Ефективність поєднання діалельних схрещувань та методу генетичного маркування для гібридологічного аналізу вівса посівного (Avena sativa L.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ КЛІТИННОЇ БІОЛОГІЇ ТА ГЕНЕТИЧНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ

УДК: 631.524.82:633.13

Ефективність поєднання діалельних схрещувань та методу генетичного маркування для гібридологічного аналізу вівса посівного (Avena sativa L.)

03.00.15 - генетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

ЄГОРОВА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВНА

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в лабораторії геномної та хромосомної інженерії рослин Інституту агроекології та біотехнології УААН, м. Київ.

Науковий керівник - доктор сільськогосподарських наук Скорик Віктор Варфоломійович, Носівська селекційна дослідна станція, завідувач лабораторії селекції озимого жита Чернігівського інституту АПВ УААН

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук Парій Федір Микитович, Інститут цукрових буряків УААН, провідний науковий співробітник лабораторії селекції цукрових буряків

кандидат біологічних наук Лялько Ірина Іванівна, Інститут фізіології рослин і генетики НАНУ, старший науковий співробітник відділу генетичних основ гетерозису

Провідна установа - Інститут землеробства УААН, відділ генетики і селекції кормових культур Захист відбудеться “22” травня 2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.202.01 в Інституті клітинної біології та генетичної інженерії НАН України за адресою: 03143, м Київ, вул. акад. Заболотного, 148, актовий зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України за адресою: 03143, м. Київ, вул. акад. Заболотного, 148.

Автореферат розіслано “16” квітня 2003р.

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради, к.б.н. Кравець О.А.

АНОТАЦІЯ

Єгорова Т.В. Ефективність поєднання діалельних схрещувань та методу генетичного маркування для гібридологічного аналізу вівса посівного (Avena sativa L.). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.15 - генетика. Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Київ, 2003.

Дисертаційну роботу присвячено встановленню роздільної здатності гібридологічного аналізу культурного вівса за кількісними ознаками при використанні даних оцінки перших гібридних поколінь за цими ознаками у сполученні з генетичним аналізом вихідних форм за генами-маркерами. Встановлено, що діалельний аналіз є зручним і інформативним при необхідності швидкого оцінювання генетичної різноманітності і характеру успадкування ознак в групі генотипів, які досліджуються вперше; тест сумісного шкалювання Каваллі дає детальну картину генетичних розбіжностей між двома компонентами схрещування, і його інформативність істотно зростає, якщо залучити результати генетичного аналізу тих же сортів за генетичними маркерами.

Ідентифіковано гени, що контролюють синтез авенінів, Ave1, Ave2_a,b (кластер), Ave3, Ave4, Ave5 (кластер), -амілази (-Amy1, -Amy2). Встановлено характер успадкування ознак форма волоті (ген Pt4) та голозерності (ідентифіковано два гени, N4, N5). Виявлено зчеплення генів-маркерів Pt4, N4, N5, та Ave1 з генами, які можуть розглядатися як ідентифіковані QTLs. ген овес амілаза голозерність

Ключові слова: овес посівний, Avena sativa L., генетичний аналіз, кількісні ознаки, морфологічні ознаки, гени-маркери.

АННОТАЦИЯ

Егорова Т.В. Эффективность сочетания диаллельных скрещиваний и метода генетического маркирования для гибридологического анализа овса посевного (Avena sativa L.). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.15 - генетика. Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев, 2003.

Овес посевной относится к наименее генетически изученным зерновым культурам. Это касается как количественных признаков, которые составляют элементы структуры урожая, так и признаков с альтернативной изменчивостью, основной интерес к исследованию которых связан с возможностью их использования как маркеров в генетическом анализе количественных признаков, знание особенностей наследования которых имеет самое важное значение для любого культурного растения. Диссертация посвящена установлению разрешающей способности гибридологического анализа культурного овса по количественным признакам с использованием данных оценки первых гибридных поколений по этим признакам в сочетании с генетическим анализом исходных форм по генам-маркерам.

Установлено, что изучение нескольких сортов овса и только одного гибридного поколения F₁ от их скрещивания по диаллельной схеме позволяет выявить генетическую гетерогенность между сортами и оценить генетическую структуру популяций исследованных сортов относительно наличия в ней генов с разным типом и направлением действия. Показано, что при помощи этого метода можно получить общее представление о генетической структуре изученных сортов, определить оптимальную схему селекции в зависимости от генотипов исходного материала и характера наследования конкретных признаков, что является полезным как для генетиков, так и для селекционеров.

Сопоставление результатов генетического анализа сортов овса, выполненного методом диаллельных скрещиваний с использованием гибридов F₁ и с использованием теста совместного шкалирования Кавалли, показало, что оба метода дают принципиально одинаковые результаты в плане выявления тех ситуаций, где в генетическом контроле признака принимают участие гены, которые взаимодействуют не аддитивно. Это сопоставление позволило выявить сферу оптимального использования каждого из них: диаллельний анализ удобен и достаточно информативен при необходимости быстрой оценки генетического разнообразия и характера наследования признаков в группе генотипов, которые исследуются впервые; тест совместного шкалирования дает детальную картину генетических отличий между двумя компонентами скрещивания, и его информативность существенно увеличивается при вовлечении результатов генетического анализа тех же сортов по генетическим маркерам.

