Variability of genetic diversity of spring barley by hordeincoding locus over a 40-year period of scientific breeding in the Krasnoyarsk Territory

Full Text

В настоящее время установлены значительный генетический полиморфизм для ячменя по локусам запасного белка – гордеина (Нгd), а также различия частот встречаемости аллелей гордеина у популяций и сортов в зависимости от географического происхождения [1–3]. Расширились возможности оценить адаптивную и селекционную важность аллелей гордеина и их целенаправленного использования в качестве генетических маркеров для ускорения селекционного процесса и повышения результативности отбора генотипов, наиболее приспособленных к определенным агроэкологическим зонам [4, 5] .

Цель работы – сравнительный анализ во времени аллельного состава гордеинов сортов ярового ячменя, возделываемых в Красноярском крае, сортообразцов селекционных питомников КНИИСХ и сортов инорайонной селекции, выделенных в качестве источников ценных признаков в агроэкологических условиях края.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве материала для исследования служили 33 сорта ярового ячменя, допущенных к использованию (районированных) на территории Красноярского края (начиная с 1940 г.), 40 местных сибирских форм ярового ячменя, не менее 500 образцов селекционных питомников Красноярского НИИСХ, а также 400 сортообразцов инорайонной селекции, выделенных по комплексу хозяйственных признаков в агроэкологических условиях края.

Полевая оценка образцов коллекции ВНИИР выполнена в КНИИСХ в лесостепной зоне Красноярского края. Почва участка чернозем обыкновенный маломощный с содержанием гумуса (по Тюрину) 6.00%, N-NO₃ 31.3 мг/кг почвы, Р₂О₅ (по Мачигину) 5.0 мг/100 г почвы, К₂О (по Мачигину) 21.9 мг/100 г почвы, рН 6.2. Предшественник чистый пар.

Электрофорез гордеинов проводили в 13%-ном крахмальном геле в присутствии 3 М мочевины [6, 7]. Электрофоретические спектры записывали в виде генетических формул (HRD A.B.F.) согласно каталогу блоков компонентов гордеинов [5, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования полиморфизма гордеинов районированных в Красноярском крае сортов ярового ячменя, включая паспортизацию сортов селекции КНИИСХ (проводилась с 1988 г, [8, 9], рис. 1), выявили наиболее часто встречаемые (характерные) аллели для обширной территории края, а также динамику изменчивости аллельного состава гордеинов сортов на протяжении периода районирования с 1940 г. до настоящего времени.

 

Рис.1. Электрофоретические спектры гордеинов ряда сортов селекции Красноярского НИИСХ.

 

В табл. 1 представлены районированные и допущенные к использованию в Красноярском крае сорта ярового ячменя (начиная с 1940 г.), где прослеживаются уровни межсортового (20 разных гордеиновых формул для 33 сортов) и внутрисортового полиморфизма.

 

Таблица 1. Формулы гордеинов сортов ячменя районированных и допущенных к использованию в Красноярском крае

