Генетика, 2022, T. 58, № 12, стр. 1386-1399

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

С целью изучения закономерностей распространения аллелей альфа-амилазных локусов исследовали более 200 сортов ярового ячменя, районированных по территории бывшего СССР с 1929 по 1993 гг. В качестве территориальных единиц наблюдения нами были приняты 25 природно-сельскохозяйственных провинций (далее – провинции), входящих в систему природно-сельскохозяйственного районирования территории страны [10]. Природно-сельскохозяйственная провинция представляла собой часть зоны, характеризующейся биологически важными особенностями почвенного покрова, связанными с макроклиматом и его режимом в годовом цикле. Провинции различались величинами гидротермического и пищевого режима почв и по основным агроклиматическим показателям (континентальность климата, тепло- и влагообеспеченность вегетационного периода и т.д.).

Состав сортов в пределах провинции определяли по каталогам районированных сортов сельскохозяйственных культур Государственной комиссии по сортоиспытанию. Если сорт был районирован в нескольких провинциях, то он учитывался в каждой из них. Частоты рассчитывались из условий: сумма частот всех аллелей одного локуса в провинции равнялась 1. Если сорта имели по одному аллелю, то их количество составляло число наблюдений. Ошибки оценки частот генов определяли в зависимости от того, сколько аллелей имеет исследуемый генетический фактор. Для диаллельного распределения использовали известные формулы, описанные П.Ф. Рокицким [11]. При множественном аллелизме пользовались формулами, предложенными Ч. Ли [12]. Расчет доли вкладов климатических факторов во встречаемость аллелей вычисляли на основе известных статистических зависимостей [13].

Зерно, предназначенное для электрофоретического анализа α-амилазы, проращивали в темноте при 20°С в течение 5–7 суток. Для экстракции фермента проросшую зерновку освобождали от пленок, помещали в толстостенную стеклянную пробирку, заливали раствором, содержащим 0.2% хлористого кальция с 20%-ной сахарозой и 0.03% бромфенолового синего. После измельчения эндосперма палочкой из стекла или нержавеющей стали, суспензию настаивали 1 ч при комнатной температуре. После центрифугирования надосадочную жидкость использовали для электрофореза. Электрофоретическое разделение α‑амилаз и выявление его изоферментного состава проводили по прописи В.П. Нецветаева [14]. Для инактивации β-амилазы в гель вводили 5 М мочевины. Для оценки сцепления использовали тест χ² [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Перечень сортов ярового ячменя и их аллельный состав по локусам Amy 1 и Amy 2 представлен в табл. 1. Как видно, среди представленного набора сортов наиболее часто встречались аллели Amy 1.1 (48.0%) и Amy 2.1 (86.1%) данных локусов. Характерно, что сочетание этих аллелей также доминировало и составляло 44.6%. Остальные аллели и их сочетания встречались значительно реже. Изоферментный состав альфа-амилазы некоторых сортов ячменя представлен на рис. 1. Обобщенная схема изображения зимотипов, контролируемых локусами Amy 1 и Amy 2, представлена на рис. 2.

Рис. 1.

Зимограммы α-амилаз отдельных зерен различных образцов ярового ячменя и аллели, контролирующие эти изоферменты: 1 – Amy 1, 2 – Amy 1.9 и Amy 2.3, 3 – Amy 1.5 и Amy 2.1, 4 – Amy 1.5 и Amy 2.1, 5 – Amy 1.7, 6 – Amy 1.6 и Amy 2.1, 7 – Amy 1.1, 8 – Amy 1.1, 9 – Amy 1.1, 10 – Amy 1.7, 11 – Amy 1.9, 12 – Amy 1.9, 13 – Amy 1.9, 14 – Amy 1.1, 15 – Amy 1.1 и Amy 2.2.

Рис. 2.

Схема типов зимограмм альфа-амилазы, выявленных при исследовании ярового ячменя.

