Інститут рОСЛИННИЦТВА ім. В.Я. Юр’єва

УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

УСОВА ЗОЯ ВАСИЛІВНА

УДК 633.11: 631.527.575

ПОЛІМОРФІЗМ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ ГЛЮТЕНІНІВ В СЕЛЕКЦІЇ ОЗИМОЇ М’ЯКОЇ ПШЕНИЦІ НА ЯКІСТЬ ЗЕРНА ДЛЯ УМОВ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ

06.01.05 – селекція рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Харків – 2008

Дисертацією

є рукопис.

Робота виконана

в Інституті рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН.

Науковий керівник – кандидат сільськогосподарських наук,

старший науковий співробітник

ПАНЧЕНКО Іван Архипович,

Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН,

провідний науковий співробітник лабораторії

якості зерна

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор

БАЗАЛIЙ Валерій Васильович,

Херсонський державний аграрний університет,

завідувач кафедри рослинництва, генетики, селекції

та насінництва

кандидат сільськогосподарських наук,

старший науковий співробітник

ЩИПАК Геннадій Васильович,

Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН,

завідувач лабораторії селекції і генетики

озимого тритікале

Захист відбудеться “_4_” __березня__ 2008 р. о 13 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.366.01 при Інституті рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН за адресою:

61060, м. Харків, проспект Московський, 142, тел. (057) 392-23-78

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту рослинництва

ім. В.Я. Юр`єва УААН, м. Харків, проспект Московський 142.

Автореферат розісланий “_1_” __лютого__ 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Петренкова В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності створення нових сортів озимої м’якої пшениці повинно базуватися на удосконаленні теоретичних і методичних аспектів селекційної роботи. Одним із найважливіших напрямів цих досліджень є удосконалення методів використання поліморфізму запасних білків, як генетично обумовлених і стабільно відтворюваних маркерів господарсько цінних ознак. Необхідне детальне вивчення інформаційної цінності алельних варіантів запасних білків, характеру їх успадкування при внутрішньовидовій гібридизації, встановлення взаємодії гліадин - і глютенінкодуючих локусів з іншими генетичними системами в визначенні потенціалу якості пшеничних генотипів. Надзвичайно важливим в селекції озимої м’якої пшениці є розширення генетичної основи вихідного матеріалу за рахунок залучення світового генофонду культури з ідентифікованими генетичними маркерами цінних ознак. Все це свідчить про актуальність даних досліджень, на вирішення яких і була спрямована наша робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в 1994 - 2004 рр. у відповідності з планами наукових досліджень Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН за завданнями науково - технічних програм: 1990 – 1995 рр. – ДНТП „Фундаментальні дослідження”; 1996 – 2000 рр. - НТП „Теоретичні основи селекції та насінництва сільськогосподарських культур”; 2001-2005 рр. - НТП „Теоретичні основи селекції сільськогосподарських культур”.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень було визначення інформаційної цінності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів для підвищення ефективності добору цінних генотипів в селекцiї озимої м’якої пшениці на якість зерна та надійності ідентифікації і паспортизації генофонду.

Для досягнення поставленої мети вирішували такі завдання:

– виявити взаємозв’язок між варіантами блоків високомолекулярного глютеніну і технолого-біохімічними показниками якості зерна озимої м’якої пшениці;

– ідентифікувати маркерні компоненти ознак високої якості зерна;

– удосконалити шкалу оцінки впливу алельних варіантів високомолекулярних глютенінів на показники якості зерна в умовах Лісостепу України;

– встановити зв’язок гліадинів, високомолекулярних глютенінів та консистенції ендосперму у визначенні потенціалу якості пшеничних генотипів;

– визначити характер успадкування алельних варіантів високомолекулярних глютенінів при внутрішньовидовій гібридизації озимої м’якої пшениці;

– виявити прояв алельних варіантів високомолекулярних глютенінів у родоводі сортів озимої м’якої пшениці, створених в селекційних установах України і Росії;

– охарактеризувати сорти світового генофонду озимої м’якої пшениці за частотою зустрічальності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів;

– встановити географію розповсюдження варіантів блоків високомолекулярних глютенінів серед сортів пшениць світового генофонду;

– виявити серед вивченого генофонду джерела високої якості зерна;

– розробити генетичні формули вивчених сортів за глютенінкодуючими локусами;

– виділити кращі за ознаками якості зерна лінії, як вихідний матеріал для селекції озимої м’якої пшениці.

Об’єкт дослідження: ідентифiкацiя цiнних за якiстю зерна генотипiв озимої м’якої пшениці на основі полiморфiзму запасних білків.

Предмет дослідження: інформаційна цінність алельних варіантів високомолекулярних глютенінів, їх взаємодія з гліадинами і консистенцією ендосперму, виділення маркерних компонентів показників високої якості зерна озимої м’якої пшениці.

Методи дослідження: гібридизація – для отримання експериментальних гібридів; польові - для випробування сортів, гібридів, ліній; лабораторні – для визначення технолого-біохімічних ознак якості зерна та електрофорезу запасних білків у поліакріламідному гелі; математично-статистичні - для розрахунку параметрів екологічної пластичності і стабільності, встановлення зв’язків субодиниць запасних білків з показниками якості зерна, визначення характеру їх успадкування та оцінки достовірності одержаних результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше для Лісостепу України визначено інформаційну цінність алельних варіантів високомолекулярних глютенінів за комплексом технолого-біохімічних ознак якості зерна. Вперше встановлено внесок окремих нових алельних варіантів високомолекулярних глютенінів в генотипово обумовлений рівень ознак якості зерна в умовах Лісостепу України. Уточнена роль деяких поширених глютенінкодуючих локусів у визначенні якісного потенціалу пшеничних генотипів. Виявлені сприятливі генетичні маркери цінних ознак. Показано кодомінантний тип успадкування алельних варіантів високомолекулярних глютенінів при внутрішньовидовій гібридизації озимої м’якої пшениці.

