Проблемы генетической теории селекции и биотехнологии растений Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН. - презентация

1 Проблемы генетической теории селекции и биотехнологии растений Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

2 Селекция – это не синоним генетики Селекция – это не синоним генетики Селекцию можно рассматривать как науку, как искусство и как определенную отрасль сельскохозяйственного производства Н.И. Вавилов

3 Принятые селекционерами генетические положения : Генетические основы разных методов отбора ( массовый, групповой, индивидуальный ); Проблемы исходного материала ( географическая отдаленность, генетическая эрозия ); Иммунитет к заболеваниям ( естественный, приобретенный ); Генетика физиологических признаков ( вегетационный период, абиотические стрессы и т. д.); Генетика технологических признаков ; Генетика количественных признаков ( QTL- локусы, Rht- гены ); Проблема отдаленной гибридизации ; Гетерозис и инцухт ; Полиплоидия ; Мутации и длительные модификации ; Генная инженерия. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

4 Генетические основы разных методов отбора : Сверхчистую линию получить трудно, т. к. селекционер может контролировать только незначительно большой набор очень важных генов. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

5 Биотипы сортов ячменя по способности подкислять среду в присутствии ионов калия Зазерский 85МК 5824 МК 9316 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

6 Внутрисортовая гетерогенность сортов яровой мягкой пшеницы по запасным белкам ( глиадины ) Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

7 Электрофоретические спектры гордеина сортов БИОС -1 ( А ) и Московский - 3 ( В ) Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

8 Схема получения сорта БИОС -1 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

9 Проблемы исходного материала Приоритет отдается сортам: дающим стабильно высокий урожай, зерно строго определенного качества. Это всегда обеспечивалось практической селекцией, которая проделала огромный путь от бессознательного отбора крестьянами лучших растений до создания сортов посредством гибридизации. Ежегодно селекционными учреждениями создаются и передаются для коммерческого использования сотни новых сортов. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

10 Влияние селекции на генетическое разнообразие Важно получить ответ на вопрос о влиянии селекции на генетическое разнообразие этих, вновь создаваемых и внедряемых в производство сортов. Для решения вопроса об уровнях генетического разнообразия современных сортов пшениц и наличия или отсутствия генетической эрозии проводится генетический мониторинг: с анализом данных по изменчивости в результате селекции частот некрозных генотипов пшеницы, частот глиадинкодирующих локусов генетической дивергенции сортов на основе родословных. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

11

12 Генетический мониторинг с использованием генов гибридного некроза в качестве маркеров Гены гибридного некроза ( Ne1 и Ne2) относятся к группе генов, взаимодействие которых приводит к летальности или сублетальности первого гибридного поколения в результате отмирания листьев. Для гена Ne1 описано три аллеля: Ne1 w, Ne1 m, Ne1 s Для гена Ne2 – пять : Ne2 w, Ne2 wm, Ne2 m, Ne2 ms, Ne2 s Генотипы сортов пшениц можно представить следующим образом : *Ne1Ne1ne2ne2 (несут ген Ne1), *ne1ne1Ne2Ne2 (несут ген Ne2), *ne1ne1ne2ne2 (свободны от генов гибридного некроза ). Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

13 Распределение генов некроза среди яровых и озимых мягких пшениц мира ( за исключением бывшего СССР ) Яровая пшеницаОзимая пшеница

14 Распределение генов некроза среди яровых и озимых мягких пшениц бывшего СССР Яровая пшеница Озимая пшеница

15 Изменения некрозных генотипов по регионам России Временные изменения затронули в той или иной степени все регионы: в 7 из 12 регионов полностью исчезли сорта, несущие ген Ne1. существенно уменьшилась частота генотипа Ne1ne2 в Уральском и Западно-Сибирском регионах. в Восточно – Сибирском регионе частота сортов с геном Ne1увеличилась в 2 раза. в этих же регионах уменьшилась частота возделываемых сортов с генотипом ne1Ne2, что резко отличается от картины по всем ( исключая Северный) регионам Европейской части России и Дальнего Востока. В целом же мы можем констатировать определенное уменьшение генетического разнообразия сортов мягкой пшеницы практически по всем регионам. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

