CC BY
31
УДК575.174.015.3: 631.527: 633.11: 633.16
особенности полиморфизма проламинов сортов
ячменя, возделываемых в красноярском крае
Н.В. ЗОБОВА, доктор сельскохозяйственных наук, зав. отделом
Т.В. ОНУФРИЕНОК, старший научный сотрудник А.А. ЧУСЛИН, научный сотрудник Красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии, Россия, Красноярск, пр. Свободный, 66 Е-таН: [email protected]
Резюме. Исследования проводили с целью анализа роли полиморфизма проламинов в создании конкурентноспо-собных сортов ярового ячменя на территории Красноярского края. Электрофорез гордеинов выполнен в 13%-ном крахмальном геле в присутствии 3М мочевины. Спектры записывали в виде генетических формул (HRD А.ВПолевые опыты осуществляли по паровому предшественнику в открытой лесостепи на делянках площадью 1 м2в 4-х по-вторностях, почва - обыкновенный чернозем, содержание гумуса 4,3...5,2%, обеспеченность подвижным калием -средняя (21,4.23,2 мг/100 г почвы), подвижным фосфором - повышенная (3,1.3,5 мг/100 г почвы). По результатам определения спектров проламинов сортов ярового ячменя, районированных в период 1940-2014 гг. в Красноярском крае, отмечен высокий уровень их межсортового (24 сорта характеризуют 18 формул) и внутрисортового полиморфизма (7 сортов гетерогенны по гордеинам), связанного с разновидностью сорта и местом его селекции. Преимущество по занимаемым площадям и сроку районирования варианта гордеинов 2.17.3, обоснованное принадлежностью к красноярским сортам Кедр и Красноярский 80, перешедшее к новосибирскому сорту Ача с формулой 12.1.3, подкрепляется новыми районированными сортами с этими формулами. Конкурентоспособность отдельных биотипов гетерогенных форм, различающихся формулами гордеинов, оценивали при 10-летнем пересеве ихравнопредставленных смесей. В 4-х компонентной смеси (1:1:1:1) наблюдалось неуклонное увеличение доли биотипов 2.17.3 и 2.1.3 (0,83 и 1,89, соответственно), по сравнению с вариантами 2.25.1 и 2.37.1 (0,75 и 0,53). В 2-х компонентной смеси биотипов 2.17.3 и 2.1.3 (1:1), отличия были резче (0,26 и 1,74). Однако биотип 2.1.3 превосходил остальные формы по урожайности и ее элементам только в отдельные годы. Наибольшей конкурентноспособностью в условиях Красноярского края отличаются формы ярового ячменя с вариантами гордеинов 2.17.3, 12.1.3 и 2.1.3.
Ключевые слова: селекция, яровой ячмень, гордеины, полевые испытания.
Генетические подходы вносят значительный вклад в повышение эффективности селекционного процесса, сокращение сроков создания новых сортов, уменьшение объемов полевых испытаний [1,2]. Для идентификации образцов зерновых культур используют системы генетических маркеров, в качестве которых часто выступают проламины - запасные спирторастворимые белки зерновки: у ячменя - это гордеины. Они обладают высоким полиморфизмом и не зависят от условий произрастания, поэтому могут использоваться в селекции, сортоиспытании, сортовом контроле и производстве для определения происхождения и оригинальности сорта, оценки его генетической однородности и константности [1...5].
В связи с резким увеличением в последние годы темпов и амплитуды изменений климата возникает необходимость в более интенсивной сортосмене зерновых культур для обеспечения их высокой и стабильной урожайности. Выбор таких сортов можно осуществлять с использованием генетических маркеров, связь кото-
рых с хозяйственно-ценными признаками и эколого-географическая детерминированность уже известны [1, 5, 6]. В этом направлении целесообразно проводить генетический мониторинг сортосмены, определять скорость потери (возрастания) биоразнообразия по вариантам гордеинов в популяциях районированных сортов и селекционного материала ярового ячменя с целью выявления основных закономерностей отбора и предотвращения экологической эрозии (потери биоразнообразия).
Цель нашей работы - анализ полиморфизма проламинов сортов ячменя, допущенных к использованию (районированных) на территории Красноярского края, и его дрейфа во времени для использования этих сведений в селекции, семеноводстве и сортообнов-лении.
Условия, материалы и методы. В качестве материала для исследования послужили сорта ярового ячменя, районированные в Красноярском крае, а также гетерогенные по гордеинам образцы красноярской селекции и их отдельные биотипы, идентифицированные и размноженные авторами работы.