Набув подальшого розвитку принцип використання, як маркерів якості зерна, на всіх етапах селекційного процесу трьох генетичних систем: субодиниць високомолекулярних глютенінів, алельних варіантів блоків гліадинів та показника консистенції ендосперму. Встановлена частота зустрічальності та географія розповсюдження алельних варіантів високомолекулярних глютенінів у сортів світового генофонду озимої м’якої пшениці. Виділені джерела високих технолого-біохімічних ознак якості зерна. Відкоригована міжнародна шкала оцінки впливу локусів високомолекулярних глютенінів на рівень показників якості зерна. Запропонована удосконалена система класифікації сортів озимої м’якої пшениці за спадково обумовленим рівнем якості зерна. Створено новий вихідний матеріал для селекції на якість зерна озимої м’якої пшениці.

Практичне значення одержаних результатів. Виявлено закономірності генетичного контролю цінних ознак глютенінкодуючими локусами, що дозволяє більш ефективно використовувати поліморфізм запасних білків в селекції озимої м’якої пшениці на якість зерна. Встановлено, у відповідності з вимогами міжнародної системи ознак, генетичні формули за глютенінкодуючими локусами 1060 сортів світового генофонду озимої м’якої пшениці, що є основою для формування ознакових колекцій.

Кращі за комплексом ознак 5 ліній (Еритроспермум 672-04, Лютесценс 683-04, Еритроспермум 687-04, Еритроспермум 690-04, Еритроспермум 692-04), створені нами методом внутрішньовидової гібридизації, впроваджені в селекційну програму Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН та вивчаються у Миронівському інституті пшениці ім. В.М. Ремесла УААН, Полтавській державній аграрній академії МінАПУ і передані до фондів Національного центру генетичних ресурсів рослин України. Створені у співавторстві два сорти озимої м’якої пшениці: Розкішна - визнано перспективним на 2008 р., Альянс - вивчається в державному сортовипробуванні.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані особисто автором на основі польових і лабораторних дослідів, проведених в Інституті рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН, розроблено план наукових досліджень, здійснено інформаційний пошук та оцінку літературних даних, проведено польові досліди, аналітичні дослідження поліморфізму запасних білків методом електрофорезу, математично - статистичну обробку отриманих результатів досліджень. Аналіз та інтерпретація отриманих даних проведені разом з науковим керівником. Особистий внесок дисертанта в наукові праці, які опубліковано в співавторстві, складає 30-50 % (проведення досліджень, аналіз експериментальних даних та їх узагальнення, написання статей). Доля авторства в сорті Розкішна, який визнано перспективним на 2008 рік і сорті Альянс, який вивчається в державному сортовипробуванні, складає 5% (ідентифікація селекційно цінного матеріалу за якістю зерна методом електрофорезу запасних білків).

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в річних аспірантських звітах, які заслухано та обговорено на засіданнях вченої ради Інституту рослинництва ім. В.Я.Юр’єва УААН (1994-1998 рр.), на VII конференції молодих вчених ”Проблеми фізіології росин і генетики на рубежі третього тисячоріччя” (Київ, 2000 р.), всеукраїнській науковій конференції молодих вчених "Агроекологія як основа стабілізації сільського господарства" (Харків, 2000 р.), на міжнародній конференції молодих вчених "Сучасні проблеми генетики, біотехнології і селекції рослин" (Харків, 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи надруковано 11 наукових праць, в тому числі 8 статей у фахових наукових виданнях та 3 тез доповідей наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, 6 розділів, основні висновки, пропозиції для селекційної практики, додатки і список використаних джерел. Робота викладена на 250 сторінках тексту комп’ютерного набору, в тому числі 134 сторінки основного тексту, ілюстрована 33 таблицями, 18 рисунками і 10 додатками. Список використаних джерел налічує 320 посилань в т. ч.149 на іноземних мовах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ЯКІСТЬ ЗЕРНА ОЗИМОЇ М’ЯКОЇ ПШЕНИЦІ І МЕТОДИ ЇЇ ОЦІНКИ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ)

Аналіз численних літературних даних свідчить, що технолого-біохімічні показники якості зерна значно змінюються під впливом зовнішніх умов середовища, тому за ними досить складно визначати генетичний рівень якості. Наявна система оцінок не гарантує від втрат в процесі селекційної проробки багатьох цінних генотипів. Підвищення ефективності селекції повинно базуватися на встановленні систем генетичного контролю ознак. З числа генетичних маркерів, найбільш інформативними є групи високо полімерних запасних білків. Вивченню впливу окремих субодиниць запасних білків на показники якості зерна присвячено багато робіт, але практично всі вони мали вузьку направленість – вивчалися зв’язки окремих варіантів блоків з окремими показниками. Більш ґрунтовно вивчено зв'язок блоків гліадинів з показниками господарсько цінних ознак. У меншій мірі вивчено глютенінові білки, особливо в агрокліматичних умовах України. Потребує постійного вивчення також ідентифікація і паспортизація нового світового генофонду, який надходить до України. На вирішення цих питань і були направлені наші дослідження.

АГРО-ЕКОЛОГІЧНІ УМОВИ, МАТЕРІАЛ І МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Польові досліди проведено в 1994-2004 роках на дослідному полі Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН, яке розташоване на відстані 20 км від м. Харкова. Цей район входить до північно-східної частини лівобережного Лісостепу України.

