CC BY
46
УДК 543.545:547.962.7:631.531.12:633.13
использование метода электрофореза проламинов в первичном семеноводстве на примере сорта овса отрада
М.Н. ФОМИНА1, кандидат сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник (e-mail: maria_f72@ mail.ru)
Г.В. ТОБОЛОВА2, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
А.В. ОСТАПЕНКО2, аспирант
Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северного Зауралья, ул. Бурлаки, 2, пос. Московский, Тюменский р-н, Тюменская обл., 625501, Российская Федерация
2Государственный аграрный университет Северного Зауралья, ул. Республики, 7, Тюмень, 625003, Российская Федерация.
Резюме. На базе лаборатории селекции зернофуражных культур ФГБНУ «НИИСХ Северного Зауралья» и лаборатории сортовой идентификации семян Агротехнологического института ФГБОУ ВПО «ГАУ Северного Зауралья» в 2014-2015 гг. проведено изучение и определение биотипного состава нового сорта овса посевного Отрада. Дана характеристика сорта по морфологическим, биологическим и хозяйственно-ценным признакам. Для исследования в 2014 г. было отобрано 2500 метёлок. В ходе морфологического анализа для дальнейших испытаний оставлено 1115 семей, которые изучали методом электрофореза запасных спирторастворимых белков - проламинов. Для электрофоретического анализа от каждой семьи случайным образом отбирали по три зерновки. Всего было выявлено 35 типов электрофореграмм. Первый и второй биотипы были характерны для большинства изученных семей (89,9 %) и присутствовали в популяции в соотношении 2:1. По результатам идентификации аллелей авенин-кодирующих локусов (АКЛ) первый и второй биотипы отличались аллелью локуса Avn A. Генетическая формула сорта Отрада имела вид Avn Anew+4B4C1. В 2015 г. семьи первого и второго биотипов объединили в отдельные блоки и высеяли на опытном поле. После уборки для контроля биотипного состава анализировали зёрна с не обмолоченных метёлок 320 семей первого биотипа и 255 семей второго биотипа. В ходе электрофоре-тического анализа выявлены линии гетерозиготные по АКЛ, а также механическая примесь. Эти семьи исключили из дальнейшего размножения. Использование электрофореза проламинов в первичных звеньях семеноводства позволило достаточно быстро и эффективно получить оригинальные семена на первых этапах размножения и внедрения сорта в производство, а также поддерживать их чистоту и соотношение биотипов в процессе дальнейшего воспроизводства сорта. Ключевые слова: овес, сорт, электрофорез, запасные белки, авенин, аллель, биотипный состав.
Для цитирования: Фомина М.Н., Тоболова Г.В., Остапенко А.В. Использование метода электрофореза проламинов в первичном семеноводстве на примере сорта овса Отрада // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №12. С. 14-16.
Необходимое условие повышения урожайности и качества зерна овса, наряду с совершенствованием технологии возделывания, - создание и распространение в производстве новых сортов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность с устойчивостью к неблагоприятным факторам окружающей среды в конкретных природно-климатических условиях. В последнее десятилетие в Тюменской области на смену старым сорта овса пришли новые более урожайные - Талисман, Отрада, Фома. Увеличилась площадь, занимаемая сортами этой культуры селекции НИИСХ Северного Зауралья. Если в 2000 г. их доля в сортовых посевах региона составляла 24,1 %, то в 2015 г. - уже более 95 % [1, 2].
В реализации потенциальных возможностей сорта важную роль играет качество посевного материала. Семена высоких кондиций обеспечивают прибавку урожая до 15-20 % [3]. Контроль сортового качества семян позволяет долгое время сохранять ее на таком уровне.
Многие современные сорта овса - это сложные популяции, состоящие из нескольких биотипов. Политипные сорта сложнее поддерживать в процессе семеноводства, так как составляющие их биотипы, отличаясь по биологическим свойствам, часто трудно различимы по морфологическим признакам. В связи с этим в процесс семеноводства внедряются новые подходы и методы.
Для идентификации и регистрации сортов и биотипов зерновых культур успешно используют электрофорез спирторастворимых запасных белков зерна -проламинов [4, 5, 6].
Проламины - это основная группа белков в семенах зерновых культур. Лучше всего они растворяются в 60-80 %-ном водном растворе этилового спирта. Про-ламин пшеницы назван глиадином, ржи - секалином, ячменя - гордеином, кукурузы - зеином, овса - авени-ном. Особенность проламинов - низкое содержание лизина, наибольшая величина этого показателя характерна для авенина [7, 8, 9, 10].
