Белки зерна пшеницы как генетические маркеры в изучении природы и происхождения геномов пшеницы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТЧЁТ

о выполнении практической работы по дисциплине "Биотехнологические основы производства и хранения продуктов питания из растительного сырья"

Белки зерна пшеницы как генетические маркеры в изучении природы и происхождения геномов пшеницы

Введение

На протяжении многих лет белки пшеничного зерна являются предметом интенсивного и многостороннего изучения. Это вызвано той исключительно важной ролью, которую они играют в питании человека.

Особенно активно и с большим успехом ведутся исследования по биохимии белков в связи с технологией хлебопечения, производства макаронных изделий и в связи с селекцией пшеницы на качество зерна.

Сравнительно недавно возник новый аспект изучения - использование отдельных фракций белка пшеничного зерна в качестве маркеров генома, хромосом и других систем в генетическом и филогенетическом анализе. Работы в этом плане имеют исключительное значение для решения актуальных проблем происхождения, генетики и селекции пшеницы.

1. Пшеница. Общая характеристика

Пшеница - одна из самых древних и важнейших злаковых культур, возделываемых человеком. Это - важная продовольственная культура для большинства населения земного шара. Ценность зерна пшеницы заключается в том, что она способна образовывать клейковину, имеющую большое значение для выпечки хлеба, изготовления макарон, манной крупы и других хлебных изделий.

Пшеничная мука дает хлеб лучшего качества, более вкусный и полнее усвояемый, чем мука из других культур (ржи, ячменя, овса, кукурузы). Пшеничное зерно и продукты его переработки имеют также диетическое (хлебцы, изготовленные из цельного зерна, с примесью клейковины и др.) и лечебное значение. Пшеничную муку и пшеничный крахмал используют для косметических паст и горячих припарок, повязок как противоядие при отравлении бромом и йодом и т. д^[4].

Хлебные изделия отличаются достаточной калорийностью. Человек для своей жизнедеятельности необходимую энергию пополняет на 20% за счет пшеницы.

Вкусовые качества, калорийность и питательность продуктов из пшеницы зависят от химического состава зерна.

Химический состав зерна изменчив. Это зависит от многих факторов.

Ценность белка пшеницы заключается в наличии незаменимых аминокислот.

Общий ареал распространения культурных пшениц огромен и охватывает все континенты земного шара. Ее посевы встречаются в горах Швеции и на южных границах Африки и Австралии. Но пшеница в основном культура степная. На территории СНГ занимает степи и лесостепи, в Северной Америке _ прерии, в Южной Америке - пампу, в Австралии - степные и полупустынные районы.

Родиной многих видов пшениц является Средняя Азия, Закавказье. Здесь обнаружены многие разновидности мягкой пшеницы.

На сегодняшний день пшеница возделывается на всех континентах мира^[1].

1.1 Виды и разновидности пшеницы

Пшеница представлена большим разнообразием видов.

Систематика:

Все виды пшениц по числу хромосом разделены на 4 генетические группы:

1. Диплоидные-2п=14

Дикая беотийская однозернянка;

Дикая пшеница Урарту;

Культурная однозернянка;

Пшеница Синская.

2. Тетраплоидные виды-2п=28

Араратская;

Дикая двузернянка;

Пшеница Тимофеева;

Полба двузернянка;

Полба Исфаханская;

Твердая;

Персикум;

Тургидум (английская);

Полоникум (польская);

Эфиопская;

Пшеница Милитины.

3. Гексаплоидные-2п=42

Пшеница Маха;

Пшеница спельта;

Пшеница Вавилова;

Пшеница мягкая;

Пшеница карликовая;

Пшеница шарозерная;

Пшеница Жуковского;

Пшеница Петропавловского.

4. Октаплоидные-2п=56

Пшеница Грибобойная;

Пшеница тимоновум.

Наибольшее распространение в нашей стране получила мягкая и твердая пшеница. Названия «мягкая» и «твердая» представляют собой ботанические классификационные термины, их нельзя рассматривать как физические понятия.

Мягкая пшеница. Tr.aestivum L.- является наиболее пластичной по всем своим свойствам по сравнению с другими видами.

Мягкая пшеница высевается от полярного круга до южного полушария. Вид имеет 100 разновидностей. Основные признаки: колосья остистые и безостые, опушенные и неопушенные, длина колоса 5-15см, лицевая сторона колоса шире боковой. Колосья рыхлые и плотные, плотность Д= 10- 38. Продолжительность стадии яровизации различная, имеются озимые, полуозимые и яровые формы. Число узлов 4-7. Хорошо развивается при длинном световом дне. У северных пшениц ости ломкие, тонкие, у южных - плотные, грубые, неломкие. Встречаются фуркатные формы (вместо остей бывают небольшие отростки). Опушенность колоса часто зависит от условий внешней среды при прохождении 6-7 этапа органогенеза (влажность воздуха и почвы).

Твердая пшеница. Tr.durum Desf. Имеет более узкий ареал распространения, чем мягкая пшеница. В основном имеет яровые формы, озимые и полуозимые встречаются редко. Вид имеет 56 разновидностей.

Основные признаки: колос сжатый, боковая сторона колоса шире лицевой. Колос опушенный или неопушенный, всегда остистый. Длина колоса 5-15см, длина остей 10-23 см. Плотность колоса Д=26-40. Колоски многоцветковые. Колосковые чешуи кожистые, с ясно выраженным килем и зубцом. Отличительная особенность-зерно стекловидное и содержит много белка. Этим отличается от многих видов. Но при неблагоприятных условиях урожаи резко падают. Вид отличается засухоустойчивостью, а также устойчивостью к энтовредителям, не полегает, не осыпается. Соломина выполнена частично или полностью. Высота растений 80- 120см. Различные признаки твердой пшеницы формируются под действием условий внешней среды на этапах органогенеза. Формирование признаков завершается на 12 этапе^[1,4].

