Реферат: Реферат роботи Наукова робота Парія М. Ф. «Відтворення гетерозиготного генотипу рослин»

Реферат роботи


Наукова робота Парія М.Ф. «Відтворення гетерозиготного генотипу рослин»


Метою даної наукової роботи була розробка комплексного підходу до вирішення важливої науково-технічної задачі відтворення гетерозиготного генотипу (гібриду) рослин.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішенні наступні завдання:

Розроблено концепцію реалізації зворотної селекції на основі соматичної сегрегації та метод селекції гібридів в рамках концепції зворотної селекції на основі ЦЧС;

Розроблено принциповий підхід до створення генетичної системи контрольованого розмноження на основі генів функціональної чоловічої стерильності та реалізовано на прикладі кукурудзи;

Розроблено метод ідентифікації гібридів сільськогосподарських культур на основі ДНК маркерів з більшою ідентифікаційною здатністю в порівнянні з відомими методами;

Розроблено метод ідентифікації генотипів хмелю;

Розроблено метод визначення сортової чистоти та типовості ліній сільськогосподарських культур на основі вивчення поліморфізму різних типів ДНК маркерів.

Наукова новизна роботи полягає у розробці та експериментальній перевірці принципово-нових підходів до реалізації ефекту гетерозису у важливих сільськогосподарських культур.

Практичне значення роботи полягає у створені способів та методів в рамках розроблених підходів, що значно підвищують ефективність селекційної роботи та дозволяють скоротити термін створення сортів. Із застосуванням розроблених методів створено 19 гібридів важливих сільськогосподарських культур.

Представлена робота в сукупності вирішує проблему основних етапів реалізації гетерозису у важливих сільськогосподарських культур. На основі оригінальних підходів проведено розробку трьох послідовних етапів реалізації гетерозису: створення гібридів, створення генетичних систем контрольованого розмноження - методів отримання гібридного насіння, а також, методів контролю сортової ідентичності, типовості і гібридності партій насіння. Розроблені підходи, що реалізовані на окремих видах, можуть бути перенесені на інші важливі сільськогосподарські види.

Розроблено концепцію та принципи нового способу селекції гетерозисних гібридів сільськогосподарських культур, який названий «Відтворення гетерозиготного генотипу вищих рослин». На відміну від традиційного підходу, який передбачає створення гомозиготних рослин та перевірку їх комбінаційної здатності, нова концепція передбачає відбір найкращого гетерозиготного генотипу (гібриду) рослин, створення із гетерозиготного генотипу гомозиготних ліній, шляхом пригнічення кросинговеру в мейозі гетерозиготних рослин або шляхом індукції соматичної редукції в соматичних клітинах та відтворення гетерозиготного генотипу шляхом схрещування цих ліній. В основу методу покладено принцип, згідно з яким гетерозиготний генотип формує обмежену кількість гомозиготних генотипів. Серед цих гомозиготних генотипів проводиться відбір альтернативно-комплементарних ліній з використанням ДНК маркерів, таким чином, щоб геном однієї лінії повністю був комплементарним геному іншої лінії, а при схрещуванні ці лінії відтворювали б генотип вихідної гетерозиготної рослини. Проведено теоретичне обґрунтування нового способу селекції шляхом аналізу сучасних досягнень генетики та біотехнології. Проведено експерименти, які підтверджують можливість здійснення цього способу. Результати наших досліджень показали, що ефективність індукції соматичної сегрегації коливається в межах від 3 до 11% в залежності від індуктора та об’єкту досліджень. Створено модельну систему для вивчення явища соматичної сегрегації на модельних рослинах. Розроблені теоретичні засади та практичний інструментарій є базою для подальшої розробки методів створення альтернативно-комплементарних ліній. Спосіб дозволяє значно розширити генофонд сільськогосподарських культур, залучений в селекційні програми, скоротити час необхідний для створення гібридів та створити гібриди з рівнем гетерозису, якого не можна досягти шляхом класичних методів гетерозисної селекції. Розроблений підхід є альтернативним до запропонованого голландськими вченими (Dirks, 2003), в основу якого покладено пригнічення кросинговеру в мейозі гетерозиготної рослини. Однак, теоретичні розрахунки та експериментальна перевірка показала, що спосіб із використанням пригнічення кросинговеру не може бути реалізований для більшості сільськогосподарських рослин у зв’язку із малою імовірністю отримання альтернативно-комплементарних ліній. Розроблений нами підхід дозволяє здійснити безпосереднє створення двох альтернативно-комплементарних ліній із соматичних клітин. Розроблений спосіб є основоположним для розвитку нового напрямку селекції в рамках концепції, відомої в світі як “reverse breeding”, і може стати єдиним можливим шляхом реалізації зазначеної концепції для сільськогосподарських рослин з хромосомним числом більше шести. Спосіб створення гетерозиготного генотипу захищено патентами України на винахід (UA82013, UA91861).