Идентифицированы гены, которые контролируют синтез авенинов, Ave1, Ave2_a,b (кластер), Ave3, Ave4, Ave5 (кластер), -амилазы (-Amy1, -Amy2). Показано, что геном овса включает как минимум три гена (кластера), которые контролируют синтез авенинов. Установлено характер наследования признаков форма метелки (ген Pt4) и голозерность (идентифицированы два гена, N4, N5). Выявлено сцепление генов-маркеров Pt4, N4, N5, и Ave1 с генами, участие которых в контроле определенных количественных признаков приводит к изменениям средних значений по этим признакам и какие можно рассматривать как идентифицированные QTLs.

Ключевые слова: овес посевной, Avena sativa L., генетический анализ, количественные признаки, морфологические признаки, гены-маркеры.

Summary

Yegorova T.V. - Effectiveness of combination of diallel crosses and method of genetic markers for hybridological analysis of oat cultivated (Avena sativa L.). - Manuscript.

The thesis for scientific degree of a candidate's biological sciences on speciality 03.00.15 - genetics. Institute of Cell Biology and Genetic Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

Dissertation is devoted to revealing of resolving capacity of the hybridological analysis of oat cultivated for several quantitative traits concerning the oat stem and panicle involving the data of assessment of plants belonging to the first hybrid generations (F₁, BC_mF₁, and BC_pF₁) for these traits as well as the results of genetic analysis of the parental varieties as to some gene markers. Diallel analysis was established to be suitable and informative in case of need of fast assessment of genetic diversity and character of trait inheritance into the group of genotypes under condition of their initial investigation. Cavalli's joint scaling test allows us to obtain the detailed pattern of genetic differences between the two cross components. Its informative capacity increases essentially when using the results of genetic analysis of the same varieties concerning the genetic markers.

The genes controlling synthesis of avenines, Ave1, Ave2_a,b (cluster), Ave3, Ave4, Ave5 (cluster), of -amylase (-Amy1, -Amy) are identified. The inheritance character of panicle shape (the gene Pt4) and nakedness (two genes, N4 and N5 are identified) is established. The linkage of marker genes Pt4, N4, N5 and Ave1 with the genes, which should to be considered as identified QTLs, was revealed.

Key words: cultivated oat, Avena sativa L., genetic analysis, quantitative traits, morphological characters, marker genes.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Оптимальне використання генетичного потенціалу виду, що культивується, вимагає знань про межі генетичної мінливості власного генофонду виду і потенційні джерела розширення цих меж за рахунок генофонду споріднених видів. Не менш важливими є відомості про характер успадкування селекційно значущих ознак, а також характеристика генетичної структури сортів стосовно генів, що контролюють ці ознаки. Овес посівний (Avena sativa L.) відноситься до найменш генетично вивчених зернових культур. Це стосується як кількісних ознак, що складають елементи структури врожаю, так і ознак з альтернативною мінливістю, основний інтерес до яких пов'язаний із можливістю їх використання як маркерів у генетичному аналізі ознак з неперервною мінливістю.

На відміну від пшениці, для гексаплоїдних видів вівса не створено повних серій моносомних або нулі-тетрасомних ліній, що значно знизило ефективність використання анеуплоїдного методу та позбавило можливості локалізувати групи зчеплення маркерних локусів на певних хромосомах. Сучасні дослідження з використанням молекулярних маркерів дали змогу приступити до упорядкування карт зчеплення для окремих хромосом вівса посівного (Portyanko et al., 2001). Але опубліковані до теперішнього часу карти груп зчеплення для гексаплоїдного вівса практично не містять генів, що контролюють ознаки, важливі для вівса як виду, що культивується. Причина полягає в тому, що надзвичайно потужний метод генетичного аналізу, яким є метод молекулярно-генетичного маркування, не забезпечений для свого застосування рослинним матеріалом у вигляді гетерогенних гібридних популяцій, батьківські компоненти яких відповідають таким вимогам: (і) константна по роках контрастність у фенотипічному прояві кількісних ознак; (іі) вивченість стосовно генетичного контролю цих ознак в термінах кількості генів, що беруть участь у контролі ознаки, і типу їх алельної та міжгенної взаємодії. Тому задачу генетичного аналізу генотипів вівса та виділення популяцій, перспективних для їх використання як популяцій, що картують, з використанням молекулярно-генетичних маркерів слід вважати найважливішою в генетичних дослідженнях вівса.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертації узагальнено результати науково-дослідної роботи, виконаної у відповідності з тематичним планом програми “Теоретично обгрунтувати і застосувати на практиці засоби та методи генетики і біотехнології для цілей спрямованого формування генетичної компоненти сталих агроекосистем”, номер реєстрації 0196U02975.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи було встановити роздільну здатність гібридологічного аналізу культурного вівса за кількісними ознаками при використанні даних оцінки перших гібридних поколінь за цими ознаками у сполученні з генетичним аналізом вихідних форм за генами-маркерами.

Згідно до поставленої мети було вирішено наступні завдання:

Вивчити вихідні сорти вівса посівного за кількісними ознаками-компонентами продуктивності та за низкою ознак з альтернативною мінливістю (маркерними ознаками).

Одержати гібридні популяції відповідно до намічених для використання методів генетичного аналізу: гібриди F₁ за діалельною схемою для семи сортів різного походження, гібриди F₂, F₃ і першого беккросного покоління до кожного з батьків для сортів, які значуще та стійко відрізняються один від одного за кількісними ознаками.

Виконати фенотипову оцінку рослинного матеріалу за комплексом досліджуваних ознак та первинну статистичну обробку даних.

