Оценка сортовых качеств семян зерновых культур методом электрофореза проламинов

Оценка сортовых качеств семян зерновых культур методом электрофореза проламинов

Практически все современные сорта зерновых культур представляют собой сложные сорта-популяции. Они состоят из элементарных структурных элементов биотипов, целостный состав которых обеспечивает большую стабильность урожайности в различных условиях среды благодаря компенсаторной реакции биотип-средового взаимодействия. Однако, в связи с наличием в структуре сортовой популяции биотипов, появляются трудности с контролем внутренней генетической целостности, присущей исходному сорту к моменту его районирования. Обеспечить надежный контроль в этом направлении на основе использования имеющихся традиционных методов сортового контроля не представляется возможным, поскольку чаще всего биотипы не имеют четко выраженного фенотипического проявления. В связи с этим особое значение приобретают наиболее приближенные к уровню генотипа методы оценки и контроля внутренней структуры сортовой популяции, особенно в ходе семеноводства, когда наиболее вероятна утеря ценных генотипов сортовой популяции.

В настоящее время, благодаря значительным практическим и теоретическим наработкам в области молекулярной биологии, наряду с другими признаками для оценки структуры популяции, особенностей динамики ее изменчивости и связанными с этим процессами, широко используются белковые маркерные признаки.

С использованием данного метода стало возможным оценить популятивность районированных сортов и выявить их генетическую структуру для последующего контроля в ходе семеноводства и репродуцирования в производственных условиях различных экологических зон.

Целью проводимой работы являлась оценка ряда районированных сортов зерновых культур по показателям сортовой чистоты, генетического качества на основе метода электрофоретического фракционирования запасных белков семян в разрезе районов репродуцирования и сопоставление полученных результатов с показателями семян учреждений-оригинаторов для характеристики генетического качества внутренней структуры сортовой популяции.

Данная работа проводилась в рамках задания Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь и НАН Беларуси по оценке сортовой чистоты оригинальных семян, репродуцируемых в условиях субъектов семеноводства в разрезе областей Республики Беларусь.

Проведенные исследования по использованию белковых маркерных систем в качестве критериев оценки генетической структуры растительной популяции позволили рекомендовать их в качестве дополнительного инструмента для оценки уровня популятивности используемых сортов [9, 10, 16].

В.Г. Конаревым были определены направления использования метода белковых маркеров в сортоиспытании, семеноводстве и семенном контроле по целому ряду приоритетных направлений, имеющих большое практическое значение для сохранения всех качеств сорта в ходе селекционно-семеноводческой работы [7, 8].

П.П. Демкин [5] указывает, что сопровождение белковыми формулами передаваемых на государственное сортоиспытание образцов способствует правовой охране сортов, снижению затрат на проведение апробации и грунтового сортового контроля.

Одним из наиболее важных моментов, который следует учитывать при проведении сортовой идентификации и определении чистосортности семян, является генетическая гетерогенность сортов. Критерием гетерогенности на уровне запасных белков служит отсутствие единообразия белковых спектров в исследуемом образце того или иного сорта [11, 17].

Наличие и соотношение биотипов сорта обусловлено конкретной реализацией генетической природы сорта в определенном ареале возделывания, что, по мнению А. И. Абугалиевой, может быть выражено в отношении всех биотипов, составляющих структуру сорта [3].

Рядом исследований было установлено, что биотипы в процессе репродукции сорта могут менять соотношение в структуре сорта и даже элиминировать из-за влияния антропогенного фактора и проявления естественного отбора в процессе формирования элиты [6].

И.М. Молчаном и др. [12] было показано, что каждый из биотипов сорта может воспроизвести и другие биотипы, а также структуру сорта, что свидетельствует о том, что сорт не является простой механической смесью любых генотипов. Автор акцентирует внимание на том, что каждому из них присуща гетерогенность особого типа с характерным для него соотношением генотипов и размахом изменчивости.