Электрофоретический спектр авенинов представлен тремя зонами: а, р и быстрыми проламинами (БП) [11, 12]. Компоненты электрофоретических спектров авенина наследуются группами и контролируются тремя независимыми локусами: Avn А, Avn В, Avn С [13].
Так как проламинам свойственна видовая и сортовая специфичность, на их использовании основаны принятые, как в России, так и в мире методы определения подлинности и сортовой чистоты семян по электрофоретическому спектру белков [14]. В частности, выяснение численного соотношения типов электрофореграмм отдельных зерновок сорта на этапе первичного семеноводства необходимо для того, чтобы эффективно поддерживать постоянство его биотипного состава, а также своевременно выявлять биологическое и механическое засорение [15].
Цель наших исследований - изучение и определение биотипного состава нового сорта овса посевного Отрада.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на базе лаборатории селекции зернофуражных культур ФГБНУ «НИИСХ Северного Зауралья» и лаборатории сортовой идентификации семян Агротехнологического института ФГБОУ ВПО «ГАУ Северного Зауралья» в 2014-2015 гг. Сорт овса пленчатого Отрада создан в НИИСХ Северного Зауралья методом гибридизации сортов различного эколого-географического происхождения (ММ 170079 х Рс 39) х (Мийса 600 х Ristо) с последующим индивидуальным отбором в F4. Разновидность т^юа. По результатам Государственного сортоиспытания он внесен в Государственный реестр селекционных достижений и рекомендован для возделывания в Уральском (9), Западносибирском (10) и Дальневосточном (12)регионах Российской Федерации.
Для формирования питомников первичного семеноводства в 2014 г. на участке размножения нового нерайо-
Таблица. основные показатели сорта овса отрада, кСи, 2012-2015 гг.
Показатель \Отрада\ Мегион ) Талисман ^)
Период вегетации, дни 70 68 70
Урожайность, т/га 4,37 3,91 4,09
Количество растений, шт./м2:
по всходам 332 356 374
перед уборкой 240 244 264
Количество продуктивных стеблей, шт./м2 375 371 422
Продуктивная кустистость 1,70 1,60 1,65
Масса зерна, г:
с одного растения 1,92 1,82 1,65
с одной метелки 1,12 1,11 1,00
Масса 1000 семян, г 34,5 34,5 34,0
Количество зерен в метелке, шт. 32,5 32,4 29,6
Высота растений, см 84,2 85,7 83,7
Устойчивость к полеганию, балл 4,7 4,6 4,4
Урожайность зеленой массы, т/га 23,3 24,3 26,2
Сбор сухого вещества, т/га 8,34 7,91 8,71
Содержание белка в зеленой массе, % 9,31 10,51 10,72
Облиственность, % 45,4 44,3 45,2
Натура зерна, г/л 469,3 462,8 462,8
Пленчатость, % 25,4 25,2 26,8
Содержание в зерне, %:
белок 11,99 10,59 10,39
жир 5,44 4,98 4,41
крахмал 46,95 47,88 47,00
К хоз 37,5 37,3 33,1
нированного сорта (РННС) отобрали 2500 метёлок. По результатам морфологического анализа в лаборатории селекции зернофуражных культур НИИСХ Северного Зауралья для дальнейшего изучения оставили 1115 семей. От каждой семьи в лаборатории сортовой идентификации ГАУ Северного Зауралья для электрофоретического анализа случайным образом отбирали по три зерновки. Всего проанализировали 3345 зерновок.
Одномерный электрофорез авенинов осуществляли по стандартной методике [16] с некоторыми модификациями [17, 18].
результаты и обсуждение. Сорт пленчатого овса Отрада среднеспелый. За период оценки в Государственном сортоиспытании (2011-2013 гг.) в зависимости от регионов возделывания продолжительность вегетационного периода у него изменялась от 63 (Удмуртия) до 95 (Республика Алтай) суток. Высота растений 67,896,0 см. Высокая урожайность отмечена в 2011 г. на Ишимском государственном сортоучастке Тюменской области (7,03 т/га) и в 2013 г. на Барачатском ГСУ Кемеровской области (7,63 т/га). В 2014 г. в ОПХ «Ишимское» (Тюменская область) на площади 15 га была достигнута максимальная урожайность 8,1 т/га. В среднем за последние 4 года изучения на заключительном этапе селекционного процесса (конкурсное сортоиспытание) в условиях северной лесостепи Тюменской области сбор зерна с единицы площади составил 4,37 т/га, что на 0,46 т/га выше стандарта - сорта Мегион. Рост урожайности обеспечили преимущественно продуктивная кустистость и продуктивность растения.
