Гордеин-кодирующие локусы как генетические маркеры в популяционных, филогенетических и прикладных исследованиях ячменя
На правах рукописи
ПОМОРЦЕВ Андрей Анатольевич ГОРДЕИН-КОДИРУЮЩИЕ ЛОКУСЫ КАК ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ В ПОПУЛЯЦИОННЫХ, ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЯЧМЕНЯ 03.00.15 – генетика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва 2008
Работа выполнена в лаборатории генетики растений Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Пухальский Виталий Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН, Шевцов Виктор Михайлович, Кубанский Государственный Аграрный Университет;
доктор биологических наук, Игнатов Александр Николаевич, Центр «Биоинжененрия» РАН;
доктор биологических наук, Политов Дмитрий Владиславович, Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН.
Ведущее учреждение: ГНЦ РФ Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова РАСХН
Защита диссертации состоится «»_2008 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д002.214.01 при Институте общей генетики им. Н.И.
Вавилова РАН, по адресу: 119991, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. Факс: (499) 132-89-62.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей генетики им. Н.И.
Вавилова РАН, по адресу: 119991, г. Москва, ул. Губкина, д. 3.
Автореферат разослан «_»_2008 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Г.Н. Полухина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Ячмень (Hordeum vulgare L.) – одна из важнейших зерновых культур. Мировое производство зерна ячменя составляет более 160 млн. т. Крупнейшими производителями его являются Россия, Канада и США. Более 65% зерна ячменя используется на кормовые цели, по 15% потребляют пивоваренная и пищевая промышленности (Филиппов, 2007). Рост потребления зерна в мире, в том числе ячменя, ставит перед селекцией, семеноводством и растениеводством задачу не только создания урожайных, с определенными качественными характеристиками, устойчивых к биотическим и абиотическим факторам среды сортов, но и поддержания их сортовой чистоты, а также рационального размещения в различных природно-климатических зонах. Ячмень – одно из первых растений, которые человек ввел в культуру (Nesbitt, 2001). Возраст наиболее древних археологических находок зерен культурного ячменя определяется в 17 – 18 тыс. лет (Wendorf et al., 1979, Willcox, 1997). Однако вопрос о центре происхождения ячменя дискутируется до сих пор.
Открытие качественных биохимических признаков организмов, наследуемых по законам Менделя, расширили возможности исследования генетической изменчивости. Изучение генетического контроля и полиморфизма различных белков позволило начать работу по выяснению селекционной и адаптивной ценности генов (аллелей), до сих пор неизвестных. Гены и локусы, контролирующие полиморфные белки, широко используются в филогенетических исследованиях, направленных на выяснение центра происхождения ячменя. К числу наиболее полиморфных и генетически хорошо изученных относятся спирторастворимые белки эндосперма зерна ячменя (гордеины). Установлено, что гордеины наследуются кодоминантно, контролируются несколькими сцепленно наследуемыми локусам (Hrd A – Hrd G или Hor 1 – Hor 5, продукты которых идентифицируются при электрофорезе в крахмальном или полиакриламидном геле соответственно), локализованными на коротком плече хромосомы 5 ячменя. Показано, что эти локусы служат маркерами генов устойчивости растений ячменя к мучнистой росе, ассоциированы с признаком устойчивости озимого ячменя к низким температурам. Выявлена сопряженность аллелей указанных локусов и отдельных электрофоретических компонентов гордеинов с признаками, определяющими кормовые и пивоваренные качества зерна ячменя. Гордеины используют как белковые маркеры также для идентификации сортов ячменя. Высокое разнообразие гордеинов обусловливает их высокую информативность, не уступающую таковой при использовании RAPD и AFLP маркеров, при филогенетических исследованиях. Для электрофореза гордеинов в мире применяются более двадцати различных методов (Cook, 1992).
Используются также различные подходы к интерпретации и регистрации электрофореграмм гордеинов. Нет единой системы в обозначении аллелей гордеин-кодирующих локусов, что не позволяет сопоставить результаты различных исследований, а также оценить и систематизировать полиморфизм гордеинов, контролируемых аллелями разных локусов. В литературе практически нет сведений, позволяющих оценить селективность или нейтральность этих локусов при воздействии основных природно климатических факторов. В связи с этим, изучение полиморфизма гордеинов, его структуры и механизмов формирования, выяснение селективности или нейтральности полиморфизма гордеин-кодирующих локусов и на этой основе – использование их как генетических маркеров в филогенетических исследованиях, а также в лабораторном сортовом контроле ячменя является актуальным.
Цель и задачи исследований Целью исследований было изучение полиморфизма гордеин-кодирующих локусов, его структуры и путей формирования, закономерностей географического распределения аллелей, использование гордеин-кодирующих локусов в популяционных и филогенетических исследованиях ячменя, а также в лабораторном контроле сортовой чистоты и сортового соответствия семян в семеноводстве. Были поставлены следующие задачи:
1) изучить полиморфизм гордеинов у местных сортов ячменя из центров генетического разнообразия культуры;
2) изучить мутанты по гордеин-кодирующим локусам у культурного ячменя, а также полиморфизм гордеинов у образцов дикого родича культурного ячменя - Hordeum spontaneum C. Koch;
3) исследовать генетические связи между популяциями ячменя из различных центров его разнообразия на основе анализа полиморфизма гордеин-кодирующих локусов;
4) изучить аллельное разнообразие гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя, районированных на территории СССР с 1929 по гг., и закономерности распределения аллелей в 25 природно сельскохозяйственных провинциях, а также сортов, допущенных к использованию в 12 регионах Российской Федерации;
5) изучить естественный отбор по аллелям гордеин-кодирующих локусов и генам, контролирующим некоторые морфологические признаки растений, в искусственно созданных популяциях;
6) исследовать динамику полиморфизма гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя за столетний период селекции в России;
7) изучить возможность использования гордеин-кодирующих локусов как генетических маркеров в лабораторном сортовом контроле ячменя.
Научная новизна работы. Впервые исследован полиморфизм трех гордеин-кодирующих локусов у ячменя из центров его разнообразия и сопредельных стран, составлены каталоги вариантов белков, контролируемых аллелями этих локусов. Впервые показано, что полиморфизм гордеинов, контролируемых аллелями локусов Hrd A и Hrd B имеет структуру, выражающуюся в существовании семейств вариантов гордеинов А и В, которые формируются двумя путями – в результате мутационного процесса, а также в результате интрогрессии при спонтанной гибридизации между культурным и диким ячменем. Впервые установлено, что географическое распределение аллелей гордеин-кодирующих локусов у сортов ярового ячменя зависит от ряда климатических факторов, характеризующих влаго- и теплообеспеченность вегетационного периода, а также от высоты выращивания популяций над уровнем моря в горных условиях. Впервые установлено, что селекция ячменя сопровождается сужением аллельного разнообразия гордеин-кодирующих локусов. Впервые показано, что в основе формирование полиморфизма гордеин-кодирующих локусов в центрах разнообразия ячменя могут лежать, с одной стороны, «эффект основателя», а, с другой стороны, – интродукция ячменя из разных районов и в разное время.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1) проведенный электрофоретический анализ гордеинов у сортов ярового ячменя, допущенных к использованию на территории Российской Федерации, и составленный электронный каталог их электрофореграмм с указанием аллелей гордеин-кодирующих локусов позволяет различать гетерогенность сортов по гордеинам, обусловленную особенностями выведения сортов и неоднородность, возникшую в результате засорения;
2) разработана модификация метода электрофореза гордеинов в крахмальном геле утвержденная Государственной семенной инспекцией Министерства сельского хозяйства РФ в качестве метода лабораторного сортового контроля семян ячменя;
3) созданный нами каталог электрофореграмм гордеинов современных сортов используются для определения сортовой чистоты и сортового соответствия товарных партий пивоваренного ячменя на трех солодовенных заводах: Острогожском (Воронежская обл.), Орловском (Орловская обл.) и Вороновском (Московская обл.), являющихся дочерними компаниями ОАО «Русский солод».
Апробация работы. Материалы исследований были представлены: на V International Barley Genetics Symposium (Okayama, 1986), III Международном симпозиуме по биохимической идентификации сортов (Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции по биотехнологии злаковых культур (Алма-Ата, 1988), VI International Barley Genetics Symposium (Helsinborg, Sweden, 1991), VII International Congress of Genetics (Birmingham, United Kingdom, 1993), II International Symposium Triticea (Logan, Utah, USA, 1994), Международной конференции по молекулярно-генетическим маркерам (Ялта, 1996), Международной научно-практической конференции «Генетические ресурсы культурных растений. Проблемы мобилизации, инвентаризации, сохранения и изучения генофонда важнейших сельскохозяйственных культур для решения приоритетных задач селекции» (С.-Петербург, 2001), III съезде ВОГиС (Москва, 2004), Международной научно-производственной конференции «Современные аспекты селекции, семеноводства, технологии, генетики ячменя и овса» (Киров, 2004), II-м Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (С.-Петербург, 2006), Международной научн.-практ.
конференции «Современные принципы и методы селекции ячменя» (Краснодар, 2007), III-м Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (С.-Петербург, 2007), 2-й Вавиловской международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке» (С.-Петербург, 2007). Материалы диссертации изложены в 80 публикациях, из них 36 в рецензируемых изданиях и одной коллективной монографии. Отдельным изданием опубликована методика электроферетического анализа гордеинов, используемая в лабораторном сортовом контроле, получено 1 авторское свидетельство.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 370 страницах (включая 70 страниц приложения) машинописного текста и состоит из введения, семи глав и списка литературы из 329 источников, в том числе иностранных. Диссертация иллюстрирована 52 рисунками и 57 таблицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Обзор литературы состоит из трех разделов, включающих подразделы:
(1) Происхождение культурного ячменя Hordeum vulgare L., (1.1) Дикий предок ячменя культурного, (1.2) Географические центры разнообразия (происхождения) ячменя культурного;
(2) Гордеин-кодирующие локусы как генетические маркеры у ячменя, (2.1) Наследование и генетический контроль электрофоретических компонентов гордеинов, (2.2) Полиморфизм гордеинов и способы регистрации электрофореграмм, (2.3) Молекулярная организация гордеинов и механизмы возникновения их полиморфизма;
(3) Использование гордеин-кодирующих локусов как генетических маркеров у ячменя;
заключение.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Материал. Разнообразие локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F у культурного ячменя изучали путем электрофоретического анализа гордеинов у стародавних местных сортов из 25 регионов и стран, входящих в основные центры разнообразия ячменя и граничащих с ними (рис. 1).