Для практичної реалізації явища гетерозису необхідно застосовувати способи отримання гібридного насіння, які базуються на генетичних системах контрольованого розмноження. Розроблені сучасні генетичні системи контрольованого розмноження кукурудзи мають природні недоліки: система на основі цитоплазматичної чоловічої стерильності та генів відновлення фертильності призводить до уніфікації плазми, що є причиною виникнення епіфітотій. При використанні ядерних генів чоловічої стерильності виникає проблема підтримання (розмноження) стерильних форм. Альтернативним підходом, який позбавлений вказаних недоліків, є використання функціональної чоловічої стерильності (ФЧС). Тобто, стерильності, обумовленої зміною генеративних органів без порушення генетичних механізмів мікроспоро- та мікрогаметогенезу.

На основі вивчення генетики ознак генеративних органів нами вперше розроблено генетичну систему контрольованого розмноження кукурудзи на основі генів функціональної чоловічої стерильності.

На основі розробленої генетичної системи контрольованого розмноження запропоновано способи отримання гібридного насіння, що ґрунтуються на використанні Vg-стерильних форм (патенти України 40276А, 40277А, 40278А), а також спосіб отримання гібридного насіння на основі гена tassel knit (tk) (патент України 56351), який було ідентифіковано автором як новий рецесивний ген, що в гомозиготному стані детермінує деформацію та зростання елементів волоті, таким чином запобігаючи вивільненню пилку та призводить до функціональної чоловічої стерильності. Запропоновані способи та створені форми були реалізовані в гібридах кукурудзи Гран 220, Гран 310, Піонер-Гран 3978, Гран 6, Гран 5, Андріївський F1 та Веге1.

Важливим етапом реалізації гетерозису є контроль за сортовою ідентичністю гібридів. Ідентифікація гібридів - необхідний елемент контролю насінництва, а також забезпечення, підтримання та реалізації авторських прав на гібриди сільськогосподарських культур. Вперше в Україні розроблено молекулярно-біологічні ПЛР-тест системи сортової ідентифікації рослин хмелю звичайного української селекції на основі SSR-маркерів. Показана можливість використання мікросателітних локусів для диференціації генотипів з використанням сучасних методів ПЛР та капілярного електрофорезу при проведенні філогенетичного аналізу 13 сортів хмелю звичайного української селекції.

Проведено апробацію методики ДНК-профілювання на сортах хмелю з високою ідентифікаційною та диференційною здатністю. Розроблено тест систему, яку рекомендовано Державною службою з охорони прав на сорти рослин для проведення науково-технічної експертизи при реєстрації нових сортів хмелю, а також для проведення арбітражних досліджень. Запропоновано модель молекулярно-генетичних паспортів генотипів 13 основних сортів хмелю української селекції для комп’ютерного банку даних. Розроблена методика ідентифікації та диференціації сортів хмелю української селекції на основі 10 SSR-маркерів відкриває нові можливості і дозволяє скоротити час проведення випробування будь-якого сорту хмелю з 3-4 років до кількох тижнів.