Технологическая и биохимичесая оценка зерна показала, что сорт Отрада не уступает стандартам по большинству показателей качества, а по некоторым (содержание в зерне белка и жира) превосходит их (см. табл.). Сорт устойчив к осыпанию зерна, среднеустой-чив к весенне-летней засухе. В естественных условиях устойчив к пыльной и покрытой головне.
Анализ полученных электрофореграмм показал, что зерновки имели различный компонентный состав. Всего было установлено 35 типов электрофореграмм. Сравнение спектров авенина выявило однотипные и
разнотипные семьи сорта Отрада. Доля семей с первым типом электрофорети-ческих спектров авенина составила 58,8 %; со вторым -31,1 %; с четвертым - 1,5 %; с пятнадцатым - 1,0 %; всех остальных - 7,4 %.
Таким образом, для большинства семей (89,9 %)были характерны первый и второй биотипы, присутствующие в популяции в соотношении 2:1. Семьи с отличающимися от них спектрами авенина были исключены из дальнейшего исследования.
Для первого и второго биотипов сорта Отрада идентифицированы аллели по локусам Avn А, Avn В и Avn С. Биотипы различались между собой по локусу Avn А. У второго биотипа присутствовала аллель А4, у первого - новая аллель, отсутствующая в каталоге генетической номенклатуры авенинов. Исходя из этого, генетическую формулу сорта Отрада можно записать как Avn Апе^+4В4С1 (рис.1).
рис. 1. Электрофоретические спектры и схемы овса посевного сорта Отрада: 1.а - первый биотип; 1.б - второй биотип; St - стандарт ^йог).
В 2015 г. семьи первого и второго биотипов объединили в отдельные блоки и высеяли на опытном поле НИИСХ Северного Зауралья. Наблюдения за ростом и развитием растений в течение вегетации не выявили морфологических различий между ними. Уборку осуществляли по блокам с дополнительной лабораторной браковкой по метёлкам. Для контроля биотипного состава использовали не обмолоченные метёлки 320 семей первого биотипа и 255 семей второго биотипа.
Электрофоретический анализ зерновок показал, что у 5 семей первого биотипа имели тип спектра авенина, соответствовал второму биотипу. Вероятно, это обусловлено механическим засорением в процессе формирования питомника. В 17 семьях были обнаружены отдельные зерновки с другим компонентным составом, что свидетельствовало о гетерозиготности этих линий
рис. 2. Электрофоретические спектры семей второго биотипа (2015 г.): 130-134 - номер семьи. Семья №132 -первый биотип.
по авенин-кодирующим локусам. Такие семьи исключили из дальнейшего размножения. Среди 255 семей второго биотипа 22 по типу спектра относились к первому биотипу (рис.2), ещё 20 семей были гетерогенными по компонентному составу авенина.
Заключение. На основании полевых опытов и биохимических методов выявлена генетическая неоднородность сорта овса посевного Отрада. Сорт Отрада политипный (35 биотипов), однако для большинства семей (89,9 %) характерны два биотипа - первый и второй в соотношении 2:1. Семьи этих биотипов следует использовать для поддержания генетической стабильности сорта при организации оригинального семеноводства. При формировании питомников испытания потомства I и II годов рекомендуется использовать электрофоретический анализ.
Литература.
1. Фомина М.Н. Овес в Северном Зауралье (история культуры и селекции)//Селекция, семеноводство и технология возделывания зернофуражных культур: мат. междунар. науч.- практ. конф. Ульяновск: Ульяновский НИИСХ, 2008. С. 195-199.
2. Фомина М.Н. Среднеспелый сорт овса ярового Отрада // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2014. №3. С.56-62.
3. Бабушкина Т.Д., Фомина М.Н., Ярославцев А.А. Обоснование норм использования оригинальных, элитных и репродукционных семян зерновых и зернобобовых культур в Тюменской области // Научное обеспечение национального проекта развития АПК Тюменской области: состояние, перспективы. Сб. науч. тр. Тюмень: «Ризограф» Тюменский Аграрный Академический Союз, 2009. С. 190-194.
4. Конарев А.В. Адаптивный характер молекулярного полиморфизма и его использование в решении проблем генетических ресурсов растений и селекции //Аграрная Россия. 2002. №3. С. 4-11.
5. Зобова Н.В., Онуфриенок Т.В., Чуслин А.А. Особенности полиморфизма проламинов сортов ячменя, возделываемых в Красноярском крае //Достижения науки и техники АПК. 2014. №6. С. 7-10.
6. Чесноков Ю.В. Молекулярно-генетические маркеры и их использование в предселекционных исследованиях. СПб.: АФИ, 2013. 116 с.
7. Белкина Р.И., Михайлова А.В., Фадеева Е.Ф. Основы биохимии зерна: учебное пособие. Тюмень: ТГСХА, 2010. 230 с.
