Генетические основы селекционного процесса

1. Генетические основы селекционного процесса

Профессор В.А. Пухальский
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

2. “Селекция – это не синоним генетики”

“Селекцию можно рассматривать как
науку, как искусство и как
определенную отрасль
сельскохозяйственного
производства”
Н.И. Вавилов
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

3. Принятые селекционерами генетические положения:

понятие о наследственной и
ненаследственной изменчивости;
понятие о гомозиготности и
гетерозиготности;
доминирование и рецессивность
признаков;
менделевские закономерности;
понятие о гетерозисе.
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

4. Гипотезы гетерозиса:

1. Доминирования (Джонс, Пелью).
2. Сверхдоминирования (Ист, Шелл).
3. Компенсационного комплекса генов
(Струнников).
4. Генетического баланса (Лернер, Матер).
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

5. Проблема индивидуального 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

6. Биотипы сортов ячменя по способности подкислять среду в присутствии ионов калия

16
Зазерский 85
МК 5824
12
количество растений
14
количество растений
14
12
10
8
6
4
10
8
6
4
2
2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1
2
d pH
d pH
20
МК 9316
количество растений
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
d pH
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

7. Внутрисортовая гетерогенность сортов яровой мягкой пшеницы по запасным белкам (глиадины)

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

8. Выделение гомозиготных линий ячменя, устойчивых к Heterodera filipjevi SSD-методом

Выделение гомозиготных линий ячменя,
устойчивых к Heterodera filipjevi SSDметодом
Р:
Донецкий 4
х
к-6808 (Турция)
S
R
R
F1
F2
F3-F8
F9
Линия 32
S
R + RS
R + RS
R
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

9. Продуктивность линий ячменя, устойчивых к Heterodera filipjevi

Линия, сорт
Высота
растения
Число зерен
с растения
Масса зерна
с растения
Масса 100
зерен
16
60,0
62,4
2,62
4,2
32
85,0
41,1
2,14
5,2
77
94,0
42,5
2,55
6,0
Зазерский
85 (st)
68,0
41,9
1,79
4,3
НСР 05
2,45
2,67
0,14
0,17
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

10. Схема получения сорта БИОС-1

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

11. Электрофоретические спектры гордеина сортов БИОС-1 (А) и Московский - 3 (В)

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

12.

Биотехнология
(культивирования клеток растений in vitro)
Получение
гаплоидов
(метод
андрогенеза,
бульбозумметод)
Сомаклональна
я изменчивость
Микроклонально
е размножение
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

13. 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.
Размах сомаклональной изменчивости только в отдельных случах
выходит за пределы данного конкретного вида растений (Кунах, 2004).
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

14. Поле деятельности генетиков растений в эпоху молекулярно-генетических методов

Познание растительных
QTL-локусы и отдельные гены,
геномов.
Молекулярные маркерные
системы и их эволюция.
Молекулярные карты с.-х.
культур (методология).
Организация
микросателлитных
повторов и
ретротранспозонов у
культивируемых видов.
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

15. Генетические маркеры

Гены – маркеры.
Биохимические маркеры.
Молекулярные маркеры.
QTL – маркеры (Quantitative Trait Loci).
Родословные.
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

16. Проблема центров происхождения культурных растений

Эфиопия.
Цифрами обозначены
провинции: 1 - Эритрея,
2 - Бегемдер, 3 - Тигре,
4 - Годжам, 5 - Волло,
6 - Воллега, 7 - Шоа,
8 - Аруси, 9 - Харар,
10 - Илубабор, 11 - Каффа,
12 - Гаму-Гофа,
13 - Сидамо, 14 - Бале.
(А.А. Поморцев)
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