Рис. 1. Распределение известных мест сборов образцов местных культурных ячменей ( ), исследовавшихся в настоящей работе.
Для изучения филогенетических связей между культурным ячменем и его диким предком анализировали полиморфизм гордеинов у 172 образцов H. spontaneum C. Koch. из 19 стран его ареала.
С целью изучения закономерностей распределения аллелей локусов Hrd A, B, F у сортов культурного ячменя в зависимости от климатических факторов, анализировали гордеины у 228 селекционных сортов ярового ячменя, районированных в 25 природно-сельскохозяйственных провинциях на территории бывшего СССР с 1929 до 1991 гг., а также у 101 сорта, включенного в Реестр селекционных достижений, допущенных к использованию на территории России..
Динамику генетического разнообразия культурного ячменя в результате селекционной деятельности изучали, анализируя гордеины у местных и селекционных сортов, возделывавшихся на территории России с 1900 по 2001 годы.
Для изучения связи аллелей локусов Hrd A и Hrd B с высотой выращивания над уровнем моря у культурного ячменя использовали популяции местного памирского сорта Джау Кабутак (ДК), гетерогенного по этим локусам, которые длительное время выращивались на Памире на высотах: 1800 м над у.м. (Ванч), 2200 м над у.м. (Хорог) и 2600 м над у.м.
(Ишкашим).
Естественный отбор по локусам Hrd A, Hrd B, Vrs1 и Nud изучали в специально созданных гибридных популяциях ячменя, полученных от скрещивания линий сортов Московский 121 и Джау Кабутак. Cемена F2, разделенные на две равные части, выращивали с 1986 г. параллельно до F на селекционной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и до F9 в Ишкашимском районе Горного Бадахшана на высоте 2600 м над у.м.
Материал для исследований был получен из:
- ГНЦ РФ Всероссийского научно-исследовательского Института растениеводства им. Н.И. Вавилова РАСХН;
- National Small Grains Research Collection USDA (Aberdeen, Idaho, США);
- Research Institute for Bioresources Okayama University (Япония);
- International Center for Agricultural Research in the Dry Areas – ICARDA (Aleppo, Сирия);
- кафедры селекции Самаркандского сельскохозяйственного института (Узбекистан);
- Памирского биологического института (Таджикистан, Хорог).
- ФГУ «Государственной комиссии Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений» Министерства сельского хозяйства РФ.
Методы. Электрофорез гордеинов проводили в столбиках крахмального геля высотой 110 мм и диаметром 4 мм в присутствии 3М мочевины в алюминий-лактатном буфере с рН3,1 при 350 v по методике А.А.
Созинова и Ф.А. Поперели (1978), модифицированной нами (Поморцев, Лялина, 2003) и утвержденной Государственной семенной инспекцией Министерства с/х РФ в качестве метода лабораторного сортового контроля семян ячменя.
Обработку данных проводили, применяя различные методы статистического анализа. Аллельное разнообразие локусов и однородность частот аллелей в совокупностях сортов ячменя, районированных в СССР и Российской Федерации, оценивали статистикой 2 (Доспехов, 1985), а также с помощью псевдовероятностного теста (Zaykin, Pudovkin, 1993), позволяющего анализировать таблицы с низкими частотами аллелей. При изучении распределения аллелей гордеиновых локусов в совокупностях сортов ячменя на территории бывшего СССР и динамики частот аллелей в популяциях сорта Джау Кабутак, пересевавшихся на разных высотах, использовали показатель сходства (Калабушкин, Салменкова, 1986), позволяющий максимально дифференцировать наблюдения. При анализе частот аллелей гордеиновых локусов в популяциях Джау Кабутак, собранных на различных высотах на Памире, и перенесенных с высоты 2600 на 1800 м над у.м., а также при изучении частот этих локусов в регионах РФ в качестве меры генетических расстояний между популяциями использовали стандартные генетические расстояния Нея (Nei, 1972). Так как некоторые сравниваемые популяции не имели одинаковых аллелей, в качестве меры генетических расстояний между популяциями из стран Северной Африки, Ближнего Востока, Йемена, Эфиопии, Центральной и Восточной Азии использовали Евклидовы расстояния (Вейер, 1995), Для анализа результатов, полученных при изучении полиморфизма локусов Hrd A, Hrd и Hrd F у сортов ячменя в СССР, использовали методы многомерного шкалирования (Айвазян и др., 1989), позволяющие снизить размерность исходного пространства за счет второстепенных факторов изменчивости. При кластерном анализе результатов изучения аллельного разнообразия локусов у сортов ячменя в бывшем СССР использовали подход и методы, предложенные С.Р. Рао (1980).
Для выявления кластерной структуры популяций из стран, входящих в центры разнообразия ячменя, использовали невзвешенный парно-групповой метод средней связи (UPGMA), а также Ward-метод минимальной дисперсии.
Критерием выбора подходящего алгоритма кластеризации служил коэффициент кофенетической корреляции между оригинальной матрицей сходств/расстояний, которую подвергали кластерному анализу, и матрицей кофенетических значений (предсказанных расстояний или сходств), полученной из кластерной конфигурации. Для проверки объективности кластеризации вычисляли средние значения внутри- и межкластерных индексов сходства. Для сравнения внутри- и межкластерных индексов сходства использовали t-тест Стьюдента. Кластерный анализ проводили с помощью пакета NTSYS 2.02c (Rohlf, 1998), метод минимальной дисперсии (Ward-метод) – с помощью NCSS 2000, вычисление средних индексов сходства внутри и между кластерами – с помощью AGROS 2.11.
При гибридологическом анализе степень соответствия наблюдаемого распределения численности классов теоретически ожидаемому оценивали с помощью критерия 2 (Доспехов, 1985).
Величину рекомбинации между гордеин-кодирующими локусами оценивали методом максимального правдоподобия, применяя программу "Gen" ("Программа оценки рекомбинаций в контролируемых скрещиваниях"), разработанную А.Б. Королем, И.А. Прейгель и В.И.
Медведиком в Институте экологической генетики АН Молдавской ССР [1990]. Дисперсионный, регрессионный и корреляционный анализы полученных результатов проводили общепринятыми методами с использованием пакета программ Stаtistica (StatSoft, 1998).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Полиморфизм гордеинов у ячменя, контролируемых локусами Hrd A, Hrd B и Hrd F Ранее было показано, что электрофоретические компо ненты гордеинов наследуются группами (блоками) и контро лируются семью сцепленно наследуемыми локусами: Hrd A, Hrd B, Hrd C, Hrd D, Hrd E, Hrd F и Hrd G (рис. 2). Однако серии аллелей обнаружены только для локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F.
Блоки компонентов, контроли руемые аллелями этих трех локу сов, на электрофореграмме раз делены пространственно и раз личаются по числу, подвижности Рис.2. Генетический контроль электро- и интенсивности входящих в форетических компонентов гордеинов и них компонентов гордеинов.
способ записи электрофореграмм в виде Аллели гордеиновых локусов и генетических формул гордеинов (Созинов соответствующие им блоки ком и др, 1978;
Netsvetaev, 1982;
Поморцев и понентов обозначаются др., 1983).
цифрами, как-то: А1 (А1), В (В35), F1(F1) и т.п.
В результате анализа образцов коллекции нами было обнаружено электрофоретических вариантов гордеина А, контролируемые аллелями локуса Hrd A (рис. 3). Оказалось, что среди выявленного разнообразия можно выделить группы фенотипически схожих вариантов блоков компонентов А-гордеина. Например, из рис. 4а видно, что блок компонентов А100 отличается от А2 уменьшением подвижности компонента 4. Блок А отличается от А2 и А100 двойным компонентом 4. Вариант А9, в сравнении с А2, характеризуется меньшей интенсивностью компонента 1, увеличением подвижности компонента 2 и появлением двух минорных компонентов в районе компонента 4. У блока А149, в сравнении с А9, отсутствует компонент 4. Варианты А4 и А58 характеризуются отсутствием компонента 5 или уменьшением его электрофоретической подвижности соответственно.
Аналогичные различия по числу компонентов гордеина А, их подвижности и относительной интенсивности наблюдаются между блоками компонентов на рисунке 4б. Группы фенотипически сходных блоков компонентов, отличающихся друг от друга присутствием, относительной подвижностью или интенсивностью отдельных компонентов мы называем семействами блоков компонентов. В целом по гордеину А мы выделили 12 таких семейств. Два блока компонентов – А21 и А23 не были отнесены ни к одному из указанных семейств (рис. 3). Возникновение семейств блоков компонентов гордеина можно объяснить мутациями в отдельных генах, входящих в состав мультигенного локуса Hrd A. При анализе гордеинов у искусственных мутантных по морфологическим признакам линий, полученных Г.Г. Шведовым из сорта Одесский 46, нами были обнаружены формы, электрофореграммы гордеина А которых представлены на рис. 5. Как видно, на спектре А-гордеина мутантов М564 и М109 в сравнении с исходным сортом, отсутствует компонент, а у мутанта М88 – изменилась подвижность компонента. Таким образом, вариант блока гордеина А3 и его мутантные варианты составляют одно семейство. Можно предположить, что эти варианты в дальнейшем могут послужить исходными для появления новых вариантов блоков компонентов в результате мутаций.
На основе анализа результатов гибридизации по Саузерну рестриктов геномной ДНК мутантов и сорта Одесский 46 с меченым 32Р зондом, соответствующим кодирующему району гена А-гордеина, Sayanova et al.
(1992) пришли к выводу, что у М564 отсутствие на электрофореграмме А гордеина компонента обусловлено делецией фрагмента ДНК размером около 15 т.п.н., а у М109 – точковой мутацией, как и изменение подвижности компонента на спектре А- гордеина у М88.