Электрофорез гордеинов (Hrd) проводили в 13%-ном крахмальном геле в присутствии 3М мочевины [7]. Спектры гордеинов записывали в виде генетических формул (HRD A.B.F.) согласно каталогу блоков компонентов гордеинов [4].
Полевые эксперименты закладывали по паровому предшественнику в открытой лесостепи в селекционных севооборотах Красноярского НИИСХ на делянках площадью 1 м2 в 4-х повторностях. Почва опытного участка представлена обыкновенным черноземом с содержанием гумуса (по Тюрину) 4,3...5,2%, обеспеченность подвижным калием (по Мачигину) - средняя (21,4.23,2 мг/100 г почвы), подвижным фосфором (по Мачигину) - повышенная (3,1.3,5 мг/100 г почвы). Определение параметров структуры урожая осуществляли стандартными методами [8], их статистическую и математическую обработку - при помощи пакетов компьютерных программ Microsoft Excel 97 и Snedеcor [9, 10].
результаты и обсуждение. Проведенная по гордеинам паспортизация всех доступных для исследования (сохранившихся) сортов ярового ячменя, районированных в Красноярском крае, позволила установить их нативные генетические формулы, а также выявить однородные и гетерогенные по запасным белкам сорта (табл. 1). Рассматривая полиморфизм гордеинов этих сортов, следует обратить внимание на два варианта формул: 2.17.3 и 12.1.3. Первая из них отличается наибольшей частотой встречаемости в выборке и принадлежит двум сортам-долгожителям: Кедру, занимавшему в крае наибольшие площади и получившему самое широкое среди сортов красноярской селекции распространение в других регионах, и Красноярскому 80, который продолжительное время служил стандартом по краю на ГСИ. Вторая формула характеризует гордеины сортов ячменя следующего поколения: Ача, занимающего сегодня основные площади посевов изучаемой культуры в крае, и голозерного сорта Оскар. Эти же варианты появляются и у новейших сортов, допущенных к использованию
Таблица 1. Характеристика разнообразия формул гордеинов районированных в Красноярском крае
сортов ячменя
Название Учреждение- Год районирования Гордеины
оригинатор от 1 до всего А..В^
Червонец Тулунская ГСС 1940 1968 28 2.39.2.
Красноярский А-74 Камалинская ГСС 1940 1944 4 Не устан.**
Винер 1163 Фаленская ГСС 1941 1990 49 12.19.1. + 2.19.1.
Дарвин Ленинградская ГСС 1945 1956 11 Не устан.
Омский 3601 СибНИИСХ 1952 1956 4 Не устан.
Красноярский 1 КНИИСХ 1967 1983 16 12.19.1.+ 2.39.2.
Унион ФРГ 1974 1983 9 Не устан.
Айхал Якутский НИИСХ 1974 1979 5 12.8.2. + 2.8.2
Агул КНИИСХ 1978 1990 12 2.13.2. + 2.39.2
Енисей КНИИСХ 1981 1990 9 13.1.3.
Красноярский 80 КНИИСХ 1986 2012 26 2.17.3.
Новосибирский 80 СибНИИРС 1986 2010 24 2.8.2+24.8.2.
Кедр КНИИСХ 1988 2013 25 2.17.3.+2.1.3.+2.13.2
Агул 2 КНИИСХ 1988 1992 4 2.13.2.
ТАН 1 Донской НИИСХ 1990 1999 9 23.29.3.
Одесский 115 ВСГИ 1990 1999 9 12.13.2.
Соболек КНИИСХ 1996 До н.в.* 18 12.13.2.
Ача СибНИИРС 1997 До н.в. 17 12.1.3.
Андрей НИИСХ Северо-Востока 1999 2003 4 2.95.1.
Вулкан КНИИСХ 2002 До н.в. 12 18.67.1.
Бахус КНИИСХ 2003 2011 8 2.25.1.
Оскар КНИИСХ 2007 До н.в. 7 12.1.3.
Биом СибНИИРС 2008 До н.в. 7 24.8.2
Буян КНИИСХ 2012 До н.в. 2 2.17.3
Абалак КНИИСХ 2013 До н.в. 1 2.8.2
Омский голозерный 1 СибНИИСХ 2013 До н.в. 1 18.35.1 + 2.1.3. + 2.17.3
Омский голозерный 2 СибНИИСХ 2013 До н.в. 1 18.35.1
Оленек КНИИСХ 2014 До н.в. 0 12.1.3
* - до настоящего времени, ** - формула не установлена по причине отсутствия семян сорта во время исследования
совсем недавно: Буян (2.17.3) и Оленек (12.1.3), что позволяет считать их характерными (адаптивными) для Красноярского края.