Кроме этого, достоверно установлено [1, 2, 4, 13−16], что в процессе репродуцирования изменяется генетическое качество семян, определяемое числом и содержанием белковых биотипов в сравнении с этими же параметрами у оригинальных семян. Ряд биотипов, в том числе и основной биотип, составляющий наибольшую долю в сорте, может элиминировать в результате проявления естественного отбора. Это ведет к переориентации структуры сорта, что значительно снижает хозяйственные показатели и продуктивность.

Таким образом, необходимость сохранения генетического качества неоднократно обоснована и сводится к процедуре контроля за присутствием и соотношением в структуре популяции исходных биотипов на всех звеньях семеноводческой работы.

В качестве метода исследований использовался электрофоретический анализ запасных белков семян в соответствии с методиками, включенными в область аккредитации Испытательной лаборатории качества семян УО БГСХА (аттестат аккредитации №BY/112 02.1.0.0425):

• — Методика определения «Семена пшеницы и тритикале. Определение сортовой принадлежности, сортовой чистоты и генетического качества методом электрофоретического анализа запасных белков». УО БГСХА, Горки, 2008;
• — Методические указания «Идентификация сортов пшеницы и ячменя методом электрофореза». Ленинград, 1989.

Объектами исследований являлись семена районированных сортов зерновых культур, представленные Государственными инспекциями Могилевской, Минской, Брестской, Витебской и Гродненской областей.

Электрофоретический анализ проводился в выборке из 100 зерен с последующим сравнением с эталонными электрофоретическими паспортами анализируемых сортов для оценки сортовой чистоты и генетического качества семян.

По результатам проведенной оценки нами было проанализировано 84 пробы зерновых культур. В качестве оценочного показателя проб семян выступало значение сортовой чистоты, выраженное в процентах числа типичных белковых спектров в анализируемой выборке.

Прежде всего, нас интересовало значение оцениваемого показателя по идентичным сортам в разрезе областей республики (таблица).

В целом у большинства проанализированных проб (92%) показатель сортовой чистоты находился в пределах установленных СТБ 1073 «Семена зерновых культур. Сортовые и посевные качества. Технические условия». В 43% определений пробы характеризовались 100%-ной сортовой чистотой.

Следует отметить, что в отличие от лабораторного сортового контроля и грунтконтроля показатели сортовой чистоты, полученные на основе метода электрофоретического анализа запасных белков семян, являются, как правило, ниже по ряду причин:

• — существенные различия в объемах анализируемых выборок семян: для метода электрофореза анализируются 100 семян, при лабораторном сортовом контроле 1 кг, т. е. приблизительно 20 000 зерновок или в 200 раз больше;
• — метод электрофореза белков наиболее приближен к генотипу, поскольку путь к белковому признаку от генотипа короче, чем от генотипа к морфологическому признаку. Показатели сортовой чистоты анализируемых проб семян зерновых культур (2010 г.)

Выявленные значения сортовой чистоты характеризуют оцениваемые сорта по критериям соответствия или несоответствия электрофоретических спектров эталонному уровню, то есть образцы оцениваются по степени типичности белковых спектров к уровню сортовой популяции. Вместе с тем высокие показатели сортовой чистоты не всегда в полной степени гарантируют полное генетическое соответствие исходному оригинальному сорту, поскольку не учитывают показатели содержания и соотношения биотипов сорта. В данном случае речь идет о генетическом качестве оцениваемого образца, то есть о соответствии биотипного содержимого уровню сорта-эталона, поскольку только максимальное соответствие данному уровню может гарантировать проявление всех хозяйственно-полезных характеристик, за которые сорт был районирован.