1.2 Морфологические особенности

Пшеница имеет два типа корней: зародышевые, появляющиеся при прорастании семян, их обычно бывает 1-5 штук. Придаточные корни образуются позднее из нижних стеблевых узлов и становятся постоянными корнями. При неблагоприятных условиях придаточные корни могут не развиться, тогда зародышевые корни становятся единственными и главными корнями растений, но при этом резко снижается урожай. Каждый вторичный стебель образует свой придаточный корень. В конечном итоге образуется разветвленная придаточная корневая система, которая распространяется вглубь на 60-180см. Образование корней происходит до начала фазы колошения. Вначале корни растут за счет питательных веществ эндосперма, а при функционировании зародышевых корней питание поступает в растение из почвы.

Стебель (соломина) прямостоячий, цилиндрический, состоит из узлов и междоузлий, гладкий. Междоузлия голые, а узлы выполнены.Число узлов обычно бывает шесть, но встречаются формы с большим или меньшим числом узлов. Самое нижнее междоузлие очень короткое, второе имеет длину 2,5 см. На нем образуются вторичные побеги. Верхние междоузлия удлиняются постепенно и самое длинное междоузлие-это верхнее, которое несет колос. Вторичных побегов может быть несколько, это зависит от условий возделывания. Высота растений имеет очень важное значение для уборки урожая. Селекционерами Мексики выведены сорта с короткими и жесткими стеблями. Они не полегают и дают высокий урожай зерна. Окраска соломины золотисто-желтая, белая.

Семядоля - это щиток по длине чуть выше зародышевого стебля. Эпидермис щитка прилегает плотно к эндосперму. Щиток выделяет фермент - диастазу, которая расщепляет крахмал эндосперма. Питательные вещества эндосперма поступают в зародыш во время прорастания семени.

Колеоптиль - это первый лист, имеющий цилиндрическую форму, покрывающую 2-3 зачаточных листа на верху с небольшим отверстием, через которое появляются первые зеленые листья. Некоторые ученые считают колеоптиь влагалищем листа без листовой пластинки. Колеоптиле бывает зеленого цвета или почти белый со слабой фотосинтетической активностью.

Листья. Настоящие листья очередные, расположены на соломине в два ряда. Каждый лист повернут к выше и ниже расположенным на 180°.

Настоящий лист состоит из влагалища, листовой пластинки, язычка и ушков.

Каждое влагалище расщеплено вдоль узла, где оно закрепляется к соломине. Пластинка имеет линейное и параллельное жилкование. На месте перехода влагалища в пластинку расположен тонкий, пленчатый язычок, который плотно охватывает соломину. Язычок бесцветен. По краям влагалища расположены ушки, они плотно охватывают стебель, имеют светло-зеленый или розоватый цвет.

Соцветие - колос. Стержень колоса состоит из узлов и междоузлий. Каждое междоузлие расширено к верху, на площадке которого находятся колоски. Колоски - это редуцированные побеги. Каждый колосок состоит из двух колосковых чешуй и из 2-5 цветков. Каждый цветок имеет две цветковые чешуи и между ними расположены 3 тычинки, один пестик и два лодикуле. Во время цветения лодикуле набухает , благодаря чему цветковые чешуи раздвигаются и тычинки выбрасываются наружу. После цветения лодикулы спадают. Пестик состоит из завязи и двухлопастного рыльца. Колосковые чешуи ниже колоска. Форма, длина, киль, килевой зубец имеют постоянные признаки и используются при классификации пшеницы. Колосья пшеницы различаются по форме, величине, длине, ширине, плотности, остистости.

Зерновка - это односемянный плод с тонким и плотным околоплодником (перикарпием). Зерновка овальная или удлиненная. Зародыш занимает 1/6-1/4 часть зерновки. Зародыш развивается быстрее, чем эндосперм. Поверхность зерновки гладкая или слегка морщинистая. На конце имеется пучок волосков (хохолок). На брюшной стороне имеется бороздка. Окраска зерновки красная (красновато-бурая) или белая^[1].

1.3 Химический состав зерна пшеницы

Средний химический состав зерна пшеницы приведен в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты	Пшеница
	Зерно цельное	Только зародыш
Сырой белок	13,3	26,6
Жир	2,0	10,9
Минеральные вещества	1,7	4,3
Клетчатка	2,3	2,5
Другие углеводы	68,7	44,2
Вода	12,0	11,5

Некоторые исследователи придерживаются того взгляда, что зерно твердой пшеницы содержит больше белка, чем мягкой. Многие специалисты, наоборот, утверждают, что существенных различий в белковости зерна мягкой и твердой пшеницы нет^[1].

Сравнение мягкой и твердой пшеницы приведено в таблице 2.

Таблица 2

Вид пшеницы	Содержание, %	Зольность, %
	воды	Белковых веществ	углеводов	клетчатки	липидов
Мягкая	14,0	12,0	68,7	2,0	1,7	1,6
Твердая	14,0	13,8	66,6	2,1	1,8	1,7

На содержание белка и клейковины большое влияние оказывают район произрастания, погодные условия года, применяющаяся агротехника и сортовые различия.

Качество клейковины в большей степени связано с сортом, но условия выращивания могут ослабить или полностью нарушить эту зависимость.

Существует географическая закономерность в накоплении зерном пшеницы белковых веществ: количество белка в нем возрастает с запада на восток и с севера на юг^[4].

2. Белковые вещества зерна пшеницы

Белки составляют примерно 12 - 14% массы пшеничного зерна. Они необычайно многообразны и могут быть подразделены на две группы - белки протоплазмы и запасные белки. К первым относятся структурные и энзиматические белки цитоплазмы и ядра, то есть белки рибосом, митохондрий, хромосом, разного рода мембранных и плазматических систем. Они свойственны клеткам всех частей зерновки, но больше всего содержатся в зародыше. Запасные белки зерновки пшеницы представлены в основном глиадином и глютенином. Эти белки локализованы в эндосперме^[7].

При последовательной обработке муки или размолотого зерна водой, 5-10%-м раствором хлорида натрия, 60-80%-м водным раствором спирта, 0,1-0,2%-м раствором гидроксида натрия экстрагируются белковые фракции, соответственно названные альбуминами, глобулинами, проламинами и глютелинами. В состав белков входят и так называемые склеропротеины - нерастворимые белки, которые содержатся в оболочках и периферических слоях зерна. Данная фракция прочно соединена с лигнино-полисахаридным комплексом, выполняет структурную функцию и не доступна для пищеварения. В таблице 3 приводится процентное содержание белковых фракций зерна пшеницы^[9].