№ п/п	Название сорта	Учреждение-оригинатор	Год районирования	Гордеины А.B.F.
1	Червонец	Тулунская ГСС	1940	2.39.2.
2	Винер 11.63	Фаленская ГСС	1941	12.19.1.+2.19.1.
3	Красноярский -1	КНИИСХ	1967	12.19.1.+2.39.2.
4	Айхал	Якутский НИИСХ	1974	12.8.2.+2.8.2.
5	Рассвет	КНИИСХ	1977	12.13.2.
6	Агул	КНИИСХ	1978	2.13.2.+2.39.2.
7	Баджей	КНИИСХ	1980 ГСИ	12.13.2.
8	Енисей	КНИИСХ	1981	13.1.3.+2.1.3.CDE
9	Красноярский-80	КНИИСХ	1986	2.17.3.
10	Новосибирский-80	СибНИИРС	1986	2.8.2.+24.8.2.
11	Агул-2	КИИСХ	1988	2.13.2.
12	Кедр	КНИИСХ	1988	2.17.3.+2.1.3.+2.13.2.
13	Лазурит	КНИИСХ	1989 ГСИ	2.17.3.
14	Маяк	КНИИСХ	1989 ГСИ	18.н.н.
15	ТАН1	Донской НИИСХ	1990	23.29.3.
16	Одесский 115	ВСГИ	1990	12.13.2.
17	Соболек	КНИИСХ	1996	12.13.2.
18	Ача	СибНИИРС	1997	12.1.3.
19	Андрей	НИИСХ Северо-Востока	1999	2.95.1.
20	Вулкан	КНИИСХ	2002	18.67.1.
21	Бахус	КНИИСХ	2003	2.25.1.
22	Оскар	КНИИСХ	2007	12.1.3.С
23	Биом	СибНИИРС	2008	24.8.2.CD
24	Буян	КНИИСХ	2012	2.17.3.
25	Абалак	КНИИСХ	2013	2.8.2.
26	Омский голозерный 1	СибНИИСХ	2013	18.35.1.+2.1.3.+2.17.3.
27	Омский голозерный 2	СибНИИСХ	2013	18.35.1.
28	Оленек	КНИИСХ	2014	12.1.3.EC
29	Танай	СибНИИРС	2014	12.1.3.
30	Красноярский 91	КНИИСХ	2017	12.1.3.
31	Емеля	КНИИСХ	2018	2.81.3.
32	Уватский	КНИИСХ , ГАУ Северного Зауралья	2018 ГСИ	12.8.2.
33	Такмак	КНИИСХ	2019	12.1.3.

Примечание. н.н. – неизвестные аллели.

 

Рассматривая полиморфизм этих сортов во времени, можно отметить устойчивую встречаемость аллелей А2, А12, В1, В8, В17, но также утрату аллеля В13 в формулах районированных сортов, начиная с 2000 г. При этом в предыдущих исследованиях и публикациях [8–10] выделено, что именно аллель В13 являлся самым распространенным среди сортов красноярской селекции (входит в биотипный состав сортов Рассвет, Агул, Агул-2, Баджей, Кедр, Соболек) и районированных в крае. В работах [11, 12] авторы отмечают, что гладкоостые красноярские сорта шестирядного ячменя, ранее возделывавшиеся на территории Красноярского края, Агул (2.13.2. и 2.39.2.), Агул-2 (2.13.2.) и Соболек (12.13.2.) с аллелем B13 локуса Hrd B занимали в разные годы лидирующее положение в регионе, что подчеркивает адаптивную роль формул гордеинов 12.13.2. и 2.13.2., а особенно аллеля В13 к условиям Красноярского края. Начиная с 2002 г. изменилось не только соотношение частот аллелей в группе районированных в крае сортов, но и отмечается появление редких аллелей В81 и В67 в формулах гордеина сортов красноярской селекции. На рис. 2 представлена диаграмма генетического разнообразия районированных в крае сортов (из табл.1) по локусу Hrd B, разделенных на две группы по периодам селекции: первая группа – до 2000 г., вторая группа – от 2001 г. и отдельно выделена группа сортов селекции КНИИСХ. Частота встречаемости гордеина В рассчитана по количеству генотипов с конкретным аллелем.

 

Рис. 2. Распределение частот встречаемости аллелей локуса Hrd B в группах сортов, районированных и допущенных к использованию в Красноярском крае.

 

Известно, что успех в селекционной работе определяется в значительной мере ценностью исходного материала. В Красноярском НИИСХ в процессе многолетнего изучения коллекционного материала ВНИИР им. Н.И. Вавилова в жестких условиях Восточной Сибири выделены ценные источники по важнейшим селекционным признакам [13–15].

За период с 1989 по 2007 г. методом электрофореза были исследованы 225 сортообразцов ярового ячменя различного эколого-географического происхождения (в том числе 40 местных стародавних образцов), привлекаемых в разные годы в качестве родительских форм в селекционные программы института [10, 15]. Сравнительный анализ выборок сортообразцов за период по 2007 г. показал, что, несмотря на широкое вовлечение в гибридизацию (Красноярский НИИСХ) исходных форм с аллелями А1, А23, В3, В21, В29, в сортах и перспективных селекционных образцах института эти аллели отсутствовали. С другой стороны, отмечен преобладающий вклад родительских форм с аллелями А2, А12, В1, В8, В13, В17 в сорта института и в целом в сибирские селекционные сорта [10].

