Анализ межвидового (междугеномного) родства имеет значение не только для решения вопросов филогении и систематики, но, главным образом, для селекции, базирующейся на методах отдаленной гибридизации. Молекулярно-биологические методы (ДНК-гибридизация, имму-нохимические методы, электрофорез белков) были на первом этапе применены для анализа родства видов и геномов, ревизии схем филогении и происхождения геномов, созданных на базе классических, в том числе цитогенетических методов. В ВИРе применение эффективных имму-нохимических подходов и методов для геномного анализа пшениц и эгилопсов привело в 70-е годы к принципиально новому решению вопроса происхождения первых геномов мягкой и твердой пшениц [4,19,25], что позволило отделу пшениц ВИР создать новую систему рода Triticum L.[26]. Два года спустя наши данные о происхождении первого генома мягкой и твердой пшениц от диплоидного вида близкого к современной однозернянке T.urartu Thum. были подтверждены британскими цитогенетиками [27] и лишь 14 лет спустя в 1988 году и американскими генетиками и молекулярными биологами с использованием ДНК-геномных маркеров [28]. Анализ межвидового и геномного родства был осуществлен в ВИРе с использованием геномноспецифичных белковых маркеров у многих культурных растений и их диких сородичей [4,6,19]. Для анализа межвидовых (межгеномных) отношений, решения вопросов филогении в ВИРе используются также RAPD- и RFLP-маркеры [29,30].
Для нормального существования коллекций, а также для повышения эффективности их использования в селекционном процессе и исследовательской работе важную роль играет соблюдение определенных норм и принципов формирования таких коллекций.
Так при поиске ошибок в определении образцов коллекции в ряде случаев очень полезны могут быть белковые либо ДНК-маркеры. Характерным является пример работы с коллекцией вида T.persicum Vav., проведенной еще в 70-е годы. Представители этого тетраплоидного вида пшеницы морфологически очень трудно отличимы от так называемой «персикоидной» формы гексаплоидной пшеницы. После изучения белков семян коллекции T.persicum методом электрофореза выяснилось, что из 116 образцов 38 оказались гексаплоидами типа «персикоидес» [2]. Конечно, можно было изучить всю коллекцию кариологическим методом, но это достаточно трудоемкий процесс.
Диплоидные пшеницы T.urartu и T.boeoticum отличить по морфологии в состоянии только узкие специалисты. С помощью электрофоретических и, особенно, серологических маркеров сделать это не представляет труда [4,19]. До опубликования наших работ в 1974 году[25], многие зарубежные генетики и тритикологи вообще не признавали пшеницу Урарту за самостоятельный вид. Сохранение ГРР ex situ. Задача ex situ консервации есть поддержание образцов без изменения их генетической конституции [17]. Необходимо свести к минимуму возможность изменений, происходящих с образцами посредством мутаций, селекции, случайного дрейфа или засорения. Это одно из важнейших условий полноценного функционирования генных банков любых организмов. Контроль за генетической целостностью - подлинностью, чистотой хранимого (и периодически пересеваемого) материала - важнейшая задача генного банка. Проблема идентификации в мировых коллекциях дублетов и так называемых очень сходных образцов остро встала в генных банках, особенно с крупными коллекциями. В решении всех этих задач молекулярные технологии оказались очень полезными [2,4, 17,19, 31-33]. Так в ВИРе накоплен большой опыт по использованию спектров запасных белков семян для анализа динамики популяций перекрестноопыляющихся культур (и генотипического состава самоопыляющихся) в процессе репродукции образцов. В коллекции ВИР сохраняется большое число образцов старых русских местных сортов мягкой озимой пшеницы и других местных сортов и форм. Было показано, что старые сорта, сорта народной селекции имеют более высокий уровень популяционного полиморфизма по сравнению с современными сортами, что делает их ценным источником генетического разнообразия для улучшения современных сортов [4,19,34,35]. Задача генных банков и центров генетических ресурсов растений не только собрать, зарегистрировать и изучить эти образцы, но и сохранить все богатство генетической изменчивости этих уникальных форм.
Специальные исследования были проведены в ВИРе на 6 образцах стародавних мягких пшениц - Банатках. В течение трех лет (1988-89, 89-90,90-91) образцы высевались на Кубанской ОС ВИР. Контроль за составом генотипов осуществлялся по спектрам глиадинов. Было показано, что у образца к-4816 в течение трех лет концентрация доминирующего генотипа «а» снизилась с 78% до 52%, а генотипа «в» повысилась с 6 до 33%. У образца к-10230 концентрация доминирующего генотипа «а» снизилась с 84% до 57%, а генотипа «б» повысилась с 7% до 31%. Таким образом, через три года репродукции генотипный состав образцов несколько изменился [35,36].