Обнаруженные в исследованной коллекции семейства Анализ образцов из 23 стран, входящих в центры разнообразия ячменя (Марокко, Туниса, Алжира, Египта, Эфиопии, Турции, Ирака, Сирии, Иордании, Палестины, Израиля, Йемена, Туркмении, Узбекистана, Ирана, Афганистана, Пакистана, Киргизии, Монголии, Индии, Непала, Японии и Китая, включая Тибет), показал, что аллели локуса Hrd A значительно различаются по частотам.
Наибольшей частотой характеризовались аллели: А2 (19,54%), А18 (13,00%) и А24 (9,23%). Сравнительно высокую частоту имели также аллели А (4,83%), А3 (4,60%) и А19 (3,18%), тогда как частоты остальных аллелей этого локуса варьировали в пределах от 0,01 до 2,67%.
Рис. 3. Варианты гордеина А, обнаруженные при анализе коллекции культурных ячменей, и группировка их в семейства.
Рис. 4. Некоторые варианты фенотипически сходных блоков компонентов гордеина А, объединяемые в семейства:
а – семейство I;
б – семейство III (в соответствии с рис. 3).
а б Рис. 5. Формирование семейства блоков компонентов гордеина А (мутанты по локусу Hrd A, полученные путем хими ческого мутагенеза из сорта Одесский 46).
Отличия электрофореграмм гордеина А у мутантов и исходного сорта указаны короткими стрелками ( ).
Семейства А-гордеина значительно различаются по числу входящих в них вариантов блоков компонентов. Так, семейство I включает 60 вариантов блоков компонентов, а семейства V и XI – только по три типа блоков компонентов (рис. 3).
В результате анализа коллекции было обнаружено 259 вариантов блоков компонентов, контролируемых аллелями локуса Hrd B (рис. 6), среди которых также выделяются группы сходных по электрофореграммам блоков компонентов – семейства блоков компонентов. Мы выделяем 15 семейств, которые значительно различаются по числу входящих в них вариантов блоков компонентов – от трех в семействах XIV и XV, до 39 – в семействе IV (рис. 6). В исследованных нами образцах аллели локуса Hrd B, как и локуса Hrd A, значительно различались по частотам. Наибольшую частоту имели 14 аллелей: В66 – 6,37%, В11 – 4,02%, В84 – 3,85%, В12 – 3,68%, В – 3,46%, В100 – 3,38%, В57 – 2,94%, В111 – 2,90%, В65 – 2,41%, В14 – 2,27%, В101 – 2,23%, В21 – 2,21%, В31 – 2,16%, В18 – 2,07%. Частоты остальных аллелей находились в пределах от 0,01 до 1,58%.
Полиморфизм гордеинов F, контролируемых аллелями локуса Hrd F, несравненно меньше, чем по гордеинам А и В. Было обнаружено всего четыре варианта этих белков, которые различаются по относительной электрофоретической подвижности, и один вариант – отсутствие гордеинов F, который, вероятно, детерминируется «нуль»-аллелем (рис. 6). Аллели этого локуса также значительно различаются по частотам: F0= 3,70%, F1= 27,34%, F2= 22,58%, F3= 43,26%, F4= 3,13%.
Выше было показано, что варианты блоков компонентов в пределах семейств могут возникать в результате мутаций в генах соответствующих локусов. Однако остается открытым вопрос о возникновении Рис. 6. Варианты гордеина В, обнаруженные при анализе коллекции культурных ячменей, и группировка их в семейства.
собственно семейств гордеинов А и В. По-видимому, семейства блоков компонентов гордеинов или их представители у культурного ячменя могли появиться в результате спонтанной гибридизации между культурным ячменем и его диким предшественником H. spontaneum C. Koch. Анализ гордеинов у 172 образцов H. spontaneum выявил десятки вариантов А- и В гордеинов, большинство из которых у культурного ячменя нам не встречались, что требует отдельного исследования. При этом у H. spontaneum были обнаружены варианты, представляющие 9 семейств блоков компонентов гордеина А – I, III, IV, VI, VII, VIII, IX, X и XII, присутствующих у культурного ячменя. Некоторые из них приведены на рис.
7. Обращает на себя внимание тот факт, что у исследованных образцов Рис. 7. Варианты гордеина А, представляющие различные семейства блоков компонентов, обнаруженные у H. spontaneum (1) и культурного (2) ячменя.
H. spontaneum очень редко встречались представители наиболее многочисленного и распространенного у культурного ячменя семейства I гордеина А. При этом представители малочисленных семейств – VI, VIII, IX, X, XII у дикого ячменя довольно широко распространены. По гордеину В у H. spontaneum также были обнаружены варианты, идентичные или близкие блокам компонентов, представляющим 9 семейств, присутствующих у культурного ячменя: I, II, IV, V, VI, VIII, X, XI, XV (рис. 8). При этом обнаруженные у дикого ячменя варианты гордеина В относились как к малочисленным семействам (I, II, V, VIII, XV), так и к семействам, включающим большое число вариантов блоков компонентов – VI, X, XI.
Однако у H. spontaneum не было найдено вариантов гордеина В, которые можно было бы отнести к семейству XIII – одному из самых многочисленных у культурного ячменя (рис. 6). Результаты анализа образцов H. spontaneum позволяют утверждать, что дикий ячмень может 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 Рис. 8. Варианты гордеина В, представляющие различные семейств блоков компонентов, обнаруженные у H. spontaneum (1) и культурного (2) ячменя.
являться донором представителей семейств А- и В- гордеинов у культурного ячменя (интрогрессия в результате спонтанной гибридизации).
Таким образом, существующий полиморфизм гордеина у культурного ячменя, вероятнее всего, является результатом двух процессов: с одной стороны, мутаций в генах сложных локусов, контролирующих проламины, с другой стороны, спонтанной гибридизации культурного ячменя с H.
spontaneum.
Гордеин-кодирующие локусы как генетические маркеры в филогенетических исследованиях ячменя Результаты изучения полиморфизма гордеинов A, B, F, его структуры и формирования у культурного ячменя позволили использовать локусы Hrd A, Hrd B и Hrd F как генетические маркеры при анализе популяций из центров разнообразия культуры и выяснении связей между различными центрами.
При анализе гордеинов у 147 образцов местных ячменей из Эфиопии выявлено 26 аллелей локуса Hrd A, из которых наибольшую частоту имели аллели А24 (45,72%) и А2 (21,74%). Частоты остальных аллелей были в пределах 0,17 – 7,18%. Из 36 аллелей локуса Hrd В наибольшие частоты имели аллели В100 (19,63%), В101(14,80%), В84 (14,57%), В111 (14,56%).
Частоты других аллелей были в пределах 0,23 – 4,43%. Неравномерность частот наблюдалась и по аллелям локуса Hrd F: F1 – 25,17%, F2 – 16,33%, F3 – 52,04%, F4 – 6,46%. Обнаруженные варианты гордеина А относились к 6 семействам: I, II, III, IV, VII и VIII. При этом семейство I гордеина А было представлено 17 вариантами блоков из 26 обнаруженных у ячменей Эфиопии. К нему относятся блоки А2 и А24, имеющие наибольшую частоту. К другим семействам относились от 1 до 3 блоков компонентов гордеина. Варианты гордеина В, обнаруженные у эфиопских ячменей, принадлежали к 9 семействам – I, II, IV, V, VI, VII, X, XI и XIII.
Максимальные частоты имели варианты блоков компонентов, входящие только в два семейства: V (В100 и В101), включавшее 4 типа блоков компонентов, и XIII (В84 и В111), которое насчитывало и наибольшее количество вариантов В-гордеинов – 9. Суммарная частота тринадцати блоков компонентов, составляющие эти два семейства, превышала 78%. При этом блоки компонентов В-гордеина семейства V обнаружены исключительно или преимущественно с вариантами А-гордеина семейства I, а 6 вариантов гордеина А семейства I найдены в сочетаниях только с блоками гордеина В семейства V. Кроме того, блоки компонентов А51, А54, В семейства I были нами идентифицированы только в ячменях из Эфиопии, а блоки компонентов А5, А50, А56, А58 (семейство I) и В101 кроме Эфиопии – в единичных образцах из стран Ближнего Востока, Египта и Восточной Азии.
Это позволяет предположить, что группа генотипов, в которых присутствуют одновременно аллели локусов Hrd A и Hrd B, контролирующие варианты А и В-гордеинов, относящиеся к семействам I и V соответственно, возникли в результате мутаций в указанных локусах у ячменей Эфиопии. При этом, с учетом частот, в качестве исходных аллелей нами рассматриваются А2, А и В100, В101. Это же относится и к другой группе генотипов, включающих одновременно аллели локусов Hrd A и Hrd B, контролирующие варианты А и В-гордеинов семейств I и XIII соответственно. Здесь в качестве исходных могут выступать аллели А2, В84 и В111, имеющие самые высокие частоты.
Кроме того, аллели А53, А57, А59, В113 обнаружены исключительно у эфиопских ячменей, а аллели В106, В110, В112, В115 и В117 присутствовали также в отдельных образцах из Йемена. Поэтому генотипы Hrd А24 В100, Hrd А24 В84, Hrd А24 В111 и Hrd А2 В101 в ячменях Эфиопии отличающиеся наибольшими частотами, рассматриваются нами в качестве исходных для из 73 обнаруженных здесь генотипов, суммарная частота которых, с учетом исходных, составила 69,34%. Отметим, что блоки компонентов A31, A18, A1, A12, A14, A19, относящиеся к семействам II, III, IV, VII не обнаружены в сочетаниях с блоками компонентов, относящимися к семействам V и XIII гордеинов В.
Таким образом, касательно эфиопских ячменей, можно говорить о проявлении эффекта основателя в формировании разнообразия по гордеин-кодирующим локусам.