В этой связи для оценки соответствия внутренней структуры сортовой популяции уровню исходного сорта нами дополнительно было проанализировано генетическое качество представленных проб семян (рисунок). Для оценки генетического качества семян был использован сравнительный анализ биотипного состава анализируемых проб с имеющимися электрофоретическими паспортами, полученными по семенам учреждения-оригинатора сорта. В ходе проделанного анализа было установлено, что характер проявления генетического качества имеет свои особенности. Прежде всего было определено, что в разрезе анализируемого сортимента наибольшие отклонения от уровня сортов-эталонов по показателям, характеризующим генетическое качество семян, проявляют неосновные (вторые) биотипы. Величины отклонений параметров биотипного содержания определялись в пределах от +10 до -20% к исходному генетическому содержанию сорта-эталона. Колебания уровня содержания основного (типичного) биотипа в сортах в 80% определений находятся в пределах неполного или частичного соответствия генетического качества анализируемых проб сортов к уровню сорта-эталона. В разрезе регионов семеноводства показатели генетического качества семян носили неравнозначный характер по анализируемым сортам. Так, по сорту Росстань варьирование в уровне содержания основного биотипа составляло от +5 до +16% к уровню эталонной популяции.

Могилевская область.	Витебская область.
Брестская область.	Гродненская область.
Минская область Примечание: -содержание основного (первого) биотипа в сорте-эталоне — содержание неосновного биотипа в сорте-эталоне — содержание основного (первого) биотипа в пробе — содержание неосновного биотипа в пробе

Результаты оценки генетического качества проб семян в сравнении с эталоном Сортовая популяция сорта Тома проявила тенденцию к снижению уровня содержания типичного биотипа в пределах 14−15% к исходному уровню. Исключением в данном случае являлась популяция, репродуцируемая в Могилевской области, для которой отмечено возрастание доли основного биотипа.

Сорт Рассвет по всем регионам характеризовался 100%-ной сортовой чистотой и полным соответствием по генетическому качеству уровню сорта-эталона.

По сортам ярового ячменя выделяются Талер и Бровар, для которых отмечено колебание в содержании основного биотипа от -18 до +15% в сравнении с исходным уровнем. Сорта Якуб и Стратус характеризовались почти полным совпадением в содержании основного биотипа с сортом-эталоном.

Таким образом, проделанный анализ позволил охарактеризовать представленный набор сортов по важнейшим показателям, опосредованно связанным с проявлением продуктивности и рядом хозяйственно-ценных качеств. Несмотря на то что в подавляющем большинстве проанализированные образцы семян характеризовались высокими значениями сортовой чистоты, генетическое качество не всегда в полной мере соответствовало уровню сорта-эталона. Для более полной реализации генетического потенциала продуцируемых сортов следует постоянно контролировать сортовую популяцию на предмет количества и соотношения белковых биотипов в сравнении с исходными показателями последних, установленными по семенам учреждения-оригинатора.

В последние годы проверка большинства закупаемых и реализуемых партий семян зерновых культур и кукурузы биохимическими методами стала обычной практикой в Беларуси, наряду с традиционными методами лабораторного сортового контроля. При несоответствии стандарту сортовой чистоты закупаемой или реализуемой партии цена существенно снижается или происходит выбраковка данных партий. Особенно актуально это для определения сортовой принадлежности пивоваренного ячменя [14], поскольку в случае понижения уровня сортовой чистоты ниже 95% следует ожидать, что качество солода и соответственно конечного продукта будет значительно снижаться.

Выводы

• 1. На основе метода электрофоретического анализа глиадинов выявлены высокие значения сортовой чистоты оригинальных проб семян зерновых культур.
• 2. Сохранность генетического качества сортов в процессе естественного репродуцирования может значительно отклоняться от уровня сорта-эталона учреждения-оригинатора.
• 3. Высокие значения сортовой чистоты не всегда гарантируют сохранность генетического качества сортов, поскольку не учитывают внутреннюю структуру сортовой популяции на предмет соотношения частот встречаемости белковых биотипов.
• 4. В ходе семеноводства необходим тщательный мониторинг структуры популяции с оценкой сохранности генетического качества для полной реализации потенциала возделываемых сортов.