Таблица 3

Альбумины	Глобулины	Проламины	Глютелины	Склеропротеины
5,2	12,6	35,6	28,2	8,7

2.1 Проблемы белка пшеничного зерна

Главный предмет исследований в области биохимии пшеничного зерна в настоящее время - клейковина - вязкий, упруго-эластичный комплекс белков, липидов и углеводов, от которого зависят хлебопекарные и макароны качества муки мягкой и твердой пшеницы, структура хлеба и макаронных изделий.

Ведущую роль в формировании клейковины играют белки и прежде всего глютенин и глиадин, которые при замесе теста образуют своеобразны трехмерный молекулярный костяк, заполненный различными компонентами муки.

Как известно, в питательном отношении белки пшеницы, как и других злаков, неполноценны. Они не сбалансированы по ряду незаменимых аминокислот, при этом первой лимитирующей аминокислотой является лизин, затем следуют триптофан, метионин и треонин. Эта несбалансированность обусловлена исключительно клейкофинными белками и особенно глиадином.

Например, лизина в нем не более 0,5, а в глютенине 2,0%. Суммарный белок зерновки несколько богаче лизином (около 2,5%) за счет алейронового слоя и зародыша, в белках которых от4,5 до 6,5% лизина.

Основным материалом для получения муки является эндосперм. При помоле на 70%-ю муку зародыш и алейроновый слой вместе с покровами зерновки отходят в отруби. Поскольку глиадин и глютенин сосредоточены в эндосперме, то такая мука, как правило, дает больше клейковины, зато в сравнении с мукой простого помола она беднее лизином и другими незаменимыми аминокислотами (табл. 4).

Таблица 4. Содержание белка и лизина в зерне пшеницы и продуктах его переработки

Материал	Белок, % на сухое вещество	Лизин
		г на 100 г белка	% к белку
Зерно пшеницы	13,9	0,358	2,57
Мука первого сорта	14,8	0,288	1,94
Мука высшего сорта	13,2	0,245	1,85
Манная крупа	12,1	0,215	1,77
Мука второго сорта	13,9	0,332	2,38
Отруби	14,8	0,584	3,94
Зародыш	27,7	0,282	4,62
Мучка	15,1	0,494	3,27

Как видно, проблема белка пшеничного зерна имеет прямое отношение к проблеме качества зерна. В ней отчетливо выступают два главных аспекта - белки как структурная основа клейковины и важнейшие факторы технологических свойств муки и белки как питательные компоненты хлеба, хлебных и макаронных изделий. Кроме того, за последние годы складывается новый аспект - белки как маркеры генетических систем для анализа исходного и селекционного материала в селекции пшеницы на качество зерна и другие хозяйственно-ценные признаки.

Для разработки этого аспекта проблемы пшеничного белка необходимы точные сведения о природе и свойствах индивидуальных белков, их специфичности, полиморфизме молекул, генетическом контроле биосинтеза и т. д. При этом особое значение приобретают методы выделения, точной идентификации и оценки специфичности белка^[7].

2.2 Выделение и фракционировании белков пшеницы

Первым и весьма ответственным этапом в изучении белков зерна является выделение и фракционирование. Способы осуществления их различны и зависят от места и цели исследований. Наиболее универсален и пригоден для первичного разделения белков принцип их фракционного экстрагирования по Т. Осборну (1935). Сущность принципа заключается в последовательном извлечении растворимых белков, проламинов и глютелинов растворами соли, спирта и щелочи или кислоты. Фракция растворимых белков в основном представлена белками типа альбуминов и глобулинов. Последние могут быть выделены диализом солевого экстракта против воды или высаливанием сернокислым аммонием.

Фракционное разделение белков пшеничной муки нельзя начинать с водной экстракции, так как в этом случае наряду с альбуминами извлекают часть глобулинов. Этому способствуют переходящие в раствор соли муки. Водная экстракция должна быть исключена из схемы фракционирования белков пшеничной муки еще и потому, что в воду, особенно при повторных обработках, легко переходит глиадин. Растворимости глиадина в воде препятствуют соли. При выделении и фракционировании белков семян пшеницы следует иметь ввиду, что глиадин, как и другие запасные белки растений, относится к категории криобелков, легко выпадающих в осадок при температуре ниже +8єС и соответственно нерастворимых на холоде.

Полученные после выделения фракции, как правило, представляют собой сложные смеси белков и требуют дальнейшей очистки и разделения на отдельные компоненты. Сначала фракции подвергают гель-фильтрации через сефадексы или соответствующие типы биогелей. Это позволяет избавиться от низкомолекулярных примесей и разделить фракцию на группы белков по размеру молекул. На хроматографическом профиле в этом случае первый пик всегда принадлежит высокомолекулярному белку, последующие - белкам с убывающей молекулярной массой. При пропускании через колонку с сефадексом G-100 экстракта клейковины в 0,1 н. уксусной кислоте первым пиком выходит глютенин, вторым - глиадин, затем остальные белки типа альбуминов и глобулинов (Рис. 1.).

Компонентный состав белков получаемых пиков затем изучают ионообменной хроматографией на колонках с КМ-целлюлозой, СЭ-целлюлозой или ДЭАЭ-целлюлозой в зависимости от свойств исследуемого белка. Таким путем удается определить его гетерогенность и выделить индивидуальные компоненты. К весьма совершенному способу выявления гетерогенности и идентификации белковых компонентов в хроматографических пиках относится электрофоретический анализ в крахмальном и полиакриламидном гелях, а также сочетание этого метода с изоэлектрофокусированием.



Для использования белков в качестве маркеров в филогенетическом и генетическом анализе растений необходимы методы выявления тех специфических свойств белка, которые наиболее полно и отчетливо отражают принадлежность организма к роду, виду или генетической группе^[7].