Вперше в світі запропоновано спосіб ідентифікації гібридів сільськогосподарських культур на основі ДНК маркерів з високою розподільчою здатністю. Цей спосіб передбачає використання особливостей будови насінини сільськогосподарських культур, яка містить як гібридні тканини так і тканини материнського організму. В порівнянні із відомими способами ідентифікації гібридів розроблений спосіб характеризується такими перевагами:

Збільшення інформаційної здатності, яка полягає в збільшенні ступенів свободи кожного використаного маркеру і, відповідно, збільшенні ступенів свободи сукупності маркерів. Кожний алель набуває ще однієї характеристики (походження: батьківський чи материнський). Ідентифікаційна здатність тест-системи обумовлена кількістю маркерів, кількістю алельних варіантів кожного маркеру та частотою, з якою зустрічаються алельні варіанти. Ідентифікувати генотип за молекулярними маркерами можливо лише з певною долею імовірності: чим більша ідентифікаційна здатність тест системи, тим більша імовірність правильного висновку про ідентичність генотипів. Наявність додаткових ступенів свободи кожного маркеру збільшує імовірність правильного висновку про ідентичність (UA79346);

Можливість ідентифікації реципрокних гібридів. Селекція гетерозисних гібридів полягає у визначенні вдалих комбінацій між лініями. При цьому, одні і ті ж лінії (елітні лінії) можуть бути у різних селекціонерів і, відповідно, одні і ті ж комбінації (гібриди) можуть бути отримані різними селекціонерами. Відомі способи ідентифікації гібридів не дозволяють розрізнити ці гібриди.

можливість ідентифікації трилінійних гібридів за однією насіниною, а не за значною кількістю насінин. Трилінійні гібриди - найбільш розповсюджений тип гібридів кукурудзи та соняшнику. Їх отримують шляхом схрещування простого гібриду (материнська форма) з лінією (батьківська форма). Ідентифікація таких гібридів відомими методами передбачала аналіз значної кількості насінин, так як відбувалося розщеплення за маркерами, наявними у простому гібриді, і кожний окремий генотип може нести лише половину алелей материнської форми (простого гібриду). У розробленому способі ідентифікація трилінійного гібриду вирішується шляхом аналізу однієї зернівки.

можливість ідентифікації трилінійних гібридів з одними і тими ж лініями, але при різних комбінаціях схрещування. Так, як і у випадку з простими реципрокними гібридами, гібриди з одними і тими ж лініями, але у різних комбінаціях, можуть бути ідентифіковані лише із застосуванням розробленого нами способу. Спосіб ідентифікації гібридів був використаний в селекційній практиці для визначення батьківських компонентів при вільному перезапиленні набору оригінальний ліній у Всеукраїнському науковому інституті селекції для створення гібридів соняшнику «Українське сонечко», «Український F1», «Український скоростиглий», «Заграва» і «Сонячний настрій», внесеного в Державний реєстр сортів рослин України.

Вперше в Україні розроблено молекулярно-біологічні ПЛР-тест системи сортової ідентифікації рослин ячменю. Проведено дослідження сортів ячменю на основі різних типів ДНК-маркерів (ISSR, SSR, AFLP). На основі вивчення поліморфізму сортів розроблено метод визначення сортової чистоти, який за своєю розподільчою здатністю не має аналогів в світі. Сутність цього методу полягає в послідовному визначення якісного складу алелів досліджуваної партії та їх кількісного співвідношення. Розроблений спосіб визначення сортової чистоти має значні переваги перед аналогами так як здійснюється шляхом послідовних 2 реакцій, в той час як для визначення сортової чистоти з відповідною розподільчою здатністю необхідно проводити не менше 100 реакцій ПЛР. Розроблений спосіб дозволяє визначити сортову чистоту партій елітного насіння, в той час як для визначення сортової чистоти необхідно проводити не менше 1000 реакцій ПЛР.

Дані методики апробовано та впроваджено в роботі Державної служби з охорони та захисту прав на сорти рослин та Української лабораторії якості та безпеки продукції АПК НУБіП України. Методи створення гібридів впроваджено в селекційну практику Всеукраїнського наукового інституту селекції.

У наукові роботі також були використані окремі наукові розробки раніше надрукованих одноосібно та у співавторстві статей:

Парій М.Ф. Використання гена Vestigial glume в селекції та насінництві кукурудзи // Науковий вісник Національного аграрного університету.-2001.- № 37.-С. 32-35.

Парій М.Ф. Експресія гена Vestigial glume у кукурудзи // Науковий вісник Національного аграрного університету.-2002.- № 48.-С. 171-175.

Парій М.Ф. Новий ген структури суцвіть кукурудзи // Цитологія і генетика . – 2002.-Т.36, №6.-С. 35–37.

