Russian Federation
The aim of the study was to analyze data on the use of storage protein electrophoresis for the selection of spring triticale. Triticale is a wheat-rye hybrid. The crop combines the characteristics of two crops: yield, disease resistance, unpretentiousness, early maturity, etc. The disadvantage of triticale is a high percent-age of cross-pollination, and, consequently, the puny caryopsis, low fertility, and lack of wide adaptation. As a result, splitting, the appearance of aneuploids and hybrids, and a return to the original forms can oc-cur in the crops of triticale.Biochemical, microbiological and biotechnological methods, including electro-phoresis of storage proteins – prolamins, are of particular importance at different stages of the selection process. Electrophoresis is a technique that is widely used to separate charged particles under the influ-ence of an electric field. As a result, a spectrum of bands is obtained, which carry information about the component composition of the studied proteins. In the analysis of triticale, the electrophoresis method al-lows you to clearly determine the variety and purity of seeds. The method is well developed and economi-cally available for use, and therefore it is widely used in selection organizations and seed farms. Using the electrophoresis method, varieties of spring triticale Zolotoj Grebeshok, Skoryj and Skoriy 2 were created. Electrophoretic analysis also made it possible to determine the authenticity and varietal purity of triticale seeds, which helped timely identify mechanical and biological contamination. Electrophoretic analysis can be used in evaluating the initial material for crosses and allows you to accelerate the creation of new varie-ties with a certain set of traits and properties necessary for a specific natural and climatic zone, as well as to maintain the genetic stability of spring triticale varieties and timely detection of mechanical and biologi-cal contamination in the cultivation process.
triticale, electrophoresis, storage proteins, prolamins, selection, hybrid, electrophoretic spectrum.
Введение. Тритикале (× Triticosecale Wittm.) – аллополиплоид пшеницы с рожью с большим генетическим потенциалом. Наиболее распространены возделываемые гексаплоидные формы тритикале (sp. Triticosecale derzhavinii Kurk. Et Filat.) с цитоплазмой пшеничного типа (spp. Triticale Tscherm., T/AABBRR, 2n = 6x = 42), представленные современными коммерческими сортами с растущим ареалом, объемами и направлениями производства [1, 2].
Тритикале впервые была описана в 1876 г. английским ботаником С.А. Вильсоном. Пшенично-ржаной гибрид был получен, когда автор изучал биологию опыления пшеницы и ржи. Позже в США Е.С. Карменом были также синтезированы пшенично-ржаные гибриды. В 1988 г. В. Римпау впервые синтезировал плодовитый амфиплоид пшеницы и ржи. Е. Чермак также был одним из первых селекционеров, изучающих гибрид пшеницы и ржи [3].
Содействие геномов двух культур – пшеницы и ржи соединяет в тритикале ценные признаки родителей, что дает возможность получать более высокую урожайность, устойчивость к болезням, неприхотливость, стрессоустойчивость и качество зерна [4–6].
Одной из серьезных проблем тритикале является высокий процент перекрестного опыления. Как известно, пшеница является самоопыляющейся культурой, а рожь – перекрестноопыляющейся. Гексаплоидные тритикале получили два субгенома пшеницы (ААВВ) и один ржи (RR). В связи с этим тритикале является самоопыляющейся культурой со способностью к перекрестному опылению. При этом вероятность спонтанного перекрестного опыления тритикале оценивают в пределах от 1 до 20 %, в то время как у пшеницы – только до 2 % [7–9]. Следствием перекрестного опыления является щуплость зерновки, низкая фертильность, отсутствие широкой адаптации, что приводит к расщеплению, появлению анеуплоидов и гибридов, возврат к исходным формам. Решение этих проблем невозможно без использования в селекции достижений генетики, молекулярной биологии, физиологии [10].
Особую значимость на разных этапах селекционного процесса приобретает электрофорез запасных белков – проламинов [11]. Высокий полиморфизм, хорошая изученность генетического контроля проламинов дают возможность использовать электрофоретические спектры для маркирования отдельных генотипов, изучения внутрипопуляционной структуры, геномного и хромосомного анализа тритикале [12, 13].
Цель исследования: анализ данных по использованию метода электрофореза запасных белков для селекции яровой тритикале.
Результаты исследования. В 1925 г. Тизелиус впервые использовал метод электрофореза. Эксперименты проводились в растворе (электрофорез в свободной жидкости), что делало разделение трудным для наблюдения. В 1950 г. были введены поддерживающие среды, и с тех пор метод электрофореза стал широко использоваться учеными.