Если допустить, что сочетания аллелей локусов Amy 1 и Amy 2 носят случайный характер, то встречаемость генотипов, несущих сочетания аллелей Amy 1.1 Amy 2.1 : Amy 1.1 Amy 2.? : Amy 1.? Amy 2.1 : Amy1.? Amy 2.? должно быть близко к соотношению 1 : 1 : 1 : 1. Фактическая численность данных сочетаний составила 90 : 7 : 84 : 21 (табл. 2). Полученные оценки χ² свидетельствует о том, что представленная встречаемость не связана со сцеплением (${{\chi }}_{{\text{L}}}^{2}$ = 1.98, P > 0.10). Это подтверждает данные по локализации указанных генетических факторов в разных хромосомах. В то же время, представленное значение ${{\chi }}_{{1:1:1:1}}^{2}$ свидетельствует о неслучайном сочетании аллелей в изученных сортах. Следовательно полученная диспропорция в численности приведенных сочетаний аллелей может быть связана с избирательностью отбора в процессе селекции определенных генотипов.

В связи с этим исследовали распространение выявленных наследственных вариантов альфа-амилазы среди сортов, возделывавшихся на определенной территории. Результаты представлены в табл. 3. Из таблицы видно, что в целом, независимо от зон возделывания, в культуре ярового ячменя наиболее широко распространен аллель Amy 1.1. В то же время частота его в разных географических регионах варьировала от 27% (провинции 4‑1 Прибалтийская, 4-7 Дальневосточно-Амуро-Уссурийская) до 100% (провинция 7-3 Заволжская). Различия существенны (t = 4.61, p > 0.99). Характерно, что в направлении с севера на юг встречаемость данного аллеля увеличивалась. Так, если в северных широтах европейской части она составляла 27–31%, то в степных южных районах частота аллеля Amy 1.1 увеличивалась до 78–85% (провинции 7-2 Манычской-Донская, 7-1 Южно-Украинская). Подобная закономерность наблюдалась и в азиатской части рассматриваемой территории. В направлении с запада на восток такой четкой динамики не прослеживалось. В отношении распространения аллеля Amy 1.2 обнаружена аналогичная картина. Так, в более северных широтах (провинции 4-4 Западно-Сибирская, 4-1 Прибалтийская, 3-1 Европейская) частота фактора Amy 1.2 выражалась величинами в 0–5%, в то время как в южных регионах (провинции 7-1 Южно-Украинская, 6-2 Предкавказская) встречаемость его колебалась в пределах 15–17%. Оценка климатических параметров, обусловливающих адаптивную ценность указанных аллелей в изученных географических регионах, показана в табл. 4. Как видно, встречаемость аллеля Amy 1.1 как и Amy 1.2 не существенно связана с континентальностью климата, то же характерно и для других аллелей данного локуса. В то же время, если частота фактора Amy 1.1 показала отрицательную корреляцию с влажностью климата, то встречаемость аллеля Amy 1.2 положительно коррелировала с этим показателем (табл. 4). Характерно, что в отличие от фактора Amy 1.1, на распространение аллеля Amy 1.2 не влияла температура окружающей среды. Встречаемость аллеля Amy 1.3 положительно коррелировала с температурой и имела тенденцию к концентрации в южных широтах. Это сходно с реакцией на этот показатель такого фактора как Amy 1.1. Влияние других климатических характеристик регионов на отбор в пользу Amy 1.3 незначителен. Совсем другой была реакция на внешнюю среду носителей аллелей Amy 1.4 и Amy 1.6. Встречаемость их была отрицательно связана с температурой, но показала положительную корреляцию с влажностью климата и имела тенденцию к сосредоточению в северных широтах.

Оценка доли вкладов трех климатических факторов в коэффициент детерминации частот аллелей локуса Amy 1 представлена в табл. 5.

Представленные данные подтверждают и дополняют результаты табл. 4. Так, распространение аллелей Amy 1.1 и Amy 1.4 связано с температурными показателями и влажностью, которые дают близкий, но значимый вклад в вариацию встречаемости этих наследственных факторов. В то же время, динамика частоты аллеля Amy 1.2 определяется только обеспеченностью влагой. На распространение аллелей Amy 1.3 и Amy 1.6 прежде всего влияют температурные условия внешней среды.

По локусу Amy 2 в культуре ярового ячменя выявлено три аллеля. Наиболее широко распространен аллель Amy 2.1, частота которого варьировала от 56% (провинция 8-1 Прикаспийская) до 100% (провинции 4-2 Белорусская, 5-1 Украинская, Дальневосточно-Амуро-Уссурийская). В направлении с севера на юг наблюдалась тенденция в сторону уменьшения встречаемости данного аллеля (табл. 3). Наоборот, частота другого аллеля – Amy 2.2, в этом направлении среди районированных сортов ярового ячменя увеличивалась с 7–12% (провинции 4-4 Западно-Сибирская, 4-1 Прибалтийская, 3-1 Европейская) до 15–38% (провинции 7-1 Южно-Украинская, 7-2 Манычско-Донская, 6-2 Предкавказская). Частота фактора Amy 2.3 имела тенденцию к уменьшению с севера на юг в яровой культуре.