17. Приложимость биохимических маркеров к оценке сортовой чистоты

Партии
Сортовая чистота, %
99100
97-98
95-96
93-94
91-92
<91
(56 90)
Не
соотв.
Все партии
(n=77)
54.5
9.1
3.9
10.4
1.3
18.2
2.6
Оригинальные
с/элита
(n=31)
77.4
6.5
0
9.6
0
6.5
0
Элита
(n=40)
42.5
10.0
5.0
7.5
2.5
27.5
5.0
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

18. D-геном

В 1940 г. N. Pathak
предположил, что диплоидный
вид Ae. tauschii, имеющий Dгеном, является донором
мягкой пшеницы. В
дальнейшем это
подтвердилось.
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

19. Объекты исследований

Сорт
Геном
2n
Происхождение
Автор
Canthatch
AABBDD
42
Thatcher / Kenya
Farmer
T-Canthatch
AABB
28
Выделенный из сорта
Canthach
Prelude
AABBDD
42
Downy Gehum / Fraser
T-Prelude
AABB
28
Выделенный из сорта
Prelude
Thatcher
AABBDD
42
Marquis / Iumilo //
Marquis / Kanred
T-Thatcher
AABB
28
Выделенный из сорта
Thatcher
Kaltsikes, 1968
RL 5404
AABBD’D’
42
T-Thatcher /Ae.tauschii
Kerber, 1969
Kerber, 1963
Kaltsikes, 1968
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

20. 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
диапозоне.
• 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

21.

Поражаемость мучнистой
росой в полевых условиях
Сорт
Геном
1-й учет
2-й учет
Canthatch
AABBDD
3
9
T-Canthatch
AABB
2
7
Prelude
AABBDD
7
9
T-Prelude
AABB
3
9
Thatcher
AABBDD
5
9
T-Thatcher
AABB
3
7
RL 5404
AABBD’D’
1
1-2
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

22.

Поражаемость мучнистой росой на
фоне искусственного заражения
Форма, гибрид
Геном
Балл
поражения
Canthatch
AABBDD
5
T-Canthatch
AABB
5
RL5404
AABBD’D’
1-2
F1(RL5404 / Canthatch)
AABBDD’
3
F1(RL5404 / Саратовская 29)
AABBDD’
1
F1(RL5404 / Московская 21)
AABBDD’
1
Саратовская 29
AABBDD
5
Московская 21
AABBDD
5
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

23.

Гены-супрессоры
Форма
Геном,
хромосома.
Супрессируе
мые гены
Источник генов
устойчивости
Автор
Canthatch
7DL
Sr- (A, B)
T. aestivum
Kerber, Green
(1980)
Thatcher
D
Lr23
T. aestivum
McIntosh, Dyck
(1975)
Ae. tauschii
Dt
Sr-
T. durum
Kerber (1983)
LMPG-6,MP
D
Lr-, Sr-
T. dicoccoides
Bai, Knott (1992)
Chinese
spring
1D, 2D, 4D
Sr-
T. dicoccoides
Bai, Knott (1992)
Chinese
spring
1D, 3D
Lr-
T. dicoccoides
Bai, Knott (1992)
LMPG-6,MP
D
Lr-, Sr-
T. durum
Bai, Knott (1992)
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

24.

Triticum kiharae (AtAtGGDtDt)
x
Triticum timopheevii (AtAtGG)
Aegilops tauschii (DtDt)
Triticum kiharae (AtAtGGDtDt)
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