За багаторічними даними метеорологічного посту Iнституту рослинництва в цьому регіоні в середньому випадає 485,8 мм атмосферних опадів за рік. Середньорічна температура повітря становить +6,90С. Середньорічна відносна вологість повітря - 72,8 %. Метеорологічні умови 1994 - 2004 рр., як за температурою повітря, так і за кількістю опадів, були контрастними, що повністю відобразило зональні особливості і дозволило отримати об’єктивні результати за всіма розділами досліджень.

Iнформаційну цінність алельних варіантів високомолекулярних глютенінів вивчали на гібридному і лінійному матеріалі. З цією метою було створено 23 гібридні комбінації і 12 ліній. Матеріалом для ідентифікації і паспортизації генофонду служили сортозразки озимої м'якої пшениці вітчизняної і закордонної селекції із колекції Центру генетичних ресурсів рослин України. Репрезентована вибірка в обсязі 1060 сортів, являла собою набір зразків із 21 країни світу і охоплювала всі основні зони вирощування озимої м’якої пшениці на земній кулі. Це дало можливість отримати цінну інформацію про особливості поліморфізму запасних білків світового генофонду.

Польові досліди проводили по попереднику чорний пар за загальноприйнятою для даної зони агротехнікою. Внесення добрив проводили в основний обробіток ґрунту в дозі – 30 т/га гною. Батьківські форми сіяли на ділянках 2 м2 сівалкою ССФК-7 з нормою висіву 500 зерен на 1 м2. Збирання проводили комбайном Хеге - 125. Гібридизацію – обмежено-вільним методом. Висівали гібриди F1 та F2 вручну рядками з площею живлення 15х5 см, у вигляді популяцій. Починаючи з третього покоління закладали лінії. Гібриди F4 і старших поколінь вирощували в селекційному та контрольному розсадниках на площі 5 м2 та 10 м2. Для вивчення впливу материнської рослини на формування структури глютенінових білків у гібридів F1 проводили реципрокні схрещування. Гібриди F2 у кількості не менше 100 зерен по кожній одержаній комбінації використовували для вивчення спадковості субодиниць високомолекулярних глютенінів. Поліморфізм субодиниць глютенінів вивчали на 100 зернах кожного сорту.

Електрофоретичний поділ глютенінових білків в ПААГ проводили за методикою P.K.W. Ng, M.G. Sconlon, W. Bushuk (1988). Ідентифікацію субодиниць глютеніну і кодуючих їх локусів – за номенклатурою Р.І. Peyne et al. (1987). Електрофоретичний поділ гліадинової фракції білка і ідентифікацію блоків гліадинів проводили за методикою Ф.О. Поперелі (1996). Вміст білка в зерні визначали за К’єдалем (1987), показник седиментації - за методикою А. Я. Пумпянского (1964), натура зерна, склоподібність, кількість та якість клейковини, силу борошна та хлібопекарський аналіз – за Методикою державного сортовипробування сільськогосподарських культур (2000).

Статистичну обробку даних на початкових етапах проводили за t- критерієм Ст’юдента (1966), узагальнюючу – за допомогою пакету статистичних прикладних програм – ОСГЄ, який розроблено відділом генетики Інституту рослинництва ім. В.Я.Юр’єва (1981), а також пакету програм Statistica - 06 (ліцензія № BXXR502C631824NEN3). Характер успадкування субодиниць високомолекулярних глютенінів встановлювали за допомогою критерію Пірсона (1966).

ВПЛИВ АЛЕЛЬНИХ ВАРІАНТІВ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ

ГЛЮТЕНІНІВ НА ЯКІСТЬ ЗЕРНА ОЗИМОЇ М’ЯКОЇ ПШЕНИЦІ

З багатьох літературних джерел відомо, що склад субодиниць високомолекулярного глютеніну надійно маркує технолого-біохімічні показники якості зерна озимої м’якої пшениці. Для підвищення ефективності селекції на якість зерна необхідно знати внесок кожного алельного варіанту високомолекулярних глютенінів в генетичний контроль показників якості, тобто його селекційну цінність. Це дає змогу підбирати материнські і батьківські форми, які мають наближений до оптимального спектр запасних білків, а також передбачати якісні характеристики майбутніх сортів. Селекційну цінність алельних варіантів високомолекулярних глютенінів за технолого-біохімічними ознаками якості зерна ми вивчали на 12 створених нами лініях.

Натура зерна у всіх вивчених ліній, в середньому за три роки досліджень, була дуже високою: від 771 до 813 г/л, що значно перевищує вимоги ДСТУ 3768 – 2004 до зерна 1го класу (табл.1).

Таблиця 1

Вплив субодиниць високомолекулярних глютенінів на фізичні показники якості зерна озимої пшениці, 2001, 2002, 2004 рр.

