Спектры зеина как эффективные маркеры хозяйственно ценных признаков кукурузы

   Эффективное использование кукурузы (Zea mays L.) в сельском хозяйстве целиком зависит от изученности ее генофонда, который, в свою очередь, нуждается в регистрации и паспортизации по мере поступления новых данных. Кукуруза является одним из модельных объектов применения маркерной методологии. Данная статья обобщает результаты многолетнего изучения генофонда кукурузы в Федеральном исследовательском центре Всероссийском институте генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова (ВИР) по двум основным направлениям: идентификация мирового генетического разнообразия кукурузы (включая наиболее важных для селекционного использования дикорастущих родичей) и поиск надежных белковых (зеиновых) маркеров селекционно ценных признаков для использования в селекции, семеноводстве и семенном контроле этой культуры. На конкретных примерах показана эффективность использования зеиновых маркеров при создании новых и улучшении существующих инбредных линий. На примерах таких хозяйственно ценных признаков, как раннеспелость, взрываемость и восковидность зерна, продемонстрирована возможность контроля с помощью зеиновых маркеров за «включением» этих признаков в селекционный материал. Приведены доказательства эффективности использования зеиновых маркеров при подборе родительских пар для получения высокогетерозисных гибридов. Проведено сравнение принятой в ВИР номенклатуры спектров зеина после разделения его электрофорезом в полиакриламидном геле в кислом буфере (PAGE), с номенклатурой зеина после электрофореза в полиакриамидном геле с додецилсульфатом натрия (SDS-PAGE), принятой в зарубежном научном сообществе. Исследования проведены на большом объеме образцов из коллекции ВИР, а также на селекционном материале, предоставленном ведущими селекционерами страны.

1. Coleman C.E., Larkins B.A., The prolamins of maize. In: P.R. Shewry, R. Casey (eds). Seed Proteins. New York, NY: Springer; 1999. p.109-139. DOI: 10.1007/978-94-011-4431-5_6

2. Esen A.A proposed nomenclature for the alcohol-soluble proteins (zeins) of maize (Zea mays L.) Journal of Cereal Science. 1987;5(2):117-128. DOI: 10.1016/S0733-5210(87)80015-2

3. Feng L., Zhu J., Wang G., Tang Y., Chen H., Jin W. et al. Expressional profiling study revealed unique expressional patterns and dramatic expressional divergence of maize α-zein super gene family. Plant Molecular Biology. 2009;69(6):649-659. DOI: 10.1007/s11103-008-9444-z

4. Hake S., Ross-Ibarra J. Genetic, evolutionary and plant breeding insights from the domestication of maize. eLife. 2015;4:e05861. DOI: 10.7554/eLife.05861

5. Holding D.R. Recent advances in the study of prolamin storage protein organization and function. Frontiers in Plant Science. 2014;5:276-284. DOI: 10.3389/fpls.2014.00276

6. Holding D.R, Larkins B. A. Zein storage proteins. In: A.L. Kriz, B.A. Larkins (eds). Molecular Genetic Approaches to Maize Improvement. Berlin: Springer; 2009. p.269-286.

7. International rules for seed testing. Rules 1996. Verification of species and cultivar. Seed Science and Technology. 1996;24Suppl:253-270.

8. Керв Ю.А., Сидорова В.В. Анализ и регистрация линий, сортов и гибридов кукурузы методом электрофореза зеина (методические указания). Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-80-1

9. Khan N.U., Sheteiwy M., Lihua N., Khan M.M.U., Han Z. An update on the maize zein-gene family in the post-genomics era. Food Production, Processing and Nutrition. 2019;1:13. DOI: 10.1186/s43014-019-0012-5

10. Kodrzycki R., Boston R.S., Larkins B.A. The opaque-2 mutation of maize differentially reduces zein gene transcription. Plant Cell. 1989;1(1):105-114. DOI: 10.1105/tpc.1.1.105

11. Конарев А.В. Адаптивный характер молекулярного полиморфизма и его использование в решении проблем генетических ресурсов растений и селекции. Аграрная Россия. 2002;(3):4-11.

12. Конарев В.Г. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян. Санкт-Петербург; 2000.

13. Конарев В.Г., Гаврилюк И.П., Губарева Н.К. Белковые маркеры геномов пшениц и их диких сородичей. I. Иммунохимический анализ растворимых белков зерна пшениц и эгилопсов. Вестник сельскохозяйственной науки. 1970a;(8):100-108.

14. Конарев В.Г., Гаврилюк И.П., Губарева Н.К. Белковые маркеры геномов пшениц и их диких сородичей. II. Сравнительный электрофоретический анализ глиадинов. Вестник сельскохозяйственной науки. 1970b;(8):109-114.

15. Конарев В.Г. Сидорова В.В., Тимофеева Г.И Электрофорез зеина как метод идентификации, регистрации и анализа сортов, линий и гибридов кукурузы. Сельскохозяйственная биология. 1990;25(3):167-177.

16. Lending C.R., Larkins B.A. Changes in the zein composition of protein bodies during maize endosperm development. Plant Cell. 1989;1(10):1011-1023. DOI: 10.1105/tpc.1.10.1011

17. Liu C.N., Rubenstein I. Genomic organization of an alpha-zein gene cluster in maize. Molecular and General Genetics. 1992;231(2):304-312. DOI: 10.1007/BF00279804

18. Матвеева Г.В., Сидорова В.В., Керв Ю.А., Конарев А.В. Идентификация стародавних местных сортов и селекционных линий восковидной кукурузы по спектрам зеина. Достижения науки и техники АПК. 2015;29(7):27-30.