Электрофорез – это метод, который широко используется для разделения заряженных частиц под влиянием электрического поля. Разделение белков происходит под влиянием постоянного тока на молекулярном «сите», роль которого выполняют гелевые носители. При этом белки мигрируют от одного полюса к другому с различной скоростью, определяемой зарядом и размером молекулы. После разделения белков проводятся их фиксация и окрашивание. В результате получается спектр полос, которые несут информацию о компонентном составе исследуемых белков (рис.) [14].
Электрофоретический спектр представляет собой совокупность мономорфных (одинаковых для всех представителей вида) и полиморфных белков, с которыми связана внутривидовая генетическая изменчивость.
В 1972 г. ученые А.А. Созинов и Ф.А. Попереля предложили использовать электрофоретические спектры проламинов для идентификации сортов и исследования их гетерогенности. В основу их подхода к проблеме идентификации и регистрации сортов и генотипов положено изучение не отдельных компонентов на геле в независимости от их генетического контроля, а блок компонентов – продукт кластера генов.
Электрофореграмма яровой тритикале на примере сорта Соловей Харьковский
Оценка сортовой чистоты и сортовой принадлежности путем апробации и грунтового контроля не всегда может быть гарантированной, так как основывается лишь на морфологических признаках. В связи с этим в 2004 г. в Федеральном законе «О семеноводстве» (ст. 26) наряду с апробацией и грунтовым контролем посевов был введен лабораторный контроль сортовой чистоты и сортового соответствия элитных и репродукционных семян. Отечественные разработки по электрофорезу белков были собраны в единую методику проведения сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений.
В анализе тритикале метод электрофореза позволяет четко определять сортовую принадлежность и чистоту семян. Метод хорошо отработан и экономически доступен для использования, в связи с чем широко применяется в селекционных организациях и семеноводческих хозяйствах. Примером использования электрофоретических спектров в качестве маркеров является создание сортов яровой тритикале Скорый и Скорый 2 из выделенных скороспелых линий Tcl 216-84-01 и Tcl 216-75-01 яровой гексаплоидной тритикале PCHL Tcl 216 мексиканского происхождения [12].
Электрофоретический анализ по спектру глиадина и паспортизация сортов в виде «белковых формул» является эффективным методом проверки подлинности и сортовой чистоты. В исследованиях Т.И. Пеневой с соавторами методом электрофореза были проанализированы зерновки 5 сортов озимой тритикале. В результате исследований было выявлено, что сорт Консул на 95 % соответствовал оригиналу, сорт Михась (III репродукция) – на 27 %, а сорт Корнет полностью отличался от оригинала [15].
Сорт яровой тритикале Золотой Гребешок был создан из исходной мексиканской популяции Merino/Jeo/Zebra с помощью использования электрофоретических спектров проламина в качестве маркеров генотипов. Основу данного сорта составили генотипы, которые были маркированы спектрами глиадина III и IV типов с низкой частотой встречаемости в мексиканской популяции. Их увеличение до 85 % является «белковым паспортом» сорта Золотой Гребешок [16].
В настоящее время выполнен анализ генетического разнообразия по спектрам глиадина пшеницы и секалина ржи [17–19]. Известно, что спектр глиадина тритикале контролируется первой и шестой группами гомеологичных хромосом геномов пшеницы и хромосомой 1R ржи.
В исследованиях М.М. Копусь и соавторов было выявлено, что белки зерна ржи и тритикале являются биохимически неоднородными (гетерогенными). Ученые обнаружили в тритикале обязательное присутствие ржаной транслокации 1BL/1RS, причем локус 1RS может быть представлен множественным аллелизмом [20].
Исследования по изучению характера наследования компонентного состава глиадина показали, что в α-зоне тритикале наследуются пшеничные компоненты, ржаные компоненты представлены в β- и ω-зонах. Исследования показали, что компонент α6 маркирует длинное плечо хромосомы 6D; ω89 –1D; ω6γ4 –1 BS. Стало известно, что триплет ω234 является общим для всех представителей рода Secale и свидетельствуют о короткостебельности. Было выявлено, что компоненты ω-зоны, которые свидетельствуют об экспрессии хромосомы 1R, могут являться признаком устойчивости к болезням. Компонент ω234 иногда обозначается как блок GLD1BS, кодируемый сложным полигенным локусом Sec1 [21, 22].
