В статье представлены данные скрининга М5 мутантных линий яровой пшеницы, созданных на генетической основе сорта Алмакен и с использованием различных доз гамма радиации, 100 и 200 Gy, по признаку качества зерна, содержание белка в зерне. Идентифицированы новые источники в обоих типах мутантной гермоплазм пшеницы для генетического улучшения количественного признака содержание белка в зерне. В 100 Gy мутантной гермоплазме пшеницы идентифицированы 8 образцов (53,3%), характеризующиеся значимо повышенным содержанием белка в зерне по сравнению с сортом Алмакен. Из них две М5 линии, №89(8) и №91(1), имеют высокий коэффициент корреляции между признаками СБЗ и массой тысяча зерен. В 200 Gy типе гермоплазме у М4 линии сорта №95(3) высокий положительный коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса.
Введение Пшеница одна из самых жизненно важных сельскохозяйственных культур в мире. Около 75 % мировой пшеницы напрямую используется в пищу, 15 % потребляется в виде корма для животных и 10 % - в виде семян и на нужды промышленности. В течение последних 30 лет мировое потребление пшеницы удвоилось и с недавних пор достигло почти 600 млн. т в год [1].
Генетическое разнообразие и методы генетической реконструкции улучшаемых полезных признаков - основа селекционного улучшения культуры. Генетические ресурсы во всем мире рассматриваются как основной источник улучшения сельскохозяйственных культур на ближайшие десятилетия. Генофонд предопределяет создание сорта с улучшенными хозяйственно ценными признаками и качеством конечного продукта, повышенным адаптивным потенциалом и устойчивостью к неблагоприятным факторам, способного конкурировать с лучшими сортами в конкретных производственных условиях. Усиливающейся недостаток генетического разнообразия отмечается в селекции важнейших сельскохозяйственных культур Казахстана [2]. Актуальна необходимость расширения, изучения и качественного изменения спектра доступной отбору генотипической изменчивости культурных растений.
В этой связи, расширение и улучшение генофонда сельскохозяйственных культур, в том числе, пшеницы, поиск новых аллелей генов, контролирующих хозяйственно ценные признаки, их идентификация и познание фенотипической, молекулярно-генетической и морфогенетической природы позволяет осуществить перевод селекции на качественно новый уровень.
Использование метода экспериментального мутагенеза открывает большие возможности для прогресса в селекции культурных растений. Количество сортов созданных данным методом, приблизилось к 31000, в том числе по пшенице – 164 [3]. Наиболее интенсивно в этом направлении работают в Китае – создано 264 сорта, в Индии – 186, Нидерландах – 171, в Японии – 87, в США – 75 сортов различных сельскохозяйственных культур [4].
Накоплен определенный опыт применения мутагенеза в селекции мягкой пшеницы [5-8].
Содержание белка в зерне (СБЗ) является важным признаком, определяющим питательную ценность зерна пшеницы и оказывающим влияние на качество готовой продукции благодаря муки, получаемой из зерна. В связи с этим, повышение СБЗ в пшенице предполагает высокий приоритет селекционных программ, ориентированных на улучшение признаков качества. Хотя, для экспортного рынка, некоторые сорта твердой пшеницы с оптимальным СБЗ и высокой урожайностью были выведены в Австралии и Канаде, прогресс селекции на высокое СБЗ в сортах пшеницы, в целом, замедлен по следующим причинам: (I) на признак СБЗ существенное влияние оказывает окружающая среда [9], что затрудняет селекцию на высокое СБЗ в гетерогенных расщепляющих популяциях, (II) как правило, существует отрицательная корреляция между СБЗ и урожайностью зерна [10].
Цель нашего исследования на основе скрининга на СБЗ M5 мутантных линий сорта Алмакен, созданных с использованием доз 100 и 200 Gy гамма-лучей, выявить образцы, характеризующиеся повышенным содержанием в каждой типе гермоплазмы, и провести корреляционный анализ между СБЗ и TGW.
Материалы и методы Для анализа были взяты по 15 образцов М5 линий, созданных дозами гамма радиации 100 и 200 Gy, и исходный родительский сорт яровой пшеницы Алмакен. Определение содержания белка в зерне, созданных М4 и М5 мутантных линий яровой пшеницы проводили с использованием прибора, основанного на методе ближней инфракрасной спектроскопии (NIR), Grain AZX-50 portable grain analyzer, фирмы Zeltex. Для калибровки данного типа спектрофотометров используется стандартизированный аналитический метод определения белка по содержанию азота, как метод Къельдаля. Автоматическая калибровка прибора для зерна пшеницы осуществляется с помощью приложенного к прибору программного обеспечения. Измерения содержания белка в зерне проводили на 25 зернах. Содержание белка в зерне выражали в %.
Результаты и их обсуждение В нашем исследовании полученные на генетической основе сорта Алмакен, доза воздействия 100 Gy γ, на СБЗ было проскринировано 15 М4 линий (рисунок 1). Вариабельность по СБЗ у М4 линий сорта Алмакен была меньшей и составляло 2,5-9,6%. Из 15 изученных номеров 11 М4 линий №75(2), №76(2), №79(1),
№79(5), №82(2), №82(4), №82(5), №84(4), №84(4), №89(5), №89(8), №91(1) и №91(2) сорта
Алмакен, доза 100 Gy, можно отнести к значимо перспективным высокобелковым донорам, имеющие значения СБЗ от 14,33% до 14,73%. Частота желаемых мутантов в 100 Gy мутантной гермоплазме сорта Алмакен составляет 73,3%)
Результаты скрининга на СБЗ у созданной перспективной М4 мутантной гермоплазмы яровой пшеницы на основе сорта Алмакен, доза 200 Gy, показаны на рисунке 2.
