В чем сложность селекции высокопродуктивных гибридов подсолнечника

Ведущая масличная культура в России – подсолнечник (Helianthus, «цветок солнца») – стала предметом исследования, представленного 17 февраля к защите в диссертационном совете ВИР имени Н. И. Вавилова на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.02.07 – Генетика. Автор исследования- научный сотрудник отдела генетики ВИР Юлия Карабицина. С полным текстом диссертации «Генетическое разнообразие линий и наследование признака восстановления фертильности пыльцы подсолнечника (Helianthus annuus L.) при ЦМС-PET1» можно ознакомиться здесь.

«Подсолнечник – непростой объект для генетических исследований. Несмотря на то, что секвенирование его генома было завершено в 2017 году, обработка этих данных все еще продолжается. Это обусловлено особенностями структуры его генома. Но как только я начала с ним работать, сначала молекулярными методами, затем проводить скрещивания на Кубанской опытной станции – филиала ВИР, где увидела всю полноту коллекции, генетическая сложность подсолнечника стала предметом моего исследовательского интереса», – рассказывает Юлия.

Под руководством доктора биологических наук, ведущего научного сотрудника отдела генетики ВИР Ирины Анисимовой Юлия охарактеризовала генетическое разнообразие выборки линий подсолнечника из коллекции ВИР, определила ее структуру, выявила маркеры, которые могут быть использованы для отбора носителей гена восстановления фертильности в маркер-опосредованной селекции (когда отбор ведется не по внешним характеристикам растения, а с помощью молекулярных маркеров, сцепленных с интересующими селекционера генами).

Современная селекция подсолнечника ориентирована преимущественно на создание высокопродуктивных гибридов, устойчивых к болезням и вредителям.

Этот процесс осложнен тем, что у растений ДНК содержится не только в ядре, в котором сосредоточена основная генетическая информация, но и в других органеллах клетки – в митохондриях и хлоропластах. При скрещиваниях разных видов подсолнечника между этими системами возникает конфликт, который приводит к неспособности растения давать функциональную пыльцу – это феномен цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС). В селекции он очень полезен, так как позволяет сократить затраты ручного труда и предотвратить самоопыление, что обеспечит полноту гибридизации – объединения материнского и отцовского генетического материалов.

Также очень важно, чтобы полученный на стерильной основе гибрид, давал семена. Для этого растения отцовской линии должны передать в генотип гибрида гены восстановления фертильности (Rf). Но природа этих генов не до конца изучена, что делает их поиск весьма затруднительным и ограничивает перспективы их использования в селекции.

«В отделе генетики ВИР мы изучаем генетический контроль признаков, имеющих значение для селекции различных культур. Признак восстановления фертильности имеет очень сложную генетическую организацию. Результаты этой исследовательской работы помогут в познании природы этого гена и могут быть использованы в дальнейшем при планировании генетических экспериментов, подборе пар для скрещиваний», – рассказывает Ирина Анисимова. Для анализа сложного признака восстановления фертильности пыльцы ученые использовали оригинальный научно-методический подход, заключающийся в сочетании методов классического гибридологического, цитологического и молекулярно-генетического анализов.

«Использованные методы осваивались постепенно, сначала молекулярные в лаборатории, затем цитологический, который начался со сбора пыльцы в поле на Кубанской опытной станции, а продолжился в лаборатории в виде анализа пыльцы под микроскопом. Все они позволили изучить пусть и один признак, но, довольно подробно, – комментирует Юлия. – Изначально цитологический анализ не входил в наши планы. В процессе мы поняли, что анализ пыльцы просто необходим, ведь если с ней возникнут какие-то проблемы, скрещивание просто не произойдет».

В итоге учеными впервые был охарактеризован признак «малопыльцовости» подсолнечника, проявляющийся во втором гибридном поколении при скрещивании стерильных линий с линиями-восстановителями. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят выяснить генетическую природу этого признака.

Кроме того, в ходе исследования выяснилось, что, когда гибриды наследуют по отцовской линии признак восстановления фертильности (Rf), вместе с ним они могут приобрести и устойчивость к ложной мучнистой росе – опасному грибному заболеванию подсолнечника. В силу того, что ген Rf оказался сцеплен с генами устойчивости. Также результаты этих исследований стали первыми данными, полученными для двудольных растений.

Исследовательская работа Юлии проводилась в тесном сотрудничестве с отделом генетических ресурсов масличных и прядильных культур ВИР, в частности, с доктором биологических наук, главным научным сотрудником этого отдела Верой Гавриловой, а также с сотрудниками Кубанской опытной станции – филиала ВИР, где проходили часть скрещиваний.

(Источник: официальный сайт ВИР).