Среди сортов новосибирской селекции долгожителем в регионе стал Новосибирский 80 (2.8.2+24.8.2), но его ежегодные посевные площади с 1996 г. не превышали 1 тыс. га (при величине аналогичного показателя у Кедра 100 тыс. га и более). Из современных генотипов аналогичной формулой обладает сорт Биом (24.8.2), занимающий в крае большие площади. У якутского сорта Айхал (12.8.2+2.8.2), достаточно быстро вышедшего из использования в регионе, и совместного нового сорта тюменской и красноярской селекции Абалак (2.8.2) формулы по блоку Н^В сходны с предыдущими сортами. Таким образом, гордеины лучших новосибирских сортов характеризуют формулы с вариантом Н^В8.
Похожей картиной спектров отличаются варианты Н^В13 и В39, принадлежащие только многорядным сортам - Червонец (2.39.2), Агул (2.39.2 + 12.13.2), Агул 2 (2.13.2), Соболек (12.13.2).
Среди современных сортов (Вулкан, Омский голозерный 1, Омский голозерный 2) стал появляться вариант Н^А18, впервые отмеченный у сорта Маяк красноярской селекции (не принят к использованию), но обсуждать его достоинства или недостатки еще рано. Формулы, встретившиеся в наборе однократно (13.1.3, 23.29.3, 2.95.1, 2.25.1), принадлежат сортам, занимавшим небольшие площади и районированным в регионе непродолжительный период.
Таким образом, межсортовой полиморфизм гордеинов достаточно широк (28 сортов характеризуют 18 формул) и носит неслучайный характер, а связан с разновидностью сорта, местом его селекции и, главное, с соответствием местным условиям.
Среди родителей красноярских сортов имеются зарубежные, отечественные и местные формы. Показано, что их разнообразие значительно превышает таковое у потомства, а сужение разнообразия связано с преимущественным отбором вариантов гордеинов, имеющих экологическое (адаптивное) соответствие месту селекции и возделывания [6].
Большинство сортов передано в производство и районировано как однородные. Изначально по нескольку биотипов имела только пятая их часть. Однако в процессе многолетнего воспроизводства внутрисортовой полиморфизм гордеинов увеличивается. Ряд сортов, утратив однородность, практически поменяли свою генетическую структуру по гордеинам. Так, доступные для исследования семена сорта Винер красноярского воспроизводства характеризовались формулами 2.17.3 и 2.1.3. и не имели изначальных вариантов 12.19.1 и 2.19.1. Сорт Кедр с 1990 г. практически утратил нативный вариант 2.17.3, но приобрел биотипы с формулами 2.1.3 и 2.13.2., с которыми и был занесен в базу данных ИОГен [11]. В то же время в южных районах края (Каратузский ГСУ) вариант 2.17.3 - отсутствовал, а в ЭСИ Иркутского НИИСХ - по-прежнему оставался преобладающим.
С 1999 г. в производственных посевах сорта Красноярский 80 также проявились биотипы 2.13.3. и 2.1.3. (их общая доля в сорте не превышала 20%) [6]. Идентификация указанных вариантов в составе гетерогенных форм не может быть полностью объяснена происхождением и, вероятно, свидетельствует о некотором их преимуществе, по сравнению с изначальным (нативным) генотипом сорта.
С целью проверки этого предположения мы провели полевцую оценку конкурентоспособности заинтересовавших нас вариантов гордеинов 2.17.3, 2.1.3,
2,5
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
год
рисунок. Динамика и линии тренда соотношений (в долях) биотипов по гордеинам в четырехкомпонентной смеси при
многолетнем пересеве: —- 2.1.3; —•--2.17.3; —*— 2.37.1; ■ . - 2.25.1; - линейная (2.1.3);--линейная
(2.17.3); - - --линейная (2.37.3);.....-линейная (2.25.1).
2.25.1 и 2.37.1. Обоснование выбора двух первых биотипов приведено ранее, а вторая, контрастная к первой, пара представляет варианты 2.37.1 - от южного сорта Целинный 5 и 2.25.1 - характерный для адаптивных линий красноярской селекции, наряду с вариантами 2.17.3 [6]. Биотипы с этими формулами гордеинов выделены из гетерогенных форм - сорта Кедр и адаптивной линии Т-136-368 (2.25.1 + 2.37.1 + 10.37.1). Каждый из них размножен в чистом виде. После чего проведена полевая оценка, как отдельных биотипов, так и их смесей.
Одна смесь составлена из 4-х биотипов: 2-х - с формулами гордеинов 2.17.3 и 2.1.3 от сорта Кедр, и 2-х - с вариантами 2.37.1. и 2.25.1. от линии Т-136-368 (1:1:1:1).