Исследования электрофоретического спектра проламинов тритикале велись в Казахском НИИ земледелия и растениеводства. Ими был разработан каталог генофонда тритикале, в котором приведены спектры проламинов и белковые формулы 118 коллекционных образцов и перспективных линий озимого и 47 коллекционных образцов ярового тритикале. В работах Р.А. Уразалиева, К.М. Булатовой и соавторов белковые формулы составлены по относительной электрофоретической подвижности индивидуальных компонентов в спектре [23].
Заключение. Проделана огромная работа по изучению проламинов зерна яровой тритикале, которая позволила ускорить создание новых сортов яровой тритикале и выделить необходимые признаки и свойства, адаптированные для конкретной природно-климатической зоны. С помощью метода электрофореза были созданы сорта яровой тритикале Золотой Гребешок, Скорый и Скорый 2. Также электрофоретический анализ позволил определить подлинность и сортовую чистоту семян тритикале, что дало возможность своевременно выявить механическое и биологическое засорения. Таким образом, электрофорез проламинов тритикале может успешно применяться в селекционном процессе при оценке исходного материала, а также позволит ускорить создание новых сортов.
1. Gordey I.A., Grib S.I., Lyusikov O.M. So-zdanie sekalotritikum (×Secalotriticum, S/RRAABB, 2N=6X=42) – rzhano-pshenichnyh amfidiploidov s citoplazmoy rzhi // Rol' tritikale v stabilizacii proizvodstva zerna, kormov i tehnologii ih ispol'zova-niya: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (7–8 iyunya 2016 g.). Ch. 1. Rostov n/D., 2016. S. 6–16.
2. Zherbak E.A., Gruzdev L.G. Osobennosti belkovogo 146 kompleksa trehvidovoy Triticale // Citologiya i genetika. 1981. T. 9, № 5. S. 453–455.
3. Hudenko M.A. Sravnitel'naya harakteristi-ka obrazcov yarovoy tritikale kollekcii VIR v usloviyah Krasnoyarskoy lesostepi: dis. … kand. s.-h. nauk. Krasnoyarsk, 2014. 168 s.
4. Ivanenko A.S. Pokazateli kachestva zerna u sortov yarovoy tritikale // Agroprodovol'-stvennaya politika Rossii. 2017. № 10 (70). S. 135–137.
5. Kazak A.A., Loginov Yu.P. Agrofiziologi-cheskoe izuchenie sortov yarovoy tritikale v usloviyah severnoy lesostepi Tyumenskoy oblasti // Agroprodovol'stvennaya politika Rossii. Tyumen', 2014. № 11 (35). S. 55–58.
6. Kovtunenko V.Ya., Panchenko V.V., Kal-mysh A.P. Selekciya i dostizheniya po triti-kale v NCZ im. P.P. Luk'yanenko // Nasle-die akademika N.V. Cicina. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya: sb. st. Vseros. nauch. konf. s mezhdunar. uchastiem, posvyasch. 120-letiyu N.V. Cicina (Moskva, 9–11 iyulya 2019 g.). M: Izd-vo GBS RAN, 2019. S. 56–58.
7. Stepochkin P.I. Izuchenie mezhfaznogo pe-rioda «vshody-koloshenie» u yarovyh tri-tikale v usloviyah Priob'ya Zapadnoy Si-biri // Genofond i selekciya rasteniy: mat-ly IV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (4–6 aprelya 2018 g., Novosibirsk, Rossiya). No-vosibirsk: Izd-vo ICiG SO RAN, 2018. S. 334–337.
8. Grabovec A.I. Selekciya tritikale na Do-nu // Tritikale: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Tritikale i stabilizaciya proizvodstva zerna, kormov i produktov ih pererabotki» (7 iyunya 2018 g.). Rostov n/D., 2018. S. 7–22.
9. Borovik A.N., Bespalova L.A., Miroshni-chenko T.Yu., Agaev R.A. Sharozernaya triti-kale (Triticale sphaerococcum) kak novyy etap ispol'zovaniya vozmozhnostey mezhvi-dovoy gibridizacii v formoobrazovanii kul'turnyh zlakov // Nasledie akademika N.V. Cicina. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya: sb. st. vseros. nauch. konf. s mezhdunar. uchastiem, posvyasch. 120-letiyu N.V. Cicina (Moskva, 9–11 iyulya 2019 g.). M: Izd-vo GBS RAN, 2019. S. 56–58.
