Особливості селекційного використання генів структури ендосперму кукурудзи для поліпшення якості крохмалю - Автореферат

На даний час у кукурудзи ідентифіковано серію моногенних мутацій, які викликають істотний перерозподіл співвідношень між лінійними і розгалуженими сополімерами крохмалю. Однак до цього часу не можна вважати повністю встановленими плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутантних генів кукурудзи за іншими ознаками якості зерна та продуктивністю, експресивність цих генетичних факторів в різних погодних умовах вирощування, умовах різних генотипів та впродовж розвитку насіння, а також характер успадкування господарсько цінних ознак гібридами на основі крохмальмодифікуючих мутацій. Юрєва УААН за завданням 01.05 № Держреєстрації 0101U006143 Науково - технічних програм "Теоретичні основи селекції сільськогосподарських культур" та “Генетичні ресурси рослин” а також ініціативним проектом "Встановити системи генетичної регуляції синтезу вищих поліцукридів у зернових культур і створити на цій основі імпортозамінні джерела високоякісних рослинних крохмалів" (номер Держреєстрації 0104 U 002734). Метою роботи було визначення біохімічного ефекту крохмальмодифікуючих мутантних генів кукурудзи та характеру успадкування ознак якості зерна і продуктивності гібридами на основі крохмальмодифікуючих мутацій. визначити плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутантних генів за ознаками якості зерна та продуктивності;Вихідним матеріалом для досліджень були 8 ліній - носіїв рецесивних гомозигот wx, 8 ліній - носіїв рецесивних гомозигот su2 та 1 лінія - носій рецесивних гомозигот ае із генетичної колекції кукурудзи відділу генетики Інституту рослинництва ім. Вміст білка в зерні визначали титриметричним напівмікрометодом Кєльдаля, вміст олії в зерні - гравіметричним методом С.В.Рушковського, вміст крохмалю в зерні поляриметричним методом Еверса, вміст амілози в крохмалі - колориметричним методом Джуліано. За вмістом крохмалю в зерні позитивними ефектами ЗКЗ в умовах 2001 року відрізнялись лінії ВК - 36, ВК - 69, ВК - 38 та ВК - 19, а в умовах 2002 року - ВК - 36, ВК - 69, та ВК - 13 (див. табл. За вмістом білка в зерні позитивними ефектами ЗКЗ в умовах 2001 року відрізнялись лінії ВК - 16, ВК - 11 та ВК - 13, а в умовах 2002 року - лінії ВК - 19, ВК - 11 та ВК - 64. В умовах 2001 року позитивні ефекти ЗКЗ за вмістом олії в зерні виявили лінії ВК - 38, ВК - 19 та ВК - 13, однак в умовах 2002 року вони були підтверджені тільки для ліній ВК - 38 та ВК - 19.Проаналізовано плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутацій кукурудзи за продуктивністю та основними ознаками якості зерна, їх експресивність протягом розвитку насіння, а також за умов різних генотипів та погодних умов вирощування. Мутації su2 та ае викликають плейотропне зниження продуктивності ліній - відповідно на 2,8 - 19,4 г та 20,3 - 26,8 г, вмісту крохмалю в зерні - відповідно на 7,8 - 12,9 % та на 9,7 - 12,4 %, і плейотропне підвищення вмісту білка у носіїв мутації su2 на 0,3 - 2,9 %, а у носіїв мутації ае - на 2,6 %, лізину, відповідно, на 1 % та 0,5 % і триптофану - на 0,2 % та 0,1 %. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високою та стабільною за роками продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні відрізнялася лінія АС - 62, вмістом амілози в крохмалі - АС - 43, вмістом білка в зерні - АС - 92, вмістом олії в зерні - АС - 38 та АС - 43. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високі та стабільні ефекти ЗКЗ за продуктивністю мали лінії АС - 70, АС - 62, та АС - 64, вмістом білка в зерні - АС - 43 та АС - 38, олії - АС - 38 та АС - 92, крохмалю - АС - 62, АС - 28 і АС - 16, амілози в крохмалі - АС - 43 та АС - 38. Найбільші варіанси СКЗ за продуктивністю встановлено у ліній АС - 43 та АС - 16, вмістом білка в зерні - у ліній АС - 43, АС - 38, АС - 92 та АС - 64, крохмалю - АС - 38, АС - 64 та АС - 28, найбільші варіанси СКЗ за вмістом амілози в крохмалі-АС - 38.