16 Локусы глиадинов как генетические маркеры Анализ сортов мягкой пшеницы отечественной и зарубежной селекции показал: каждый регион или страна характеризуются определенным набором наиболее часто встречающихся аллелей глиадинкодирующих локусов; по каждому из шести глиадинкодирующих локусов выявлено от 10 (Gli-D1) до 20 (Gli-A2. Gli-B2) аллелей; по каждой из шести хромосом аллели глиадинкодирующих локусов встречаются с разной частотой. По сортам пшеницы было выявлено: в России - 64 аллеля, в Италии – 58 аллелей, в Югославии – 55 аллелей, в Англии - 32 аллеля, в Австралии - 32 аллеля, в Канаде – 25 аллелей глиадинкодирующих локусов. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

17 Разнообразие глиадинкодирующих локусов По сортам России: из 16 аллелей стародавних сортов до нашего времени дошло 10, появилось 14 новых аллелей. По сортам Италии: из 20 идентифицированных аллелей стародавних сортов утеряно 3 аллеля, появилось 3 новых аллеля. По сортам Франции: утеряно 6 аллелей, появилось 15 новых аллелей Показано существование генетической эрозии Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

18

19

20 Анализ родословных Доля сортов озимой пшеницы (%), находящихся в родстве, по десятилетним периодам

21 Генетическое разнообразие допущенных к использованию сортов мягкой озимой пшеницы по регионам выращивания

22 Проблема геномных перекомбинаций Доза генома D и процент белка в эндосперме: AABBD – 19,7%; AABBDD – 16,2%; AABBDDD – 9,4% Для пшеницы свойственен определенный оптимум синтеза белков, который варьирует в определенном для данного вида диапазоне. Идентично происходит процесс синтеза аминокислот в белке. При становлении новых видов в процессе аллополиплоидизации сохраняется одинаковый баланс содержания белка и содержания аминокислот. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

23 Поражаемость мучнистой росой в полевых условиях СортГеном1-й учет2-й учет CanthatchAABBDD 39 T-CanthatchAABB 27 PreludeAABBDD 79 T-PreludeAABB 39 ThatcherAABBDD 59 T-ThatcherAABB 37 RL 5404AABBDD 11-2 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

24 Поражаемость мучнистой росой на фоне искусственного заражения Форма, гибридГеномБалл поражения CanthatchAABBDD5 T-CanthatchAABB5 RL5404AABBDD1-2 F 1 (RL5404 / Canthatch)AABBDD3 F 1 (RL5404 / Саратовская 29)AABBDD1 F 1 (RL5404 / Московская 21)AABBDD1 Саратовская 29AABBDD5 Московская 21AABBDD5 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

25 Гены-супрессоры ФормаГеном, хромосома. Супрессиру емые гены Источник генов устойчивости Автор Canthatch7DLSr- (A, B)T. aestivumKerber, Green (1980) ThatcherDLr23T. aestivumMcIntosh, Dyck (1975) Ae. tauschii DtDt Sr-T. durumKerber (1983) LMPG- 6,MP DLr-, Sr-T. dicoccoidesBai, Knott (1992) Chinese spring 1D, 2D, 4DSr-T. dicoccoidesBai, Knott (1992) Chinese spring 1D, 3DLr-T. dicoccoidesBai, Knott (1992) LMPG- 6,MP DLr-, Sr-T. durumBai, Knott (1992)

26 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН Проблемы устойчивости растений к фитопатогенам Формы взаимоотношений растений с фитопатогенами Восприимчивость Толерант- ность УязвимостьСпецифи- ческая Неспеци- фическая Деление на специфическую и неспецифическую устойчивость весьма условно Устойчивость Иммунитет к заболевания ( естественный, приобретенный )

27 Типы иммунитета Н.И. Вавилов (1935) выделил два типа иммунитета: естественный; приобретенный. Первый тип иммунитета определяется специфическими генами. По Ван дер Планку (1966) эти гены обуславливают два типа устойчивости: вертикальную и горизонтальную. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