Иную картину мы наблюдали при изучении гордеинов у 77 образцов местных ячменей из стран Северной Африки (9 из Марокко, 22 из Алжира, из Туниса и 39 из Египта). В целом у североафриканских образцов ячменей обнаружено 35 вариантов блоков компонентов гордеинов, контролируемых аллелями локуса Hrd A, 43 – локуса Hrd В и 5 –локуса Hrd F. Аллельные варианты локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F различались по распространению у образцов из разных стран и частотам. У египетских образцов обнаружен аллель локуса Hrd A, из которых 12 в других странах региона не встречались.
У образцов из Алжира присутствовали 17 аллелей этого локуса, из которых в Египте, Тунисе и Марокко не выявлены. У ячменей из Марокко из блоков компонентов А-гордеинов лишь 2 не встретились в изученных популяциях из других стран Северной Африки. В исследованных образцах ячменя из Туниса все три аллеля локуса Hrd A, обнаруженные здесь, присутствовали также и в образцах из других стран Северной Африки.
Среди аллелей локуса Hrd A в Северной Африке наибольшую частоту – 34,56% имел аллель А2 (частоты других аллелей были в пределах 0,13% – 6,89%). Этот аллель доминировал в ячменях из Египта и Алжира (38,72% и 25,45%, соответственно), а в Тунисе его частота составляла 80,0%, тогда как в Марокко не превышала 10,0%. В ячменях из Марокко по частоте преобладал аллель А3 (23,34%), часто встречавшийся и в алжирских сортах (14,55%). У египетских образцов относительно высокую частоту (6,93% – 7,69%) имели аллели А46, А74 и А65, из которых только последний обнаружен еще у одного образца из Алжира. У сортов из Алжира с относительно высокой частотой присутствовали: аллель А63 (6,36%), не выявленный у ячменей из других стран, и А13 (12,73%), обнаруженный еще только у египетских ячменей. У образцов из Марокко сравнительно высокую частоту имели аллели А33 (12,22%) и А72 (8,89%), найденные только здесь, а также аллели А67 (7,78%), А24 (8,89%) и А69 (8,89%), с низкими частотами присутствовавшие у ячменей из Египта и Туниса. «Мозаичное» распределение и неравномерность частот у сортов Северной Африки наблюдалось также по аллелям локуса Hrd B. Из 23 аллелей этого локуса, обнаруженных у ячменей из Египта, 16 у образцов из других стран не встречались. Для Алжира таких «уникальных» аллелей оказалось 11 из 22, идентифицированных в местных сортах этой страны. В Тунисе два аллеля из шести локуса Hrd B (В119, ВВ45), обнаруженных в местных сортах, отсутствовали в ячменях из других стран Северной Африки. Характерными только для ячменей Марокко оказались три (В32, В9, В48) из десяти обнаруженных здесь аллелей этого локуса.
В целом в североафриканских образцах ячменя среди аллелей локуса Hrd B по частоте преобладали аллели В18 (19,36%), В14 (17,02%) и В (8,70%). Другие аллели этого локуса встречались с частотами от 0,13% до 4,67%. Аллели В14, В18 и В24 преобладали в египетских ячменях (суммарная частота равна 50,52%). Здесь с относительно высокой частотой обнаружены аллели В124 (6,67%), В129 (6,41%), отсутствовавшие в сортах из других стран Северной Африки, а также В12 (7,69%), встречавшийся с низкой частотой в алжирских ячменях. В образцах из Алжира, Туниса и Марокко максимальную частоту имел аллель В18 (17,27%, 48,57% и 25,57% соответственно). Кроме этого, с относительно высокой частотой встречались:
в Алжире – аллели В19 и В82 (9,10%), в Тунисе – В14, В138 и В24 (14,29%), в Марокко – В14 (23,34%) и В138 (20,0%).
Из аллелей локуса Hrd F у ячменей из всех стран Северной Африки доминировал аллель F1. Такое же распространение имел и аллель F3. Однако частоты его неравномерны. Если у алжирских образцов доля этого аллеля составляла 32,27%, то у марокканских – всего 2,22%. Аллель F4 обнаружен только в Алжире (4,55%), а аллель F0 – только в Египте (7,69%).
Присутствовавшие у ячменей Северной Африки варианты А- и В гордеинов относятся к различным семействам блоков компонентов.
Варианты А-гордеина группируются в 11 семейств. Из них семейство I объединяет 14 блоков компонентов гордеина А и является наиболее многочисленным. Сумма частот вариантов, объединяемых в это семейство, в целом по Северной Африке составляет 58,06%. В остальные семейства входят от одного до пяти блоков компонентов. Варианты В-гордеина североафриканских ячменей относятся к 12 семействам. Из них наибольшее количество блоков компонентов включает семейство IV (8 аллелей). В целом, у изученных сортов из Северной Африки суммы частот аллелей, объединенных в это семейство, составляют 41,06%.
В Северной Африке обнаружено всего 83 сочетания блоков компонентов А- и В- гордеинов, относящихся к различным семействам. При этом два из них – HRD А2В14 и HRD А2В18 имели максимальную частоту – 10,65% и 9,61% соответственно. Блоки компонентов, контролируемые аллелями А2, В18 и В14, относятся к самым многочисленным семействам в этом регионе. Однако, большинство вариантов гордеина А, объединенных в семейство I, обнаружены в сочетаниях с вариантами гордеина В из семейств III, V, VI, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XV. Это же относится и к сочетаниям вариантов В- гордеина различных семейств с вариантами А-гордеина. Так, блоки компонентов, входящие в самое многочисленное семейство IV В гордеина, обнаружены в сочетаниях с вариантами А-гордеина, относящимися к семействам III, IV, VI, VII, VIII.
Наблюдаемая «мозаичность» в распределении частот аллелей гордеин кодирующих локусов, семейств вариантов блоков компонентов А- и В гордеинов и их сочетаний у североафриканских ячменей, не позволяет выделить генотипы, которые можно было бы рассматривать в качестве исходных для обнаруженного здесь разнообразия. Это показывает, что в основном полиморфизм по гордеин-кодирующим локусам в исследованных образцах в Северной Африке является результатом, возможно, неоднократной интродукции и в разные временные периоды.
Территория современных стран Ближнего Востока, таких как Сирия, Иордания, Ирак, Израиль и Палестина относится к одной из древнейших земледельческих областей. По Н.И. Вавилову (1940), восточное побережье Средиземного моря (современные Израиль, Палестина и западная часть Сирии) входят в состав Средиземноморского центра разнообразия культурных растений, а Иордания и внутренняя Сирия – в Переднеазиатский очаг Юго-Западноазиатского центра. В целом этот географический район является важнейшей областью происхождения хлебных злаков (Вавилов, 1940). Согласно гипотезе J.R. Harlan и D. Zohary (1966), введение ячменя в культуру произошло в Дуге Плодородия, проходящей от Хузистана в юго западном Иране через горы Загроса и Тавра в Иране, Ираке и Турции, затем по западной части Сирии, Иордании до южной части Палестины.
Исследование полиморфизма гордеиновых локусов у местных ячменей Ближнего Востока представляет особый интерес с точки зрения изучения существующего разнообразия этих локусов у культурного ячменя, а также для выявления возможных связей стран этого региона с другими районами мира, где обнаружены древние земледельческие культуры, в частности, Северной и Северо-Восточной Африкой и Южной Аравией.
Гордеины изучали у 140 образцов местных ячменей из некоторых стран Ближнего Востока: у 60 сортов из Сирии, у 34 – из Иордании, у 33 – из Ирака, у 8 – из Палестины и 5 – из Израиля. В целом было обнаружено вариантов блоков компонентов гордеинов, контролируемых аллелями локуса Hrd A, по В- гордеину – 89 вариантов, контролируемых аллелями локуса Hrd B, и 5 вариантов гордеинов F, контролируемых аллелями локуса Hrd F.
Аллели локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F различались по частотам и по распространению у ячменей этого региона. У иракских сортов обнаружено аллелей локуса Hrd A, из которых 3 (А88, А131, А132) в других странах Ближнего Востока не встречались. У образцов из Сирии выявлено 36 аллелей этого локуса. Из них 16 в Ираке, Иордании, Палестины и Израиле обнаружены не были. У исследованных сортов из Иордании найдено аллеля Hrd A локуса, 8 из которых встретились в ячменях только этой страны. У образцов из Палестины и Израиля присутствовали 9 и 8 аллелей локуса Hrd A соответственно, которые были обнаруженные также у сортов из других стран Ближнего Востока. Исключение составляют аллели А134 и А135, найденные у сортов только из этих двух стран.
Среди 55 аллелей локуса Hrd A, обнаруженных на Ближнем Востоке, наибольшую частоту имели два – А2 (17,94%) и А33 (16,22%). Относительно высокой частотой характеризовались также аллели А1 (8,43%), А3 (6,36%), А19 (6,15%) и А127 (7,65%). Частоты других аллелей были в пределах 0,07 – 4,71%. Аллель А2 доминировал в популяциях из Палестины с частотой 41,25%. С частотами 14,11% – 21,82% он обнаружен и в образцах из других стан региона. Аллель А33, имевший максимальные частоты в популяциях из Сирии и Иордании (22,50% и 27,07% соответственно), у сортов из других стран региона не выявлен. Аллель А1 с частотами 14,00% и 9,12% присутствовал в популяциях из Сирии и Иордании соответственно, с частотами 0,61% и 2,00% – в Ираке и Израиле и отсутствовал в Палестине.
Аллель А3 по частоте преобладал в популяциях из Израиля (28,00%) и относился к наиболее частым аллелям в популяциях Палестины (15,00%).
При этом его частота у сортов из Ирака, Иордании и Сирии варьировала в пределах 2,66% – 6,06%. Аллель А19 имел наибольшую частоту в образцах из Ирака (22,12%). С частотой 18,00% он также присутствовал в образцах из Израиля, а у сирийских сортов его частота была всего 0,67%. У сортов из Иордании и Палестины он не был обнаружен. Аллель А127 встречался с максимальной частотой у ячменей из Иордании (24,12%). С частотой 4,17% он присутствовал у сирийских образцов, но отсутствовал у сортов из Ирака, Палестины и Израиля.