Виконати генетичний аналіз компонентів схрещування за маркерними ознаками.

Виконати генетичний аналіз компонентів схрещування за ознаками із неперервною мінливістю, оцінити ефективність використання різних наборів популяцій, що розщеплюються, і виявити комбінації схрещування, що становлять інтерес для ідентифікації груп зчеплення генів, що контролюють кількісні та якісні ознаки.

Об'єкт дослідження - генетична структура сортів вівса.

Предмет дослідження - ефективність генетичного аналізу з використанням мінімальної кількості гібридних популяцій, що розщеплюються, і маркерних генів.

Методи дослідження. Візуальна оцінка, морфометричні методи, гібридологічний аналіз, електрофоретичний аналіз білків, методи варіаційної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше в світовій практиці генетичного аналізу гомозиготних генотипів рослин за даними оцінки батьківських форм та гібридів першого покоління від схрещування за діалельною схемою запропоновано та апробовано прийом аналізу даних, що дає змогу виявити ті генотипи з загального набору компонентів схрещування, які мають гени, що формують епістатичні генетичні взаємодії при схрещуванні з іншими генотипами. На основі порівняння роздільної здатності двох методів генетичного аналізу кількісних ознак виявлено сферу оптимального застосування кожного з них: 1) діалельний аналіз є методом швидкого оцінювання генетичної структури групи генотипів, що досліджуються вперше; 2) тест сумісного шкалювання дає детальну картину генетичних розбіжностей між парою генотипів, і його інформативність істотно зростає при залученні результатів генетичного аналізу цих генотипів за генетичними маркерами. Внесок у спеціальну генетику вівса посівного визначається наступним: вперше ідентифіковано гени, що контролюють синтез авенінів, Ave1, Ave2_a,b (кластер), Ave3, Ave4, Ave5 (кластер), -амілази (-Amy1, -Amy2). Показано, що геном вівса включає щонайменше три Ave гени (кластери). Встановлено характер успадкування ознак форма волоті (ген Pt4) та голозерність (ідентифіковано два гени N4, N5). Виявлено зчеплення генів-маркерів Pt4, N4, N5, та Ave1 з генами певних кількісних ознак.

Практичне значення одержаних результатів. В нашій роботі встановлено, що такий нескладний у виконанні експеримент як отримання гібридів першого покоління і їх оцінювання одночасно з батьками дає змогу одержати: 1) загальне уявлення про генетичну структуру вивчених сортів; 2) намітити оптимальну схему селекції в залежності від генотипів вихідного матеріалу і характеру успадкування конкретних ознак, що є корисним як для генетиків, так і для селекціонерів, які працюють з алополіплоїдними культурами. Популяція F₂ від схрещування Карпатський кормовий х Львівський 6 являє собою готовий рослинний матеріал для BSA з різними типами генетичних маркерів. Використана нами методика електрофоретичного розділення авенінів є уніфікованою з методикою електрофорезу гліадинів пшениці і може бути рекомендована для скринінгу зразків вівса з метою сортової паспортизації і генетичної ідентифікації як методика, легка у відтворюванні і яка дає стабільні результати. Ідентифіковані нами біохімічні і морфологічні гени-маркери можуть використовуватись в генетичному аналізі вівса посівного. Встановлене зчеплення їх з генами кількісних ознак дасть змогу проводити добір за непрямими показниками, які легко визначаються. Результати генетичного аналізу показали, що з числа вивчених сортів Сомешан і Чернігівський 28 з одного боку та Скакун і Чернігівський 27 з іншого створюють найбільш перспективні комбінації схрещування щодо появи позитивних трансгресій за низкою кількісних ознак.

Особистий внесок здобувача. Постановку наукових завдань досліджень, інтерпретацію отриманих результатів та розробку структури дисертаційної роботи було здійснено спільно з науковим керівником. Результати експериментальних досліджень, представлені в дисертаційній роботі, аналіз одержаних результатів і формування висновків було виконано дисертантом особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на науково-практичному семінарі молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (Київ, Україна 1999); на міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених та спеціалістів “Селекція, насінництво і технологія вирощування цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни” (Київ, Україна 2001); на міжнародній конференції молодих вчених “Сучасні проблеми генетики, біотехнології та селекції рослин” (Харків, Україна 2001); на міжнародній науковій конференції “Сталий розвиток агроекосистем” (Вінниця, Україна 2002); на Всеукраїнській конференції молодих вчених “Засади сталого розвитку аграрної галузі” (Київ, Україна 2002).

