С использованием запасных белков эндосперма зерновки - глиадинов как маркеров дана оценка генетического разнообразия 170 образцов коллекции пшеницы спельта, собранной в ВИРе. Выявлен широкий внутривидовой полиморфизм по электрофоретическим спектрам глиадина. По степени сходства спектров выделены группы образцов и осуществлена генетическая структуризация коллекции.

Triticum spelta L. (пшеница спельта) - гексаплоидная пшеница с геномным составом, гомологичным таковому мягкой пшеницы. К.А.Фляксбергер [1] и П.М.Жуковский [2] характеризуют спельту как весьма неприхотливую культуру, произрастающую на бедных почвах в гористых местностях. Она относительно устойчива к холоду и избыточному увлажнению.

Повышенное внимание к спельте во многих странах Европы в последнее десятилетие обусловлено рядом причин, среди которых можно назвать пригодность для низко затратного земледелия, весьма популярного во многих развитых странах, а также некоторые пищевые и технологические достоинства, позволяющие ей в ряде случаев потеснить традиционно доминирующую мягкую пшеницу [3-5]. Для спельты характерно повышенное содержание белка в зерне -до 21% [6]. Мука, полученная из зерна этой пшеницы, пригодна для изготовления лучших по качеству кондитерских изделий [3-5].

Происхождение спельты окончательно не ясно [1,7,8]. Сообщалось о произрастании этой культуры не только в Европе, но и в Иране, Закавказье, Центральной Азии, что не позволяет исключить независимое происхождение этой пшеницы в указанных регионах.

Коллекция спельты в ВИРе насчитывает 170 местных и селекционных сортов (образцов), представляющих все основные регионы возделывания и разнообразия этой пшеницы. Коллекция начала формироваться с 1910 г. В основном она включает материалы экспедиционных сборов отечественных и зарубежных ученых, а именно Н.И.Вавилова в Германии и Испании в 1927 г., Н.Н.Кулешова в Швейцарии в 1928 г., H.Kuckuck в Иране в 1952-1954 гг., В.Ф.Дорофеева в Закавказье в 1961 г., Р.А Удачина в Центральной Азии в 1965-1971 гг. Часть образцов получена по выписке из учреждений различных стран.

Наше исследование было предпринято с целью изучения генетического разнообразия коллекции спельты с использованием электрофоретического полиморфизма запасных белков семян - глиадинов. Такой подход уже более 30 лет успешно применяется во ВНИИР им. Н.И.Вавилова для решения различных фундаментальных и прикладных проблем генетических ресурсов растений [9]. Среди них наиболее актуальными являются проблемы структуризации генетического разнообразия и рациональной организации коллекций, включающей идентификацию и регистрацию образцов, контроль за их подлинностью и сохранностью генетической конституции, а также выявление дублетных и генетически очень близких образцов. Эти направления рассматриваются в настоящее время как приоритетные в деятельности научных центров по сбору, сохранению и изучению генетических ресурсов растений и генных банков мира [10,11]. В работе с генетическими ресурсами растений весьма эффективным оказалось использование методов молекулярной биологии [9-12].

С учетом всего сказанного выше были поставлены следующие задачи:

1. изучить внутривидовой полиморфизм пшеницы спельта по запасным белкам - глиа-динам на материале коллекции ВИР;

2. выяснить степень родства по спектрам глиадинов между образцами спельты различного географического происхождения и получить новую информацию о генетической структуре коллекции этой культуры для более эффективного использования генофонда спельты в селекции.

Материалы и методы

Метод электрофоретического анализа глиадинов и принципы использования полиморфизма запасных белков в анализе генетических ресурсов злаков были описаны неоднократно [9,12]. Материалом для исследований послужили 170 образцов пшеницы спельта. Образцы характеризовали по глиадиновым спектрам путем позернового анализа. Размер случайной выборки составлял 20-100 зерновок на образец. Спектры глиадина записывали в виде белковых формул в соответствии с эталонным спектром [9]. В тех случаях, когда компоненты были представлены двумя или тремя субкомпонентами, для обозначения последних использовали нижний индекс при сохранении основной позиции компонента. Например, наличие, соответственно, двух и трех субкомпонентов в позициях а 6 и w4 записывали в формулах как a6j62 и w4j4243.