Подобная картина «мозаичного» распределения по странам Ближнего Востока и неравномерность частот наблюдалась также для аллелей локуса Hrd B. Половина из 18 аллелей этого локуса, обнаруженных у иракских ячменей, в образцах из других стран не встречались. Для Сирии таких «уникальных» аллелей оказалось 23 из 45аллелей. В Иордании 19 из аллелей локуса Hrd B, обнаруженных у местных ячменей, отсутствовали в образцах из других стран региона. Характерными только для ячменей Палестины оказались 4 из 15 обнаруженных здесь аллелей этого локуса. У сортов Израиля 2 из 9 аллелей локуса Hrd B в других ближневосточных образцах не были обнаружены.
В целом, у ячменей Ближнего Востока среди аллелей локуса Hrd B преимущество по частоте имел аллель В65 (14,65%). Сравнительно высокая частота наблюдалась и для аллелей В6 (5,87%), В247 (4,72%) и В70 (4,30%).
Другие аллели этого локуса встречались с частотами 0,07– 3,79%. Аллель В65 преобладал у образцов из Сирии и Иордании с частотами 20,00% и 14,71% соответственно. В Ираке его частота составляла 7,27%, а в Палестине и Израиле этот аллель не был обнаружен. Аллель В6 с частотой 22,00% выявлен у образцов из Израиля и с частотами 10,00% и 3,24% в ячменях Сирии и Иордании соответственно, тогда как в Ираке и Палестине он найден не был. Аллели А70 с частотой 17,66% и В247 с частотой 20,00% обнаружены только у образцов из Иордании и Ирака.
По локусу Hrd F преимущество по частотам имели разные аллели.
Аллель F1, присутствовавший у образцов из различных стран региона, с частотами 41,25% и 40,00% доминировал у ячменей из Палестины и Израиля.
Аллель F0 с наибольшей частотой обнаружен в Палестине (22,50%), а F4 – в Израиле (22,00%). При этом аллель F0 не найден у ячменей из Ирака и Израиля, а аллель F4 – в популяциях из Ирака и Палестины. Аллель F2 имел максимальные частоты в образцах из Сирии и Иордании (44,50% и 40,88%), а аллель F3 преимущественно встречался в местных сортах из Ирака (62,06%).
Варианты А- гордеина у ячменей Ближнего Востока относились ко всем 12 семействам, известным у культурного ячменя. Из них семейство I объединяло 17 блоков компонентов и являлось наиболее многочисленным.
Суммарная частота вариантов, объединяемых в это семейство, в целом по Ближнему Востоку составляло 27,16%. Сравнительно высокую суммарную частоту (17,7%) имели также пять вариантов блоков компонентов, входящих в семейство VIII. Остальные семейства представляли от 1 до 4 блоков компонентов и их суммарные частоты были в пределах от 1,06 до 10,37%.
Варианты В-гордеина у ближневосточных ячменей также относились ко всем 15 известным у культурного ячменя семействам блоков компонентов.
Наибольшее число вариантов блоков включали семейства IV (21 вариант), XI (15 вариантов) и VI (14 вариантов). К другим семействам относились от 1 до 10 вариантов гордеина В. Суммарные частоты блоков компонентов, входящих в семейства IV, VI и XI составили – 33,81%, 14,72% и 19,21% соответственно. Суммарные частоты блоков компонентов, представляющие другие семейства, находились в пределах от 0,07 до 6,50%.
У ячменей из стран Ближнего Востока обнаружено 74 из теоретически возможных сочетаний вариантов А- и В- гордеинов, относящихся к разным семействам. Наибольшими частотами характеризовались два варианта сочетаний блоков компонентов: семейств I и VIII гордеина А и семействa IV гордеина В (9,87% и 8, 29% соответственно).
Относительно высокие частоты (3,00% - 5,72%) имели еще 10 вариантов сочетаний: I(A)- VI(B), I(A)- IX(B), I(A)- XI(B), III(A)- VI(B), IV(A)- XI(B), VI(A)- XI(B), VII(A)- VI(B), X(A)- IV(B), X(A)- VII(B), XI(A)- IV(B). Частоты остальных 62-х сочетаний варьировали от 0,07% до 2,29%. Как правило, наибольшие частоты имели сочетания между наиболее многочисленными и распространенными семействами блоков компонентов А- и В- гордеинов.
Так, семейства I(A) и VIII(A) обнаружены в сочетаниях с 12 семействами блоков компонентов В-гордеинов, а семейство IV(В) – со всеми семействами гордеина А.
Высокий полиморфизм гордеинкодирующих локусов, неравномерность распространения их аллелей у образцов ячменя из различных стран Ближнего Востока, а также присутствие в исследованных популяциях H. spontaneum этого региона представителей большинства семейств вариантов блоков компонентов гордеинов А и В, которые при спонтанной гибридизации могут передаваться культурному ячменю, позволяют предположить, что Ближний Восток является одним из крупных очагов формирования разнообразия гордеинов у культурного ячменя.
Таким образом, существующий полиморфизм гордеинкодирующих локусов в различных центрах разнообразия, видимо, формировался различными путями. В Эфиопии – на базе ограниченного числа генотипов и дальнейших спонтанных мутаций генов локусов Hrd A и Hrd B;
в Северной Африке – в результате неоднократной интродукции;
на Ближнем Востоке – в результате спонтанных мутаций и интрогрессии от H. spontaneum при спонтанной гибридизации с ним культурного ячменя.
Оценка генетического сходства ячменей Северной Африки, Ближнего Востока, Южной Аравии и Эфиопии на основе полиморфизма гордеинкодирующих локусов О происхождении и генетических связях ячменей Ближнего Востока Северной Африки, Эфиопии и Южной Аравии высказываются противоречивые мнения. Согласно Н.И. Вавилову (1987), Эфиопия и Йемен входят в состав Эфиопского центра разнообразия растений, а Марокко, Тунис, Алжир, Египет, а также современные Израиль и Палестина относятся к Средиземноморскому центру. J.R. Harlan и D. Zohary (1966) предложили гипотезу о доместикации ячменя в Дуге Плодородия. J.-L. Molino-Cano et al.
(1987, 1999, 2005) считают, что ячмень мог быть одомашнен в Марокко.
Дискутируется и вопрос о происхождении эфиопских ячменей. Впервые гипотезу об Эфиопии как центре происхождении культурного ячменя высказал Н.И. Вавилов в 1926 г., но позднее он отказался от нее. Вновь к ней вернулись S. Frst et al. (1975), E. Bekele (1983), M. Negassa (1985) и J. Orabi et al. (2007), считающие, что центр происхождения культурного ячменя находится в Эфиопии. Ф.Х. Бахтеев (1953) писал о существовании филогенетической связи абиссинских и аравийских ячменей. Е.Н. Синская (1969) указывала на возможность существования древнейших связей Африки непосредственно с Передней и Центральной Азией. Напротив, J.R. Harlan (1979) высказал предположение, что в Эфиопию ячмень мог попасть из Египта.
На основе данных о полиморфизме локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F у ячменей из Марокко, Алжира, Туниса, Египта, Сирии, Ирака, Иордании, Палестины, Израиля, Эфиопии, а также Йемена, мы оценивали генетическое сходство ячменей из этих регионов. При исследовании 453 образцов культурного ячменя из 11 этих стран было обнаружено 92 аллеля локуса Hrd A, 144 аллеля локуса Hrd B и 5 аллелей локуса Hrd F.
В результате вычисления матрицы индексов сходства Ренконена на основе матрицы частот аллелей и дальнейшей кластеризации по иерархическому алгоритму (UPGMA или Ward) на основе евклидовых расстояний, вычисленных в пространстве индексов сходства Ренконена, были получены дендрограммы, показавшие, что образцы из различных стран распределились по двум четким кластерам. Средний индекс сходства популяций ячменя внутри кластеров был в полтора раза выше, чем между кластерами (P0,0001). На рис. 9 приведена дендрограмма, полученная методом минимальной дисперсии Уорда, из которой видно, что первый кластер составили образцы из Марокко, Туниса, Алжира, Египта, а также Ближнего Востока – Израиля и Палестины. Второй кластер объединил популяции из Сирии, Иордании, Ирака, Йемена и Эфиопии.
Рис. 9. Дендрограмма клас терного анализа образцов ячменя из Ирака, Сирии, Иордании, Палестины и Израиля, Северной Африки Марокко, Туниса, Алжира и Египта, Южной Аравии и Эфиопии по методу мини мальной дисперсии Уорда (евклидовы расстояния вычислены по симметри ческой матрице индексов сходства Ренконена).
Полученная кластеризация соответствует историческим данным о распространении зерновых культур финикийцами в Средиземноморье (с до 100 гг. до н.э.), а затем римлянами (Аяш, 1958;
Корнунгр, Уткин, 1966).
Объединение в одном кластере образцов из Сирии, Иордании, Ирака, Йемена и Эфиопии говорит о том, что корни эфиопских ячменей могут лежать в Междуречье. Известно, что в III-II тысячелетиях до н.э. племена Южной Аравии имели контакты с Египтом и Шумером (Лундин, 1971;
Грязневич, 1994), а в V веке до н.э. – они переселились в Эфиопию и принесли с собой плужное земледелие и систему орошения. До I века н.э. ячмень в Эфиопии не засвидетельствован (Кобищев, 1966;
Бартницкий, Мантель-Нечко, 1976).
Наши результаты подтверждают теорию Н.И. Вавилова (1987), согласно которой ячмени Северной Африки и восточного побережья Средиземного моря относятся к одному Средиземноморскому центру разнообразия, а также мнение Н.И. Вавилова (1987) и Ф.Х. Бахтеева (1953) о связи ячменей Эфиопии, Йемена и Юго-западной Азии.
Факторы, влияющие на географическое распространение аллелей гордеин-кодирующих локусов Важной характеристикой генетических маркеров является их селективность или нейтральность (подверженность или неподверженность действию отбора). У ячменя отбор по аллелям гордеиновых локусов может быть как искусственным в процессе селекции (например, на устойчивость к мучнистой росе), так и естественным, так как создание сортов и реализация их потенциала происходит в конкретных природно-климатических условиях.