25. Молекулярно-генетические методы в родовой и видовой систематике

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
43
65
46
Дендрограмма генетических
различий 53 представителей 8
видов рода Capsicum ,
построенная с
использованием метода
UPGMA (TREECON, Nei and
Li) на основе данных AFLPанализа (Н. Рыжова).
8
58
4038
97 23
62
26
27
26
64
56
100
84
80
87
69
69
100
100
54
100
98
100
69
96
100
53
96
83
92
100
100
100
100
100
100
76
98
65
100
83
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН
56 ann
59 ann
46 ann
53 ann
55 ann
49 ann
51 ann
47 ann
54 ann
57 ann
60 ann
52 ann
58 ann
48 ann
50 ann
45 ann
38 ann/ang
34 ann/con
35 ann/con
36 ann/con
44 ann
28 frut
29 frut
22 bacc
40 ann
61 ann
32 chin
39 ann
42 ann
41 ann
43 ann
30 chin
33 chin
31 chin
24 frut
26 frut
27 frut
23 frut
25 frut
4 chaco
9 praet
10 praet
15 pubes
37 ann/con
8 tovar
20 bacc
21 bacc
13 pend
18 bacc
17 pubes
14 pubes
16 pubes
62 nicot
63 fis al

26.

Дендрограмма генетических различий
представителей видов рода Capsicum,
построенная по данным RAPD-анализа.
galap 1
fr
ut 23
fr
ut 25
fr
ut 26
fr
ut 24
fr
ut 27
c
hin 30
c
hin 31
c
hin 33
c
hin 32
bac
c 22
fr
ut 28
fr
ut 29
ann 34
ann 35
ann 36
ann 45
ann 46
ann 49
ann 53
ann 59
ann 56
ann 50
ann 51
ann 57
ann 60
ann 61
ann 58
ann 44
ann 38
ann 40
ann 39
ann 41
ann 42
ann 43
c
hac
o 4
c
hac
o 5
c
hac
o 7
c
hac
o 6
pr
ae
t9
pr
ae
t 11
pr
ae
t 10
pube
sc 15
bac
c
at 13
bac
c
at 19
bac
c
at 20
bac
c
at 21
bac
c
at 18
bac
c
at 37
tovar 8
e
xim 2
c
arde
n3
pr
ae
t 12
pube
sc 14
pube
sc 16
pube
sc 17
N
.tab 62
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН
0,30

27. Сравнение уровней полиморфизма у аллополиплоидных видов Aegilops, имеющих D-геном, и родительских диплоидных видов

0.4
0.4
Генетические расстояния
0.35
0.35
0.3
0.3
0.25
0.25
0.2
0.2
0.15
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
0
tau 236
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН
D
tau 233
D- Ae. tauschii
CD - Ae. cylindrica
C - Ae. caudata
tau 241
СD
tau 239
tau 231
cyl 277
cyl 279
cyl 282
cyl 278
cyl 289
cyl 846
cyl 848
cyl 847
caud 77
caud 80
D- Ae. tauschii
DN - Ae. ventricosa
N - Ae. uniaristata
caud 438
С
caud 436
DN
caud 817
N
caud 816
D
0

28.

Анализ полиморфизма NBS-LRR семейства генов резистентности у видов Aegilops с D геномом
•Использованные комбинации
праймер/фермент: NBS3/MseI и
NBS5A/MseI
•Число полиморфных фрагментов 397
0.2
RGA-спектры образцов
полиплоидных видов с D геномом и
родительских диплоидных видов
0.15
0.1
N
C
D
DN
CD DXS DXU DXD
0.05
long14
T.dur
cyl848
cyl846
cyl847
cyl278
cyl282
cyl289
cyl279
cyl277
caud816
caud817
caud438
caud80
caud436
caud77
umbell264
vavil41
cr523
cr530
cr297
cr524
cr103
cr520
juv69
juv66
juv850
juv68
juv67
juv64
cr104
cr303
cr302
cr301
vavil559
vavil47
vavil46
vavil44
vavil42
ventr854
ventr39
ventr34
ventr853
ventr29
tauTQ27
tau234
tau238
tau237
tau836
tau833
tau240
tau236
tau835
tau233
tau228
tau840
tau839
tau838
tau837
tau241
tau239
tau231
tau227
uniar57
uniar60
uniar59
uniar58
uniar56
0
CD
C
DXD, DXS, DXU DN
•D геном - Ae. tauschii
•DXD геном - Ae. crassa
•DXS геном - Ae. vavilovii
•DXU геном - Ae. juvenalis
•DN геном - Ae. ventricosa
•CD геном - Ae. cylindrica
•C геном - Ae. caudata
•N геном - Ae. uniaristata
D
N
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

29.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
СОРТОВ ПШЕНИЦ
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

30.

