Белки семян как маркеры в решении проблем генетических ресурсов растений, селекции и семеноводства

Белки семян как маркеры в решении проблем генетических ресурсов растений, селекции и семеноводства

Белки семян как маркеры в решении проблем генетических ресурсов растений, селекции и семеноводства

А.В.Конарев, В.Г.Конарев, Н.К.Губарева, Т.И.Пенева.

Обсуждаются основные направления и перспективы использования белковых и ДНК-маркеров в решении прикладных и теоретических проблем генетических ресурсов растений, селекции, сортоиспытания, семеноводства и семенного контроля. Рассмотрены конкретные примеры практического использования белковых и ДНК-маркеров для решения важнейших проблем прикладной ботаники, генетики и селекции.

Мировые генетические ресурсы растений рассматриваются во всем мире как основной источник улучшения сельскохозяйственных культур на ближайшие десятилетия. Создание источников и доноров селекционно важных признаков, т.е. организация предселекционной работы, в большинстве случаев базируется на мировых генетических ресурсах или коллекциях культивируемых растений и их диких сородичей. Раскрытие потенциала генетических ресурсов по основным биологическим и селекционным признакам обеспечивает генетическую базу для реализации селекционных программ различных направлений. В целом же предселекционная работа включает все этапы работы с генофондом от сбора, поддержания и изучения до правовых аспектов авторства на доноры и источники ценных признаков. Чтобы служить эффективной базой для улучшения культур, сохраняемое в центрах генетических ресурсов растений (ГРР) и генных банках генетическое разнообразие должно быть не только тщательно и всесторонне изучено. Сами коллекции должны быть рационально организованы. Строго говоря, каждый образец коллекции должен быть идентифицирован и паспортизирован. Сохранение генетической целостности образцов также входит в разряд принципиальных проблем. Речь идет о сохранении не только образца как такового, но с его ценными свойствами, в частности адаптивными и др. признаками.

Во Всероссийском НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (ВИР) познание генетического разнообразия культурных растений и их дикорастущих сородичей традиционно осуществляется с использованием комплекса методических подходов на базе тесного взаимодействия кураторов культур и специалистов методических отделов [1,2]. Принципиальное преимущество такой системы оценки исходного материала для селекции в возможности достаточно глубокого и всестороннего изучения максимального разнообразия культуры. В эффективности познания генофонда решающая роль принадлежит методам исследования.

С момента своего основания ВИР являлся методологическим и методическим центром в области фундаментальных и прикладных проблем растениеводства. Эта роль вытекает из его структуры и основных задач. Наличие мирового генофонда по большинству ведущих культур создает благоприятные условия для развития методологий, подходов и, как следствие, методов исследований генофонда - исходного и селекционного материала. Практически это было реализовано в развитии методов генетики, иммунологии, физиологии, биохимии, технологической оценки применительно к проблемам исходного и селекционного материала[1]. Именно по такой логике закладывались и развивались в ВИРе молекулярно-биологические исследования. В основу всех методических подходов также положен охват всего доступного генетического разнообразия культуры, включая дикорастущих сородичей [3,4].

Развиваемые в ВИРе молекулярно-биологические исследования ориентированы на решение теоретических и прикладных проблем интродукции, изучения, хранения, воспроизведения, идентификации и регистрации и паспортизации генетических ресурсов растений. Особое внимание уделяется разработке эффективных методов для использования в сортоиспытании, селекции, семеноводстве и семенном контроле (Табл. 1).

Таблица 1.

Использование белковых и ДНК-маркеров (молекулярных маркеров - ММ) на различных этапах работы с генетическими ресурсами растений (ГРР) и с селекционным материалом

I. Интродукция ГРР.

Поиск с использованием ММ нового разнообразия для привлечения в коллекцию. Использование ММ для контроля процесса включения в коллекцию нового образца (для предотвращения дублирования).

II. Структура коллекции

Выяснение с использованием ММ внутривидовых связей и межвидовых отношений:

а) использование полиморфизма белков и ДНК для анализа внутривидовых связей;

б) анализ родства видов и геномов с использованием белковых и ДНК-маркеров.

III. Технологии создания коллекций

Использование ММ для идентификации и регистрации ГР важнейших культур, создания каталогов формул и баз данных по молекулярным маркерам, для выявления ошибок в определении образцов коллекции, для поиска дублетных образцов, при формировании стержневых коллекций, для контроля стабильности форм при создании коллекций in vitro.

IV. Сохранение ГРР ex situ

Использование ММ для контроля за генетической целостностью образцов при их репродукции и разных способах хранения.

V. Охрана авторских прав ВИР на источники, доноры, формы из генетических коллекций Идентификация и регистрация с использованием ММ источников и доноров ценных признаков, образцов генетических коллекций.

Использование ММ в решении спорных вопросов авторства - участия того или иного исходного материала в создании новых форм растений.

VI. Использование молекулярных маркеров в селекции Поиск и отбор ценных генотипов по белковому фенотипу. Контроль за включением желаемых генотипов в процессе селекции. Контроль за динамикой популяционного (генотипного состава).