2.3 Биологическая специфичность белка

Специфичность заложена в первичной структуре полипептидной цепи и проявляется в свойствах высших структур макромолекулы - в размерах и формах молекул, растворимости, заряде и т. д. На этих свойствах основаны современные методы разделения и идентификации индивидуальных белков ионообменной и гелевой хроматографией, ультрацентрифугированием, электрофорезом и изоэлектрофокусированием. Эти методы дают возможность выявлять генетические варианты полиморфных белков, спектры которых могут быть характеристикой рода, вида, генома или даже генетической группы и биотипа. Впервые метод электрофореза глиадина применил американский ученый B. L. Johnson. Он показал, что электрофоретические спектры этих белков хорошо отражают геномный состав разных видов пшеницы и доказал возможность использования их в изучении происхождения пшеницы^[7].

Полиморфизм, или проявление индивидуальной, «прерывистой» изменчивости признаков внутри вида, трактуется ныне в генетике как изменчивость, контролируемая аллельными (альтернативными) состояниями одного и того же гена или супергена -- группы тесно сцепленных и наследуемых как одно целое генов. Сама генетика как наука своим возникновением обязана именно явлению генетического полиморфизма (вспомним широко известные опыты Грегора Менделя по изучению наследования типов окраски и формы семян гороха). Благодаря исследованиям внутривидового морфологического полиморфизма были сформулированы главные концепции современной теории эволюции и по-пуляционной генетики (С. С. Четвериков, Э. Форд, Н. В. Тимофеев-Ресовский, Н. П. Дубинин, Д. Д. Ромашов, Ф. Добржанский, С. М. Гершен-зон и другие) ^[11].

Из методов выявления биологической специфичности белка наиболее эффективен электрофоретический метод. Он позволяет выявить внутривидовой полиморфизм пшениц и осуществить идентификацию сортов, биотипов и линий.

2.4 Электрофорез белков в гелях

Этот метод основан на использовании различий между белками по электрофоретической подвижности. Последняя зависит от заряда, массы и формы молекул, которые в конечном счёте обусловлены первичной структуры белка, а следовательно, и геном, кодирующим этот белок. Совокупность белков при электрофорезе даёт специфический спектр компонентов, который несет ценную информацию о структуре генома, кодирующего эти белки. Отдельные электрофоретические компоненты могут быт маркерами хромосом и других генетических систем клетки.

Среди вариантов электрофоретического анализа особенно перспективен электрофорез белков в ПААГ (полиакриламидный гель). Он сочетает в себе два принципа - разделение молекул по их электрофоретической подвижности с фильтрацией через поры заданного размера.

Электрофоретические компоненты белка идентифицируют по их положению в спектре и обозначают величиной коэффициента подвижности или порядковым номером. Иногда их выражают величинами относительной молекулярной массы, которую определяют по электрофоретической шкале белков-эталонов.

Электрофоретический анализ дает возможность выявлять малейшие различия в первичной структуре полипептида (замены аминокислот), а также вторичные модификации белка (амидирование, фосфорилирование, ацетилирование и т. д.), если они влияют на заряд и общую конфигурацию молекулы. Разрешающая способность метода электрофореза в ПААГ необычайно возрастает при сочетании его другими методами. Весьма перспективен двумерный электрофорез. Его выполняют на гелевых пластинах в двух взаимно перпендикулярных направлениях при разном значении рН^[7].

3. Гибриды пшеницы

Пшенично-пырейные гибриды

Пшенично-пырейные гибриды - новая хлебная культура, выведенная академиком Цициным методом отдаленной гибридизации, т. е. скрещиванием растений различных родов. Для скрещивания с пшеницей он избрал один из распространенных и злостных многолентних сорняков - пырей «огонь полей» из семейства злаковых.

Пшеница обладает многими ценными признаками (высокой урожайностью, способностью давать высокопитательный белый хлеб и др.), вместе с тем она имеет и серьезные недостатки (слабую зимостойкость, полегаемость, легко подвергается заболеваниям, неустойчива к полевым вредителям).

Пленчатая зерновка некоторых видов пырея, как и пшеница, содержит больше клейковины, чем пшеница, удовлетворительного качества, но серо-зеленого и темно-зеленого цвета.

Биологическими особенностями пырея является его высокая жизнеспособность, стойкость против неблагоприятных климатических условий, морозоустойчивость, а также устойчивость к болезням и вредителям.

При скрещивании пшеницы с различными видами пырея были получены пшенично-пырейные гибриды, которые по своим свойствам не уступают ценным сортам пшеницы, благодаря объединению положительных качеств пшеницы и пырея.

Пшенично-ржаные гибриды

В последнее время имеет большое значение создание новых форм пшеницы, выходящих по потенциалу зимостойкости за пределы вида мягкой пшеницы. Перспективным методом получения высокозимостойких форм являются отдаленные межвидовые скрещивания, прежде всего скрещивание пшеницы с рожью.

Эту задачу селекционеры решают путем создания пшенично ржаных амфидиплоидов, так называемых Тритикале, как материал для отбора, проводимого опытными учреждениями Сибири и Казахстана.

Наряду с селекцией Тритикале проводится работа с обычными пшенично-ржаными гибридами.

Другим путем повышения зимостойкости обычной мягкой пшеницы является посев в осенние сроки яровых сортов в течение нескольких лет и отбор зимостойких линий^[4].

4. Селекция. Задачи и направления

Возникновение в популяциях в результате мутаций и гибридизации разнообразных форм растений, на основе которых отбором создаются новые сорта, называется формообразовательным процессом. Основные объекты селекции в соответствии с ее задачами и методами работы - популяции и сорт (гибрид). Изучение и использование формообразовательных процессов в популяциях для выведения новых сортов составляет основное содержание селекционной работы.

Подобно тому, как в природе в процессе эволюции естественным отбором создаются новые виды организмов, путем селекции человек, применяя искусственный отбор, выводит новые сорта сельскохозяйственных растений. Поэтому селекцию можно рассматривать как экспериментальную эволюцию, направляемую и управляемую человеком.

Селекция растений относится к числу агрономических наук, в задачу которых входит разработка способов получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Но в отличие от земледелия, агрохимии, растениеводства, изучающих приемы воздействия на условия выращивания растений, селекция разрабатывает способы воздействия на сами растения, чтобы изменить в нужном направлении их наследственность^[2].

