов почти всех стран, за исключением Иордании и Египта (табл. 3). У генотипов, отобранных из местных сортов Иордании, в этом локусе иден тифицированы аллели 131 и 135, а у генотипов из Египта – только аллель 131.
Известно, что число аллелей у МС-локусов связано со структурой «мотива» и числом повторов (Huang et al., 2002). Для каждого МС-локуса рассчитывали значения PIC-индекса (Polymorphism information content) по Botstein et al. (1980), которые варь ировали от 0,56 до 0, 92. Наиболее низкий коэффициент полиморфизма PIC опреде лен для локуса Xgwm 415, а наиболее высокий – для Xgwm 46, который тесно сцеплен с центромерой. В целом выявленное число аллелей и довольно высокие значения ин декса указывали на высокую дискриминирующую возможность ДНК-маркеров.
6. Структура разнообразия выборки местных сортов яровой мягкой пшеницы (обсуждение результатов) Для эффективной работы с большой по размеру коллекцией мягкой пшеницы важно знать структуру ее фенотипического и генетического разнообразия. Эта струк тура характеризуется наличием внутривидовых групп образцов, их количественным соотношением, определенной иерархией межгруппового сходства, особенностями географического (пространственного) или временного распределения групп.
Наши исследования показали, что местная яровая мягкая пшеница из юго западной и центральной Азии, северной и северо-восточной Африки дифференциро вана. В ее составе, по меньшей мере, выделено три «морфологические» группы, че тыре группы «по глиадину» и две «по микросателлитам» (рис. 4). Если распределить изученные сорта или генотипы по всем выявленным кластерам, то среди них можно определить группы, в пределах которых наиболее высокий уровень сходства. Такое распределение для 96 генотипов показано в табл. 4. Используя эту таблицу и прини мая во внимание межгрупповые взаимосвязи (рис. 4) можно проводить отбор мате риала с учетом степени и характера его фенотипических и генетических различий. В качестве примеров ниже охарактеризованы короткостебельные и скороспелые сорта, выявленные в настоящей работе.
Рис. 4. Схема, обобщающая результаты кластерного анализа выборки местных сортов.
Среди генотипов, отобранных из короткостебельных сортов (в табл. они обо значены индексами от к1 до к8) наиболее сходными между собой оказались кк- и -55878 из Ливии и к-55833 Туниса (к3-к5), попавшие в одни и те же кластеры, а также к-55714 из Ирака и к-55730 Сирии (к6 и к7), оказавшиеся в другом кластере «по микросателлитам». Остальные три генотипа (кк-55709, -55725 и -55711) из Ирака (к1, к2, к8) отличались от них и в разной степени между собой. Из распределения сортов по кластерам можно также заключить, что, по меньшей мере, различия сортов по и 133 аллелям локуса Xgwm415 не сопряжены с проявлением короткостебельности, поскольку в равной пропорции обнаружены генотипы, относящиеся к обоим класте рам «по микросателлитам».
Из восьми скороспелых местных сортов (с1-с8) наиболее сходные генотипы отобраны из к-13075 и к-38686 Ирана (с1 и с2) или к- 43721, Ирак и к-16081, Турция (с4 и с5), хотя в коллекцию каждая из пар образцов была привлечена в разное время.
Остальные генотипы (с3, с6-с8) отличались от них и в разной степени различались между собой.