Основний зміст роботи

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої для економіки України проблеми - використання ефекту мутантних генів структури ендосперму кукурудзи для створення джерел імпортозамінних крохмалів амілопектинового та амілозного типів. Проаналізовано плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутацій кукурудзи за продуктивністю та основними ознаками якості зерна, їх експресивність протягом розвитку насіння, а також за умов різних генотипів та погодних умов вирощування. Встановлено ефекти комбінаційної здатності та генетичні компоненти дисперсії ліній восковидної та високоамілозної кукурудзи за сукупністю господарськоцінних ознак. Визначено та експериментально підтверджено результативність розширення генетичного різноманіття кукурудзи гібридизацією джерел мутантних генів wx, su2 та ае з кращими лініями звичайного типу і наступним інцухтом та індивідуальним добором мутантних родин. Створено серію інбредних ліній з крохмалями амілозного та амілопектинового типів, що має важливе значення для практичної селекції кукурудзи спеціального призначення.

1. Встановлено, що ген wx викликає утворення крохмалів, які майже повністю складаються з амілопектину, цей ефект має фіксований характер, незалежний від генотипу рекурентної батьківської форми та погодних умов вирощування і успадковується як якісна ознака. Мутація wx не викликає істотного плейотропного ефекту за продуктивністю та основними ознаками якості зерна.

2. Мутантні гени su2 та ае підвищують частку амілози в крохмалі до 51,9 % (ген su2) та до 63,5 % (ген ае). Однак, цей ефект нефіксований і залежить від погодних умов вирощування та генотипу рекурентної батьківської форми. Мутації su2 та ае викликають плейотропне зниження продуктивності ліній - відповідно на 2,8 - 19,4 г та 20,3 - 26,8 г, вмісту крохмалю в зерні - відповідно на 7,8 - 12,9 % та на 9,7 - 12,4 %, і плейотропне підвищення вмісту білка у носіїв мутації su2 на 0,3 - 2,9 %, а у носіїв мутації ае - на 2,6 %, лізину, відповідно, на 1 % та 0,5 % і триптофану - на 0,2 % та 0,1 %.

3. Генетично зумовлений рівень господарсько цінних ознак у ліній - носіїв крохмальмодифікуючих мутацій та їх реакції на погодні умови вирощування виявляються як незалежні ознаки. Це дає змогу ідентифікації ліній з високим та стабільним за роками рівнем господарсько цінних ознак. Серед ліній восковидної кукурудзи найбільшою практичною цінністю за продуктивністю відрізнялися ВК - 64 та ВК - 69, вмістом крохмалю в зерні - ВК - 38, білка та олії - ВК - 19. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високою та стабільною за роками продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні відрізнялася лінія АС - 62, вмістом амілози в крохмалі - АС - 43, вмістом білка в зерні - АС - 92, вмістом олії в зерні - АС - 38 та АС - 43. Лінії восковидної кукурудзи розрізнялись за ефектами комбінаційної здатності щодо продуктивності та основних ознак якості зерна.

4. Перерозподіл фракційного складу крохмалю істотно позначається на розмірах та мікрорельєфі крохмальних гранул ендосперму. За фракційним складом гранул восковидна кукурудза наближається до звичайної, тоді як носії високоамілозних мутацій відрізнялися різко збільшеною часткою гранул великих розмірів. У звичайної кукурудзи гранули мали незначну шпаруватість, локалізовану в центрі гранули, у носіїв мутації wx гранули мали гладеньку поверхню, у носіїв мутації su2 шпарини виявлялись дуже чітко, а крохмальні гранули мутанта ае були дуже дрібними і схильними до утворення конгломератів.