Лінія | Алельний варіант | Натура зерна | Склоподібність

, г/л | генотиповий ефект | , % | генотиповий ефект

Ei | ранг | Ei | ранг

Ер. 668-04 | 1А1 | 794,2 | -1,8 | 2 | 67,7 | -4,9 | 2

Ер. 669-04 | 1А2* | 809,8 | 13,8* | 1 | 82,0 | 9,5* | 1

Ер. 670-04 | 1АNull | 788,2 | -7,8* | 3 | 73,7 | 1,2 | 2

Ер. 677-04 | 1В7+9 | 793,8 | -2,2 | 2 | 74,8 | 2,3 | 2

Ер. 676-04 | 1В7+8 | 809,8 | 3,8* | 1 | 77,6 | 5,0 | 2

Ер. 678-04 | 1В6+8 | 784,2 | -11,8* | 3 | 72,5 | -0,1 | 2

Лют. 683-04 | 1В17+18 | 796,9 | 0,9 | 2 | 75,4 | 2,9 | 2

Ер. 687-04 | 1В13+16 | 807,1 | 11,1* | 1 | 73,8 | 1,3 | 2

Лют. 690- 04 | 1В14+15 | 794,7 | -1,4 | 2 | 73,3 | 0,8 | 2

Ер. 692-04 | 1В20 | 781,1 | -14,9* | 3 | 60,2 | -12,3* | 3

Лют. 696-04 | 1D5+10 | 813,6 | 17,6* | 1 | 80,3 | 7,8 | 2

Лют. 697-04 | 1D2+12 | 771,2 | -24,8* | 3 | 54,2 | -18,9* | 3

Харківська 96 (St) | 803,5 | 77,2 | 4,7 | 2

НІР0,05 | 6,75 | 8,3

Але найбільш високий і стабільний за роками досліджень рівень ознаки був у

ліній, які несли в спектрі високомолекулярних глютенінів такі субодиниці: 1А2* (Ер.669-04), 1В7+8 (Ер. 676-04), 1В13+16 (Ер. 687-04), 1D5+10 (Лют. 696-04). Середній рівень ознаки ( 793 - 796 г/л) маркують алельні варіанти високомолекулярних глютенінів 1А1, 1В7+9, 1В17+18, 1В14+15. Більш низькою і не стабільною за роками досліджень натура зерна була у ліній, які мали у спектрі високомолекулярних глютенінів субодиниці 1АNull (Ер. 670-04), 1В6+8 (Ер. 678-04), 1В20 (Ер. 692-04), 1D2+12 (Лют. 697-04).

Склоподібность зерна в наших дослідах виявилась також високою. В 11 із 12 ліній вона відповідала вимогам сильних пшениць (60,2 – 81,9 %) (див. табл. 1). Найбільшу селекційну цінність за склоподібністю зерна маркували алельні варіанти високомолекулярних глютенінів 1А2* (Ер. 669-04), 1В7+8 (Ер. 676-04), 1В17+18 (Ер. 683-04), 1D5+10 (Лют. 696-04). Низький рівень склоподібності маркувався присутніми у спектрі алельними варіантами 1В20 (Ер. 692-04), 1D 2+12 (Лют. 697-04). Необхідно відзначити, що в більшості ліній рівень ознаки значно коливався за роками досліджень – сума рангів генотипового ефекту і ступеня пластичності складала 4 – 6 балів. Це вказує на те, що склоподібность зерна озимої м’якої пшениці у більшій мірі залежить від кліматичних умов року ніж від впливу генетичних факторів.

Значну роль у формуванні якості сорту, а саме визначенні його товарної оцінки, відіграють показники білково-клейковинного комплексу. На основі трирічних досліджень інформаційної цінності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів (табл. 2) нами встановлено, що генетичними маркерами високого рівня

Таблиця 2

Показники білково-клейковинного комплексу в залежності від субодиниць

високомолекулярних глютенінів, 2001, 2002, 2004 рр.

Лінія | Алельний варіант | Вміст білка

в зерні | Вміст клейковини в борошні | Якість

клейковини

, % | генотиповий ефект | , % | генотиповий ефект | , од. ВДК | група якості

Ер. 668-04 | 1А1 | 13,08 | 0,435 | 31,33 | -0,46 | 90,00 | 3

Ер. 669-04 | 1А2* | 14,39 | 0,875* | 34,22 | 2,43* | 74,99 | 1

Ер. 670-04 | 1АNull | 13,06 | -0,455 | 31,11 | -0,68 | 90,00 | 3

Ер. 677-04 | 1В7+9 | 13,19 | -0,320 | 31,00 | -0,79 | 88,89 | 3

Ер. 676-04 | 1В7+8 | 14,15 | 0,635* | 35,33 | 3,54* | 81,67 | 2

Ер. 678-04 | 1В6+8 | 12,41 | -1,102* | 29,22 | -2,57* | 96,67 | 3

Лют. 683-04 | 1В17+18 | 13,82 | 0,310 | 32,33 | 0,54 | 93,34 | 3

Ер. 687-04 | 1В13+16 | 14,16 | 0,642* | 35,00 | 3,20* | 88,33 | 3

Лют.690- 04 | 1В14+15 | 13,34 | -0,178 | 31,22 | -0,57 | 92,78 | 3

Ер. 692-04 | 1В20 | 12,57 | -0,943* | 27,78 | -4,02* | 97,22 | 3

Лют. 696-04 | 1D5+10 | 15,39 | 1,875* | 36,33 | 4,53* | 79,44 | 2

Лют. 697-04 | 1D2+12 | 12,05 | -1,470* | 27,22 | -4,57* | 97,78 | 3

Харківська 96 (St) | 14,08 | 31,22 | 90,56 | 3

НІР0,05 | 0,567 | 1,25

накопичення білка в зерні і клейковини в борошні є алельні варінти 1А2*, 1В7+8, 1В13+16, 1D5+10. Присутність цих алельних варіантів у ліній Ер. 669-04, Ер. 676-04,

Лют. 683-04, Лют. 696-04 маркує накопичення білка в зерні і клейковини в борошні на рівні сильних пшениць.

Алельні варіанти: 1В6+8, 1В20, 1D2+12 маркують негативний прояв цих ознак незалежно від умов року вирощування. Субодиниці 1А1, 1АNull, 1В7+9, 17+18, 1В14+15 не мали значного впливу на рівень прояву цих ознак.