8. Draper S.R. Amino acid profiles of chemical and anatomical fractions of oat grains // J. Sci. Fd. Agr. 1973. V.24. Рр. 1241-1250.
9. Cooke R.G., Cliff E.M. The characterization of oat cultivar by electrophoresis // J. Nat. Inst. Agric. Bot. 1984. V.16. Рр. 415-429.
10. Kim S.J., Charbonnier L., Mosse J. Heterogeneity of avenin, the oat prolamin. Fractionation, molecular weight and amino acid composition // Biochem. Biophys. Acta. 1978. V.537. Рр. 22-30.
11. Губарева Н.К., Юмагузина Х.А., Павлова Н.Е. Электрофорез авенина в сортовой идентификации овса// Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1987. Т.114. С.76-82.
12. Лоскутов И.Г. Современная система рода Avena L.// Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2006. Т.162. С. 84-96.
13. Генетический контроль авенинов и принципы их классификации / Портянко В.А., Поморцев А.А., Калашник Н.А., Богачков В.И., Созинов А.А. //Генетика. 1987. Т.23. С. 845-853.
14. Баталова Г.А., Лисицын Е.М., Русакова И.И. Биология и генетика овса. Киров: Зональный НИИСХ Северо-Востока, 2008. 456 с.
15. Созинов, А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272 с.
16. Bushuk W., Zillman R.R. Wheat cultivar identification by gliadin electrophoregrams. I. Apparatus, method and nomenclature // Canadian Journal of Plant Science. 1978. V. 58 (2). Рр. 505-515.
17. Metakovsky E.V., Novoselskaya A.Yu. Gliadin allele identification in common wheat. 1. Methodological aspckts of the analysis of gliadin patterns by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis // J. Genet and Breed. 1991. V.45 (4). Рр. 317-324.
18. Остапенко А.В., Тоболова Г.В. Изучение полиморфизма авенина сортов овса посевного (Avena sativa L.) в Тюменской области // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013. Т.171. С. 38-42.
usage of the method of prolamine electrophoresis in primary seed breeding by
the example of otrada oat variety
M.N. Fom^1, G.V. Tobolova2, A.V. Ostapenko2
Research Agricultural Institute of the Northern Trans-Ural, ul. Burlaki, 2, pos. Moskovskii, Tyumenskii r-n, Tyumenskaya obl., 625501, Russian Federation
2State Agrarian University of the Northern Trans-Ural, Roshchinskoe shosse, 18, Tyumen', 625041, Russian Federation Summary. At the premises of the laboratory of forage crops breeding of FGBNU "Research Agricultural Institute of the Northern Trans-Urals" and the laboratory of varietal identification of seeds of FGBOU VPO "State Agrarian University of the Northern Trans-Urals" the biotype composition of the new oat variety Otrada was studied and determined in 2014-2015. The variety was characterized by morphological, biological and economically valuable traits. It was selected 2500 panicles for examination in 2014. During morphological analysis 1115 families were selected for further study; they were investigated by the method of electrophoresis of storage alcohol-soluble proteins - prolamines. Three kernels from each family were selected in a random way for the electrophoretic analysis. Thirty-five types of electropherograms were revealed. The first and the second biotypes were characteristic for the most investigated families (89.9 %) and were present in the population at the ratio of 2:1. As a result of identification of alleles of avenin-coding loci (ACL), it was found that the first and thesecond biotypes differed by the allele of locus Avn A. The genetic formula of Otrada variety is Avn Anew + 4B4C1. In 2015 the families of the first and the second biotypes were crowded into separate blocks and sown at the experimental field. After harvesting kernels from unthreshed panicles of 320 families of the first biotype and 255 families of the second biotype were analyzed to control the biotype composition. During the electrophoretic analysis the lines heterozygous at ACL, as well as mechanical impurities, were revealed. These families were excluded from the further breeding. The use of electrophoresis of prolamines in primary seed breeding allowed to get the original seeds quite quickly and efficiently at the first stages of breeding and introduction of the variety into cultivation, as well as to maintain their purity and the ratio of biotypes during the process of further variety cultivation. Key words: oat, variety, electrophoresis, storage proteins, avenin, allele, biotype composition.
Author Details: M.N. Fomina1, Cand. Sc. (Agr.), chief research fellow (e-mail: [email protected]); G.V. Tobolova2, Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof.; A.V. Ostapenko2, post-graduate student
For citation: Fomina M.N., Tobolova G.V., Ostapenko A.V. Usage of the Method of Prolamine Electrophoresis in Primary Seed Breeding by the Example of Otrada Oat Variety. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 14-16 (in Russ.).