5. Вміст крохмалю у носіїв мутантних генів wx, su2 та контролю в процесі розвитку насіння постійно зростає, але цей процес має нелінійний характер - основний приріст крохмалю у ліній всіх трьох типів відбувається з 20 по 40 добу після запилення. У контролю та носіїв мутації su2 впродовж розвитку насіння вміст амілози в крохмалі лінійно зростає до 40 доби після запилення, потім цей процес уповільнюється. В усі фази розвитку вміст амілози в зерні високоамілозних ліній перевищує контроль на 12 - 30%, тоді як насіння восковидних ліній впродовж усіх фаз достигання характеризується практично повною відсутністю амілози в крохмалі.

6. Лінії як восковидної, так і високоамілозної кукурудзи істотно відрізнялись між собою за ефектами комбінаційної здатності щодо продуктивності та основних ознак якості зерна. Найбільш високі та стабільні за роками ефекти ЗКЗ за продуктивністю мали лінії восковидної кукурудзи ВК - 69 та ВК - 64, за вмістом білка в зерні - ВК - 11, олії - ВК - 38 та ВК - 19, крохмалю - ВК - 36 та ВК - 69. Вищі варіанси СКЗ за продуктивністю зареєстровано у ліній ВК - 64 та ВК - 13, за вмістом білка в зерні - ВК - 13, ВК - 11, ВК - 36 та ВК - 69, крохмалю - ВК - 38, ВК - 19, ВК - 11, ВК - 64 і ВК - 13.

7. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високі та стабільні ефекти ЗКЗ за продуктивністю мали лінії АС - 70, АС - 62, та АС - 64, вмістом білка в зерні - АС - 43 та АС - 38, олії - АС - 38 та АС - 92, крохмалю - АС - 62, АС - 28 і АС - 16, амілози в крохмалі - АС - 43 та АС - 38. Найбільші варіанси СКЗ за продуктивністю встановлено у ліній АС - 43 та АС - 16, вмістом білка в зерні - у ліній АС - 43, АС - 38, АС - 92 та АС - 64, крохмалю - АС - 38, АС - 64 та АС - 28, найбільші варіанси СКЗ за вмістом амілози в крохмалі -АС - 38.

8. Успадкування продуктивності та вмісту крохмалю в зерні гібридами восковидної та високоамілозної кукурудзи здійснювалося за типом позитивного наддомінування, білка в зерні - за типом негативного наддомінування або неповного домінування з переважним внеском в дисперсію ефектів домінування, олії в зерні - за тим самим типом, але з переважним внеском в дисперсію адитивних ефектів. Вміст амілози в крохмалі гібридів восковидної кукурудзи практично не відрізнявся від батьківських ліній, а у гібридів високоамілозної кукурудзи він успадковувався за типом негативного наддомінування або неповного домінування з переважним внеском в дисперсію адитивних ефектів. Вміст амілози в крохмалі гібридів на основі мутації su2, є ймовірним наслідком взаємодії цього мутантного гена з ефектом полігенного комплексу. Системи генетичної регуляції вмісту білка та олії в зерні у восковидної кукурудзи, а також вмісту білка в зерні та амілози в крохмалі високоамілозної кукурудзи наближались до адитивно-домінантної моделі Хеймана.

9. Виділено гібридні комбінації, які характеризувались стабільно високими ефектами СКЗ та рівнями господарсько цінних ознак за різних погодних умов вирощування - ВК - 69 х ВК - 64; ВК - 11 х ВК - 64; ВК - 64 х ВК - 13. Вміст амілози в їх крохмалях не перевищував 0,8 - 0,9 %, тоді як у зернового стандарту він склав 23,2 %. У дослідах виділено гібриди восковидної кукурудзи з високою стійкістю до окремих фітопатогенів (ВК - 16 х ВК - 69, ВК - 16 х ВК - 19, ВК - 19 х ВК - 64). Кращі гібриди високоамілозної кукурудзи відрізнялися від зернового стандарту практично дворазовим підвищенням вмісту амілози в крохмалі, підвищеним вмістом білка (на 2,0 - 2,2 %) та олії (на 0,7 - 1,1 %) в зерні.