Выявленная нами дифференциация местной яровой мягкой пшеницы не имела четкой географической направленности. Объединение сортов в группы не было свя зано с принадлежностью их к какому-либо одному из континентов или какой-либо стране происхождения. Согласно Н.И. Вавилову (1957) Передняя Азия в широком смысле может быть разделена на ряд агроэкологических областей, характеризую щихся в значительной мере единством климатических и почвенных условий и нали чием определенных экологических типов растений. На ее территории он выделял (1) Таблица 4. Группы генотипов с наиболее высоким уровнем фенотипического и генетического сходства Ам Кластеры Аг Бг Вг Гг к-20192-Еги к-16411-Мар к-19240-Эфи к-20214-Еги к-20198-Еги к-16455-Мар к-26439-Лив Амс к-20222-Еги к-17357-Пал к-17301-Пал к-13075-Ирнс1 к-17167-Сир к-17310- Пал к-38686-Ирнс2 к-19216-Эфи к-17318- Пал к-17270-Пал к-17339- Пал к-17378- Пал к-16073-Турс к-43721-Иркс к-16430-Мар - к-17330-Пал к-16450-Марс3 к-13071-Ирн к-17347-Пал Бмс к-55709-Иркк1 к-15818-Пал к-17112-Сир к-17203-Сир к-16562-Тун к-55844-Тун к-19032-Эфи к-16065-Тур к-19038-Эфи к-16075-Тур к-19916-Эфи к-16081-Турс к-19020-Эфи Бм Кластеры Аг Бг Вг Гг к-55868-Ливк к-20197-Еги к-20217-Еги к-17405-Иор к-55711-Иркк к-55878-Ливк к-20218-Еги к-17411-Иор Амс к-55833-Тунк к-20234-Еги к-13072-Ирн к-17418-Иор к-21193-Еги к-21938-Тур к-14371-Ирн к-16405-Мар к-21198-Еги к-23112-Ирн к-17147-Сир к-17394-Иор к-16457-Мар к-16076-Тур к-32849-Ирн к-16451-Мар к-55725-Иркк2 к-55714-Иркк6 к-55702-Ирк к-17172-Сир к-55730-Сирк к-55729-Ирк к-14335-Ирн Бмс к-55890-Лив к-34821-Мар к-16592-Тун к-18961-Эфи Вм Кластеры Аг Бг Вг Гг - к-55867-Лив к-55717-Ирк к-55715-Ирк к-55871-Лив к-43048-Ирн к-13491-Ирн Амс к-21933-Турс к-16558-Тун к-44512-Эфи - к-34836-Мар к-55704-Ирк к-55723-Ирк к-40115-Пал к-38641-Ирн к-43210-Сир Бмс к-21928-Турс к-55732-Сир к-55731-Сир к-55826-Тун к-55846-Тун к-43751-Эфи к-43761-Эфи прибрежную область, включающую районы Сирии и Палестины, южной и юго западной частей Анатолии с мягким климатом, сходным по условиям с климатом Средиземноморья;
(2) засушливую область, объединяющую нагорные районы Пале стины и нынешней Иордании, а также обширные территории возвышенной внутрен ней Сирии;
(3) внутреннюю нагорную область Малой Азии с недостаточным количе ством осадков и наличием засушливых периодов. На территории Африки, связанной с возделыванием пшеницы, – (4) эфиопскую агроэкологическую область (высокогор ные районы с большим количеством осадков с июля по сентябрь, засушливым перио дом с октября до марта, сменяющимся снова дождливым периодом);
(5) собственно Средиземноморскую агроэкологическую область с теплым субтропическим климатом (мягкой зимой, засушливым летом и сравнительно влажными весной и осенью).
Главным образом это низменные предгорные районы, расположенные по берегам Средиземного моря, в том числе прибрежные районы Туниса и Марокко;
(6) египет скую агроэкологическую область с засушливым пустынным климатом и земледелием, построенным на поливе.
Достоверно известно, что мягкая пшеница в течение тысячелетий возделыва лась в названных выше земледельческих районах этих областей. Как следует из их описания, нет соответствия между границами агроэкологической области и страны.
Некоторые области разделяют страну на части, другие охватывают территории двух и более стран. Поэтому как в одной стране могли формироваться разные типы местных сортов, так и в разных странах – местные сорта со сходными фенотипическими и ге нотипическими характеристиками. Возможно, это нашло свое отражение в получен ных классификациях местной мягкой пшеницы и выявленной структуре ее разнообра зия.