Задачи и направления селекционной работы определяются государственным планом. Огромная территория нашей страны включает различные природно-климатические зоны, в которых складываются неодинаковые условия для возделывания культур.

От западных границ к восточным и от южных к северным значительно изменяются температурные условия, интенсивность солнечной радиации, почвенный покров, количество и характер распределения выпадающих осадков и другие условия, определяющие рост и развитие сельскохозяйственных растений. Яровую пшеницу, например, высевают в районах избыточного увлажнения Северо-Западной зоны и в засушливом Поволжье, на Дальнем Востоке, в Якутии и в полупустынных районах Казахстана. Совершенно очевидно, что для этих столь различных природно-климатических зон должны быть подобраны соответствующие экотипы и на их основе созданы свои, приспособленные к местным условиям сорта.

Разнообразие почвенно-климатических условий вызывает необходимость районирования большого количества сортов, обеспечивающих в определенных условиях получение устойчиво высоких урожаев. При этом к сортам одной и той же культуры, возделываемой в разных природно-климатических зонах, могут предъявляться резко различные требования, и в связи с этим они должны обладать различными биологическими свойствами.

Например, сорта озимой пшеницы в условиях Нечерноземной зоны должны хорошо переносить глубокий снеговой покров, т. е. быть устойчивыми к выпреванию, а в степных районах Украины при малоснежной или бесснежной зиме хорошо переносить действие морозов.

В то же время к разным культурам при возделывании их в одних и тех же или сходных почвенно-климатических условиях по ряду свойств могут предъявляться одинаковые требования. Например, все сорта любых сельскохозяйственных культур при возделывании на Юго-Востоке должны быть устойчивыми к засухе, а в северных областях страны с коротким вегетационным периодом -- скороспелыми. Сорта зерновых культур, возделываемые при орошении, должны быть высокопродуктивными, устойчивыми к полеганию и поражению ржавчиной.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к сортам различных сельскохозяйственных культур применительно к условиям отдельных почвенно-климатических зон, важнейшее значение имеет селекция на засухоустойчивость, зимостойкость, холодостойкость, скороспелость, устойчивость к болезням и вредителям, высокое качество продукции, пригодность к механизированному возделыванию, создание сортов интенсивного типа, способных высокопроизводительно использовать высокий агрофон в том числе орошение и большие дозы удобрений, и т. д^[3].

4.1 Селекция на зимостойкость

Несмотря на возросший уровень агротехники, гибель их от неблагоприятных условий перезимовки почти ежегодно отмечается на значительных площадях. В различных зонах возделывания культур гибель их происходит от разных причин.

Чтобы снизить гибель посевов культур, необходимо создание высокоурожайных, устойчивых к неблагоприятным условиям перезимовки сортов. Основной метод в селекции на зимостойкость озимой пшеницы - внутривидовая гибридизация.

Сочетание высокой зимостойкости и продуктивности растений у вновь выводимых сортов озимых культур и многолетних трав является важнейшей задачей селекции.

Важная роль в селекции на зимостойкость принадлежит отдаленной гибридизации и полиплоидии. При скрещивании пшеницы с рожью и пыреем, а также на основе Тритикале можно создать высокозимостойкие сорта.

4.2 Селекция на холодностойкость

пшеница белок селекция генетический

Получение устойчиво высоких урожаев некоторых культур в отдельных природно-климатических зонах лимитируется недостаточной их холодостойкостью. В отдельные годы наблюдается гибель всходов от весенних заморозков или замедленный рост растений в фазе всходов. В более северных областях культуры не успевают в некоторые годы вызреть или повреждаются морозами во время созревания. Все это приводит к значительному недобору урожая и снижению качества получаемой продукции. Чтобы этого не происходило, крайне необходимо создание новых холодостойких сортов и гибридов, обеспечивающих при развитии в условиях пониженных температур более высокую урожайность по сравнению с распространенными в настоящее время сортами.

4.3 Селекция на устойчивость к болезням и вредителям сельскохозяйственных растений

Наиболее опасные болезни пшеницы -- различные виды ржавчины. Особенно вредоносна бурая листовая ржавчина, которая в годы массового ее распространения резко, иногда в 1,5--2 раза, снижает урожай пшеницы. Создать сорта, устойчивые к ржавчине, очень трудно. Селекционерам неоднократно удавалось вывести такие сорта, но они быстро теряли эту устойчивость- К тому же работа в значительной мере осложнялась и тем, что сорт, устойчивый к одной или даже нескольким расам ржавчины, оставался восприимчивым к другим.

Основные методы в селекции на устойчивость к ржавчине -- внутривидовая и отдаленная гибридизация. На большие возможности этого метода указывает создание на основе скрещивания географически отдаленных форм высокоустойчивого ко всем трем видам ржавчины (листовой, стеблевой и желтой) сорта Безостая ( Среди мировой коллекции имеется несколько образцов,обладающих полным иммунитетом ко всем видам и расам ржавчины, Использование их в скрещиваниях и выращивание полученных гибридов в различных условиях при искусственном заражении посевов -- один из главных путей создания ржавчиноустойчивых сортов.

К числу очень важных задач селекции относится выведение сортов яровой пшеницы и ячменя, устойчивых к головне, особенно к пыльной. Применяемое для борьбы с ней термическое протравливание семян -- прием очень сложный и трудоемкий, а химические препараты недостаточно эффективны. Опыт работы селекционеров НИИСХ Юго-Востока показал, что путем гибридизации можно создавать устойчивые к пыльной головне сорта яровой пшеницы: в результате скрещивания сорта Лютесценс 62 с канадским сортом Китченер были получены практически устойчивые к пыльной головне сорта Лютесценс 758 и Саратовская 33.

Таким образом, используя внутривидовую и отдаленную гибридизацию, а также отбор из образцов мировой коллекции и дикорастущих форм, создают сорта, устойчивые к наиболее опасным вредителям различных полевых культур^[3].