10. Набула подальшого розвитку технологія створення нового вихідного матеріалу для селекції гібридів з генетично поліпшеною якістю крохмалю. Обґрунтовано результативність використання для цієї мети гібридизації джерел крохмальмодифікуючих мутантних генів з неспорідненими за походженням лініями звичайного типу. Встановлено, що для розширення корисного генетичного різноманіття кукурудзи на основі мутацій wx, su2 та ае результативним методом є гібридизація джерел цих мутантних генів з кращими за комплексом господарсько цінних ознак лініями звичайного типу з наступним інцухтом та індивідуальним добором мутантних сімей. В межах гібридів F4 від таких схрещувань виділено серію родин з підвищеною продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні (серед восковидної групи - S - 49 х ВК - 69, F - 115 х ВК - 69, А - 508 - 7 -1 х ВК - 69). За продуктивністю, вмістом крохмалю в зерні та амілози в крохмалі - (серед високоамілозної групи на основі мутації su2) - Р - 092 х АС - 43, А - 508 - 7 - 1 х АС - 43, УХБ - 5 х АС - 43, W - 64 х АС - 43, серед високоамілозної групи на основі мутації ае - Р - 092 х АЕ - 392 та УХБ - 5 х АЕ - 392.

Пропозиції для селекційної практики

1. Для створення кукурудзи з амілопектиновим типом крохмалю рекомендується використовувати в селекційній практиці біохімічний ефект мутантного гена wx, який не залежить від погодних умов вирощування і не викликає негативного впливу на продуктивність та якість зерна.

2. Для створення кукурудзи з високоамілозним типом крохмалю пропонується використовувати в селекційній практиці біохімічні ефекти мутантних генів su2 (який підвищує частку амілози в крохмалі до 51,9 %) та ае (підвищує частку амілози в крохмалі до 63,5 %). Їх ефект залежить від погодних умов вирощування та генотипу рекурентної батьківської форми, що відкриває можливості покращення урожайності та якості зерна технічної кукурудзи шляхом комбінаційної селекції.

3. Для практичної селекції восковидної кукурудзи у ролі батьківських компонентів гібридів рекомендується використовувати інбредні лінії ВК - 64 та ВК - 69, які характеризуються високими ефектами ЗКЗ та константами СКЗ за продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні.

4. Для практичної селекції високоамілозної кукурудзи у ролі батьківських компонентів гібридів доцільно використовувати інбредні лінії АС - 70, АС - 62 та АС - 64, які виділились за сукупними оцінками ефектів ЗКЗ та констант СКЗ за продуктивністю, а також лінію АС - 38, яка виділилась за вмістом амілози в крохмалі.

5. Для розширення корисного генетичного різноманіття кукурудзи на основі мутацій wx, su2 та ае рекомендується використовувати метод гібридизації джерел цих мутантних генів з кращими за комплексом господарсько цінних ознак з лініями звичайного типу з наступним інцухтом та індивідуальним добором за фенотипом насіння.

1. Діденко С.Ю., Тимчук Д.С. Технічна кукурудза: перспективи селекції та використання // Науковий вісник Нац. агр. ун-ту. К., 2001. № 40. С. 61 64 (авторство складає 85 %, включає аналіз і узагальнення експериментальних результатів).

2. Тимчук С.М., Діденко С.Ю., Ніколенко І.А. Використання мутації waxy в селекції кукурудзи технічного призначення // Науковий вісник Нац. агр. ун-ту. К., 2002. № 48. С. 117 121 (авторство складає 70 %, включає виконання польових та лабораторних досліджень, аналіз експериментальних результатів).

3. Тимчук С., Панченко І., Діденко С., Лисюк Г., Кучерук З., Немирич О. Перспективи створення та використання джерел амілопектинових крохмалів в Україні // Хранение и переработка зерна. - 2003. - № 12 (54). С. 29 30 (авторство складає 45 %, включає виконання біохімічних досліджень, огляд та аналіз даних, представлених у закордонній літературі).

