Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl., T.spelta L. и T.aestivum L. с использованием цитогенетических маркеров

На протяжении тысяч лет и сотен поколений существование самого человека и его домашних животных зависело от пшеницы. В Западном полушарии она играет значительную роль уже свыше 400 лет (Моррис, Сире, 1970). В Восточном полушарии нельзя с достоверностью указать такой период истории человечества, когда бы оно обходилось без пшеницы.

В настоящее время мягкая пшеница выращивается' более чем на 240 млн. га (Curtis, 2002), таких площадей не занимает никакая другая зерновая культура. В период с 1985 г. по 1995 г. рост производства зерна пшеницы составлял в среднем 0,9% (CIMMIT, 1996) — в то время как человеческая популяция с 1993 г. по 2000 г. росла со скоростью 1,5%. Возрастающий дисбаланс можно решить с помощью увеличения производства пшеницы, что достижимо двумя путями^.

1) расширением посевных площадей или'.

2) улучшением урожайности на единицу посевной площади.

Наиболее перспективным является второй путь. На экспериментальных полях максимальная урожайность пшеницы может достигать 20 т/га (Curtis, 2002), в то же время ее средняя урожайность за период 1993;1995 г. г. в мире составила всего 2,5 т/га. И если по данным CIMMYT в 2006 году она выросла до 2,86 т/га, для удовлетворения мировых потребностей этого все равно недостаточно, и показатель урожайности желательно довести к 2025 году до 3,8 т/га (http://www.hpj.com).

Проводимая интенсивная селекция на повышение продуктивности в XX веке привела к значительному обеднению генофонда пшеницы и возникла проблема поиска источников хозяйственно-полезных признаков для ее улучшения. Для решения подобных задач используют местные формы и сорта пшеницы, хорошо адаптированные к условиям выращивания (так называемый первичный генофонд), виды пшеницы другого уровня плоидности и представителей близкородственного рода Aegilops (вторичный генофонд), а также виды других родов — Agropyron, Secale, Hordeum (третичный генофонд) (Конвенция о биологическом разнообразии UNEP 14—15 ноября 1996 г., Пункт 8.1 .www.cbd.int/doc/meeting/cop).

Одним из перспективных видов для улучшения мягкой пшеницы может быть культурная двузернянка Triticum dicoccum (Schrank.) Schuebl (Terzi et al., 2007), характеризующаяся высоким качеством зерна и устойчивостью ко многим болезням. Помимо этого, перенос генетического материала от культурной полбы в мягкую пшеницу облегчается близким филогенетическим родством этих видов. В Америке созданы специальные программы по исследованию пленчатых пшениц как возможных доноров устойчивости к болезням для других хозяйственно-полезных видов, особенно Т. aestivum и Т. durum (www.ars.usda.gov/research/project).

Большой интерес представляют тетраплоидные и гексаплоидные виды.

Triticum, отличающиеся охмягкой пшеницы по составу белков зерна. Особое значение это приобретает для людей, страдающих таким тяжелым наследственным заболеванием, как цилиакия. В последнее время активно изучают возможность использования муки из зерна пленчатых пшениц Т. spelta и Т. dicoccum в диетическом питании больных диабетом и сердечнососудистыми заболеваниями (Boguslavskij et. al, 2001). Из них также готовят ряд высококачественных крупяных, хлебобулочных и кондитерских изделий.

Пшеница также является одним из наиболее интересных модельных объектов в эволюционных исследованиях. Эволюция пшеницы, а точнее процессы возникновения, становления и последующей стабилизации групп растенийсоставляющих род Triticum, — один из важных и очень интересных вопросов современной науки.

Проблемы происхождения культурных растений на первых этапах земледелия с давних времен привлекали человека. В Древнем мире, где господствовала мифология, культурные растения считались щедрым подарком, данным человеку богами. Древние египтяне отдавали благодарности Изиде и Осирису за дар пшеницы и ячменя Египту и за обучение людей секретам их возделывания. Подобным образом древние греки приписывали подарок этих важных хлебных злаков Деметре, а римляне— божественной Церере (Фрэзер, 2001). За последние несколько веков ботаники и специалисты по истории земледелия пытались объяснить происхождение одомашненных растений и их эволюцию в условиях культивирования на научной основе.

Альфонс Декандоль (1886) (цит. по Feldman, 2001) был одним из первых, кто осознал, что исторический, лингвистический и фольклорный типы доказательств сами по себе недостаточны для определения происхождения культурных растений. В тот период развития науки самыми главными были данные, полученные с помощью ботанических и археологических методов. На современном этапе считают, что при анализе происхождения и эволюции культурного растения наиболее достоверным доказательством^{является} идентификация дикого предка и определение области его распространения в прошлом и настоящем (Harlan, 1979; Zohary, Hopf, 1998; Feldman, 2001). Это дает возможность определять, какие изменения привели к одомашниванию, а также установить районначала земледелия. Однако, если дикий предок не обнаружен или исчез, понимание полной истории данного вида или культуры значительно осложняется.

Изучению внутривидового разнообразия и филогенетических связей между видами полиплоидных пшениц посвящено большое количество работ, основанных на методах молекулярной биологии, биохимии и иммунохимии. Хорошо изучена цитогенетика многих видов рода Triticum, однако многие вопросы остались не решенными. В частности, большой интерес представляет выявление связи между особенностями распределения гетерохроматиновых блоков в кариотипе растения с его географическим распространением. Знание особенностей рисунков дифференциального окрашивания, присущих популяциям пшеницы из определенных районов произрастания, может способствовать уточнению района доместикации тетраплоидной пшеницы и места происхождения гексаплоидных форм. До настоящего времени не существует подходов для математической обработки результатов цитогенетических исследований.