Публікації. Основні результати дисертації викладено у 4 статтях у провідних фахових виданнях та тезах 4 доповідей на наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, опису матеріалу та методів дослідження, результатів дослідження та їх обговорення, висновків та списку використаної літератури, який містить 185 найменувань, з них 131 іноземною мовою, додатків. Роботу викладено на 144 сторінках, результати досліджень наведено у 49 таблицях та 21 рисунку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали і методи. В якості матеріалу для досліджень використали генотипи сортів вівса Чернігівський 27, Чернігівський 28, Райдужний, Деснянський, Львівський 6, Карпатський кормовий вітчизняної селекції, Скакун, Сомешан, Альф (Росія) і Абель (Чехія) - закордонної селекції та гібриди між ними. Сім сортів з 10 було схрещено за діалельною схемою, для низки комбінацій отримували беккроси до кожного з батьків, сорти Львівський 6, Карпатський кормовий та Абель брали участь в окремих комбінаціях схрещування. Кількість рослин у популяціях, що не розщеплюються, варіювала від 50 до 150 рослин для батьківських форм та від 20 до 30 рослин для F₁. Популяції, що розщеплюються, включали від 80 до 110 рослин у беккросних поколіннях та до 220 рослин в F₂. Вивчали кількісні ознаки: висота рослин (см), продуктивна кущистість (шт.), довжина волоті (см), кількість гілочок у волоті (шт.), кількість квіток у волоті (шт.), кількість зерен у волоті (шт.), щільність волоті, маса зерна з волоті (г), маса зерна з рослини (г), маса 100 зерен (г); якісні ознаки: форма волоті (розкидиста, одногрива), голозерність-плівчастість, електрофоретичні спектри запасних білків (авенінів) та альфа-амілази у поліакриламідному гелі (ПААГ). Електрофорез авенінів проводили в модифікованій системі Бжезинського (Антонюк, 1995). Електрофорез альфа-амілази проводили за загальноприйнятою методикою. Дані статистично обробляли. Значущість генетичних ефектів визначали за критерієм Ст'юдента. Відповідність емпіричних співвідношень фенотипічних класів теоретичним перевіряли за критерієм ч² (Лакін,1980).

Результати оцінки гібридів першого покоління від схрещувань сортів за діалельною схемою аналізували у відповідності з методиками, запропонованими Hayman B.I. (1954), Aksel R., Johnson L. (1963). З метою генетичного аналізу сортів вівса за кількісними ознаками за даними оцінки першого-другого поколінь та беккросів використали тест сумісного шкалювання Каваллі (Mather K., Jinks J.L., 1971). Для підбору моделі, адекватної для опису емпіричного ряду середніх значень, використали дві моделі: адитивно-домінантна без урахування будь-яких взаємодій та модель з урахуванням взаємодії двох генів. Другу використовували лише у випадку неадекватності першої. Перевірку на сумісну передачу генів-маркерів та генів, що беруть участь в контролі кількісних ознак, проводили за методикою, модифікованою Т.К. Терновською (2000).

Характеристика батьківських сортів за кількісними ознаками. На першому етапі батьківські сорти було вивчено за кількісними ознаками, перерахованими раніше, з застосуванням таких статистичних параметрів як середнє значення ознаки, стандартне квадратичне відхилення, коефіцієнт варіації, ліміти. На основі отриманих даних порівняли батьківські форми за усіма вивченими ознаками за три вегетаційні періоди. Ознаки висота рослини, довжина волоті, кількість гілочок, квіток та зерен, а також щільність волоті характеризуються пропорційною зміною середніх значень від першого року досліджень до третього. Другий та третій роки були сприятливими для рослин вівса, і вегетативний розвиток рослин був досить потужний. Всі перераховані ознаки в другий-третій роки вивчення характеризувались більшими числовими значеннями, ніж у перший. Найбільш стабільним практично за всіма ознаками виявився сорт Чернігівський 28, середні значення ознак у інших сортів теж коливалися незначним чином. Це дає змогу припустити, що в генетичному контролі ознак в роки вивчення брали участь ті самі генетичні структури, що дає можливість включити вивчені сорти до схрещувань для генетичного аналізу за всіма ознаками.

Виявлення міжсортової генетичної гетерогенності вівса за результатами діалельного аналізу F_1. За даними оцінки батьківських форм і гібридів F₁ досліджуваних ознак проведено регресійний аналіз коваріанс на варіанси і дисперсійний аналіз мінливості за рядами варіанс-коваріанс. Адитивно-домінантна (АД) модель виявилася адекватною для опису успадкування тільки однієї ознаки, щільність волоті. В генетичному контролі усіх інших вивчених ознак беруть участь гени як з адитивною міжгенною взаємодією, так і з неадитивним типом взаємодії (епістаз). Щоб з'ясувати, які саме з вивчених сортів беруть участь в епістатичних взаємодіях, що порушують АД модель, з масиву даних по черзі видаляли кожний з семи сортів і всі гібриди за його участю, скорочуючи діалельну схему до 6х6, 5х5 і 4х4. При видаленні саме таких сортів АД модель виявлялась адекватною картині успадкування, що спостерігається. Частіше інших таким сортом був Скакун і його сполучення з іншими сортами, насамперед, із Сомешаном, Чернігівським 27, Райдужним. На другому місці -- сорт Сомешан і його сполучення з сортами Чернігівський 28 та Альф. Успадкування двох ознак із десяти вивчених нами, висоти рослин і продуктивної кущистості, не можна було описати адитивно-домінантною моделлю в жодній з багатьох випробуваних нами схем 7х7, 6х6, 5х5 і 4х4.

Встановлено, що усі без винятку ознаки вівса з числа вивчених контролюються системою генів, домінантні алелі яких діють у напрямку збільшення числового прояву ознаки. Характеристику сортів із вивченої вибірки стосовно до володіння максимальною кількістю рецесивних (або домінантних) генів, наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Результати генетичного аналізу досліджуваного набору сортів вівса за даними оцінки варіанс-коваріанс

Для ознаки щільність волоті, генетичний контроль якої адекватно описувався АД моделлю за участі всіх сортів вивченого набору, не вдалося виявити сортів, що відрізняються один від одного за кількістю домінантних або рецесивних генів.