На основе полученных электрофоретических спектров глиадина была составлена компьютерная матрица исходных данных, в которой наличие компонента обозначали как 1, а отсутствие - 0. Дальнейшую обработку результатов проводили двумя независимыми методами многомерной статистики: кластерным анализом и методом главных компонент. На основе матрицы исходных данных рассчитывали матрицу коэффициентов сопряженностей по Dice [13]. При этом величина коэффициента, равная единице, свидетельствовала об идентичности образцов по спектрам глиадина. Расчет матрицы коэффициентов сопряженностей, кластерный анализ (алгоритм UPGMA) и построение фено-граммы проводили с использованием программного обеспечения NTSYS 2.0 [14].

Метод главных компонент (Q-техника) был применен с использованием программного обеспечения STATISTICA 5.0 [15] для прямой классификации изученных образцов по данным анализа спектров глиадина. Для этого матрицу исходных данных транспонировали и использовали для расчета корреляционной матрицы, которая служила основой при выделении главных компонент варьирования массива данных и вычисления величин факторных нагрузок изученных образцов по каждой компоненте.

Результаты

Общая характеристика спектров глиадина пшеницы спельты.

Суммарный спектр глиадина спельты, как и мягкой пшеницы, состоит из a-, b-, g- и w-зон (или фракций), содержащих, соответственно, в первых двух зонах от 3 до 5 компонентов, в д— от 2 до 4 и в w - от 5 до 7 компонентов. Позерновой электрофоретический анализ глиадина установил наличие у спельты значительного внутривидового полиморфизма по данному признаку, причем различия по спектрам глиадина выявлялись не только между образцами, но и между генотипами внутри образцов.

Разные типы спектров формировались как за счет наличия-отсутствия компонентов и субкомпонентов в различных фракциях, так и за счет варьирования их интенсивности. В а- и Ь-фракциях было выявлено, соответственно, по 8 и 10 различных комбинаций компонентов, в д-фракции - 12 комбинаций, из которых наиболее часто встречаемыми были 2t34, 2j35, 2334. В w-зоне найдено более 30 различных комбинаций компонентов. Для всех вариантов w-зоны присущи компоненты в позициях 8 и 9, маркирующие хромосому Ш [9]. Наиболее часто встречались сочетания 8292 и 8j8292, реже S^^lOj. Для спельты в w-зоне характерны также комбинации компонентов 34р 4j43, 242. В целом для 170 образцов спельты выявлено 116 типов спектра. В табл.1 приведены примеры белковых формул глиадина образцов спельты различного происхождения.

Характеристика коллекции спельты по спектрам глиадина.

Анализ всего разнообразия спектров глиадина спельты показал, что 71 образец характеризовались одним специфическим для каждого образца типом спектра глиадина и были идентифицированы как мономорфные. Для каждого из остальных 99 образцов было выявлено от двух до восьми типов спектра глиадина (биотипов). Мономорфные и полиморфные образцы имели широкое географическое распространение. Полиморфные преобладали среди образцов Испании, Ирана, Азербайджана и Таджикистана. Некоторые мономорфные и полиморфные образцы имели идентичные или очень близкие спектры глиадина (табл.2). Среди мономорфных образцов выделено семь групп с идентичными спектрами (табл. 2, №№ 1 -7), среди полиморфных - две группы (табл.2, №№8 и 9). Были обнаружены также мономорфные образцы, которые имели спектр глиадина, идентичный одному из типов спектров глиадина некоторых полиморфных образцов (табл.2, №№10-13). Найдены также полиморфные образцы (табл.2, №13), не различающиеся между собой по доминирующему типу спектра (встречаемость более 90%). Такие мономорфные и полиморфные образцы нами были отнесены к генетически близким образцам. Наиболее часто мономорфные образцы с идентичными спектрами встречались среди образцов Германии, а полиморфные генетически близкие - среди образцов из Таджикистана.