4.4 Селекция на высокое качество продукции сельскохозяйственных культур

Создание сортов, дающих продукцию высокого качества, -- одна из важнейших задач селекции. Новые сорта пшеницы должны иметь зерно с высоким содержанием белка и клейковины. Особенно ценятся сорта мягкой пшеницы, которые при высоком содержании этих веществ имеют и высококачественную (прочную и эластичную) клейковину. Сорта пшеницы, в зерне которых содержится не менее 28% клейковины и 14% протеина, называются сильными. Из их муки выпекается самый лучший хлеб. Мука сильных сортов, добавленная даже в небольшом количестве к муке обычных сортов, улучшает качество хлеба. Поэтому сорта сильной пшеницы называются сортами-улучшителями.

5. Генетические маркеры пшеницы

Наряду с тем, что белки зерна являются важнейшими питательными компонентами и основой формирования клейковины, они представляют исключительно большой интерес с точки зрения генетики и формообразования пшеницы. Как оказалось, белки зерна и особенно отдельные фракции и компоненты вследствие их биологической специфичности могут быть использованы в изучении происхождения культурной пшеницы, в идентификации сортов, в регистрации генетических ресурсов пшеницы и ее диких сородичей.

За последние годы в России и за рубежом ведутся интенсивные исследования природы, биологической специфичности и генетики растительных белков. Результаты этих исследований находят все более широкое применение в решении актуальных вопросов эволюции, генетики и селекции растений ? в определении филогенетических отношений между видами, идентификации видов, выявлении внутривидового полиморфизма, в поисках хозяйственно ценных мутантов, не имеющих морфологических различий, и других исследованиях^[6].

5.1.Геномы и формирование «прототипа» пшеницы в процессе развития зерновки пшеницы

Геномы амфидиплоидов в той или иной мере сохраняют общие черты генетической структуры исходных диплоидных видов. Это проявляется во многих признаках, в том числе в способности производить белки, гомологичные белкам своих источников. Соответственно состав белков зерновки, оцениваемый по их геномной или видовой специфичности, хорошо отражает геномную структуру амфидиплоидного растения, являясь своеобразным белковым портретом или прототипом амфидиплоида, заключающим в себе информацию о происхождении и филогенетическом положении его среди сородичей. Один и тот же геном у разных видов и форм полиплоидной пшеницы представлен неодинаково. Это лежит в основе генетических различий между видами в пределах эволюционного ряда пшеницы и между биотипами и сортами в пределах вида^[6].

Образование белков в развивающемся зерне происходит под контролем двух (у тетраплоидной пшеницы) или трех геномов при участии разных тканевых и клеточных структур. Можно представить себе, что каждый полипептид контролируется соответствующим геном одного из геномов. Однако конкретных сведений о структурной и функциональной организации генетических систем, ответственных за синтез белков зерна, еще очень мало.

В общем виде формирование прототипа зерновки пшеницы сейчас представляется следующим образом.

В результате оплодотворения яйцеклетки и вторичного (диплоидного) ядра зародышевого мешка спермиями пыльцы образуются диплоидная зигота и триплоидное эндоспермальное ядро. Зигота развивается в зародыш, эндоспермальное ядро - в эндосперм зрелого зерна. Клетки последнего содержат двойной комплект материнского генетического материала и один - отцовского. При скрещивании сортов это проявляется как количественный эффект того или иного гена, контролирующего синтез конкретного белка в эндосперме. Этот эффект можно проследить только на генетически полиморфных белках. В первом поколении клетки эндосперма содержат одну или две дозы белка какого-либо родителя, а начиная со второго поколения уже возможны четыре варианта для белка любого из родителей - от нулевой дозы до трех доз.

На ранних этапах развития зерновки в основном возникают белки протоплазмы. Геномная специфичность белков начинает отчетливо проявляться с начала специализации клеток эндосперма и усиливается до фазы полной спелости зерна главным образом за счет запасных белков и особой группы альбуминов и глобулинов, сопутствующих глиадинам в спиртовых экстрактах муки. В это время в основном и складываются видовые и сортовые различия у пшеницы по таким признакам, как содержание в зерне белка и незаменимых аминокислот, состав и свойства глиадина и глютенина, способность муки давать клейковину того или иного качества и т. д^[7].

5.2 Основные принципы маркирования белками генетических систем растения

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. Солидное генетическое обоснование использованию проламинов как генетических маркеров было дано в работах академика А.А.Созинова и его школы^[5].

Сравнительный анализ большого числа представителей многих видов, родов и семейств культурных растении показал, что специфичность разных групп белков неодинакова: у одних она проявляется на уровне рода, семейства, у других - на уровне вида, подвида, генетических групп. К первым относятся белки эволюционно консервативные, с древней функцией. Они могут быть маркерами крупных таксонов и представляют большой интерес для эволюционной ботаники.

Вторая группа представлена эволюционно молодыми белками, к которым относятся запасные белки и многие энзимы. Они содержат маркеры рода, вида, генома и представляют большой интерес для прикладной ботаники, главные задачи которой - изучение происхождения культурных растений и выявление их внутривидовой дифференциации. К белкам этой группы у пшеницы можно отнести эстеразы, полифенолоксидазы, фосфатазы пероксидазы, б- и в-амилазы, алкоголь-дегидрогеназы, подавляющую часть субъединиц глютенина и компонентов глиадина, некоторые компоненты «растворимых» белков и так называемые неглиадиновые белки (альбумины и глобулины) спирторастворимой фракции.

Третью группу составляют генетически полиморфные белки, спектр компонентов которых представляет собой совокупность генетических вариантов функционально одноименных белков. Этот спектр специфичен на уровне биотипа, сорта или линии, так как состав его компонентов зависит от генетических рекомбинаций в пределах генетических групп, подвидов и видов. Белки этой группы отражают аллельную структуру гена и представляют большой интерес для генетических исследований. В пшеничном зерне генетически полиморфными являются некоторые компоненты глиадина, структурные элементы глютенина и ферменты, представленные группами изоэнзимов. Спектры таких полиморфных белков могут быть своеобразными маркерами сорта, биотипа или даже линии.

Совокупность сведений о специфичности белка и возможностях ее выявления позволили сформулировать общие принципы использования белков как маркеров вида, генома и других генетических систем в филогенетическом и генетическом анализе растений.