Сравнение выборок сибирских стародавних и сибирских селекционных сортообразцов выявило высокую частоту встречаемости аллелей А2, В1, В8, В13, В17, В39 во всех сибирских сортообразцах. Но обнаружено, что аллель А44 (частота встречаемости среди стародавних форм равна 26%) полностью утрачен и не встречается в современных сортах (табл. 2). Указанный аллель был впервые определен у образца Лыковский (44.1.3.+2.13.2.), возделываемого семьей Лыковых, живших в изоляции в горах юга Красноярского края более 70 лет. Образец был подробно исследован в Красноярском НИИСХ, позже этот аллельный вариант был зарегистрирован А.А. Поморцевым в Институте общей генетики (ИОГен АН СССР) под номером A44.

 

Таблица 2. Частота встречаемости (%) выделившихся в Сибири аллелей локусов Hrd A и Hrd B у сортообразцов ярового ячменя

Аллели Hrd A и Hrd B	Районированные и допущенные к использованию сорта ячменя в Красноярском крае			Экологический питомник, коллекция ВНИИР им. Н.И. Вавилова
	год районирования – до 2000 г.	год районирования – после 2000 г.	сорта селекции КНИИСХ (1967–2020 гг.)	местные формы	сорта сибирской селекции (годы изучения – до 2007 г.)	выделившиеся в крае сорта инорайонной селекции (годы изучения 2016–2021)
А2	60.0	37.5	56.5	54.0	57.1	49.0
А3	0	0	0	3.2	1.4	0
А4	0	0	0	1.6	1.4	0
А12	32.0	35.2	34.7	1.6	21.4	26.4
А13	4.0	0.0	4.3	0	1.4	1.9
А18	4.0	18.8	8.6	3.2	4.2	0
А21	0.0	0	4.3	0	1.4	3.8
А23	4.0	0	0	0	0	13.2
А24	0	6.2	0	9.8	9.2	1.9
А28	0	0	0	0	0	3.8
А44	0	0	0	26.0	0	0
А46	0	0	0	1.6	0	0
А49	0	0	0	1.6	0	0.0
В1	20.0	37.5	30.3	32.7	24.0	24.5
В3	0	0	0	6.5	8.6	0.0
В8	16.0	18.8	4.2	9.8	24.3	26.4
В13	24.0	0	26.1	1.6	14.2	9.4
В17	12.0	12.5	17.9	3.2	14.2	13.2
В19	12.0	0	0	8.2	9.5	1.9
В21	0	0	0	1.6	0	5.8
В25	0.0	6.3	4.3	0	2.7	3.8
В29	4.0	0	0	0	0	11.3
В35	0.0	12.5	0	0	1.5	0
В37	0	0	0	0	0	1.9
В39	8.0	0	8.7	8.2	5.7	0
В64	0	0	0	0	0	1.9
В67	0	6.3	4.3	1.6	1.5	0
В81	0	6.3	4.3	0	0	0
В84	0	0	0	0	3.0	0
В95	4.0	0	0	0		0
Всего образцов	19	14	20	40	42	45
Всего генотипов	25	16	23	61	73	53

 

По предварительной полевой оценке коллекционного материала ячменя (238 образцов) за период 2014–2017 гг. были определены генетические формулы выделенных селекционерами 10 образцов с положительным сочетанием комплекса ценных селекционных признаков – Тарский-3_Омск (12.1.3.+12.13.2.), Казьминский_{Хабаровск} (12.13.2.), AC Albright_Канада (12.13.2.), AC Stacey_Канада (12.13.2.), Jackson_Канада (2.13.2.), BVP-2D-1_Канада (2.13.2.), Багрец_{Свердловск} (2.8.2.), Калита_{Свердловск} (2.8.2.), Степан_{Челябинск} (2.8.2.), Талан_{Новосибирск} (2.8.2.) [11]. В этой группе сортообразцов лидирующая позиция по частоте встречаемости принадлежит аллелю В13 (50%), четыре образца имеют генетическую формулу 2.8.2. (распространенная формула в культуре ярового ячменя, в том числе характерна для новосибирских сортов) и один генотип с формулой 12.1.3.