В усіх випадках адекватності адитивно-домінантної гіпотези на підставі середніх значень за ознаками у сортів і гібридів було виконано дисперсійний аналіз, спрямований на вивчення значущості дії різного типу міжгенної (адитивна дія) і міжалельної (адитивна дія алелів одного гену або домінантно-рецесивна) взаємодії в досліджуваній системі генотипів у цілому. Адитивний тип міжгенної або міжалельної взаємодії виявився значущим для всіх ознак, так само як і домінування. Шляхом розкладання дисперсії з використанням масиву даних коваріанси-варіанси встановлено, що частка алелів u (збільшують ознаку) завжди вища частки алелів v (зменшують ознаку) і перші домінують для усіх ознак, крім щільності волоті.

Таким чином, для отримання загальної інформації про успадкування будь-якої ознаки у групі зовсім невивчених ще генотипів можна успішно використовувати діалельні схрещування. Спираючись на отриману інформацію, можна відбирати зразки, найбільш придатні для детального генетичного аналізу стосовно ознаки, що становить інтерес.

Результати, одержані за допомогою методу визначення коефіцієнтів успадкування, підтверджують результати діалельного аналізу: домінантні та епістатичні ефекти переважають над адитивними для більшості ознак.

Генетичний аналіз сортів вівса за даними оцінки поколінь, що розщеплюються. За всіма вивченими кількісними ознаками було оцінено не тільки генетично однорідні популяції (компоненти схрещування та гібриди F₁), але і популяції, що розщеплюються: в усіх випадках F₂, в ряді випадків додатково-- беккроси до кожного з батьків. Для аналізу використовували тест сумісного шкалювання Каваллі (Mather K., Jinks J.L., 1971) для чотирьох або шести популяцій. В пошуках адекватної моделі тестували дві моделі: адитивно-домінантну і модель з урахуванням взаємодії двох генів. Адитивно-домінантна модель виявилася придатною для опису генетичних розбіжностей між компонентами схрещування для більшості комбінацій за ознаками, що характеризують кількісні параметри волоті (рис. 1). В низці випадків підібрати адекватну модель не вдалося, оскільки кількість наявних популяцій не давала змоги розглядати моделі більш складні, ніж за участю двох генів, що взаємодіють. Складність генетичних розбіжностей між сортами особливо стосується контролю ознак, пов'язаних з масою зерна. У тих випадках для шести популяцій, коли адитивно-домінантна модель виявилася неадекватною, міжгенна взаємодія визначалася в більшості випадків за типом дуплікатного епістазу, для якого характерне сполучення значущих параметрів [h] та [l] з протилежними знаками.

За результатами, отриманим у тесті Каваллі, параметр [h] інколи має негативний знак, тобто фіксується домінування генів, що діють у напрямку зменшення фенотипічного прояву ознаки. Це суперечить висновкам, зробленим за результатами діалельного аналізу для усіх вивчених ознак, крім ознаки довжина волоті. Можливо, це можна пояснити тим, що висновок щодо напрямку дії генів у діалельному аналізі зроблено на підставі оцінки дисперсії числових значень ознак, а не їхніх середніх значень, як у тесті Каваллі. Іншою можливою причиною є розходження в порівнюваних об'єктах. У тесті Каваллі -- це два генотипи. У діалельному аналізі -- відразу кілька генотипів відповідно кількості сортів, що беруть участь у діалельному схрещуванні.

Результати тесту сумісного шкалювання, який виконується за участю більшої кількості популяцій від схрещування однієї пари сортів включаючи такі, що розщеплюються, мають більш конкретний зміст у порівнянні з результатами діалельного аналізу. Висновки, які випливають з результатів тесту сумісного шкалювання як більш об'єктивні можуть коректувати результати діалельного аналізу, який дає характеристику генетичної структури усіх вивчених сортів у цілому. Основним результатом досліджень є встановлення того факту, що генетичний аналіз сортів вівса, як самозапильної культури, виконаний методом діалельних схрещувань з використанням гібридів F₁ (швидка оцінка групи сортів стосовно загальних характеристик генетичних розбіжностей між ними) та більш трудомістким тестом сумісного шкалювання Каваллі, дає однакові результати в плані виявлення ситуацій, коли в генетичному контролі ознаки беруть участь гени, що взаємодіють не адитивно.

Серед вивчених нами ознак в межах групи застосованих сортів тільки ознаки висота рослини, довжина волоті, кількість гілочок на волоті, кількість квіток (або зерен) на волоті, маса зерна з волоті і маса 100 зерен виявилися такими, що можна вивчати їх успадкування і сподіватися на ідентифікацію та локалізацію QTLs.

Генетичний аналіз вівса за якісними ознаками

Генетичний аналіз сортів вівса посівного за ознаками форма волоті та голозерність-плівчастість виконано на основі оцінки популяцій F₁, F₂ та ВС_а від чотирьох комбінацій схрещувань з використанням сортів вівса з альтернативним проявом ознак, що вивчаються: Абель (голозерний), Скакун, Чернігівський 27 та Деснянський (плівчасті). Встановлено, що плівчасті сорти є гомозиготами за двома генами з адитивним типом міжалельної взаємодії (напівдомінування), а їх рецесивні алелі несе голозерний сорт Абель. Складна взаємодія генів включає комплементарність напівдомінантних алелів з появою новоутворення (проміжний тип прояву ознаки) та некумулятивну полімерію генів, коли одного, будь-якого напівдомінантного алеля досить для формування ознаки плівчастості. Ми не маємо можливості дослідити ідентичність генів, які виявлено у нашій роботі, вже описаним генам N1-N3, тому позначаємо їх як інші гени - N4 та N5.