19. Messing J., Fisher H. Maternal effect on high methionine le vels in hybrid corn. Journal of Biotechnology. 1991;21(3):229–237. DOI: 10.1016/0168-1656(91)90044-V

20. Миков C.B. Использование экзотического материала для создания новых линий кукурузы. В кн.: Сборник научных трудов молодых ученых. Т. 5. Краснодар: КНИИСХ; 2002. С.22-27.

21. Newell M.A., Vogel K.E., Adams M., Aydin N., Bodnar A.L., Ali M. et al. Genetic and biochemical differences in populations bred for extremes in maize grain methionine concentration. BMC Plant Biology. 2014;14:49-61. DOI: 10.1186/1471-2229-14-49

22. Орловская О.А., Кубрак С.В., Вакула С.И., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В. Маркер-контролируемое выявление генотипов кукурузы с улучшенным качеством белка. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015;19(3):333-338. DOI: 10.18699/VJ15.043

23. Phillips R.L., Suresh J., Olsen M., Krone T. Registration of high-methionine versions of maize inbreds A632, B73, and Mo17. Journal of Plant Registrations. 2008;2(3):243-245. DOI: 10.3198/jpr2007.11.0657crg

24. Поморцев А.А., Кудрявцев А.М., Упелниек В.В., Конарев В.Г., Конарев А.В., Гаврилюк И.П., Губарева Н.К., Пенева Т.И., Сидорова В.В., Фарбер С.П., Березкин А.П., Малько А.М., Смирнова Л.А., Бунин М.С., Коненков П.Ф., Гинс В.К., Старцев В.И., Добруцкая Е.Г. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений. Москва: Росинформагротех; 2004.

25. Шмараев Г.Е. Использование мирового генофонда кукурузы в селекционно-генетических исследованиях. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1986;105:3-10.

26. Шмараев Г.Е. Сортовое и генетическое разнообразие кукурузы – ценный исходный материал для селекции. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1983;80:54-64.

27. Сидорова В.В., Керв Ю.А., Матвеева Г.В., Конарев А.В. Перспективы использования зеиновых маркеров в селекции линий и сортов восковидного подвида кукурузы. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(3):240-249. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-3-240-249

28. Сидорова В.В., Конарев А.В., Керв Ю.А., Матвеева Г.В. Белковые маркеры в анализе генетического разнообразия, селекции и семенном контроле кукурузы. Аграрная Россия. 2015;(12):2-10. DOI: 10.30906/1999-5636-2015-12-2-10

29. Сидорова В.В., Конарев А.В., Матвеева Г.В., Тимофеева Г.И. Использование электрофоретического спектра зеина для прогнозирования гетерозиса у кукурузы. Аграрная Россия. 2004;(6):34-41.

30. Сидорова В.В., Матвеева Г.В., Керв Ю.А., Конарев А.В. Возможности использования зеиновых маркеров в повышении эффективности гетерозисной селекции кукурузы. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012;170:147-157.

31. Сидорова В.В., Матвеева Г.В., Конарев А.В. Изучение дикорастущего сородича кукурузы теосинте и его естественного гибрида с кукурузой по спектрам зеина. Аграрная Россия. 2010a;(2):13-15. DOI: 10.30906/1999-5636-2010-2-13-15

32. Сидорова В.В., Матвеева Г.В., Конарев А.В., Янковский Н.К. Характеристика местных сортов и новых линий лопающейся кукурузы по спектрам зеина. Аграрная Россия. 2010b;(3):6-10.

33. Сидорова В.В., Тимофеева Г.И., Конарев В.Г. Идентификация и регистрация сортов, линий и гибридов кукурузы методами электрофореза зеина. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1987;114:61-75.

34. Тараканов П.С., Чмелева З.В. Биохимическая оценка качества зерна экзотических рас кукурузы из стран Латинской Америки. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1986;105:58-66.

35. Thompson G.A., Larkins B.A. Characterization of zein genes and their regulation in maize endosperm. In: M. Freeling, V. Walbot (eds). The Maize Handbook. New York, NY: Springer; 1994. p.117:639-647.

36. Troyer A.F. Development of hybrid corn and the seed corn industry. In: J. L. Bennetzen, S. Hake (eds). Maize Handbook. Genetics and Genomics. New York, NY: Springer; 2009. p.87-114. DOI: 10.1007/978-0-387-77863-1_5

37. Wang S.Z., Esen A. Primary structure of a proline-rich zein and its cDNA. Plant Physiology. 1986;81(1):70-74. DOI: 10.1104/pp.81.1.70

38. Wilson C.M. A nomenclature for zein polypeptides based on isoelectric focusing and sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis. Cereal Chemistry. 1985;62(5):361-365.

39. Wilson C.M. Serial analysis of zein by isoelectric focusing and sodium dodecyl sulfate gel electrophoresis. Plant Physiology. 1986;82(1):196-202. DOI: 10.1104/pp.82.1.196

40. Woo Y.M., Hu D.W, Larkins B.A., Jung R. Genomics analysis of genes expressed in maize endosperm identifies novel seed proteins and clarifies patterns of zein gene expression. Plant Cell. 2001;13(10):2297-2317. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC139160/

41. Wu Y., Messing J. Proteome balancing of the maize seed for higher nutritional value. Frontiers in Plant Science. 2014;5:240. DOI: 10.3389/fpls.2014.00240

42. Wu Y., Wang W., Messing J. Balancing of sulfur storage in maize seed. BMC Plant Biology. 2012;12:77-85. DOI: 10.1186/1471-2229-12-77

43. Xu J.H., Messing J. Amplification of prolamin storage protein genes in different subfamilies of the Poaceae. Theoretical and Applied Genetics. 2009;119(8):1397-1412. DOI: 10.1007/s00122-009-1143-x