28 Вирусные болезни томатов Гены устойчивости ВТМ: ген толерантности Tm1 (хромосома 5), впервые обнаружен в гибридах Lycopersicon esculentum Mill. x L. hirsutum Hamb.; Гены Tm2 и Tm2 2 (хромосома 9) детерминирует реакцию сверхчуствительности. Введены в геном культурного томата от L. peruvianum L. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

29

30 Естественный иммунитет пшеницы T. aestivum (ABD) x T.timopheevii (A t G) x T. militinae (A t G) x T. kiharae (A t GD sq ) несут эффективные гены устойчивости к листовой бурой ржавчине (Puccinia recondita) и мучнистой росе (Erisiphe graminis) Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

31 Triticum kiharae (A t A t GGD t D t ) x Triticum timopheevii (A t A t GG) Aegilops tauschii (D t D t ) Triticum kiharae (A t A t GGD t D t ) Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

32 RAPD- амплификация ДНК с праймером 29 (5- TGGTCACAGA-3) 1 - T.kiharae, 2 -Т. timopheevii, 3 - линия 353 (восприимчивая форма), 4 - линия 224/4-96 (устойчивая форма), 5 - линия 225/2-96 (восприимчивая форма). Стрелкой показан полиморфный амликон Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

33 Генетика физиологических признаков Абиотические стрессы Вегетационный период Гены : Vrn1-Vrn2 Ppd1-Ppd3 гены per se ( скороспелость в узком смысле ) Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

34 Генетика количественных признаков Мережко А.Ф.: 1. Выделение генетического потенциала в виде источников ценных признаков; 2. Генетическая структура важнейших признаков и определение ценных аллелей (QTL-локусы, Rhtгены) 3. Включение идентифицированных генов в перспективные сорта и создание доноров. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

35 Гетерозис и инцухт Гипотезы гетерозиса : Доминирования ( Джонс, Пелью ). Сверхдоминирования ( Ист, Шелл ). Компенсационного комплекса генов ( Струнников ). Генетического баланса ( Лернер, Матер ). Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

36

37 Использование полиплоидии Сахарная свекла : тетраплоиды и триплоиды ; Арбуз : триплоид – без косточек 2n= 18 Колхицин (2n=36) x (2n=18) 2n=27 диплоид тетраплоид диплоид триплоид

38 Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

39 Получение гаплоидов (метод андрогенеза, бульбозум- метод) Микроклонально е размножение Сомаклональна я изменчивость Мутации и длительные модификации

40 Применение культуры тканей растений в биотехнологии и генетике. Сохранение, оздоровление и размножение ценных генотипов. Мутагенез и селекция новых форм in vitro. Получение продуктов вторичного метаболизма (каллусные, суспензионные культуры, «бородатый корень»… Трансформация и получение трансгенных растений. Изучение влияния трансгена на функционирование генома хозяина Изучение наследования трансгена в семенном и вегетативном потомстве. Создание генетических коллекций. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

41 Основные механизмы сомаклональной изменчивости Изменения числа хромосом. Изменения морфологии хромосом. Соматический кроссинговер. Генные мутации. Репрессия генов. Дерепрессия генов. Изменение метилирования ДНК. Амплификация повторов ДНК. Делеция повторов ДНК. Транспозиции. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН Размах сомаклональной изменчивости только в отдельных случах выходит за пределы данного конкретного вида растений (Кунах, 2004).

42 Разработка методов микроклонального размножения разных видов стахиса. Асептические растения стахиса разных видов Введение в асептическую культуру и микрочеренкование Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

43

44

45

46

47

48

49

50 Поле деятельности генетиков растений в эпоху молекулярно - генетических методов Познание растительных геномов. Молекулярные маркерные системы и их эволюция. Молекулярные карты с.- х. культур ( методология ). Организация микросателлитных повторов и ретротранспозонов у культивируемых видов. QTL-локусы и отдельные гены, определяющие устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Селекционое улучшение растительных геномов. Изменения генов и геномов растений при их окультуривании. Распределение генов в растительном геноме. Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

51 Генетическая инженерия растений (будущее XXI века) РИСК для: экосистем; здоровья человека; исторически сложившейся культурной и дикой флоры. ВЫГОДЫ: улучшение и увеличение объема продукции; сокращение сроков селекции; получение лекарственных препаратов; модели для познания действия и взаимодействия генов.

52

53