За ознакою форма волоті у F₂ від схрещування контрастних сортів Карпатський кормовий (одногрива волоть) та Львівський 6 (розкидистий тип волоті) мало місце розщеплення 54 одногривих до 24 розкидистих - співвідношення 3 одногривих : 1 розкидиста (² = 1,07 < ²_ст0,05). В аналізуючому беккросі спостерігали співвідношення 1:1 (² = 2,11 < ²_ст0,05). Зроблено висновок про участь у контролі ознаки гену Pt4, домінантний алель якого, контролює розвиток одногривої форми волоті.

За допомогою застосованої нами методики одномірного електрофорезу в кислому поліакриламідному гелі в електрофоретичних спектрах авенінів досліджуваних сортів (Чернігівський 27, Чернігівський 28, Альф, Скакун, Абель) було виявлено від 5 до 7 компонентів (рис. 2). Вивчення спектрів авенінів п'ятьох батьківських сортів та гібридів F₁ і F₂ від їх схрещування в різних комбінаціях, показало, що мінімум два гени (кластери), які кодують синтез авенінів, можна ідентифікувати в генотипі кожного сорту. При вивченні гібридів від схрещування сортів Скакун х Чернігівський 28, Альф х Чернігівський 28 показано, що Скакун та Альф мають два Ave гени, а Чернігівський 28 - один, але цей Ave-ген не алельний жодному з Ave-генів сортів Скакун та Альф. Це свідчить про те, що синтез авенінів у вівса посівного кодується щонайменше трьома генами, і це відповідає алогексаплоїдній природі його генотипу.

Всі інші компоненти є спільними для обох сортів і присутні на спектрах електрофореграм всіх зернівок, як батьківських форм, так і F₁ та F₂. За результатами аналізу спектрів батьківських сортів, F₁ та F₂ встановлено, що генетичний контроль зазначених компонентів здійснюється двома незалежними генами, які ми позначаємо Amy1_ch та Amy2_Sk. Отже, компоненти та блоки компонентів ?-амілази вівса можна використовувати як генетичні маркери.

Встановлення зчеплення між генами-маркерами та генами, що контролюють досліджені ознаки вівса з неперервною мінливістю. З результатів попереднього розділу видно, що як генетичні маркери для формування груп зчеплень можуть бути використані гени, що кодують синтез авенінів (Ave1-Ave5), альфа-амілази (Amy1, Amy2), форми волоті (Pt4) та голозерності-плівчастості (N4, N5).

Сорт Карпатський кормовий має домінантний алель гену Pt4, що обумовлює одногриву форму волоті, майже за всіма вивченими нами кількісними ознаками перевищує сорт Львівський 6, який має рецесивний алель цього гену і розкидисту волоть. Серед рослин покоління F₂ було сформовано дві групи у відповідності з двома градаціями ознаки: рослини з одногривою волоттю або з розкидистою та розраховано групові середні значення за всіма кількісними ознаками, що нами вивчалися. Порівняння групових середніх значень за кожною з кількісних ознак показало, що вони не відрізняються один від одного тільки за висотою рослини і продуктивною кущистістю. За всіма іншими ознаками середні значення в групі рослин з одногривою волоттю (градація ознаки, притаманна сорту Карпатський кормовий) перевищують середні значення для групи рослин F₂ з розкидистою волоттю на рівні значущості від 0,05 до 0,001.

Відмінності між груповими середніми мають місце і для тих ознак, за якими батьківські сорти один від одного не відрізнялися (щільність волоті, кількість квіток на волоті). Можна зробити висновок, що разом з геном Pt4 нащадку передається якийсь QTL, експресія якого істотно виявляється на кількісних ознаках волоті вівса. У нашому випадку, рецесивний алель рt4 (сорт Львівський 6) зчеплений (спільно передається) з тим алелем QTL, що відповідає за зменшення середніх значень ознак довжина волоті, кількість у ній гілочок, квіток і зерен, всі ознаки маси зерна. Цю комбінацію схрещування можна рекомендувати для створення рекомбінантно-інбредних ліній і використання для Bulked Segregant Analysis (Michelmore R.W. at al., 1991).

Сорт Абель має рецесивні алелі генів N4, N5, що обумовлюють голозерність, а сорти Скакун, Деснянський, Чернігівський 27 -- домінантні алелі цих генів, які обумовлюють плівчастий тип зерна. За всіма вивченими кількісними ознаками, сорти Абель та Скакун не відрізняються один від одного. Порівняння групових середніх значень за кожною з кількісних ознак показало, що сорти Абель та Скакун не відрізняються один від одного за ознаками, які є кількісними характеристиками волоті. За продуктивною кущистістю та масою зерна з рослини середні значення в групі рослин F₂ з голозерним типом зерна (градація ознаки, притаманна сорту Абель) перевищують середні значення для групи рослин F₂ з плівчастим типом зерна на рівні значущості 0,001. За ознаками висота рослини, маса зерна з волоті, маса 100 зерен навпаки, середні значення для групи рослин F₂ з плівчастим типом зерна перевищують середні значення в групі рослин F₂ з голозерним типом зерна (градація ознаки, притаманна сорту Абель) на рівні значущості від 0,05 до 0,001.