С запада на восток частота аллеля Amy 2.1 уменьшалась, достигая минимальной величины в Прикаспийском регионе (56.3 ± 11.2%). При дальнейшем продвижении на восток фактор Amy 2.1 имел тенденцию к увеличению встречаемости до 100.0 ± 12.9% в Дальневосточном регионе (табл. 3). Другой аллель – Amy 2.2, наоборот, в направлении с запада на восток увеличивал свою частоту среди районированных сортов до 40.6 ± 10.1% в Прикаспийской провинции с последующей динамикой в сторону уменьшения (при дальнейшем продвижении на восток) до 0 (провинция 4-7 Дальневосточно-Амуро-Уссурийская). Аллель Amy 2.3 не обнаружил четкой закономерности в своем распространении.

Оценка климатических параметров, обусловливающих адаптивную ценность аллелей локуса Amy 2 в изученных географических регионах, показана в табл. 6.

Как видно, встречаемость всех аллелей локуса Amy 2 не была связана с континентальностью климата. В то же время, распространение аллеля Amy 2.1 отрицательно корректировало с температурой, но положительно с влагообеспеченностью. Напротив, встречаемость фактора Amy 2.2 показала положительную связь с температурными параметрами среды и отрицательную с количеством осадков и влагообеспеченностью региона. Распространение аллеля Amy 2.3 не было сопряжено с изученными климатическими характеристиками данной территории.

Доли вклада трех климатических факторов в формировании успешной адаптации аллелей локуса Amy 2 к агро-климатическим условиям территории показаны в табл. 7. Как видно, распространению аллеля Amy 2.1 в наибольшей степени способствует влажность климата, температура имеет меньшую значимость в адаптации к внешним условиям среды. Континентальность климата занимала третье место по влиянию на распространение этого генетического фактора. Характерно, что температурные параметры имеют первостепенное значение для распространения другого аллеля – Amy 2.2. Влажность в данном случае играла вторичную роль. Континентальность климата не оказала влияния на встречаемость этого генетического фактора. Его вклад в детерминацию распространения аллеля Amy 2.3 оказался несущественным.

Таким образом, распространение аллелей локусов, контролирующих изоферментный состав альфа-амилазы в культуре ярового ячменя носит не случайный характер. Основными климатическим факторами, определяющими адаптивность генотипов ярового ячменя по этому ферменту, являются температура и влагообеспеченность региона. Аллели Amy 1.1 и Amy 1.3 показали положительную связь с повышенными температурами, но отрицательную с влагообеспеченностью. Напротив, аллели Amy 1.4 и Amy 1.6 продемонстрировали отрицательную реакцию на высокую температуру, но положительную на влагообеспеченность. Анализ реакции распространения аллелей локуса Amy 2 показал, что с аридными условиями внешней среды связан аллель Amy 2.2. Аллель Amy 2.1, наоборот, приурочен к регионам с хорошей влагообеспеченностью и без экстремальных высоких температур.

Исходя из полученных данных можно ожидать, что генотипы Amy 1.1; 2.2 должны быть распространены в наиболее аридных условиях среды. В то же время, генотипы с таким сочетанием аллелей составили лишь 2.9% (6 сортов, табл. 1). Альтернативное сочетание этих генетических факторов, Amy 1.2; 2.1, встретилось у 6.4% сортов (табл. 1). Следовательно, крайние варианты наследственности для адаптации к внешним условиям среды менее предпочтительны, чем “компромиссные”. Так, наиболее часто встречались генотипы Amy 1.1; 2.1, частота которых среди районированных сортов ярового ячменя составила 44.6% (табл. 1). В данном случае, аллель Amy 1.1 обусловливает устойчивость к повышенным температурам и недостатку влаги, а аллель Amy 2.1 способствует положительному ответу на хорошую влагообеспеченность и при отсутствии экстремально высоких температур. Полученные данные можно использовать и учитывать при планировании гибридизации ярового ячменя в процессе селекции.

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.