4. Тимчук С.М., Діденко С.Ю., Решетніков М.В. Паралелізм генотипної мінливості кукурудзи та гороху за фракційним складом крохмалю // Вісник Харківського нац. агр. ун-ту. Серія “Біологія” 2002. № 9 (1). С. 45 51. (авторство складає 45 %, включає виконання біохімічних досліджень, та аналіз літературних та експериментальних даних).

5. Диденко С.Ю., Николенко И.А., Мовчан Т.Д., Тымчук С.М. Содержание и жирнокислотный состав масла в семенах крахмалмодифицирующих мутантов кукурузы // Ученые записки Таврического нац. ун-та им. В.И. Вернадского. Серия “Биология”. Том 16 (55). № 3 (2003). С. 54 59. (авторство складає 45 %, включає аналіз літературних та експериментальних даних).

6. S.M.Tymchuk,.I.A. Panchenko, V.V. Kirichenko, S.Yu. Didenko, O. Yu. Derebizova and V.M. Tymchuk Maize stach quality improvement using the biochemical effect of genes of endosperm structure // Starch: From Sarch Containing Sources to isolation of starches and their applications/ - New York Nova Science Publishers Inc. 2004. P. 1 16. (авторство складає 25 %, включає виконання частини біохімічних досліджень та аналіз літературних даних).

7. Тимчук С.М., Діденко С.Ю., Тимчук С.М. Комбінаційна здатність ліній восковидної кукурудзи і генетичні компоненти дисперсії за продуктивністю та основними ознаками якості зерна // Вісник Харківського нац. агр. ун-ту. Серія “Біологія”. 2005. Вип.1 (6). С. 81 88 (авторство складає 70 %, включає виконання польових та біохімічних досліджень, узагальнення експериментальних результатів).

8. Диденко С.Ю., Тимчук С.М. Техническая кукуруза как перспективное сырье для получения генетически модифицированных крахмалов // Матер. Всеукр. конф. мол. вчених “Агроекологія як основа стабільності сільського господарства”. Харків, 2000. С. 10 12. (авторство складає 70 %, включає аналіз та узагальнення експериментальних результатів).

9. Didenko S. Yu. Genetically modifying technical maize creation and apply perspectives // Тези доп. міжнар. конф. мол. вчених “Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений” Харків, 2001. С. 17 18.

10. Tymchuk S.M., Ryabchun V.K., Boguslavsky R.L., Didenko S.Yu., Gerasimov N.V. Collection of maize endosperm structure mutants: working out, evaluation and utilization in breeding // Materials of Int. Conf. “Genetic collections, isogenic and alloplasmic lines”. Novosiborsk, 2001. P. 240 242 (авторство складає 30 %, включає виконання біохімічних аналізів та аналіз експериментальних результатів).

11. Тымчук С.М., Панченко И.А., Кириченко В.В., Диденко С.Ю. Использование биохимического эффекта генов структуры эндосперма для улучшения качества кукурузного крахмала // Матер. ХІ междунар. конф. по крахмалу. 2003. С. 24 (авторство складає 40 %, включає виконання польових та біохімічних аналізів та аналіз експериментальних результатів).

12. Диденко С.Ю., Мовчан Т.Д. Роль спонтанных эндоспермальных мутаций кукурузы в создании гибридов технического назначения // Тези доп. ІІ міжнар. конф. мол. вчених “Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений” Харків, 2003. С. 143 (авторство складає 90 %, включає проведення польових та біохімічних досліджень, аналіз і узагальнення експериментальних результатів).

13. Тымчук С.М., Панченко И.А., Кириченко В.В., Диденко С.Ю., Деребизова О.Ю., Николенко И.А., Тымчук В.М., Кущенко А.А., Мовчан Т.Д., Купин В.И. Параллелизм генотипической изменчивости зерновых и зернобобовых культур по содержанию и фракционному составу крахмала // Матер. ХІІІ междунар. конф. по крахмалу. 2005. С. 24 (авторство складає 30 %, включає виконання частини біохімічних досліджень та аналіз експериментальних результатів).