Мы изучали географическое распределение аллелей локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F у сортов ярового ячменя, районированных на территории СССР с 1929 по 1991 годы, в зависимости от распределения ряда природно климатических факторов, а также оценивали влияние естественного отбора на полиморфизм гордеиновых локусов и на гены, контролирующие ряд морфологических признаков растений ячменя, в специально созданных гибридных популяциях, которые пересевали в условиях Московской области и Горного Бадахшана (Памир) в течение ряда поколений.
В результате изучения 228 сортов ярового ячменя, районированных на территории СССР с 1929 по 1991 гг., по локусу Hrd A было обнаружено аллелей, по Hrd B – 48 и по Hrd F – 4 аллеля. Среди аллелей локуса Hrd A по частоте преобладал аллель А2 (53,90%). Сравнительно высокую частоту имели также аллели А1, А12, А18, А20, А24 (8,16%, 10,31%, 2,48%, 2,63%, 2,54% соответственно). Частоты остальных аллелей находились в пределах 0,07 – 1,97%. Среди аллелей локуса Hrd B преимущество по частотам имели аллели В8 (24,08%) и В19 (21,58%). Выделялись по частотам также аллели В (7,46%), В17 (7,46%) и В35 (5,35%). Частоты остальных аллелей находились в пределах 0,04 – 2,63%. Аллели локуса Hrd F – F1, F2 и F3 имели частоты от 30,09% до 38,46%, а F0 был обнаружен лишь у единичных сортов.
Выбор территории СССР для изучения географического распространения аллелей локусов Hrd обусловлен следующим: посевы ячменя в стране занимали более 28 млн. га в районах с различными климатическими условиями;
селекцией ячменя занималось не менее учреждений, а также интродуцировались сорта из стран Европы и Америки;
районирование сортов более 50 лет основывалось на конкурсном отборе по единой методике на сортоучастках, охватывающих все климатические зоны возделывания ячменя. Таким образом, на территории СССР формировались группы сортов, наиболее приспособленные к выращиванию в тех или иных агроклиматических условиях. В качестве территориальных единиц наблюдения были приняты природно-сельскохозяйственные провинции (далее – провинции), входящие в систему природно-сельскохозяйственного районирования территории СССР. Провинции – части природно сельскохозяйственных зон, различающиеся по показателям гидротермического и пищевого режима почв, а также по основным климатическим показателям (показателю континентальности климата – от 118 до 265, сумме эффективных температур – от 1400 до 34000С, средней температуры июля – от 16,5 до 23,10С, среднегодовому количеству осадков – от 250 до 850 мм). Состав сортов в 25 провинциях определяли по каталогам Государственной комиссии по сортоиспытанию (табл. 1). Горные районы возделывания ячменя при этом не рассматривали В анализ были включены 16 аллелей локуса Hrd А, 20 аллелей локуса Hrd В и 4 аллеля локуса Hrd F. Однородность аллельного состава совокупностей сортов провинций оценивали по статистике хи-квадрат: для локуса Hrd A 2= 279,7;
d.f.= 96;
P0,0001;
для локуса Hrd В 2= 275,1;
d.f.= 72;
P0,0001 и для локуса Hrd F 2=250,2;
d.f.= 48;
P0,0001. Суммарное значение 2= 805,1;
d.f.= 215;
P 0,0001 (здесь d.f. – число степеней свободы, P – вероятность однородности). Это свидетельствует о существенной гетерогенности частот аллелей на изученном ареале ячменя по всем гордеиновым локусам. На основе частот аллелей в совокупностях сортов провинций рассчитывали показатели генетического расстояния и полученную матрицу генетических расстояний использовали для многомерного шкалирования (Крускал, 1986) и кластерного анализа (Рао, 1980). На рис. 10 приведен состав кластеров. Пороговое значение генетических расстояний было принято равным 0,33. Кластеры значительно различались по объему. В самый большой кластер входит большая часть европейской части страны, в третий кластер вошли провинции степной части Украины, Крыма и Западной Сибири. Шестой кластер объединил две провинции Центрального и Южного Казахстана. Провинции, объединенные в кластеры, существенно различались по ряду климатических характеристик:
сумме эффективных температур (F=4,42, P= 0,006), влагообеспеченности (F=6,29, P= 0,001), средней температуре июля (F=7,26, P= 0,000).
Обнаружена значимая линейная связь первых двух факторов с климатическими характеристиками провинций. Расположение совокупностей сортов провинций в координатах двух главных факторов, Таблица Природно-сельскохозяйственные провинции на территории СССР и число изученных в них сортов ярового ячменя Провинция Зона Провинция Зона сортов сортов Число Число A. Европейская Средне 23 N. Южно-Русская Степная таежная B. Прибалтийская 33 O. Заволжская Южно C. Белорусская 30 P. Восточно-Сибирская Сухо-степная таежно D. Средне-Русская 35 Q. Казахстанская лесная E. Западно-Сибирская 15 R. Предалтайская F. Амуро-Уссурийская 17 S. Южно-Украинская G. Украинская 37 T. Манычско-Донская Сухо-степная Лесо H. Средне-Русская 44 U. Заволжская Полупус- степная тынная I. Предуральская 32 V. Казахстанская J. Западно-Сибирская 23 W. Прикаспийская K. Предалтайская 16 X. Центр.-Казахст Предгорн. пуст. степн.
L. Украинская Степная 26 Y. Южно-Казахст M. Предкавказская вычисленных многомерным шкалированием, представлено на рис. 10. На первый фактор приходится 49,6% общей изменчивости, на второй – 10,3%, на третий – 5,6%.
Первые три фактора отражают линейную комбинацию климатических характеристик провинций. Первый фактор – количество осадков за год и средняя температура июля (R= 0,90;
F=47,15;
P=0,001). Второй фактор – сумма эффективных температур и средняя температура июля (R= 0,632;
F=7,32;
P=0,004). Третий фактор – континентальность климата и средняя температура июля (R= 0,546;
F=4,66;
P=0,021). Отметим, что средняя температура июля связана со всеми тремя факторами. Путем корреляционного анализа оценивали связь между значениями трех первых факторов и частотами аллелей. Оказалось, что с первым главным фактором существенно связаны 4 аллеля локуса Hrd A (А2 и A12 – отрицательно;
А13, А28 – положительно), 5 аллелей локуса Hrd В (В8 — отрицательно, В35, В37, В38, В45 - положительно), 2 аллеля локуса Hrd F (F2 - отрицательно, F3 – положительно).
Коэффициент множественной корреляции между значениями первого главного фактора и частотами одиннадцати аллелей равен 0,992 (P 0,001).
Со вторым главным фактором существенно связаны аллели А8, А10, А23 и В31 (отрицательно). Коэффициент множественной корреляции между значениями второго фактора и частотами четырех аллелей равен 0, Рис. 10. Расположение совокупностей сортов провинций в коорди натах двух первых главных факторов.
(P 0,001). С третьим главным фактором значимо связаны три аллеля.
Однако коэффициент множественной корреляции в этом случае не определялся ввиду слабой заполненности таблицы. Корреляции с каждым из аллелей следующие: А30 – (-0,804), В36 – (-0,861), F0 – (-0,861).
Таким образом, максимальное влияние на формирование генетической структуры по локусам Hrd A, B, F совокупностей сортов в провинциях СССР оказывают комбинации климатических факторов: средней температуры июля, суммы активных температур, континентальности климата, характеризующих засушливость климата. Это позволяет предположить, что аллели гордеиновых локусов (или какие-то генетические факторы, сцепленные с ними) связаны с засухоустойчивостью ярового ячменя в период налива и созревания зерна. Иллюстрацией обоснованности сделанного предположения может быть следующее. В провинциях, относящихся к первому кластеру (рис. 10, отрицательная область по первому фактору), доминируют типы увлажнения, когда лето умеренно-влажное влажное, а весна и осень могут быть засушливыми, то провинции, относящиеся к другим кластерам, характеризуются засушливым летом.
Поскольку формирование и налив зерна в большинстве провинций при ходится на середину лета, сорта, выращиваемые в провинциях, относящихся к первому кластеру, формируют зерно в условиях достаточного или избыточного увлажнения в отличие от сортов, выращиваемых в остальных провинциях.
В период с 1991 по 1999 гг. на территории современной Российской Федерации (РФ) были допущены к использованию новые сорта ячменя и одновременно ряд был снят с районирования (из 101 сорта ячменя, включенных в Государственный реестр 1999 г., и исследованных нами, сорт оказался новым). Кроме того, после 1991 г. характер деления территории РФ изменился, и допуск сортов к использованию производится на базе 12 административных регионов, объединяющих территории республик, краев и областей. На территории РФ в сравнении с территорией СССР диапазон климатических характеристик сузился. Изменился и состав аллелей локусов Hrd A и Hrd B в совокупностях сортов, которые были допущены к использованию в РФ. Так, у сортов СССР и РФ из 31 аллеля локуса Hrd A общими являются 14 (45, 2%), а из 53 аллелей локуса Hrd B – лишь 17 (32,1%). Не изменился только состав аллелей локуса Hrd F. Все это послужило причиной изучения нами разнообразия и закономерностей географического распределения аллелей гордеинкодирующих локусов в сортах, допущенных к использованию в РФ.
Было установлено, что три первых главных факторов, вычисленных многомерным шкалированием, описывают более 58% всей генетической изменчивости по гордеиновым локусам ячменя на территории России (первый – 24,6%, второй – 20,0%, третий – 13,5%). Все три первых фактора существенно связаны со средними температурами июля, коэффициент множественной корреляции R=0,951 (d.f.=1, 10;
P=0,0002). Кроме того, отчетливо проявляется связь третьего фактора с комбинацией суммарного количества осадков за год и средними температурами июля (R=0,702;
F=4,36;
d.f.=2, 9;
P=0,047). Таким образом, наблюдаются различия факторной структуры генетической изменчивости на ареалах ячменя в бывшем СССР и РФ. Если в первом случае с суммарным количеством осадков за год и средними температурами июля был связан первый главный фактор, то во втором случае с этими климатическими характеристиками связан третий главный фактор. Вероятно, изменение факторной структуры обусловлено несколькими причинами: сокращением ареала ячменя, вовлеченного в анализ на российской территории;
введением нового деления территории, при котором в одном административном регионе часто объединяются по две-три природно-сельскохозяйственные провинции. Это приводит к снижению диапазона и выравниванию климатических характеристик. Наблюдаемые различия в структуре главных факторов отчасти могут быть следствием изменения состава сортов ячменя в период с 1991 до 1999 гг.