Сущность принципа белковых маркеров заключается в том, что белок - первичный продукт элементарной генетической системы, и каждый из его компонентов - по существу копия или маркер своего гена или локуса ДНК. Так как гены сопряжены в генетические системы, локализованы в конкретных хромосомах, которые, в свою очередь, являются частью генома, то белок одновременно может быть маркером соответствующей генетической системы, хромосома или генома. Совокупность таких белков-маркеров отражает структуру генома и специфику генотипа в целом.

Далеко не все белки, однако, могут быть маркерами. Они должны быть доступны выделению и идентификации, обладать хорошо выраженной видовой, геномной специфичностью и т. д. Для оценки структуры генотипа важно иметь набор мономорфных (в пределах генома или вида) и генетически полиморфных белков. При этом необходимо иметь ввиду, что в ряде случаев множественность вариантов молекул белка может быть следствием вторичных модификаций - ацетилирования, метилирования, разной степени амидирования остатков глютаминовой и аспарагиновой кислот и т. д. Для сведению к минимуму таких модификаций должны быть взяты белки, принадлежащие морфогенетически однородным к тканям^[7].

В каждом случае ценность белка как маркера зависит от степени изученности его молекулярной природы, генетики и филогении. В генетическом плане особенно важны сведения о возможности маркирования тех геномов и генетических систем, с которыми связаны хозяйственно ценные признаки.

В работе с белками-маркерами следует различать два этапа: поиск белков-маркеров и практическое использование их в прикладной ботанике, генетике, селекции и семеноводстве. На первом этапе привлекается весь комплекс современных методов молекулярной биохимии, необходимый для выделения, идентификации и выявления биологической специфичности белка. На втором ? строго очерченный перечень методов ? точных, быстрых и доступных любой биохимической лаборатории, обслуживающей селекцию и семеноводство. Поскольку биологическая специфичность белка, оцениваемая электрофоретически, хроматографически и особенно иммунохимически, сопряжена с высшими структурами его молекулы, в методиках анализа должны быть предусмотрены условия, необходимые для сохранения нативных свойств белка^[7].

Перечисленным выше требованиям у пшеницы наиболее полно отвечают белки зрелой зерновки. Здесь особенно интересна спирторастворимая фракция из эндосперма. В ней как бы сконцентрирована система разных маркеров. Как было показано ранее, она представлена глиадином и неглиадиновыми белками типа альбуминов.

Глиадины составляют до 50% белков эндосперма и заключают в себе богатый спектр мономорфных и генетически полиморфных компонентов. Они представлены несколькими вариантами молекул, синтез которых контролируется разными генами. У гексаплоидной пшеницы гены, локализованные в хромосомах 6A, 6B, 6D ответственны за синтез б- и в- глиадина, а гены хромосом 1А, 1В и 1D - за синтез щ- и г-глиадина.

Отдельные компоненты глиадина мономорфны. Каждый из них может быть маркером соответствующей хромосомы. Например, компоненты щ89 являются маркерами хромосомы 1D гексаплоидной пшеницы и соответствующей хромосомы представителей Aegilops squarrosa. Компонент б6 в спектре глиадина Ae. squarrosa - маркер хромосомы 6D представителей ssp. strangulate и т. д. Он маркирует также хромосому 6D гексаплоидной пшеницы и указывает на сходство генома D T. aestivum с геномом этого подвида. Значительная часть компонентов, особенно б- и щ-глиадинов, генетически полиморфна, то есть кодируется множественными аллелями генов. Сортовая специфичность спектра этих компонентов свидетельствует о полиморфизме и сортовой специфичности хромосом первой и шестой гомеологичных групп. Спектры компонентов глиадина для каждой хромосомы первой и шестой групп пока известны лишь у сорта гексаплоидной пшеницы Чайниз Спринг.

Таким образом, глиадин представляет собой совокупность множественных генетических вариантов молекул функционально однотипного белка.

В отличие от глиадина сопутствующая ему в спиртовом экстракте фракция альбуминов содержит несколько групп полиморфных белков с разными функциями. Среди них комплекты изоэнзимов ряда ферментов, генетические варианты молекул главного альбумина(ингибиторов амилаз), пуротионина и др. Детальнейшие исследования полиморфизма и генетического контроля белков спирторастворимой и других фракций позволят создать систему маркеров для всех хромосом полиплоидной пшеницы.

Неглиадиновые белки спиртовой фракции представляют большой интерес как серологические маркеры геномов пшеницы и ее сородичей. Они обладают очень высокой антигенной активностью. Поскольку в генетическом контроле этой группы белков участвует большинство хромосом генома, в суммарных реакциях двойной иммунодиффузии они хорошо отражают специфичность генома в целом.

Таким образом, в филогенетическом и генетическом анализе пшеницы складываются следующие основные принципы маркирования по белкам зерна:

маркирование геномов видоспецифичными белками-антигенами спиртовой фракции, главным образом альбуминами;

маркирование отдельных хромосом генома мономорфными (обязательными для генома) компонентами глиадина, ферментов и других белков;

маркирование соответствующих сортам и биотипам вариантов хромосом по спектрам полиморфных компонентов глиадина и других белков у диплоидных сородичей пшеницы;

маркирование генотипа на уровне сортов, биотипов и линий по суммарному электрофоретическому спектру глиадина за счет генетически полиморфных компонентов этого белка.

Перечисленные типы маркеров содержатся в белках спиртового экстракта муки. Это создает большие удобства в методическом отношении. При необходимости на белках одного экстракта из эндосперма зерновки возможны геномный анализ, идентификация образа и получение конкретных сведений о его генетической и филогенетической природе^[7].

5.3 Практическое применение генетических маркеров

Современная селекция достигла больших успехов. Однако многие селекционные задачи далеки от окончательного решения. К ним относится повышение стабильности урожаев по годам за счет более высокой зимостойкости, засухоустойчивости, устойчивости к болезням и создание сортов, обладающих высокими хлебопекарными качествами.

Многочисленные научные исследования показывают, что наиболее перспективным и актуальным путем решения этой селекционной проблемы является использование для идентификации генотипов белковых маркеров^[10].