Відмінності між груповими середніми мають місце, хоча батьківські сорти один від одного не відрізнялися за жодною з вивчених кількісних ознак. Результати генетичного аналізу сортів з плівчастим (три різні сорти) та голозерним типом зерна (сорт Абель) свідчать, що комплементарні гени N4 та N5 розміщені в різних групах зчеплення, можливо, в різних хромосомах. Через відсутність потрібної кількості генів-маркерів, ми не встановили, з яким саме з двох генів, N4 чи N5, має сумісну передачу QTL (або QTLs), участь якого (яких) в контролі ознак маса зерна, продуктивна кущистість та висота рослини визначається в результаті його (їх) сумісного успадкування з алелями, що контролюють голозерний-плівчастий тип зерна. Для двох ознак з п'яти, для яких зафіксовано значущу відмінність між груповими середніми, відмінностей за ознаками продуктивна кущистість та маса 100 зерен між компонентами схрещування не було та для ознаки маса зерна з рослини не встановлено відповідності між напрямком різниці між середніми значеннями у батьків та в групах F₂. Це пояснюється результатами генетичного аналізу сортів Скакун та Абель за кількісними ознаками. Для всіх перерахованих ознак було встановлено генетичний контроль за участю міжгенної взаємодії. У нас недостатньо популяцій, що розщеплюються, від цього схрещування для того, щоб за допомогою тесту сумісного шкалювання встановити, чи знаходяться гени, взаємодія між якими створює певний фенотиповий ефект, в стані притягання (належать одному батьківському сорту) або відштовхування (знаходяться в генотипах партнерів зі схрещування). Однак те, що в F₂ з'являється група рослин з фенотипом, який за генетичним маркером відповідає одному з батьків, а за кількісними ознаками являє собою трансгресію, є певним доказом на користь того, що гени знаходяться у стані відштовхування.

Інша пара сортів - носіїв контрастних градацій ознаки, Деснянський та Абель відрізняються за трьома кількісними ознаками з числа вивчених. Порівняння групових середніх значень за кожною з кількісних ознак показало, що вони відрізняються один від одного майже за всіма кількісними ознаками (виключення - довжина та щільність волоті). Середні значення для групи рослин F₂ з плівчастим типом зерна за всіма кількісними ознаками перевищують середні значення в групі рослин F₂ з голозерним типом зерна (градація ознаки, притаманна сорту Абель) на рівні значущості від 0,05 до 0,001. Для ознак висота рослини, маса зерна з рослини та волоті, мають місце відмінності між середніми як для компонентів схрещування, так і для середніх між групами рослин у F₂ з батьківськими фенотипами з маркерною ознакою.

Це дає змогу прямо пов'язувати гени, що сприяють зменшенню фенотипового прояву перерахованих ознак, та гени голозерності сорту Абель. Згідно результатів генетичного аналізу сортів Деснянський та Абель, мова йде, переважно, про внесок генів з адитивним ефектом. Для ознак кількість гілочок та квіток (зерен) на волоті і маса 100 зерен в F₂ з'являється група рослин з фенотипом сорту Абель (голозерність), але з кількісним виразом, який являє собою негативну трансгресію. У порівнянні з комбінацією Скакун х Абель, генетичні відмінності між сортами Деснянський та Абель описуються простіше. В цьому випадку трансгресивне розщеплення може бути результатом участі в ньому різних генів з адитивним типом міжгенної взаємодії.

Щодо комбінації Чернігівський 27 х Абель, то з числа вивчених кількісних ознак, ці сорти не відрізняються один від одного тільки за ознаками щільність волоті, кількість квіток (зерен) на волоті та маса 100 зерен. Перші дві ознаки є саме такими, за якими у бік зменшення середнього значення, відрізняється група рослин у F₂ з фенотипом сорту Абель за маркерною ознакою.

Можна припустити, що носієм такого алеля, який успадковується сумісно з одним з генів голозерності, є сорт Абель.

Для цієї комбінації нами проаналізовано і можливість зчеплення (спільної передачі) маркерних генів авенінів Ave5 (сорт Абель) та Ave2_b (сорт Чернігівський 27) та ряду кількісних ознак вівса. Але жодного випадку сумісної передачі цих маркерних генів з генами, які контролюють інші ознаки, виявлено не було.

Серед рослин F₂ від схрещування Скакун х Чернігівський 28 виявлено групу рослин із фенотипом сорту Чернігівський 28 за електрофоретичним спектром, яка лише за ознакою маса зерна з волоті відрізнялася в більшу сторону від групи рослин зі спектром авенінів фенотипу сорту Скакун, що забезпечується геном Ave1_Sk, на рівні значущості 0,05. Сумісної передачі генів Amy з QTLs жодної вивченої ознаки не виявлено.

Результати вивчення на незалежне успадкування генів (генетичних кластерів) Ave та Amy свідчать про те, що жоден з генів Ave, які незалежно успадковуються, не утворює групу зчеплення з геном Amy1 (або Amy2) в досліджуваній нами комбінації схрещування Чернігівський 28 х Скакун.

В комбінації схрещування Чернігівський 27 х Абель не виявлено зчеплення між генами авенінів та N4 i N5, які контролюють ознаку голозерність у вивченого нами генотипу сорту Абель.