За нашими даними тільки один локус 1А2* маркує високу якість клейковини - на рівні сильних пшениць. Алельні варіанти 1В7+8, 1D 5+10 маркують якість клейковини на рівні цінних пшениць.

Показник седиментації контролюється в основному генотипом, але на його величину також впливають умови вирощування. Серед вивчених ліній озимої пшениці виділили номери з високим генетичним потенціалом і проявом показника седиментації. Це лінії, які за алельним станом локусів хромосом А1, В1, D1 мали наступні варіанти: 1А2*, 1В7+8, 1В17+18, 1В13+16, 1D5+10 (табл. 3). Низький прояв ознаки седиментаційного осаду спостерігався у ліній, які мали в спектрі високомолекулярних глютенінів алельні варіанти 1В6+8, 1В20, 1D2+12.

Важливим кроком для оцінки технологічних властивостей пшениці є визначення фізичних властивостей тіста. Високий рівень прояву показника сила борошна маркують алельні варіанти 1А2*, 1В7+8, 1D5+10 (див. табл. 3). За пружністю тіста високу селекційну цінність виявили алельні варіанти високомолекулярних глютенінів: 1А1, 1А2*, 1В7+8, 1D5+10. Оптимальний рівень збалансованості тіста

Таблиця 3

Показники седиментації та сили борошна в залежності від присутності

алельних варіантів високомолекулярних глютенінів, 2001, 2002, 2004 рр.

Лінія | Алельний варіант | Показник седиментації | Сила борошна

, мл | генотиповий ефект | , о.а. | генотиповий ефект

Ei | ранг | Ei | ранг

Ер. 668-04 | 1А1 | 84,2 | 3,3 | 2 | 242,6 | 31,0 | 2

Ер. 669-04 | 1А2* | 92,3 | 11,4* | 1 | 278,5 | 63,9* | 1

Ер. 670-04 | 1АNull | 77,6 | -3,4 | 2 | 193,1 | -21,5 | 2

Ер. 677-04 | 1В7+9 | 79,8 | -1,2 | 2 | 204,2 | -10,4 | 2

Ер. 676-04 | 1В7+8 | 91,2 | 10,3* | 1 | 286,5 | 72,0* | 1

Ер. 678-04 | 1В6+8 | 64,8 | -16,2* | 3 | 158,6 | -56,0* | 3

Лют. 683-04 | 1В17+18 | 91,3 | 10,4* | 1 | 231,1 | 16,5 | 2

Ер. 687-04 | 1В13+16 | 92,1 | 11,9* | 1 | 236,6 | 22,0 | 2

Лют. 690-04 | 1В14+15 | 78,0 | -2,9 | 2 | 186,2 | -28,4 | 2

Ер. 692-04 | 1В20 | 62,9 | -18,0* | 3 | 135,9 | -78,7* | 3

Лют. 696-04 | 1D5+10 | 93,7 | 12,7* | 1 | 300,3 | 85,7* | 1

Лют. 697-04 | 1D2+12 | 62,1 | -18,8* | 3 | 110,6 | -104,0* | 3

Харківська 96 (St) | 82,0 | 222,3

НІР0,05 | 5,7 | 36,9

маркують алельні варіанти 1А1, 1А2*, 1А Null, 1В7+8, 1B7+9, 1В13+16, 1В 17+18 та 1D5+10. Низький рівень прояву всіх цих трьох ознак фізичних властивостей тіста маркують алельні варіанти 1B6+8, 1B14+15, 1B20, 1D2+12.

За показниками хлібопекарської оцінки борошна висока інформаційна цінність визначена для алельних варіантів 1А2*, 1В7+8, 1В13+16, 1D5+10. Лінії, які мали в спектрі високомолекулярних глютенінів такі субодиниці відповідають вимогам сильних пшениць за хлібопекарськими якостями.

За результатами наших досліджень є можливість розмежувати субодиниці високомолекулярних глютенінів за впливом на комплекс технолого-біохімічних властивостей зерна озимої пшениці. До першої групи субодиниць, які маркують позитивний генотипово обумовлений ефект прояву цих ознак, необхідно віднести наступні варіанти: 1А2*, 1В7+8, 1В17+18, 1В13+16, 1D5+10. До другої групи увійшли варіанти, які маркують генотипово обумовлений низький прояв показників якості зерна: 1В6+8, 1В20, 1D2+12. До третьої групи віднесено алельні варіанти 1А1, 1А Null, 1B7+9, 1B14+15, які не виступають маркерами рівня прояву показників якості зерна.

Узагальнення отриманих нами результатів вивчення селекційної цінності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів дає привід відкоригувати шкалу їх маркування рівня прояву технолого-біохімічних ознак пшеничних генотипів (табл. 4).

Оцінку алельного варіанту 1А1 змінили з 3-х балів на 2, а алеля 1АNull – з 1 на 2 бали. Крім того ми визначили характер маркування показників якості зерна трьома

Таблиця 4

Шкала оцінки технологічної цінності алельних варіантів

високомолекулярних глютенінів для Лісостепової зони України

Хромосома | Алельний варіант

глютеніну | Технологічна цінність алеля, бал

за міжнародною шкалою (P. I. Payne) | за удосконаленою шкалою (ІР)

А 1 | 2* | 3 | 3

1 | 3 | 2**

Null | 1 | 2**

В 1 | 7+8 | 3 | 3

17+18 | 3 | 3

13+16 | - | 3***

7+9 | 2 | 2

14+15 | - | 1,5***

20 | - | 1,5***

6+8 | 1 | 1

D 1 | 5+10 | 4 | 4

2+12 | 2 | 2

Примітки: 1.**- відкориговані оцінки алельних варіантів;

2. *** - оцінка нових алельних варіантів.