Наибольшее соответствие между границами страны и агроклиматической об ласти существует для Египта и Эфиопии. Однако местные сорта этих стран также не сформировали самостоятельных кластеров. Это наводит на мысль, что могли иметь место, например, систематический обмен семенным материалом между странами, приводящий к неправильному определению страны его происхождения, или возник новение сходных мутаций в разных географических регионах, особенно по МС локусам.
Переднюю Азию считают первичным центром происхождения мягкой пшени цы. По нашим данным местная азиатская мягкая пшеница оказалась шире по разно образию африканской. На обоих континентах выявлены в основном два варианта ге нотипов по локусу Xgwm415: со 131 или 133 аллелями, что указывает на общность ге нофондов их мягкой пшеницы. О возможном поступлении сортового материала пше ницы в северную Африку из юго-западной Азии писал и Н.И. Вавилов (1957).
Разнообразие по аллелям МС-локусов свидетельствует о том, что мутации, представляющие собой инсерции или делеции одного динуклеотидного повтора в МС-локусе, происходили непрерывно у местной мягкой пшеницы на территориях обоих континентов. Однако в пределах одной страны разнообразие аллелей было не полным. Возможно, это связано с тем, что в коллекции ВИР репрезентативно не пред ставлена местная мягкая пшеница каждой из изученных стран, а присутствуют слу чайные генотипы, или имеет место процесс элиминации отдельных аллелей под дей ствием естественного отбора. До сих пор экспериментально не показаны функции микросателлтиов, но из литературы известно (Imtiaz et al., 2004;
Yin et al., 2007), что некоторые МС-локусы сцеплены с различными генами и QTLs (Quantative trait loci), контролирующими устойчивость мягкой пшеницы к грибным болезням. Можно предположить, что благодаря довольно тесному сцеплению отбор по устойчивости может влиять на состав аллелей. МС-локусов Наличие широкого разнообразия по типам электрофоретических спектров глиадина еще раз подтвердило возможности использования этих маркеров для иден тификации и паспортизации генотипов. Выборку аллелей мультигенных семейств, контролирующих глиадин и расположенных в хромосомах первой и шестой гомеоло гичных групп, нельзя считать репрезентативной для характеристики всего генома пшеницы, однако выявляемый полиморфизм по этим белкам достаточен для различе ния генотипов и выяснения взаимосвязей между ними (Митрофанова, 2005). Для бо лее полного охвата генома следует или дополнительно привлекать другие белки маркеры, или увеличить число анализируемых микросателлитов. Китайские ученые (Zhang et al., 2002) установили, что для получения в кластерном анализе стабильных группировок, которые показывали бы объективно существующие взаимосвязи между генотипами, необходимо использовать 350-400 аллелей МС-локусов, расположенных во всех хромосомах A, B и D геномов мягкой пшеницы. Нами для классификации ис пользовано 49 аллелей всего пяти МС-локусов, находящихся в хромосомах 2B, 5A, 5D, 7B и 7D. Если к ним добавить глиадины и морфологические маркеры, то учтены различия, более, чем по 11 из 21 хромосомы гаплоидного набора мягкой пшеницы.
Очевидно, охват генома не был исчерпывающим, но значительным, чтобы можно бы ло рассматривать выявленную структуру разнообразия выборки как довольно обосно ванную.
ВЫВОДЫ 1) Местные сорта мягкой пшеницы могут иметь в своем составе внутрисортовые группы растений, различия которых по комплексам качественных и количест венных признаков сопоставимы с межсортовыми.
2) Разнообразие по морфологическим и фенологическим признакам, параметрам продуктивности растений местной яровой мягкой пшеницы из стран юго западной и центральной Азии шире (индекс Шеннона равен 0,708+0,019), чем из стран северной и северо-восточной Африки (0,594+0,037). По уменьшению величины индекса разнообразия Шеннона признаки можно расположить в сле дующей последовательности: остистость колоса (1,33), число колосков в колосе (1,01), продуктивная кустистость (0,99), длина колоса и число зерен в колосе (по 0,86), высота растения (0,78), окраска зерновки (0,72), опушение колоско вых и цветковых чешуй (0,20), длина зерновки (0,26), плотность колоса (0,06).