Закономерности распределения аллелей гордеин-кодирующих локусов при выращивании популяций ячменя в горных условиях С целью изучения влияния высоты выращивания на структуру популяций ячменя по гордеиновым локусам анализировали популяции местного сорта Джау Кабутак (ДК), гетерогенного по гордеинам, контролируемым аллелями локусов Hrd A и Hrd B, длительное время репродуцировавшихся в районах Западного Памира на различных высотах:
1800 м над у. м. (Ванч), 2200 м над у. м. (Хорог), 2600 м над у, м. (Ишкашим), а также динамику изменения структуры популяции этого сорта, перенесенной с высоты 2600 м над у. м. на высоту 1800 м и репродуцируемой там в течение трех лет. Как видно из табл. 2, состав и частоты аллелей локусов Hrd A и Hrd В в популяциях ДК значительно отличались.
Обнаруженные различия в структуре популяций ДК из Ванча, Хорога и Таблица Частоты (%) аллелей локусов в популяциях сорта ячменя Джау Кабутак из Ванча, Хорога, Ишкашима.
Районы Районы Аллель Ванч Хорог Ишкашим Аллель Ванч Хорог Ишкашим п = 225 n = 257 n = 221 п = 225 n = 257 n = Локус HrdA Локус HrdB - 0,79 1,36 - 1,55 0, А14 В - 0,39 22,62 - 0,79 А18 В 98,68 37,73 29,41 - 11,28 9, А19 В - 24,12 10,86 13,77 12,45 0, А36 В - 0,39 - - 3,13 1, А38 В 0,44 36,19 35,30 77,78 3,50 26, А41 В 0,88 0,39 0,45 - 22,96 12, А42 В 0,44 34,62 40, В Локус HrdB 7,57 - - 0,44 9,72 5, В19 В - - 1, В Примечание: n- число проанализированных линий.
Ишкашима могут быть следствием различной адаптивной ценности генотипов по гордеин-кодирующим локусам. Для проверки этой гипотезы в течение 3 лет (1991 – 1993 гг.) пересевали ишкашимскую популяцию ДК в Ванче и Ишкашиме. При пересеве популяций в обоих пунктах также наблюдалось изменение частот и состава аллелей локусов Hrd А и Hrd В (табл. 3). Утеряны некоторые редкие аллели — А42, В42, В57. В популяции ванчской репродукции 1993 г. не обнаружены аллели А14 и В58.
Кроме того, при выращивании популяции на высоте 1800 м над у. м. снижалась частота аллелей А41,В55, В75, но возрастала частота аллелей А18, В69, В81.
Для определения количественных показателей изменения генетической структуры популяций сорта ДК, выращивавшихся на различных высотах, и динамики популяции, перенесенной с высоты 2600 м на 1800 м над у. м. и репродуцируемой там в течение трех поколений, проводили статистический Таблица Частоты (%) аллелей локусов Hrd А и HrdВ в ишкашимской популяции сорта Джау Кабутак, пересевавшейся в Ишкашиме и Ванче Аллели Ишкашим Ванч локусов 1990 1992 1993 1992 n = 221 n = 274 n = 274 п=261 n= Hrd A 1,36 0,73 0,73 1,15 А 22,62 27,01 21,89 32,95 34, А 29,41 22,99 25,55 33,33 28, А 10,86 8,39 10,95 10,35 11, А 35,30 40,88 40,88 22,22 26, А 0,45 - - - А Hrd В 1,36 0,36 1,46 0,73 0, В 0,91 - - - В 9,96 9,13 9,13 7,67 4, В 0,45 - - - В 1,81 0,73 0,73 1,15 В 26,24 31,39 24,45 41,00 38, В 12,67 8,03 9,12 9,20 11, В 40,72 45,62 51,83 29,51 26, В 5,88 4,74 3,28 10,74 17, В анализ. На рис. 11 показана связь первого главного фактора, вычисленного на основе многомерного шкалирования, с высотой над уровнем моря, на которой выращивались популяции. Расчет стандартных генетические расстояния Нея между популяциями сорта ДК, возделывавшимися на разных высотах над уровнем моря (табл. 5), подтвердил закономерности, продемонстрированные на рис. 11 и 12: различия максимальны между популяциями Ишкашима, Хорога, с одной стороны, и популяцией Ванча – Рис. 11. Положение популяций сорта Джау Кабутак на оси первого главного фактора, вычисленного на основе многомерного шкалирования, в зависимости от высоты выращи вания.
Таблица Дисперсионный анализ значений первого фактора, вычисленного для трех популяций, выращивавшихся на разных высотах (Н) Сумма Средние Фактор d.f. F Р квадратов квадраты Н 5,708 2 2,854 313,622 0, Случайная 0,018 2 0, дисперсия с другой. Также следует отметить заметное сближение генетических расстояний между ишкашимской популяцией, репродуцированной в Ванче, и популяцией Ванча. Отметим сравнительно низкие оценки генетических расстояний в масштабе всей генетической изменчивости сорта ДК на Памире между поколениями в популяции Ишкашима независимо от того, где она воспроизводилась.
Полученные результаты дали основание для расчетов приспособленности аллелей гордеинкодирующих локусов в ишкашимской популяции, репродуцировавшейся в Ванче. Частоты аллелей каждого года наблюдений в Ишкашиме сравнивали с частотами двух лет наблюдений в ишкашимской популяции, пересевавшейся в Ванче. По результатам полученных оценок приспособленности были рассчитаны средние значения, стандартные отклонения и ошибки среднего (табл. 6). Аллели с Рис. 12. Изменения положения ишкашимской популяции ДК на оси первого главного фактора в зависимости от высоты репродуцирования (в Ишкашиме и Ванче). Линейная регрессия и 95%-ные доверительные интервалы.
Таблица Стандартные генетические расстояния Нея между популяциями сорта ДК Среднее генетическое расстояние между:
Популяциями Ишкашима и Хорога 0, Популяциями Ишкашима и Ванча 0, Популяциями Хорога и Ванча 0, Тремя поколениями ишкашимской популяции 0, Двумя поколениями ишкашимской популяции, 0, репродуцированными в Ванче Потомствами ишкашимской популяции, репродуцированными в 0, Ишкашиме и Ванче Потомствами ишкашимской популяции, репродуцированными в 0, Ванче, и ванчской популяцией Потомствами ишкашимской популяции, репродуцированными в 0, Ванче, и хорогской популяцией низкими частотами объединяли, но результаты по ним в таблицу не включали. Как видно, оценки приспособленности аллелей существенно различались. Следовательно, распространение и приспособленность генотипов и аллелей у сорта ДК в условиях Памира зависят от высоты выращивания. При этом на разных высотах приспособленность одних и тех же аллелей различна. Приспособленность генотипов по двум гордеин Таблица Оценки приспособленности частых аллелей в популяции из Ишкашима, репродуцировавшейся в течение трех поколений в Ванче.
Локус Hrd A A18 A19 A36 A Средняя 1,000 0,844 0,786 0, Стандартное 0,067 0,133 0,144 0, отклонение Ошибка среднего 0,028 0,054 0,059 0, Локус Hrd В В21 В55 В69 В74 В75 В Средняя 0,290 0,240 0,509 0,356 0,220 1, Стандартное 0,312 0,133 0,202 0,095 0,107 0, отклонение Ошибка среднего 0,127 0,054 0,082 0,039 0,044 0, кодирующим локусам достаточно хорошо соответствует мультипликативной модели приспособленности (рис. 13). В условиях Памира в большей степени давлению естественного отбора подвержены аллели локуса Hrd В (табл. 6).
Рис. 13. Мультипликативный характер зависимости приспособ ленности генотипов по локусам Hrd А и HrdВ от приспособленности каждого из этих локусов.
Изучение естественного отбора в искусственных гибридных популяциях ярового ячменя Значительная часть современных сортов ячменя, возделываемых в РФ (до 26%), являются гетерогенными по гордеин-кодирующим локусам, что обусловлено отбором родоначальных растений из гибридных популяций в первых двух-трех поколениях. Поскольку сорта районируются в различных агроклиматических зонах, актуальным является вопрос о естественном отборе в популяциях самоопылителей, интродуцированных на территории с различными агроклиматическими условиями, так как изменение генетической структуры гетерогенного сорта может привести к снижению его продуктивности, качественных характеристик (Метаковский, Коваль, Созинов, 1987).
Изучали естественный отбор по локусам Hrd A, Hrd В, генам Nud/nud и Vrs 1/vrs 1 (пленчатость/голозерность и двурядность/ многорядность колоса соответственно) в гибридных популяциях ячменя, полученных от скрещивания сортов Московский 121 и ДК, которые, начиная с зерен F пересевали до F9 на Памире (Ишкашим, 2600 м над у.м.) и до F10 – в Москве (ТСХА).
Каждое растение F2 и следующих поколений в обеих точках выращивания идентифицировали по генам Nud/nud, Vrs1/vrs1 и локусам Hrd A и Hrd B, определяли коэффициент размножения (число зерен с растения).
При формировании среднего образца семян популяции для пересева в следующем поколении с каждого растения брали 10% зерен и объединяли.
Это позволяло контролировать состав популяций по маркерным генам перед посевом, а анализ потомств в следующих поколениях давал возможность оценивать изменения в популяциях после пересева. В каждом поколении, начиная с F3, высевали не менее 500 зерен.