новими алельними варіантами для зони Лісостепу України: 1В13+16, 1B14+15 та 1В20. Вперше для цієї зони визначили якісний потенціал цих алельних варіантів: 1В13+16 – 3 бали, 1B14+15 та 1В20 – по 1,5 бали.

Вдосконалена шкала дозволяє більш достовірно визначати інформаційну цінність алельних варіантів високомолекулярних глютенінів, як генетичних маркерів високих і низьких показників якості зерна, що спрощує процес оцінки і добору необхідних генотипів і, в цілому, підвищує ефективність селекції озимої м’якої пшениці на якість зерна.

ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ ГЛЮТЕНІНІВ,

ГЛІАДИНІВ ТА КОНСИСТЕНЦІЇ ЕНДОСПЕРМУ У ВИЗНАЧЕННІ

ПОТЕНЦІАЛУ ЯКОСТІ ПШЕНИЧНОГО ГЕНОТИПУ

Більш повну інформацію про спадково обумовлений рівень якості зерна можна отримати при спільному вивченні електрофоретичних спектрів гліадинів і високомолекулярних глютенінів. В наших дослідах ми вивчали комплексний вплив високомолекулярних глютенінів, консистенції ендосперму та окремих гліадинових блоків (Glі1B1, Glі1B2, Glі1B3). Ці блоки гліадинів виділені нами із ендосперму зернівки тріс - гліциновим буфером і були розташовані у загальному спектрі між позиціями високо - і низькомолекулярних глютенінів. Встановлено, що сорти, які мають ідентичні глютенінові спектри, але різні за гліадиновими блоками, значно відрізняються за технологічним потенціалом якості. На рисунку 1 наведено вплив окремих генетично обумовлених факторів, за якими спостерігається зниження показника седиментації, в залежності від вмісту їх у спектрі окремих сортів озимої м’якої пшениці. Як видно із дендрограми, накопичення у спектрах глютенінів і гліадинів алельних варіантів, які відіграють спадково негативну роль у формуванні якісного

Рис.1 Bплив генетичних факторів на показник седиментації:

1-Glu 1D2+12; 2-Gli 1B3; 3-Glu 1B6+8; 4-Glu 1D2+12 Glu 1B6+8; 5-Glu 1D2+12 Gli 1B3; 6-Glu 1B6+8 Gli 1B3; 7-Glu 1D2+12 Glu 1B6+8 Gli 1B3; 8-St (1В7+9 1 D5+10).

потенціалу пшеничного генотипу, істотно знижують показник седиментації.

Аналіз гібридного матеріалу примушує не погоджуватися з деякими літератур

ними даними і переглянути попереднє бачення про головну роль консистенції ендосперму у формуванні якості зерна. Дані таблиці 5 свідчать про незначний вплив консистенції ендосперму в порівнянні з високомолекулярними глютенінами і гліадинами на визначення генетичного потенціалу якості зерна озимої м’якої пшениці.

Нашими дослідами підтверджено, що консистенція ендосперму, структура спектру гліадину і глютеніну, поєднуються в генотипі незалежно. Так, наприклад, гліадиновий блок 1В3 (житня транслокація), який значно знижує технологічну якість, може бути присутнім як на фоні варіанту глютеніну 1А1 (Іванівська 16), так і на фоні алельного варіанту 1А2* (Stetson) (див. табл. 5). Його включення в генотип виявляється як у сортів з твердозерним ендоспермом (Іванівська 16, Боряна, Ziganca), так і з м’якозерною структурою ендосперма (St-745, St-943). Дуже низький показник седиментації (29 - 35 мл) мали сорти з світової колекції (Balkan, Hammer). Дослідження показали, що у цих сортів поєднані всі три фактори, які негативно впливають на генетичний потенціал якості, а саме: м’якозерний ендосперм, блок гліадінів 1В3 та блоки глютенінів 1В6+8, 1D2+12.

Таблиця 5

Показники твердозерності та седиментації сортів пшениць, які різняться за алельними варіантами гліадинових білків, 1994 - 1996 рр.

Сорт | Склад HMW глютенінів | Алельний варіант гліадинів | Структурно-механічні властивості | Число седиментації, , мл

Альбатрос

одеський | 1А1 1В7+9 1D5+10 | 1В1 | твердозерний | 98,8**

Донская полукарликовая | -//- | 1В2 | твердозерний76,5**

Іванівська 16 | -//- | 1В3 | твердозерний63,1**

Безостая 1 | 1А2* 1В7+9 1D5+10 | 1В1 | твердозерний91,4**

Wesel | -//- | 1В2 | твердозерний84,3**

Миронівська 27 | -//- | 1В3 | твердозерний44,6**

НІР0,05 | 15,4

Примітка. ** різниці істотні на 0,05 % рівні значущості

За результатами наших досліджень є можливість удосконалити розроблену Ф.О. Поперелею (1998), класифікацію сортів озимої пшениці за генетичним потенціалом якості зерна. Ми пропонуємо визначати склад алельних варіантів високомолекулярних глютенінів за міжнародною номенклатурою (1987). Класифікацію сортів озимої м’якої пшениці за алельними варіантами високомолекулярних глютенінів пропонуємо проводити згідно визначеної нами їх інформаційної цінності. Так, до класу SA, за нашими даними, повинні входити генотипи, які у спектрі високомолекулярних глютенінів мають такі алельні варіанти: 1А2*, 1В7*+8, 1D5+10, що маркують надвисокі технологічні показники якості зерна. Прикладом можуть бути окремі сорти СГІ (Одеська червоноколоса, Панна). Це новий клас пшениць у вітчизняній селекції, який потребує подальшого детального вивчення і впровадження в селекційну практику як джерела цінних ознак.