Определение гибридности семян, предсказание скрещиваемости, предсказание степени гетерозиса, прочие задачи селекции.

VII. Использование ММ в сортоиспытании

Регистрация и документация районированных и снятых с районирования сортов в виде белковых формул; создание баз данных сортов по белковым формулам. Определение происхождения и оригинальности сорта. Определение однородности и стабильности сорта (генетическая целостность сорта).

VIII. Использование ММ в семеноводстве и семенном контроле Проверка типичности при отборе лучших растений в первичном семеноводстве. Выяснение природы нетипичных растений.

Контроль за спонтанным переопылением или засорением.

Контроль за генетической целостностью (за генотипным составом в процессе семеноводства, процентом гибридности и т.п.).

Молекулярное маркирование основано на полиморфизме, найденном в белках и нуклеиновых кислотах. Перед тем, как маркер может использоваться для решения каких-либо конкретных задач, корректность его использования должна быть аргументирована с генетических и биохимических позиций [4-6]. Солидное генетическое обоснование использованию проламинов как генетических маркеров было дано в работах академика А.А.Созинова и его школы (7-9). Как нет идеальных молекулярных маркеров, так и последние не являются инструментами, использование которых в изоляции от других подходов, обеспечат успех в решении той или иной проблемы.

В работе с ГРР, а равно и в решении проблем селекции и семеноводства, где анализируются и сравниваются множества объектов, одним из важных аспектов в оценке эффективности ММ и маркерных техник является воспроизводимость результатов и повторяемость опытов, т.е. возможность стандартизации метода. Так многие изоферментные системы обладают крайне нежелательной для маркеров онтогенетической, тканевой либо органной специфичностью, а также изменчивостью в зависимости от температуры и кислотности среды, режима питания и т.п. Это сильно снижает значимость изоферментов как генетических маркеров, особенно если ставится задача разработки стандартных и арбитражных методов [2,4].

Иначе обстоит дело с запасными белками семян. Принципиально важно, что семя - фиксированная фаза онтогенеза. Запасные белки семян остаются неизменными часто в течение многих лет. Воспроизводимость результатов и повторяемость опытов по электрофорезу запасных белков хорошие [6,7,10,11]. С использованием запасных белков семян в качестве маркеров связаны реальные практические достижения в идентификации и регистрации сортов важнейших сельскохозяйственных культур, в семеноводстве и семенном контроле, что закреплено в решениях такой авторитетной международной организации как ISTA и ряда других [12-14].

Использование ДНК-маркерных технологий привлекает исследователя прежде всего возможностью работать с самим носителем наследственной информации. Однако для наиболее простых в исполнении методов (RAPD) характерны плохая воспроизводимость и доминантный характер маркера (невозможность различения гомо- и гетерозиготных генотипов). Более совершенные методы трудоемки и дороги в исполнении. Подробнее об этом [2,15,16]. Заключение о недостаточной готовности ДНК-маркерных технологий для широкого использования в сортовой идентификации и семенном контроле сделано специальной Рабочей Группой ISTA (ISTA NB. No 113, 1997). Практически к аналогичным выводам, но только в связи с решением широкого круга проблем генетических ресурсов растений (особенно практических проблем генных банков) пришли участники рабочего совещания, организованного Международным Институтом Генетических Ресурсов Растений (IPGRI) [16 ].

В трудах этого совещания [17], а также в техническом бюллетене IPGRI [18], многих других работах зарубежных исследователей последних лет справедливо отмечается, что разные ДНК-маркерные системы (в первую очередь, наиболее доступные такие как RFLP, RAPD, AFLP) достаточно широко и эффективно используются для выяснения степени родства (или генетических связей) на внутривидовом и межвидовом уровнях. Не смотря, как было сказано выше, на достаточно пессимистическую оценку перспектив и возможностей ДНК-маркерных систем для решения большинства прикладных проблем генетических ресурсов растений, полностью игнорируются реальные достижения и практическое широкое и многолетнее использование в этих целях полиморфизма запасных белков (табл.2) [2-15,19]. Так, например, все проблемы идентификации и регистрации сортов (и генетических ресурсов растений в целом), практические проблемы рациональной организации коллекций планируется решать исключительно с использованием ДНК-маркеров [16-18]. При этом не приводится ни одной разработанной системы идентификации и регистрации генетических ресурсов культуры или группы культур, ни одного примера реального практического использования ДНК-маркерных систем в сортоиспытании или семенном контроле. Создается впечатление, что сторонники исключительного использования ДНК-маркеров в решении проблем генетических ресурсов растений, семеноводства и семенного контроля по какой-то причине совершенно не знакомы с большим объемом информации (мировой литературой), касающейся практического использования белков в качестве маркеров, не имели дело с реальным генетическим разнообразием вида или культуры, а также с практическими проблемами идентификации сортов, семеноводства и семенного контроля.

Таблица 2.

Результаты деятельности ВИР им. Н.И.Вавилова по изучению и регистрации генетических ресурсов растений с использованием белков семян в качестве маркеров