Белковые маркеры позволяют точно и достаточно быстро идентифицировать виды, геномы и сорта, осуществлять анализ популяций, выявлять биотипы, не имеющие внешне выраженных фенотипических различий, оценивать структуру генотипа и т. д. Все это открывает большие перспективы для использования белковых маркеров в растеневодстве^[7].

Белковые маркеры могут быть использованы в решении ряда практических вопросов селекции и семеноводства, а именно:

? в поисках источников хозяйственно ценных признаков в мировой коллекции культурных растений и их диких сородичей;

? в осуществлении контроля за включением желаемых генетических структур при селекции на сложные признаки, не имеющие морфологических маркеров и связанные с отдельными геномами, например содержание и качество белка, свойства клейковины, хлебопекарные качества, устойчивость к болезням и неблагоприятным факторам среды;

? в оценке геномного состава исходного материала и отборе в процессе селекции методом отдаленной гибридизации, например при вовлечении в селекцию пшеницы и тритикале генома Ab (от T.boeoticum или T.monococcum), являющегося донором высокого содержания белка и лизина и устойчивости к ряду грибных заболеваний.

? в создании сортов синтетиков, многолинейных сортов-популяций, в работах по выделению и регистрации линий, несущих признаки устойчивости к расам возбудителей болезни, высоких качеств зерна; в подборе благоприятного состава и соотношения линий для формирования многолинейных сортов с заданными признаками; в осуществлении контроля за составом и соотношением линий в семеноводстве многолинейных сортов;

? в изучении динамики популяций сортов перекрестноопыляющихся культур в процессе семеноводства (рожь, подсолнечник);

? в работах по созданию вспомогательных генетических систем для селекции пшеницы на основе анеуплоидных линий;

? для осуществления отбора линий с транслокациями хромосом по отдельным геномам в селекции амфидиплоидов (например, вторичных тритикале);

? в поисках спонтанных и индуцированных мутантов по белку и другим хозяйственно ценным признакам, не имеющим морфологических маркеров; для контроля за включением полезных признаков мутантов в генотипы создаваемых сортов и линий;

? в селекции гороха, сои и других зернобобовых на благоприятное соотношение отдельных белков, определяющих питательную ценность семян, а также на устранение антипитательных белков типа лектинов и ингибиторов ферментов

Считается перспективным использование белковых маркеров в создании сортов-синтетиков, многолинейных сортов-популяций, многолинейных сортов на основе изогенных линий в связи с селекцией на иммунитет и качество зерна; в работах по выделению и регистрации линий, несущих признаки устойчивости к расам возбудителей болезни, высокие качества зерна и не имеющих морфологических маркеров; в подборе благоприятного состава и соотношения линий для формирования многолинейных сортов с заданными признаками; в осуществлении контроля за составом и соотношением линий в семеноводстве многолинейных сортов.

Рекомендуется использование белковых маркеров:

? при изучении динамики популяций сортов перекрестноопыляющихся культур в процессе семеноводства;

? в работах по созданию вспомогательных генетических систем для селекции пшеницы на основе анеуплоидных линий (линий с дополненными и замещенными хромосомами от других сортов и видов растений и др.);

? для осуществления отбора линий с транслокациями хромосом по отдельным геномам в селекции амфидиплоидов;

? при генетической оценке однородности исходного материала для мутационной селекции и поиске спонтанных и индуцированных мутантов по белку и другим хозяйственно ценным признакам, не имеющим морфологических маркеров;

? для контроля за включением признаков мутантов в генотипы создаваемых линий и сортов культурных растений^[7].

Заключение

Пшеница - одна из важнейших злаковых культур, выращиваемых человеком. Зерно пшеницы является ценнейшим материалом в различных отраслях пищевой промышленности и имеет большое значение для изготовления макарон, выпечки хлеба и других хлебных изделий.

Белки пшеничного зерна - важнейшие компоненты питания. В рационе человека они составляют примерно треть потребляемого белка.

Геномный и генетический анализ пшеницы и ее диких сородичей по белкам-маркерам показал, что методы белковых маркеров позволяют устанавливать происхождение, оценивать генетическую структуру, идентифицировать виды, сорта, выявлять линии мутантов, не имеющих морфологических различий, осуществлять регистрацию генетических ресурсов культурных растений по белкам-маркерам и производить молекулярно-генетический анализ исходного и селекционного материала в связи с селекцией на качество урожая и другие хозяйственно ценные признаки. В частности, геномный анализ и идентификация генотипов по белкам-маркерам дают возможность осуществлять рациональный поиск доноров хозяйственно ценных признаков в мировой коллекции и контролировать включение их в создаваемые сорта, гибриды и амфидиплоиды. Все это дает основание считать, что методы, основанные на принципе белковых маркеров, открывают новые перспективы развитию селекции и семеноводства и будут способствовать дальнейшему повышению эффективности селекции.

Открытие белкового полиморфизма значительно расширило возможность изучения генетической вариабильности пшеницы и поддерживающих ее механизмов.

Рассмотренные в работе принципы маркирования генома и генотипа могут быть использованы в идентификации видов, биотипов и сортов, в регистрации генетических ресурсов пшеницы и ее диких сородичей, в генетическом анализе исходного и селекционного материала.

Принцип белковых маркеров является очень эффективным в изучении природы и происхождения геномов культурной пшеницы, имеющей сложную амфидиплоидную структуру генотипа.

Вопрос о природе и происхождении геномов - это прежде всего вопрос о филогенетических и генетических связях культурной пшеницы с ее дикими сородичами. Он оказался весьма сложным, но его решение крайне необходимо для поиска новых путей к источникам для селекции.

Метод белковых маркеров открыл принципиально новые возможности в решении актуальных проблем прикладной ботаники, генетики и селекции. С их помощью авторы раскрыли природу и происхождение геномов многих важных с.-х. растений, в том числе и пшеницы. По белковым маркерам стало возможным оценивать степень генетической совместимости видов и прогнозировать скрещиваемость их, что открывает новые перспективы обогащения генофонда пшеницы за счет привлечения в селекцию ее диких сородичей.

...