Широкие возможности для таких работ открывают современные компьютерные технологии. Сравнение кариотипов конкретных сортов пшеницы с обобщенной видовой идиограммой хромосом позволяет создавать хромосомные паспорта (Badaeva et al., 1990аБадаева и др., 2005), являющиеся фактически базой данных, которую можно обрабатывать различными математическими методами. Такая' база может и должна использоваться в последующих работах при сравнении ранее исследованных образцов с вновь изученными. Расширение такой базы — ключ к успешному анализу филогенетических связей близкородственных видов.

Объектами данного исследования стали три вида полиплоидной пшеницы: Triticum dicoccum (Schrank) Huebl. (2n=28), Т. spelta L. (2n=42) и Т. aestivum L.(2n=42), тесно связанные друг с другом эволюционное Так, предполагают, что Т. dicoccum послужила непосредственным предком гексаплоидных пшениц (донор ВА-компонента генома) (Dvorak et al., 1992). Открытым остается вопрос о происхождении азиатской и европейской групп спельты. В то же время Т. spelta считается многими авторами наиболее древней формой гексаплоидных пшениц, от которой возникли мягкие пшеницы (Kuckuck, 1964; Моррис, Сире, 1970; Salamini, 2002). Целью нашей работы было изучение внутривидового разнообразия пшениц Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum с помощью метода дифференциального окрашивания хромом (С-бэндинга) и уточнение филогенетических отношений этих видов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Исследовать уровень полиморфизма гетерохроматических (ГХ) районов хромосом у образцов трех видов полиплоидной пшеницы разного географического происхождения с помощью С-метода дифференциального окрашивания.

• Определить типы, частоту и географическое распространение хромосомных перестроек у Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum. С помощью геномной гибридизации in situ (GISH) локализовать точки разрывов на хромосомах 7А и 5 В в образцах культурной полбы, несущих транслокацию Т7А:5 В.

• Составить хромосомные паспорта исследованных образцов пшеницы путем сравнения обобщенной видовой идиограммы с рисунками дифференциального окрашивания их кариотипов. На основании хромосомных паспортов сформировать базу данных для статистического анализа.

• С помощью методов кластерного анализа исследовать внутривидовое разнообразие видов Т. dicoccum и Т. spelta.

• Оценить филогенетическое родство видов Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum.

выводы.

1. Показано, что каждый из 191 изученного образца Т. dicoccum, Т. spelta и Т. aestivum характеризуются уникальным распределением С-блоков на хромосомах. Предложен способ количественного описания рисунков дифференциального окрашивания кариотипа в виде электронной таблицы («хромосомного паспорта») для проведения филогенетического анализа с помощью компьютерных технологий.

2. Не обнаружено существенных различий по морфологии и распределению С-блоков на хромосомах Аи Вгеномов тетраплоидных (Т. dicoccum) и гексаплоидных видов пшеницы (Т. spelta, Т. aestivum). Таким образом, появление гексаплоидных пшениц не связано с крупными хромосомными аберрациями.

3. Среди культурной полбы выделено несколько четко-отличающихся географических групп. Наиболее полиморфной оказалась североафриканская Т. dicoccum, что вероятнее всего связано с множественной интродукцией. Показано высокое сходство кариотипов полб из Эфиопии и Индии и выявлен вариант окрашивания хромосомы 1 В, маркирующий эту группу. Сужение полиморфизма индийской популяции говорит о первичности эфиопской полбы и о большой роли эффекта основателя в эволюции пшеницы в Индии.

4. Европейская популяция Т. dicoccum по рисункам С-окрашивания хромосом 2А, 4А и наличию/отсутствию транслокации 7А:5 В делится на две ветви — волжско-балканскую и собственно европейскую. Т7А:5 В транслокация и производные от нее перестройки выявлены у 75% исследованных образцов собственно европейского эммера. Методом гибридизации in situ установлено, что транслокация 7А:5 В является реципрокной. Высокое сходство образцов, несущих 7А:5 В транслокацию, свидетельствует об общности их происхождения, а широкое распространение перестройки, возможно, связано с ее адаптивной значимостью. Показано, что азиатская спельта отличается от европейской наличием маркерного блока в коротком плече хромосомы 2А. По этому признаку европейская спельта более сходна с мягкой пшеницей, чем с азиатской спельтой. Высокий полиморфизм рисунков С-окрашивания азиатской спельты дает основание предположить, что она является самой древней гексаплоидной пшеницей.

Наличие у европейской спельты варианта окрашивания хромосомы 2А, характерного для европейского Т. dicoccum указывает на то, что Т.- spelta ssp. spelta по-видимому образовалась в результате гибридизации гексаплоидной пшеницы и тетраплоидной Т. dicoccum. Хромосомные перестройки обнаружены в 37% образцов спельты, 41% эммера и 29% сортов мягкой пшеницы. Всего было идентифицировано 32 варианта хромосомных перестроек, включая транслокации и инверсии, с преобладанием одиночных транслокаций. Частота и спектры перестроек отличались как между видами, так и образцами одного вида из различных географических районов. Наибольшее разнообразие типов перестроек наблюдалось среди гексаплоидных пшениц Центральной Азии и эммеров Северной Африки, что совпадает с центрами разнообразия культурных растений Н. И. Вавилова.