Последующее изучение образцов (2016–2021 гг.) коллекции ВНИИР по комплексу селекционных показателей позволило выделить 45 перспективных образцов для Восточной Сибири, которые могут быть использованы в качестве источников ценных признаков [16]. Определение генетических формул по гордеинам этих сортов сопровождалось изучением следующих селекционных показателей: урожайность, низкое варьирование урожайности (Cv, %), экологическая стабильность (St²), стрессоустойчивость, стабильность генотипа (Sg_i), высокая экологическая пластичность (b_i > 1.0), селекционная ценность генотипов по массе зерна с м², коэффициент адаптации (KA > 1.0) [16]. В этой группе выделившихся перспективных образцов у четырех сортов отмечены лучшие (многолетние) показатели по пяти (и более) селекционным признакам: AC Albright_Канада (12.13.2.), Cirstin_{Германия} (2.1.3.+2.17.3.), Тарский-3_Омск (12.1.3.+12.13.2.), Абалак_{Красноярск–Тюмень} (2.8.2.) [16].

В табл. 2 представлен сравнительный анализ аллельного состава гордеинов в рассмотренных выборках ярового ячменя (экологический питомник, коллекция ВНИИР им. Н.И. Вавилова, районированные сорта) по периодам изучения в Красноярском НИИСХ.

Более 30 лет проводились электрофоретические исследования селекционных образцов из контрольного питомника и конкурсного сортоиспытания Красноярского НИИСХ, которые включали наиболее перспективные образцы, а также браковки [10, 16]. Обнаружена значительная неравномерность частот встречаемости аллелей гордеинов в выборках перспективных и браковочных форм. Наибольшей браковке на протяжении многих лет наблюдений подвергались аллели А3, А10, А49, А19, А23 и все образцы с аллелем В29 (сочетание А23В29). Обнаружено, что выбракованные образцы отличаются большей гетерогенностью (70%) по сравнению с перспективными формами.

Анализ электрофоретических спектров сортообразцов селекционных питомников позволил выделить формулы гордеинов, характерные для образцов, созданных по определенным направлениям селекции. В табл. 3 представлены многолетние итоговые данные распределения часто встречающихся биотипов гордеинов у селекционного материала, созданного по разным направлениям селекции.

 

Таблица 3. Распределение формул гордеинов (HRD A.B.F.) образцов ячменя, имеющих высокий уровень проявления хозяйственно ценных признаков в условиях Красноярского края

Экстрактивность	Белок	Устойчивость					Адаптивность
		к полеганию	к пыльной головне //твердой головне	к поражению темнобурой пятнистностью	к засолению почв	к закислению почв ионами водорода
2.17.3.	2.8.2.; 12.13.2.; 12.1.3.; 2.1.3.	12.21.1.; 12.1.3.; 2.25.1.	2.1.3.; 23.29.3.; 2.17.3. // 10.37.1.; 2.84.3.	2.8.2.; 2.17.3.	2.1.3.; 2.25.2.; 2.8.2.; 2.95.1.	2.1.3.; 2.25.1.; 2.8.2.; 2.17.3.; 2.95.1.	12.13.2.; 2.8.2.; 2.25.1.; 2.17.3.