В результате 10-летнего пересева, несмотря на резкие годовые перепады соотношений биотипов, в 4-х компонентной смеси почти двукратно выросла доля биотипа 2.1.3, а доля второго биотипа, характерного для сибирских форм, практически не изменилась (см. рисунок). Колебания их долей по годам происходили в противофазе, а линии тренда на рисунке отражают рост доли биотипа 2.1.3 и снижение доли 2.17.3. Доля биотипа 2.25.1 оставалась близкой к изначальной. Представительство биотипа 2.37.1 резко снизилось в течение двух первых лет и осталось на уровне 0,5. Судя по линиям тренда, самая стабильная и единственная тенденция к увеличению доли в составе смеси наблюдается у биотипа с формулой 2.1.3 (у=0,0724х+0,9758, R2=0,3874).
При пересеве двухкомпонентной смеси биотипов 2.17.3 и 2.1.3 сорта Кедр, за 10 лет доля биотипа 2.1.3 неуклонно повышалась, достигнув величины 1,74, а 2.17.3 сократилась до 0,26. Динамика изменения доли биотипов в смеси достаточно хорошо совпадает с линиями тренда: у=0,0927х+0,7953, R2=0,789 для биотипа 2.1.3.; у=-0,0942х+1,198, R2=0,7618 для 2.17.3, что более наглядно, чем в 4-х компонентной смеси, свидетельствует о лучшей адаптации биотипа 2.1.3 к местным условиям произрастания. В составе двухкомпонентной смеси биотипов линии Т-136-368 (2.37.1 и 2.25.1) в исследуемый период преимущество переходило от одного к другому, и через 10 лет они оказались представлены примерно в равных долях. Однако с 2007 г. в этой смеси появился биотип 2.1.3, чья доля колебалась в интервале 0,22.0,12%, что еще раз свидетельствует о его адаптивных свойствах.
Оценка влияния погодных условий вегетационного периода (ГТК, сумма активных температур и осадки) на изменение соотношений биотипов в смесях не выявила достоверных корреляций (данные не приводятся).
Если конкурентоспособность биотипа с формулой 2.1.3 по представленности в смеси достаточно убедительна, то по урожайности и ее элементам, которые отслеживали весь период испытаний, он превосходил остальные формы только в отдельные годы. В целом в зависимости от складывающихся условий выделялись отдельные биотипы или смеси без четких преимуществ определенных вариантов.
Таблица 2. Характеристика элементов продуктивности образцов ячменя с различными генетическими
формулами и их смесей. ФГУП «минино», 2013 г.
Наименование образца HRD A.B.F Высота по снопу, см Число растений к уборке, шт./м2 Число продуктивных стеблей, шт./м2 Продуктивная кустистость Биологический урожай, г/м2 Масса 1000 зерен, г
Кедр 2.17.3 70,5 404 724 1,80 613 47,3
Кедр 2.1.3 70,8 396 742 1,90 619 45,7
Т-136-368 2.37.1 70,0 388 726 1,88 644 48,3
Т-136-368 2.25.1 73,8 410 672 1,65 530 46,4
Смесь 2.1.3 + 2.17.3 +
2.37.1 + 2.25.1 72,8 334 774 2,65 401 44,7
Кедр - смесь 2.17.3 + 2.1.3 75,0 374 642 1,73 544 45,9
Т-136-368 -
смесь 2.37.1 + 2.25.1 68,8 380 812 2,18 535 46,4
НСР 5% 6,2 123 264 0,55 184 3,74
Представление и анализ данных по продуктивности в статьи не предусмотрены ввиду их громоздкости, но в качестве примера можно привести основные параметры урожая исследованных образцов за 2013 г. (табл. 2), из которого следует, что биотипы и их смеси достоверно по этим характеристикам не отличались, кроме высокой продуктивной кустистости четырехкомпонент-ной смеси. Некоторым преимуществом в выборке по урожайности отличались биотипы с формулами 2.1.3, 2.17.3 и 2.37.1.
Выводы. Таким образом, по результатам мониторинга формул гордеинов сортов ярового ячменя, районированных с 1940 по 2014 гг. в Красноярском крае, отмечен достаточно высокий уровень межсортового и внутрисортового полиморфизма, его дрейф во времени и обусловленность разно-
видностью форм и местом селекции. Для региона обоснованы преимущества генотипов с формулами гордеинов 2.17.3 и 12.1.3, принадлежащих сортам, как новосибирской, так и красноярской селекции. По конкурентоспособности в составе гетерогенных по гордеинам смесей при многолетнем пересеве подтверждена адаптивная ценность вариантов 2.17.3. и 2.1.3. с очевидным преимуществом второго биотипа.