3) Выявлен широкий полиморфизм местной яровой мягкой пшеницы по электро форетическим спектрам глиадина. Многие комбинации компонентов /-, - и -зон этого белка были специфическими для какой-либо одной страны и встре чались у единичных генотипов. Изменения в составе глиадина чаще выявля лись у местных сортов из Ирана, Ирака и Эфиопии. Идентичные или очень близкие электрофоретические спектры глиадина имели генотипы, отобранные из местных сортов разных стран. Они образовали 27 групп, в каждой из кото рых генотипы имели общее происхождение и в большинстве случаев не разли чались по морфологическим признакам колоса и зерновки.
4) Генотипы, отобранные из местных сортов яровой мягкой пшеницы Азии и Аф рики, проявили широкое разнообразие по составу аллелей МС-локусов Xgwm257, Xgwm415, Xgwm190, Xgwm46 и Xgwm44, расположенных в хромосо мах 2B, 5A, 5D, 7B и 7D, соответственно. По каждому локусу идентифициро вано от 4 до 18 аллелей, а для всей выборки из 96 генотипов – 49 аллелей с раз личной встречаемостью. Географическое распределение частот встречаемости аллелей было неравномерным. Самое широкое распространение имели аллели 131 и 133 локуса Xgwm415. По локусу Xgwm 257 аллели с большим числом ди нуклеотидных повторов чаще обнаруживали у генотипов из Азии, а с меньшим числом – из Африки.
5) Представленная в коллекции ВИР местная яровая мягкая пшеница юго западной и центральной Азии, северной и северо-восточной Африки диффе ренцирована на группы сортов, различающихся по комплексу морфологиче ских и фенологических признаков, параметрам продуктивности растений, а также электрофоретическим спектрам глиадина и составу аллелей МС-локусов.
Разделение на группы сортов не имеет четкой географической направленности:
в каждой группе объединяются сорта или генотипы разных континентов и стран.
6) С использованием кластерного анализа выявлена структура разнообразия вы борки местных сортов и выделенных из них генотипов, которая характеризует ся наличием большого числа более однородных по фенотипическим и геноти пическим характеристикам групп сортов или генотипов с определенной иерар хией взаимосвязей. Построенная классификация позволит оптимизировать со став активной части коллекции и повысить эффективность отбора образцов для селекции и проведения научных исследований.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Аль-Юссеф В., Митрофанова О.П. Характеристика местных сортов мягкой пшени цы из стран Ближнего Востока и Северной Африки по данным анализа микросател литных локусов // Материалы I (IX) Международной конференции молодых ботани ков в Санкт-Петербурге (21-26 мая 2006). – СПБ. Изд-во ГЭТУ, 2006, С. 21.
2. Аль-Юссеф Ваэль. Генетическое разнообразие староместных сортов мягкой пще ницы по результатам анализа морфологических и глиадиновых маркеров // Генетиче ские ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы / Тезисы докладов II Вавиловской международной конференции. Санкт-Петербург, 26 30 ноября 2007г. – СПБ.: ВИР, 2007. – С. 230-232.
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах ВАК РФ 3. Аль-Юссеф Ваэль. Генетическое разнообразие староместных сортов мягкой пще ницы по результатам анализа морфологических и глиадиновых маркеров // Известия СПБГАУ. – 2007, – № 5.– с. 25-30.
4. Аль-Юссеф Ваэль. Генетическое разнообразие староместных сортов мягкой пще ницы по данным анализа микросателлитных локусов // Известия СПБГАУ. – 2008, – № 9.– с. 26- 5- Митрофанова О.П., Аль-Юссеф Ваэль. Характеристика изменчивости морфологи ческих признаков местных сортов мягкой яровой пшеницы // Известия СПБГАУ. – 2008, – № 11.– с. 63-65.