Анализ растений F2 в популяциях, выращенных в Москве и на Памире, показал, что в обоих пунктах по всем маркерным признакам фактические численности классов соответствовали теоретически ожидаемым: для локусов Hrd А и Hrd В – при расщеплении 1:2:1 (памирская популяция: для Hrd А, 2 = 1,41;
d.f. = 2;
P 0,25;
Hrd В, 2 = 1,24;
d.f. = 2;
Р 0,50;
московская популяция:
для Hrd A, 2 = 5,05;
d.f. = 2;
P 0,05;
Hrd В, 2= 1,56, d.f. = 2, P0,25);
по признаку, контролируемому геном Nud/ nud – 3:1 (памирская популяция: 2 = 0,046;
d.f. = 1;
P 0,80;
московская популяция: 2 = 0,024;
d.f. = 1;
P 0,95);
по признаку, контролируемому геном Vrs1/ vrs1 – 3:1 (памирская популяция: = 0,197;
d.f. = 1;
P 0,5;
московская популяция: 2 = 2,048;
d.f. = 1;
Р 0,10).
В F3 и следующих поколениях популяций наблюдалось постепенное изменение частот классов по локусам Hrd А и Hrd В (рис. 14). Уменьшались частоты классов, где оба или один из локусов Hrd находились в гетерозиготном состоянии, что обусловлено гомозиготацией популяций.
Динамика частот гомозиготных по Hrd А и Hrd В локусам классов (два из которых идентичны родительским: Hrd А2 В8, Hrd A19 В21, а два других представляют собой гомозиготные рекомбинанты: Hrd А2 В21, Hrd А19 В8) при репродуцировании популяций на Памире и в Москве оказалась Рис. 14. Динамика частот гомози готных генотипов Hrd A2 В8 и Нrd A19 B21 в поколениях московской (1) и памирской (2) популяций.
различной. Частоты генотипа Hrd А2 В8 ("московский" генотип) в ряду поколений памирской и московской популяций постоянно возрастали, их динамика имела сходный характер. При этом частоты "памирского" генотипа HrdA19 B21 резко увеличивались до F4 в московской популяции и до F5 - в памирской. Затем его частоты в обеих популяциях снижались. В Москве этот процесс носил более интенсивный характер. Динамики частот рекомбинантных гомозиготных генотипов Hrd A B21 и Hrd A19 B8 в исследуемых популяциях также различались (рис. 15). В московской популяции частота генотипа HrdA2 B21 постоянно нарастала и в F составляла 18,8%. Частота второго рекомбинанта (Hrd А19 В8) также нарастала и в F10 была равна 16,6%. В памирской популяции значения частот рекомбинантных генотипов были значительно ниже, чем в московской. При этом частота генотипа Hrd A19 В8 в ряду поколений возрастала от 0,9% в F Рис. 15. Динамика частот рекомбинантных гомозиготных генотипов Hrd A2 B21 и Hrd A B8 в поколениях московской (1) и памирской (2) популяций.
до8,6% в F9;
частота второго рекомбинант-ного генотипа Hrd A2 B21 увеличивалась лишь до 2,4% в F9. Различия в динамике частот могут зависеть от различий в коэффициентах размножения или неодинаковой жизнеспособности генотипов.
Дисперсионный анализ значений коэффициентов размножения генотипов по локусам Hrd не выявил существенных различий между ними ни в памирской (F=0,611, Р=0,692, d.f.=5) ни в московской (F=0,147, Р=0,932, d.f.=3) популяциях. Вероятно, обнаруженные различия динамики частот классов по локусам Hrd А и Hrd В обусловлены неодинаковой жизнеспособностью растений тех или иных генотипов. Динамика частот генотипов Vrs1- и vrs vrs1 в ряду поколений памирской и московской популяций также была разной (рис. 16). В памирской популяции наблюдалось постоянное увеличение доли голозерных растений. В московской – до F4 происходило увеличение доли голозерных растений, что обусловлено гомозиготацией популяции по гену Nud/ nud, а с F5 доля голозерных растений уменьшалась. Сравнение коэффициентов размноже-ния у пленчатых и голозерных растений в памирской популяции не выявило сущест-венных различий между ними (F=6,871, Р=0,191, d.f.=1). В московской же популяции растения с пленчатым зерном имели достоверно более высокий коэффициент размножения в сравнении с голозерными (F=1,711, d.f.=1, Р=0,009). Используя коэффициент большей плодовитости растений с пленчатым зерном в каждом поколении, можно рассчитать, что теоретически Рис. 16. Динамика генотипа nud nud (признак голозерности) в поколениях московской (1) и памирской (2) популяций.
в F10 отношение долей растений с пленчатым и голым зерном должно быть близким 1,14:1. Фактически это отношение составляет 7,18:1. Таким образом, обнаруженные различия нельзя объяснить только разницей коэффициентов размножения. Вероятно, при выращивании популяций на Памире и в Москве имеет место отбор по жизнеспособности. В первом случае против признака пленчатости зерна (Nud -), а во втором – против признака голозерности (nud nud).
Различной была и динамика частот признака двурядность/ многорядность колоса (Рис. 17) в ряду поколений сравниваемых популяций.
Сравнение коэффициентов размножения показало существенные различия между растениями с двурядным и многорядным колосом в обеих популяциях (Памир: F=91,209, Р=0,001, d.f.=1;
Москва: F=42,779, Р=0,001, d.f.=1).
Расчеты ожидаемых отношений долей дву- и шестирядных растений с учетом различий в их плодовитости показали, что фактические отношения соответствовали ожидаемому в московской популяции (2 = 0,725, d.f. = 1, P 0,20) и существенно отличались от расчетного в памирской популяции (2 = 56,97, d.f. = 1, P 0,01). Следовательно, различия по коэффициентам Рис. 17. Динамика частот признака шести рядности колоса ( vrs1 vrs1) в поколениях московской (1) и памирской (2) популяций.
размножения не являются единственной причиной преобладания по частоте растений с многорядным колосом в памирской популяции и, вероятно, также связаны с жизнеспособностью.
Таким образом, анализ динамики популяций, выращиваемых на Памире и в Москве, показал, что в обоих пунктах по комплексу признаков идет отбор, различающийся по направленности и интенсивности. На Памире отбор направлен против растений с пленчатым зерном и двурядным колосом. В московской популяции отбор направлен против исходного памирского генотипа Hrd A19 B21 и голозерных растений.
Оценка генетических расстояний по Нею в поколениях между московской и памирской популяциями (рис. 18) показала их относительно медленное нарастание до F4. В последующих поколениях дивергенция популяций усиливается. Выше отмечалось, что в популяциях идет естественный отбор по некоторым гомозиготным генотипам маркерных Рис. 18. Изменение генетических расстояний в поколениях по комплексу маркерных генов между московской и памирской популяциями локусов. В первых поколениях отбор компенсируется за счет расщепления гетерозигот, и дивергенция популяций происходит медленно. Однако с F4, где доля гетерозигот теоретически составляет 12,5% по каждому из локусов, дивергенция популяций резко увеличивается.
Таким образом, гетерогенные гомозиготные популяции дивергируют сильнее по сравнению с расщепляющимися гетерозиготными популяциями.
Вероятно, интенсивность отбора зависит от степени различий районов по условиям репродуцирования популяций. Это может быть причиной изменения генетической структуры гетерогенных сортов самоопыляющихся культур при выращивании в зонах с различными условиями, и может привести к изменению качественных и количественных характеристик сортов.
Анализ генетического разнообразия гордеин-кодирующих локусов у ярового ячменя России за столетний период научной селекции К новым сортам ячменя предъявляются все более высокие требования по урожайности, устойчивости к биотическим и абиотическим фактором внешней среды и качественным характеристикам зерна. Это побуждает селекционеров включать в селекционные программы лучшие как отечественные, так и зарубежные сорта. В связи с этим, желательно иметь ответ на вопрос о влиянии селекции на генетическое разнообразие культуры (Алтухов, 1995).
Для изучения динамики генетического разнообразия запасных белков анализировали аллельные варианты локусов Hrd A, Hrd B и Hrd F у местных и селекционных сортов ярового ячменя, выращивавшихся на территории России с 1900 по 2001 гг. В указанном временном промежутке рассматривали четыре периода.
Первый период – с 1900 по 1928 гг., когда в сельском хозяйстве доминировали местные сорта, как правило, неизвестного происхождения (исследовано 137 сортов).
Второй период – с 1929 по 1961 гг. – на смену местным сортам приходят селекционные сорта, созданные как индивидуальным отбором из местных сортов, так и на основе гибридизации. Закладывалась система Государственного сортоиспытания (исследовано 49 сортов).
Третий период – с 1962 по 1991 гг. Большинство сортов ячменя выведены на основе гибридизации (исследовано 112 сортов).
Четвертый период – с 1992 по 2001 гг. Охватывает сорта, созданные и допущенные к использованию на территории России (исследован 51 сорт).
Было показано, что в период с 1900 по 1928 гг. почти 60% сортов были гетерогенными по одному, двум или трем гордеин-кодирующим локусам.
Доля сортов, гетерогенных по трем локусам, превышала 30%. В период – 1961 гг. доля гетерогенных сортов резко снизилась и составляла уже менее 25%, а доля сортов, гетерогенных по трем локусам уменьшилась до 6,13%.
Эта картина сохранялась до 2001 г. В первый временной период доля гетерогенных сортов, имеющих два аллеля на локус, превышала 35%. Около 10% сортов имели три и более аллелей по локусам Hrd A, B, F. В последующие временные периоды резко снизилась доля сортов, имевших два аллеля на локус (до 11,8%), а три аллеля по этим локусам имели лишь два из 212 сортов, созданных с 1929 по 2001 гг. Таким образом, у селекционных сортов в сравнении с местными сортами, наблюдается снижение внутрисортовой гетерогенности по гордеинкодирующим локусам.
Селекция приводит также к утрате аллельного разнообразия (табл. 7).
Таблица Число аллелей локусов Hrd A, B, F у сортов в периоды с 1900 по 2001 гг.
Локусы Периоды, годы 1900-1928 1929-1961 1962-1991 1992- Аллелей локуса Hrd A 20 13 16 Утрачено 12 2 Новых 5 5 Аллелей локуса Hrd B 24 24 20 Утрачено 8 12 Новых 8 9 Аллелей локуса Hrd F 3 3 4 Утрачено - - Новых - 1 Селекция практически не отразилась на аллельном разнообразии локуса Hrd F. Только в третьем периоде с частотой менее 2% присутствует новый аллель F0, сохраняющийся до настоящего времени.