Результатом генетичного аналізу п'яти популяцій F₂, які одержано від схрещування п'яти сортів вівса в різних поєднаннях, є встановлення феноменів, які можна розглядати як наслідок розміщення в одній групі зчеплення деяких з вивчених нами генів-маркерів (Pt4, N4, N5, Ave1) та генів, участь яких в контролі певних кількісних ознак призводить до зміни середніх значень за цими ознаками в залежності від наявності у рослини того чи іншого алеля цього QTL. Для генів-маркерів Amy1, Amy2, Ave2, Ave3, Ave4 та Ave5 не виявлено сумісної передачі з жодним з генів, що вносять суттєвий внесок в генетичний контроль кількісних ознак вівса, які було вивчено.

ВИСНОВКИ

1. Сучасні знання про генетику вівса посівного, алогексаплоїда, в основному зведені до ідентифікації груп зчеплення молекулярно-генетичних маркерів та часткового зіставлення цих груп із хромосомами диплоїдних дикорослих видів вівса. Практично не встановлено зв'язку між молекулярними маркерами та генами, які контролюють ознаки розвитку і продуктивності рослин. Задача підготовки рослинного матеріалу вівса на рівні встановлення характеру успадкування найбільш важливих з цих ознак для його подальшого використання як популяцій, що картують, для об'єднання молекулярно-генетичних маркерів і кількісних ознак є сьогодні найважливішою в генетиці вівса.

2. Показано, що генетична гетерогенність сортів вівса посівного може бути констатована за результатами фенотипової оцінки гібридів F₁ від діалельних схрещувань. Цього досить для виявлення сортів-носіїв генів, відповідальних за формування в гібридах епістатичних взаємодій, що є джерелом генетично обумовленої різноманітності і становить інтерес для випробовування генетичних джерел як компонентів схрещування в селекції, але ускладнює їх генетичний аналіз.

3. На основі діалельного аналізу генетичної структури популяції із семи сортів вівса виявлено, що джерелом генів кількісних ознак з епістатичним типом взаємодії є лише окремі сорти, переважно, віддалені один від одного за походженням. Для генетичного контролю більшості ознак характерно наддомінування, і домінантна дія генів переважає над адитивною. Частота генів “u”, що діють у напрямку збільшення ознаки, в популяції вище частоти генів “v”, що зменшують середні значення для усіх вивчених ознак.

4. Показано, що генетичний аналіз вівса посівного методом діалельних схрещувань з використанням гібридів F₁ та методом тесту сумісного шкалювання Каваллі призводить до однакових висновків щодо виявлення участі епістатичних генів в генетичному контролі ознаки та для отримання загальної інформації про успадкування ознак у групі генотипів, що вивчаються вперше, діалельний аналіз має переваги перед методом сумісного шкалювання, який є більш працемістким.

5. Доведено, що роздільна здатність тесту сумісного шкалювання, який є ефективним методом генетичного аналізу гомозиготних генотипів за кількісними ознаками прямо залежить від наявності у компонентів схрещувань поліморфізму за генетичними маркерами.

6. Ідентифіковано міжсортовий поліморфізм за генами, що кодують синтез авенінів та альфа-амілази. Виявлено незалежне комбінування за трьома генами Ave, що відповідає алогексаплоїдній природі вівса посівного.

7. Ідентифіковано гени голозерності, N4 та N5, ген одногривої форми волоті, Pt4, і встановлено міжсортовий поліморфізм за цими генами. Встановлено, що ознаки голозерність та одногрива форма волоті характеризуються повною пенетрантністю та повноцінною експресивністю і є потенційними генетичними морфологічними маркерами.

8. На основі спільного застосування тесту сумісного шкалювання та методу генетичного маркування встановлено зчеплення деяких з вивчених нами генів-маркерів (Pt4, N4, N5, Ave1) та генів, участь яких в контролі певних кількісних ознак призводить до зміни середніх значень за цими ознаками в залежності від наявності у рослини того чи іншого алелю QTL.

ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Скорик В.В., Пасічник С.В., Єгорова Т.В. Фенотипічна мінливість висоти рослин та маси 1000 зерен сортів вівса // Агроекологія та біотехнологія: збірник наукових праць. - 1999. - Вип.3. - С. 113-116.

2. Скорик В.В., Єгорова Т.В. Прояв фенотипічної мінливості кількісних ознак у вихідних батьківських форм вівса // Тези науково-практичного семінару “Вчимося господарювати”. - Київ. - 1999. - С. 20-21.

3. Єгорова Т.В. Фенотипічні кореляції вівса // Матеріали наукової конференції “Селекція, насінництво і технологія вирощування цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни”. - Київ. - 2000. - С. 61-66

4. Єгорова Т.В. Успадкування кількісних ознак вівса // Тези міжнародної конференції “Сучасні проблеми генетики, біотехнології і селекції рослин”. - Харків. - 2001. - С. 22-23.

5. Егорова Т.В., Скорик В.В., Терновская Т.К. Выявление межсортовой генетической гетерогенности овса по результатам диаллельного анализа F₁ // Цитология и генетика. - 2002. - 36, № 4. - С. 8-16.

6. Єгорова Т.В., Скорик В.В. Значення генетичної компоненти для оптимізації селекції вівса // Матеріали міжнародної наукової конференції “Сталий розвиток агроекосистем”. - Вінниця. - 2002. - С. 125-127.

7. Єгорова Т.В. Успадкування кількісних ознак вівса // Агроекологічний журнал. - 2002. - № 3. - С. 50-53.

8. Єгорова Т.В. Успадкування якісних ознак вівса посівного (Avena sativa L.) // Матеріали Всеукраїнської конференції молодих вчених “Засади сталого розвитку аграрної галузі”. - Київ. - 2002. - С. 64-66.

Размещено на Allbest.ru