 

Генетическая формула 2.25.1. с редким для Сибири аллелем В25 впервые была определена при изучении аллельного состава гордеинов 148 адаптивных линий ячменя из контрольного питомника и конкурсного сортоиспытания КНИИСХ. Указанные линии получены в результате реализации селекционной программы под руководством Н.А. Сурина, направленной на повышение адаптивности сортов ячменя. Используя конвергентные скрещивания с привлечением таких сортов как Винер (материнская форма), Донецкий 650, Целинный 5, Омский 13709, Красноуфимский 95, были выделены перспективные линии, положительно сочетающие в себе устойчивость к неблагоприятным факторам и урожайность [10, 13, 15]. Лучшие из них послужили основой для сортов Арат и Бахус, внесенных в Госреестр РФ по 11-му региону. К сожалению, районированы они были в регионе непродолжительный период и занимали небольшие площади, как и большинство других сортов с редкими для Приенисейской Сибири аллелями – А18 (Маяк), В25 (Бахус), В95 (Андрей).

Таким образом, отбор аллелей носит не случайный, а закономерный характер, что свидетельствует об экологической значимости белковых маркеров и важности учета вариантов спектров гордеинов при определении как общей перспективности создаваемого материала, так и по отдельным направлениям селекции.

В результате изучения аллельного состава гордеинов сортообразцов ярового ячменя коллекции ВНИИР им. Н.И. Вавилова (вовлеченных в селекционную работу в крае), экологического и селекционных питомников КНИИСХ, районированных и допущенных к использованию сортов в Красноярском крае отмечена изменчивость состава гордеинов сортовых популяций ячменя в пространстве (разные регионы Сибири) и во времени (стародавние и современные разных лет селекции и районирования), связанная с условиями возделывания и искусственным отбором в определенных географических условиях.

Определены наиболее характерные аллели гордеина для условий Приенисейской Сибири – А2, А12, В1, В8, В13, В17, В37. Отмечено, что у районированных и допущенных к использованию сортов в крае после 2000 г. ранее часто встречаемый аллель В13 не обнаружен. Однако сортообразцы инорайонной селекции, отобранные селекционерами для использования в качестве ценных генетических источников, преимущественно имеют гордеиновые формулы с аллелем В13. У сортов КНИИСХ более поздней селекции (после 2000 г.) зафиксированы редкие для сибирского региона аллели гордеинов В25, В67, В81. При этом отмечено, что районированные в крае сорта с часто встречаемыми “красноярскими” аллелями (А2, А12, В1, В13, В17, В39) характерны для сортов-долгожителей ячменя в Сибирском регионе (Червонец, Кедр, Красноярский-80, Соболек).

Анализ образцов селекционных питомников КНИИСХ выявил преимущественную браковку генотипов с аллелями А3, А10, А49, А19, А23 и В29 (сочетание А23В29). Отмеченная сопряженность ряда аллельных вариантов с хозяйственно ценными признаками может помочь при отборе селекционного материала на соответствующие признаки.

Настоящая работа выполнена при поддержке СО РАСХН по направлению Программы 04 “Разработать адаптивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур в Сибири на основе мобилизации генетических ресурсов растений, создания новых сортов и гибридов, конструирования высокопродуктивных агроэкосистем и агроландшафтов с целью обеспечения устойчивого роста величины и качества урожая, ресурсоэнергоэкономичности, природоохранности, экологической надежности и рентабельности”.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Авторы выражают глубокую признательность докт. с-х. наук Н.В. Зобовой за административную поддержку генетических исследований в Красноярском НИИСХ. Авторы благодарны за многолетнее сотрудничество, а также за методическую помощь и обсуждение ряда результатов исследований ведущему сотруднику ИОГен РАН (г. Москва) докт. биол. наук А.А. Поморцеву.

About the authors

N. А. Surin

Krasnoyarsk Scientific Research Institute of Agriculture, Federal Research Center “Krasnoyarsk Scientific Center Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Email: shevtsovaln48@rambler.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041

L. N. Shevtsova

Krasnoyarsk State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: shevtsovaln48@rambler.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660049

N. S. Kozulina

Krasnoyarsk Scientific Research Institute of Agriculture, Federal Research Center “Krasnoyarsk Scientific Center Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Email: shevtsovaln48@rambler.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041

Yu. M. Borisov

Severtsov Institute of Problems of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences

Email: shevtsovaln48@rambler.ru
Russian Federation, Moscow, 119071

References

Supplementary files