Генетические коллекции - особо ценный материал, сохранность которого сопряжена с многими методическими трудностями. Белковые маркеры используются в ВИРе для контроля за стабильностью генотипов растений, представляющих генетические линии, для идентификации чужеродных транслокаций, мутаций, изменения числа и состава хромосом. Так сравнительный анализ спектров глиадинов соротов-оригиналов мягкой пшеницы с транслокациями и замещениями пшеничной хромосомы на ржаную (1B/1R) и их репродукций показал, что что у ряда репродуцированных образцов встречаются генотипы с отсутствием глиадиновых маркеров короткого плеча хромосомы 1RS ржи. Эти и многие другие примеры указывают на необходимость контроля чистоты и целостности коллекций в процессе их репродукции.
Любой хранитель (собственник) генетических ресурсов заинтересован обеспечить как охрану своих авторских прав на исходный материал, источники и доноры, так и официальное признание участия этого генетического материала в создании тех или иных сортов в своей стране и за рубежом. ММ оказывают здесь реальную помощь, обеспечивая независимую информацию о происхождении и степени родства генетического материала сравниваемых образцов. В ВИРе накоплен большой опыт использования белковых маркеров в решении спорных вопросов авторства сортов, их оригинальности, подлинности, чистоты, природы исходного материала и т.д., когда использование набора традиционных методов, в том числе и грунт контроля, не давало желаемого результата [4,19]. Эффективность такой работы во многом обеспечивается наличием в ВИР каталогов белковых формул и баз данных этих формул с информацией о сотнях сортов, в том числе давно снятых с районирования, а также о многих образцах различного происхождения, хранящихся в коллекции (табл.2). Важно подчеркнуть, что даже не являясь тестом, который может быть официально признан как единственный аргумент, молекулярный метод обеспечивает предварительную, независимую и оперативную информацию.
Использование молекулярных маркеров в селекции. Белковые маркеры на протяжении последних десятилетий используются в селекционных программах для решения многих вопросов (табл. 1). Этому посвящено большое число отечественных и зарубежных публикаций [6,7]. В ВИРе проламиновые спектры, в частности, используются для отбора определенных генотипов (по соответствующим типам спектра) при селекции различных культур. Так в ходе селекции сорта озимой пшеницы «Тюменская ранняя» с помощью спектров глиадина формировался «желаемый» генотипный состав создаваемого сорта (НИИСХ Северного Зауралья).
Весьма наглядным является пример связи между белковой формулой генотипов у сортов озимой мягкой пшеницы и устойчивостью этих генотипов (сортов, имеющих данные генотипы) к низким температурам. Одним из основных свойств, которым должна обладать озимая мягкая пшеница является зимостойкость. Из характеристик, обуславливающих зимостойкость, наиболее изучена морозостойкость. Последняя контролируется многими генами, локализованными в разных хромосомах. Это, естественно, затрудняет исследование признака зимостойкости, его маркирование и соответствующую селекцию. По данным А.А.Созинова и сотрудников [7] сорта озимой пшеницы, в составе спектров глиадина которых присутствуют определенные блоки компонентов, обладают повышенной зимостойкостью. Согласно биохимической номенклатуре компонентов глиадина, разработанной в ВИРе это соответствует компонентам: г2щ78 (блок Gld 1A1), г1щ67 (блок Gld 1A2), г13щ5819 10 (блок Gld 1D5), 62467в1 (блок Gld 6A3) и 657в245 (блок Gld 6D2). Исследования были проведены на большом числе сортов озимых мягких пшениц (около 300) разных экологических групп (групп селекции) [36]. Морозостойкость растений определялась методом прямого промораживания в посевных ящиках. Дифференциирующими температурами были -15С и -18С. Действительно, большинство сортов с высокой и повышенной морозостойкостью характеризуется указанными выше блоками (группами) компонентов глиадина. Так на большом числе сортов показано, что наличие генотипа с компонентами 62467 и щБ^ 10 придает сорту повышенную морозостойкость (табл. 4) [36]. Дело, однако, усложняется в ходе анализа генотип-ного состава сортов. Как правило, не удается обеспечить 100% концентрацию выдающихся генотипов по одному признаку и селекционеры вынуждены «разбавлять» сорт другими генотипами, обеспечивающими другие характеристики, но, обладающими меньшей зимостойкостью. Особенно хорошо это заметно при анализе родословных некоторых наших отечественных сортов озимой мягкой пшеницы. В родословной озимых мягких пшениц одесской селекции на первом этапе присутствует морозостойкий сорт Гостианум 237 (группа морозостойкости 1). Выяснено, что если после последующих скрещиваний полученные сорта по проламиновым спектрам были близки к Гостианум 237 (в частности, по наличию и частоте встречаемости генотипов с компонентами 62467 и компонентами 8Х9 10 в щ-зоне), они также обладали хорошей морозостойкостью. Таким образом, спектры глиадина можно использовать для определения потенциальной морозостойкости сортов озимой мягкой пшницы в пределах определенных групп селекции. При этом необходимо знать белковую формулу генотипа (генотипов) морозостойкого сорта, который явился источником данного признака в ходе селекции. Это позволит вести контроль за включением его генетического материала во вновь создаваемые сорта.