Полученные в работе результаты необходимо использовать при ведении первичного и возобновляемого семеноводства, а также при семенном контроле во избежание засорения возделываемых сортов ячменя биотипами, отличными от нативных и имеющими преимущества по сохранности в составе гетерогенных смесей.
Литература.
1. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272 с.
2. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб.: ВИР, 2001. 417с.
3. Зобова Н.В., Шевцова Л.Н., Сурин Н.А. Сортовая идентификация и семенной контроль ячменя по запасным белкам семян - гордеинам. // Вестник КрасГАУ. 2004. вып. 6. С. 77-80.
4. Поморцев А.А., Кудрявцев А.М., Конарев В.Г. и др. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. 96 с.
5. Поморцев А.А, Калабушкин Б.А., Звейнек И.А., Терентьева И.А. Полиморфизм гордеинов у ячменей некоторых стран Юго-Восточной Азии (Монголии, Китая, Непала, Японии) // Труды по прикладной ботанике, генетики и селекции. СПб, 2006. С. 26-40.
6. Шевцова Л. Н., Зобова Н. В. Агроэкологическая детерминация ярового ячменя Восточной Сибири по гордеинкодирующим локусам/ под общ. ред. Н.А. Сурина. Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т, 2008. 146 с.
7. Поморцев А.А., Нецветаев В.П., Созинов А.А. Полиморфизм культурного ячменя (H.Vulgare) по гордеинам // Генетика. 1985. Т. 21, № 4. С. 629-639.
8. Методические указания по изучению мировой коллекции ячменя и овса /под ред. В.Д. Кобылянского, А.Я. Трофимов-ской. 3-е изд., перераб. Л.: Всесоюз. НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова. 1981. 32 с.
9. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
10. Сорокин О.Д. Прикладная статистика на компьютере. Краснообск: СО РАСХН, 2010. 337 с.
11. Генетические паспорта по аллелям гордеинкодирующих локусов у сортов ячменя Hordeum vulgare L., используемых в Российской Федерации// http://vigg.ru/database/rastenija/genetics-veg/test-lab/hordeum-vulgare.
POLYMORPHiSM TRAITS OF SiBERiAN BARLEY PROLAMiNES N.V. Zobova, T.V. Onuphrienok, A.A. Chuslin
State Scientific Institution Krasnoyarsk research institute of agriculture of Russian Academy of Agriculture, Russia, Krasnoyarsk, av. Svobodny, 66
Summary. The aim of the study was to investigate the role of prolamine polymorphism in selection of competitive spring barley varieties at the Krasnoyarsk region territory. Hordein electrophoresis was conducted in 13% starch gel under presence of 3M carbamide. Hordein spectrums were recorded as genetic formula (HRD A.B.F.). Field trials were conducted on fallow lands at forest steppe, the size of plots - 1 m2, 3-4 replications. The soil here is ordinary chernozem. It contains 4.3-5.2% of humus, middle amount of free potassium - 21.4-23.2 mg/100 g of soil, high level of free phosphorus - 3.1-3.5 mg/100 g of soil. Monitoring of prolamine spectrum of the barley varieties regional assigned in 1940-2014 in Krasnoyarsk region was conducted. High level of intervarietal (24 varieties are characterized by 18 formules) and intravarietal hordein polymorphism (7 varieties are heterogeneous in their hordeins) that are associated with subvariety of cultivar and with the place of its selection. The superiority of 2.17.3 hordein formula in sown area and period of regional assignment is based on its belonging to Krasnoyarsk varieties Kedr and Krasnoyarskiy 80. This superiority passed to Novosibirsk variety Acha with formula of 12.1.3 and is confirmed by data on new varieties that have the same formulas. The competitive of separate heterogene form biotypes that are differ in hordein formulas was evaluated while 10-years re-sowing of their equal part blends. The increase of the part of 2.17.3 and 2.1.3 biotypes (0.83 and 1.89, correspondingly) compare to variants with 2.25.1 and 2.37.1 ones (0.75 and 0.53) was detected in four-component blend (1:1:1:1). The difference were more remarkable in two-component blend of 2.17.3 and 2.1.3 biotype (1:1) - 0.26 and 1.74 correspondingly. However, 2.1.3 biotype surpassed other forms in yield and its elements only in occasional years. Thus, the most competitive under Krasniyarsk region conditions are spring barley varieties with hordein formulas of 2.17.3, 12.1.3 and 2.1.3. Keywords: selection, spring barley, hordeins, field trials.