До класу А входять генотипи, які за вмістом глютенінів мають наступні алельні варіанти: 1А2*, 1В7+8 (або 13+16, 17+18), 1D5+10. Це сорти вітчизняної і закордонної селекції, які в останнє десятиріччя широко впроваджуються в виробництво і за технологічними показниками відносяться до „сильних пшениць”: Одеська 267, Зустріч, Альбатрос одеський, Миронівська ранньостигла, Василина, Київська 8 та ін.

Клас пшениць В набув великого розповсюдження завдяки присутності у спектрі НМW глютенінів блоків 1А1, 1В7+9, 1D5+10, які забезпечують високий адаптивний потенціал сорту до різних кліматичних зон вирощування у сукупності з якісними показниками на рівні вимог до „цінних пшениць”.

До класу D входять м’якозерні пшениці, які за думкою Ф.О. Поперелі, О.І. Рибалко та інших дослідників, є цінним джерелом високоякісної сировини для кондитерської промисловості. Одним з кращих представників цього класу є сорт Оксана, створений у Селекційно - генетичному інституті УААН.

Останні класи відносяться за технологічними показниками до кормових пшениць. Такі характеристики їм забезпечує присутність відповідних алельних варіантів глютенінів та гліадинів.

Запропонована нами удосконалена система класифікації спрощує процес визначення якісного потенціалу селекційного матеріалу та ідентифікацію і паспортизацію генофонду озимої м’якої пшениці.

ХАРАКТЕР УСПАДКУВАННЯ ГЛЮТЕНІНОВИХ БІЛКІВ І ЇХ

ПРОЯВ У РОДОВОДІ СУЧАСНИХ СОРТІВ ОЗИМОЇ М’ЯКОЇ ПШЕНИЦІ

Ефективність селекції озимої пшениці на підвищення якості зерна в значній мірі залежить від залучення в селекційний процес джерел з високим рівнем прояву цінних ознак, які генетично контролюються. Вирішенню цієї задачі сприяє відстеження прояву в родоводах сортів озимої пшениці алельних варіантів високомолекулярних глютенінів, які контролюють ці ознаки та встановлення закономірностей їх успадкування при гібридизації.

Наші дослідження, проведені на гібридному матеріалі, показали, що в гетерозиготному ендоспермі зернят F1 присутні глютенінові компоненти, які притаманні обом батьківським формам. До того ж нові гібридні білки не утворювалися і більш чітко проявлялися компоненти материнського сорту. Подальше вивчення гібридів показало, що компоненти глютеніна озимої м’якої пшениці, як і гліадини, успадковуються за законами Менделя з розщепленням в F2 у співвідношенні 1:1:1:1, що відповідає чотирьом генотиповим класам за ендоспермом ААА:ААа:Ааа:ааа (табл. 6).

Блоки компонентів глютеніна, характерні для обох батьківських форм, мають місце в зернівці тільки в стані гетерозиготи, що підтверджує висновок О.О. Созінова, Ф.О. Поперелі, А.І. Стаканової (1975), згідно з яким за синтез таких блоків відповідають гомологічні хромосоми. В межах окремої гібридної комбінації F3 - F4

Таблиця 6

Успадкування субодиниць глютеніну хромосоми 1В в F2 гібридної комбінації Поліська 87 / Харківська 92, 1994 - 1995 рр.

Генотип

ендосперму | Прояв алельних варіантів | Кількість зерен, шт. | ?2 | P

фактична | теоретично очікувана

ХХХ | 1В7+9 | 37 | 38,5 | 0,55 | >0,90

ХХП | 1В7+9;1В6+8 | 35 | 38,5

ХПП | 1В7+9, 1В6+8 | 40 | 38,5

ППП | 1В6+8 | 42 | 38,5

Примітки: 1. Х - Харківська 92; 2. П - Поліська 87;

3. ?2 розраховано при теоретично очікуваному розщепленні 1:1:1:1.

виявлена значна різноманітність генотипів за включенням варіантів блоків високомолекулярних глютенінів, що відповідає кодомінантному типу успадкування.

Дослідження родоводів окремих сортів озимої м’якої пшениці України і Росії показало, що селекційний процес, який проводився без урахування складу запасних білків, обумовив обмежену кількість субодиниць глютенінових білків, які зустрічались у межах окремої селекційної установи, що привело до звуження генетичної основи генофонду озимої м’якої пшениці. Тому можна припустити, що алельні варіан-

ти субодиниць високомолекулярних глютенінів локусів хромосом першої гомологічної групи є маркерами комплексу кодомінантних генів, характерних для сортів окремого регіону. Так, для степової зони (Селекційно-генетичний інститут УААН, Краснодарський науково-дослідний інститут сільського господарства ім. П.П.Лук’яненка) найбільшого розповсюдження набули алельні варіанти локусів високомолекулярних глютенінів 1А2*, 1В7+8, 1D5+10, для лісостепової зони (Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН, Миронівський інститут пшениці ім. В.М. Ремесла УААН) найбільшого розповсюдження набули алельні варіанти локусів високомолекулярних глютенінів 1А1, 1В7+9 (в останній час 7+8), 1D5+10.

ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНІ ГЛЮТЕНІНОВІ БІЛКИ В ІДЕНТИФІКАЦІЇ І

ПАСПОРТИЗАЦІЇ ГЕНОФОНДУ ОЗИМОЇ М’ЯКОЇ ПШЕНИЦІ

Серед факторів, що забезпечують одержання високої стійкої врожайності високоякісного зерна озимої м’якої пшениці, в сучасних умовах, на перше місце виходить селекційно–генетичне поліпшення культури. Першим кроком на шляху вирішення поставленої проблеми є пошук нових джерел і донорів цінних ознак серед світового генофонду.