К началу ХХI в. несомненное
первенство по занимаемым
площадям принадлежит двум
видам - мягкой пшенице
(T.aestivum L.) и твердой
пшенице (T.durum Desf.).
T. aestivum
T.durum
В сравнительно
небольших объемах в
различных странах
возделываются сорта
T.compactum Host.,
T.turgidum L. и T.spelta
L.
T.turgidum
T.compactum
T.spelta
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

31.

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

32.

Распределение генов некроза среди яровых и озимых мягких
пшениц бывшего СССР
Яровая пшеница
Озимая пшеница
Местные сорта и отборы из них
Местные сорта и отборы из них
29%
64%
23%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
7%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
51%
26%
Сорта гибридного происхождения
(до 70 г.)
Сорта гибридного происхождения (до 70
г.)
9%
31%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
57%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
45%
46%
12%
Сорта гибридного происхождения
(после 1970 г.)
Сорта гибридного происхождения
(после 1970 г.)
1%
16%
14%
70%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
37%
62%
Ne1ne2
ne1Ne2
ne1ne2
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

33. Полиморфизм по аллелям глиадинов

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

34. Мониторинг генетической дивергенции сортов мягкой пшеницы на основе анализа родословных

Доля сортов озимой пшеницы (%), находящихся в
родстве, по десятилетним периодам
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

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

Неродственные пары
Четверть сибсы
Полусибсы
Полные сибсы
Центральный
Северо-Западный
0%
14%
0%
Волго-Вятский
13%
20%
36%
43%
38%
R=0,37f
R=0,30d
R=0,3ef
11%
43%
51%
31%
Средне-Волжский
Северо-Кавказский
Центрально-Черноземный
9%
5%
10%
32%
18%
28%
26%
R=0,16b
R=0,17b
40%
34%
24%
R=0,17b
33%
41%
Западно-Сибирский
Уральский
Нижне-Волжский
29%
0%
20%
6%
36%
32%
R=0,20c
0%
20%
R=0,12a
R=0,17b
31%
13%
Лаборатория генетики
растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН
33%
80%

36. Дендрограмма кластеризации коэффициентов родства 13 сортов озимой мягкой пшеницы, районированных в Центральном регионе

1-Безенчукская 380; 2-Заря; 3-Звезда; 4-Имени Рапопорта; 5-Инна; 6Мироновская 808; 7-Московская 39; 8-Московская 70; 9-Московская
низкостебельная; 10-Немчиновская 52; 11-Памяти Федина; 12-Янтарная 50;
13-Суздальская 2.
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

37. Коэффициенты родства в различных группах качества

Сильные
8%
30%
Неродственные
пары
Четверть сибсы
19%
R=0,189b
Полусибсы
Полные сибсы
43%
Слабые
Ценные
2%
4%
21%
R=0,138a
38%
39%
23%
R=0,138a
33%
40%
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

38. QTL-локусы и генетика количественных признаков

Генетические эффекты QTL-локусов:
доминирование;
сверхдоминирование;
отсутствие доминирования;
аддитивные эффекты.
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

39.

Проблемы устойчивости растений к фитопатогенам
Формы взаимоотношений растений с
фитопатогенами
Устойчивость
Специфическая
Неспецифическая
Восприимчивость
Уязвимость
Толерантность
Деление на специфическую и неспецифическую
устойчивость весьма условно
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

40. Приобретенный иммунитет и вакцинация растений

Вакцинные штаммы:
V69 к ВТМ;
ВИРОГ63 к ВЗКМО
Лаборатория генетики растений ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН

41.

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

42.

Благодарю за внимание!