10. Bulatova K.M. Belkovye markery v selek-cii i semenovodstve pshenicy. Almaty, 2017. 128 s.
11. Lyubimova A.V., Yarova E.T., Eremin D.I. Komponentnyy sostav gliadina kollekcii yarovoy tritikale (×Triticosecale Wittm.) / Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. № 3 (71). S. 66–69.
12. Peneva T.I., Merezhko A.F., Kerv Yu.A. Pas-portizaciya obrazca geksaploidnoy yarovoy tritikale PCHL TcI 216 (Meksika) i vyde-lennyh iz nego donorov skorospelosti Skoryy i Skoryy 2 po spektram gliadina // Agrarnaya Rossiya. 2011. № 2. S. 2–5.
13. Torikov V.E., Shpilev N.S., Klimenkov F.I. Ispol'zovanie elektroforeticheskih meto-dov dlya identifikacii sortov zernovyh kul'tur // Vestnik Altayskogo gosudar-stvennogo agrarnogo universiteta. 2019. № 2. S. 5–12
14. Tobolova G.V., Lyubimova A.V. Ispol'zova-nie biohimicheskih metodov v selekcii i semenovodstve / Sovremennye nauchno-prak-ticheskie resheniya v APK: sb. st. vseros. nauch.-prakt. konf. Tyumen', 2017. S. 760–764.
15. Peneva T.T., Klimenkov F.I., Klimenko-va I.N. Pasportizaciya sortov tritikale kak instrument sohraneniya original'nogo genofonda v processe semenovodstva // Ag-rarnaya Rossiya. 2020. № 9. S. 17–21.
16. Peneva T.I., Merezhko A.F., Konarev A.V. Dinamika sostava gliadinovyh biotipov v processe sozdaniya sorta yarovoy tritikale Zolotoy Grebeshok // Doklady Rossiyskoy akademii sel'skohozyaystvennyh nauk. 2009. № 1. S. 3–5.
17. Dragovich A.Yu., Fisenko A.V., Mitrofano-va O.P. Geneticheskoe raznoobrazie mest-nyh sortov myagkoy pshenicy Triticum aestivum L. po genam zapasnyh belkov (gliadinov) // Tr. po prikladnoy botanike, genetike i selekcii. 2009. T. 166. S. 75–81.
18. Peneva T.I., Hmyl' T.O., Konarev V.G. Ge-neticheskiy kontrol' sekalinov i struktura sekalinkodiruyuschih lokusov rzhi // Tez. dokl. II s'ezda Vavilovskogo obschestva ge-netikov i selekcionerov. SPb., 2000. S. 121.
19. Gordey I.A., Lyusikov O.M., Gordey I.S. i dr. Metodologiya sozdaniya tritikale s citoplazmoy rzhi – sekalotritikum (×SECALOTRITICUM, RRAABB, 2N = 6X = 42) // Mat-ly Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyasch. 90-letiyu so dnya osnovaniya RUP «Nauchno-prakticheskiy centr NAN Belarusi po zemledeliyu». Minsk, 2019. S. 228–230.
20. Kopus' M.M., Ignat'eva N.G., Saryche-va N.I., Dorohova D.P. Prolaminy zerna pshenicy, rzhi i tritikale ot biohimiche-skoy geterogennosti k geneticheskomu poli-morfizmu // Rol' tritikale v stabiliza-cii proizvodstva zerna, kormov i tehnolo-gii ih ispol'zovaniya: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (7–8 iyunya 2016 g.). Ch. 1. Rostov n/D., 2016. S. 16–26.
21. Peneva T.I., Martynenko N.M., Kudryavce-va E.Yu. Analiz po spektram gliadina gene-ticheskoy struktury ustoychivyh k buroy rzhavchine obrazcov tritikale iz kollekcii VIR // Biotehnologiya i selekciya rasteniy. 2019. T. 2. № 2. S. 6–13.
22. Ivanistov A.N., Taranova I.N. Elektro-foreticheskiy analiz zapasnyh belkov gi-bridnyh zeren obrazcov tritikale selek-cionnogo pitomnika vtorogo goda // Vestnik Belorusskoy gosudarstvennoy sel'skoho-zyaystvennoy akademii. 2014. № 2. S. 74–78.
23. Katalog genofonda tritikale. Identifi-kaciya po elektroforeticheskim spektram prolaminov. Almaty: Asyl kitap, 2014. 34 s.