З цією метою, протягом 1994 – 2004 років ми вивчили 1060 сортозразків озимої м’якої пшениці вітчизняної і закордонної селекції з колекції Центру генетичних ресурсів рослин України за складом високомолекулярних глютенінів. Встановлено, що найбільшого розповсюдження набули алельні варіанти: 1А1, 1В7+9, 1D5+10.

Більшість сортів мономорфні за вивченими глютеніновими білками (Харківська 105, Харус, Калина красна та ін.). Однак необхідно відзначити, що частина вивчених сортів була поліморфною. З 1060 вивчених сортів у 18,3 % ми визначали гетерогенність за одним, двома, а в деяких випадках - трьома локусами.

Для встановлення географічних зон розповсюдження окремих алельних варіантів блоків висомолекулярних глютенінів хромосом А1, В1, D1 ми використали кластерний аналіз розрахунку генетичних дистанцій. Це дало можливість з’ясувати регіони походження окремих блоків глютенінів і визначити ймовірні країни - донори нового вихідного матеріалу для використання в селекційних програмах на якість зерна.

На дендрограмі (рис.2) показано результати кластерного аналізу за алелями Glu-1 відносно сортів різних країн світу. До кластеру 1 ввійшли сорти, які характеризуються обмеженою кількістю алельних варіантів субодиниць Glu-1. Це сорти таких країн як Росія, Болгарія, Югославія, Австрія. Практично для кожної з 3-х хромосом, які контролюють високомолекулярні глютеніни, ідентифіковано по одній субодиниці, що привело до звуження генетичної відстані і виявило тенденцію одноманітності генетичної плазми в сортах цих країн. До другого кластеру увійшли сорти більшості країн Європи, а також США і Канади. Вони характеризуються відносно високою частотою зустрічальності субодиниць хромосом А1, В1, D1 (Н = 0,4). Наприклад, сортозразки із США характеризувались таким співвідношенням: за хромосомою 1А субодиниця 1 виявлена у 18,7% зразків, субодиниця 2* – у 52,8%, субодиниця 1В7+9 – у 56,9%, субодиниця 1В7+8 – у 24,4% і субодиниця 1D5+10 - у 74,0% зразків.

Рис.2 Дендрограма розрахунку генетичних дистанцій за алелями Glu-1 відносно сортів озимої м’якої пшениці світового генофонду

До 3-го кластеру ввійшли сорти азіатських країн, Австралії, Мексики (SIMMYT), а також країн півдня Європи. Цей кластер характеризується високим показником генетичної відстані (Н = 0,6). Сорти озимої м’якої пшениці цього кластеру мають у спектрі високомолекулярних глютенінів практично всі ідентифіковані варіанти. Вони є цікавими з точки зору включення в селекційний процес з метою розширення генетичного різноманіття вихідного матеріалу в селекційних програмах на якість зерна.

За результатами кластерного аналізу ми можемо зробити висновок, що алельні варіанти глютенінових білків характеризуються залежністю від географічної зони походження сортів озимої м’якої пшениці. Це можна простежити на прикладі розповсюдження сортів озимої м’якої пшениці у межах України.

При узагальненні даних електрофоретичних спектрів сортів, які вносились до Реєстру сортів рослин України за останні 10 років, спостерігається закономірність зустрічальності варіантів блоків Glu 1A за зонами вирощування (рис. 3). Так у сортів, що рекомендуються для степової зони вирощування, встановлена однакова присутність алельних варіантів блоків 1А1 і 1А2*. При цьому повністю відсутні сорти з алельним блоком 1АNull. У сортів, які рекомендуються для вирощування у Лісостепу, превалює алельний варіант 1А1, з невеликим відсотком сортів з Null-алелем. Для зони Полісся також основним блоком є 1А1, але при цьому збільшується відсоток сортів з 1АNull і зменшується доля сортів з локусом 1А2*.

Рис.3 Розподіл алельних варіантів блоків Glu – 1 відносно зон вирощування сортів озимої м’якої пшениці в Україні, 1994 – 2004 рр.

Із всього вищезазначеного можна зробити висновок, що найбільш адаптованим для кліматичних зон України є алельний варіант 1А1, розповсюдження якого за зонами сягало від 33 до 51%. Субодиниця 1А2* в основному характерна для степової і лісостепової зон, Null-алель для Полісся. Враховуючи виявлені закономірності зустрічальності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів у сортів озимої

м’якої пшениці української і зарубіжної селекції, з великою достовірністю можна припустити, що субодиниця 1А1 може слугувати генетичним маркером високої адаптивності до різних кліматичних зон вирощування .

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукового завдання, яке виявляється в визначенні інформаційної цінності алельних варіантів високомолекулярних глютенінів за якістю зерна, що підвищує ефективність добору цінних генотипів та надійність ідентифікації і паспортизації генофонду. Встановлено кодомінантний тип успадкування алельних варіантів високомолекулярних глютенінів у внутрішньовидових гібридів озимої м’якої пшениці. На основі виявлених закономірностей фенотипового прояву технолого-біохімічних показників якості зерна та встановленого генотипового їх маркування алельними варіантами високомолекулярних глютенінів, доведено можливість створення цінного вихідного матеріалу з стабільно високим рівнем прояву цих ознак. Розроблені генетичні формули 1060 сортів світового генофонду озимих пшениць за алельними варіантами високомолекулярних глютенінів. Створений цінний вихідний матеріал, що