Генетическая положительная изменчивость по значению СБЗ у М4 линий сорта Алмакен, доза 200 Gy, была незначительно меньше по сравнению с таковой, созданной дозой 100 Gy (3,5-9.2%). Значимо положительный мутагенный эффект дозы 200 Gy у М4 линий сорта Алмакен проявлялся у 8 из 15 созданных номеров, которые можно идентифицировать, как перспективные высокобелковые доноры генов.
Частота желаемых мутантов по СБЗ составляет 53,3%, таковая в 100 Gy мутантной гермоплазме сорта Алмакен была 73,3%.
Влияние доз гамма радиации, 100 и 200 Gy, на средние значения содержания белка в зерне у М4 мутантных линии сорта Алмакен показано на рисунке 3, рассчитанное на для 15 номеров в каждом типе гермоплазмы.
В нашей работе были рассчитаны коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, а также массой зерен одного растения у М4 линий сорта Алмакен, дозы 100 и 200 Gy.
Высокий коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, а также массой зерен одного растения у М4 линий сорта Алмакен, доза 100 Gy, выявлен у 9, 7 и 5 линий, соответственно (таблица 1).
У двух М4 линии сорта Алмакен, доза 100 Gy, №89(8) и №91(1) выявлено высокие положительные коэффициенты корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, и также массой зерен одного растения, r=0,93, r=0,99 и r=0,81, и , r=0,94, r=0,58 и r=0,98, соответственно.
Положительный коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, а также массой зерен одного растения с высокими значениями у М4 линий сорта Алмакен, доза 200 Gy, выявлен у 3, 3 и 2 линий, соответственно (таблица 2). У М4 линии сорта №95(3) высокий положительный коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, и также массой зерен одного растения, r=0,85, r=0,78 и r=0,97, соответственно.
Рисунок 3 - Влияние доз гамма радиации, 100 и 200 Gy, на средние значения вариабельности содержания белка в зерне у М5 мутантных линии сорта Алмакен
Таблица 1 Коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, массой зерен одного растения М4 линии пшеницы сорта Алмакен, доза 100 γ
Таблица 2 Коэффициент корреляции между СБЗ и количеством и массой зерен главного колоса, массой зерен одного растения М4 линии пшеницы сорта Алмакен, доза 200 Gy
Обсуждение результатов Таким образом, результаты исследования скринингу М5 мутантных линий яровой пшеницы сорта Алмакен относительно содержания белка зерна, показали, что использование дозы 100 Gy гамма радиации на основе сорта яровой пшеницы Алмакен является более эффективной для индуцирования мутаций СБЗ у М5 мутантных линий, по сравнению с дозой 200 Gy, проявляющейся в большей частоте образцов, имеющих значимо повышенное СБЗ, чем в исходном родительском сорте. Полученные данные также выявляют, что в 100 Gy мутантной гермоплазме выявляется большее число образцов, имеющих значимо высокие положительные коэффициенты корреляции между СБЗ и элементом продуктивности, массой тысяча зерен, свидетельствуя, что доза 100 Gy является более эффективным инструментом для генетической вариабельности по СБЗ.
Выводы
Результаты нашего исследования, позволяют сделать вывод, что признак качества зерна, СБЗ, может быть генетически улучшен на основе мутационной селекции. Вариабельность по СБЗ в мутантных гермоплазмах в значительной степени доза-гамма- лучей зависимы. Доза гамма радиации в 100 Gy в большей степени индуцирует положительные изменения в СБЗ на генетической основе сорта яровой пшеницы Алмакен.
Литература
- Лукьяненко П.П. Патриарх советской селекционной науки (к 85-летию со дня рождения B.C. Пустовойта) / П.П. Лукьяненко // Генетика. — 1971. — Т. 7. — No — С. 5-9.
- Уразалиев Р.А., Алимгазинова Б.Ш., Кененбаев С.Б., Есимбекова М.А., Мукин К.Б. Второй Национальный отчет о состоянии генетических ресурсов для продовольствия и сельского хозяйства в Казахстане. - Алматы: Асыл Кiтап, 2007.- 106.
- Поползухина Н.А. Селекция яровой пшеницы в условиях Западной Сибири на основе сочетания индуцированного мутагенеза и гибридизации: автореф. дис. ... докт. с.- х. наук. Омск, 2003.
- Micke Induced mutations for crop improvement / A. Micke, B: Donini M. Maluszynskiy/ Mutat. Breed; Rev. 1990. № 7. P: 1-41.
- Шкварников П.К., Кулик М.И., Моргун В.В. Экспериментальные мутации у пшеницы. Киев: Наукова думка, 1973. С.
- Мамалыга В.С. Действие химических и физических мутагенов на твердую яровую пшеницу // Химический мутагенез и гибридизация. М.: Наука, 1978. С. 87–91.
- Майданюк Н.Д., Новикова О.Н. Оценка мутантных линий мягкой яровой пшеницы в контрольном питомнике // Химический мутагенез и проблемы селекции. М., 1991. С. 137– 142.
- Поползухина Н.А. Индуцированный мутагенез и гибридизация в решении проблемы качества зерна яровой мягкой пшеницы // Доклады РАСХН. No 3.
- Крупнов В.А. Генетическая архитектура содержания белка в зерне пшеницы //Генетика, 2012. - Т.48. - № 2. - С. 149-159.
- Крупнова О.К. О взаимосвязи урожайности с содержанием белка в зерне у зерновых и бобовых культур // С.-х. биология. - 2009. - № 3. - С. 13-23.