семя сортовой электрофорез зерновой.

• 1. Абугалиева, А. И. Компоненты глиадина и субъединицы глютенина в селекции пшеницы на качество зерна: автореф. дис. … докт. биол. наук: 06.01.05; 03.00.04 / А. И. Абугалиева. Алмалыбак, 1994. 52 с.
• 2. Абугалиева, А. И. Количество зерновых биотипов пшеницы / А. И. Абугалиева // Вестник сельскохозяйственной науки. Казахстан. 1984. № 5. С. 29−33.
• 3. Булатова, К. М. Электрофоретический спектр глютенина как биохимический показатель внутрисортового полиморфизма пшеницы по запасным белкам / К. М. Булатова // Биохим. показатели в селекции зерновых культур. Алма-Ата, 1986. С. 14−23.
• 4. Демкин, П. П. Сортовая идентификация семян / П. П. Демкин // Семеноводство зерновых культур: агроэкология, организация, технология / П. П. Демкин. М., 1988. С. 168−173.
• 5. Комплексное генетическое исследование формирования элиты озимой пшеницы, ярового ячменя и организация генетического контроля семеноводческих посевов хозяйств Могилевской области: отчет по хоздоговорной теме № 12 / Горки, 1996. 50 с.
• 6. Конарев, В. Г. Белки пшеницы / В. Г. Конарев. М.: Колос, 1980. 350 с.
• 7. Конарев, В. Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений / В. Г. Конарев. СПб.: ВИР, 1998. 370 с.
• 8. Конарев А. В. Использование молекулярных маркеров в работе с генетическими ресурсами растений / А. В. Конарев. СПб.: ВИР, 1998. № 5. С. 3−25.
• 9. Конарев, А. В. Белки семян как маркеры в решении проблем генетических ресурсов растений, селекции и семеноводства / А. В. Конарев, В. Г. Конарев, Н. К. Губарева, Т. И. Пенева // Цитол. и генет. 2000. Т. 34. № 2. С. 91−104.
• 10. Кудрявцев, А. М. Создание системы генетических маркеров твердой пшеницы (T. Durum Desf.) и ее применение в научных исследованиях и практических разработках: дис. … докт. биол. наук: 03.00.05 / А. М. Кудрявцев; Ин-т общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН. М., 2007. С. 24−25.
• 11. Молчан, И. М. Структура и изменчивость сорта пшеницы по признаку остистости / И. М. Молчан, Т. В. Лезжова // Пробл. селекции сортов мягкой яровой пшеницы интенсив. типа / И. М. Молчан, Т. В. Лезжова. Новосибирск, 1980. С. 32−36.
• 12. Неттевич, Э. Д. Метод электрофореза при изучении внутрисортовой изменчивости качества зерна пшеницы / Э. Д. Неттевич, Н. С. Беркутова, Л. Г. Погорелова // Селекция и семеноводство. 1983. № 2. С. 8−10.
• 13. Поморцев, А. А. Идентификация и оценка сортовой чистоты семян ячменя методом электрофоретического анализа запасных белков зерна (теория вопроса, методика электрофореза, каталог электрофореграмм современных сортов ячменя, допущенных к использованию в Российской Федерации) / А. А. Поморцев, Е. В. Лямина. М.: Изд-во МСХА, 2003. 85 с.
• 14. Разработка и внедрение современных методик по стандартизации семенной продукции на основе лабораторного, сортового контроля, биохимической паспортизации сортов зерновых и зернобобовых культур: отчет о научно-исследовательской работе 35/2 / Горки, 2007. 113 с.
• 15. Сеитова, А. М. Биотипный состав и блоки компонентов глиадина у мягкой озимой пшеницы Богарная 56 / А. М. Сеитова, Е. В. Метаковский, А. А. Созинов // Цитология и генетика. 1986. Т. 20. № 3. С. 196−201.
• 16. Созинов, А. А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 327 с.