Парій М.Ф. До питання еволюції кукурудзи при доместикації // Фактори експериментальної еволюції організмів: Зб. наук. пр. – К: Аграрна наука, 2004. – С. 42-47.

Парій Ф.М., Парій М.Ф. Генетичний контроль довжини колоскових та квіткових лусок на чоловічому суцвітті Zea mays L.: Збірник наукових праць. – 2006. - Випуск 2. – с. 132-138.

Парій М.Ф., Дрозд П.Ю., Спиридонов В.Г.Способ идентификации генотипов подсолнечника с использованием SSR – маркерів: Сборник материалов 4-й международной конференции молодіх учёніх и специалистов «Актуальніе вопросі селекции, технологи и переработки масличніх культур», - Краснодар, 2007. – 200-203

Ідентифікація генотипів хмелю (Humulus lupulus L.) за мікросателітними маркерами. / М.Д. Мельничук, В.В.Оверченко, В.Г. Спиридонов, М.Ф. Парій // Наукові доповіді НАУ. – 2008. - №4 (12). - http://www.nbuv.gov.ua/e-Journals/nd/2008-4/08mmdomm.pdf

Генетичне різноманіття сортів хмелю звичайного (Humulus lupulus L.) української селекції. / М.Д. Мельничук, В.В.Оверченко, В.Г. Спиридонов, М.Ф. Парій, І.П. Григорюк // Доповіді НАН України. – 2008. - №11. - С. 152-155.

Зимина О.В., Сытник Е.С., Вдовиченко Ж.В., Алхимова Е.Г., Спиридонов В.Г. Создание трансгенных линий Arabidopsis thaliana для изучения явления соматической сегрегации: Зб. наук. пр. «Фактори експериментальної еволюції організмів» . 2011. - Т.11, с. 263 – 268

На основі одержаних даних атором у співавторстві та одноосібно отримано 9 патентів України на винаходи:

Патент України на винахід 56351, МПК7 А 01Н1/04. Спосіб отримання гібридного насіння кукурудзи. / М.Ф. Парій, Я.Ф. Парій. -№.2001064153; Заявлено 15. 06. 2001; Опубліковано 15. 05. 2003, Бюл. № 5. 2003.

Патент України на винахід 40276, МПК6 А 01Н1/04. Спосіб отримання гібридного насіння кукурудзи. / М.Ф. Парій. -№. 2000116411; Заявлено 13. 11. 2000; Опубліковано 16. 07. 2001, Бюл. № 6. 2001.

Патент України на винахід 40277, МПК6 А 01Н1/04. Спосіб розмноження чоловічостерильних форм кукурудзи з геном Vg. / М.Ф. Парій. -№. 2000116412; Заявлено 13. 11. 2000; Опубліковано 16. 10. 2000, Бюл. № 5. 2000.

Патент України на винахід 40278, МПК6 А 01Н1/04. Спосіб отримання гібридного насіння кукурудзи. / М.Ф. Парій. -№. 2000116413; Заявлено 13. 11. 2000; Опубліковано 16. 10. 2000, Бюл. № 5. 2000.

Патент України на винахід 82013, МПК7 A01H 1/04. Спосіб відтворення гетерозиготних форм вищих рослин / Парій М.Ф, Ситник К. С., Парій Ю.О ., Якушко Ю.Є., Антіпов І. О., Спиридонов В.Г., Мельничук М.Д. . - №. a200610714; Заявлено 10.10.2006; Опубліковано 25.02.2008, бюл. № 4. 2008

Патент України на винахід 79346, МПК7 G01N 33/48 (2006.01)
A01H 1/04 (2006.01). - Спосіб ідентифікації гібридів сільськогосподарських культур за ДНК-маркерами / Парій М.Ф., Спиридонов В.Г., Мельничук М.Д. №.a200507078; Заявлено 18.07.2005; Опубліковано 11.06.2007, бюл. № 8. 2007.

Патент України на винахід 56555, МПК7 А 01Н 1/04. Спосіб визначення сортової чистоти та типовості партій насіння сільськогосподарських культур з використанням ДНК-маркерів / Парій М.Ф., Вдовиченко Ж.В., Спиридонов В.Г.-№. u 2007 11049; Заявлено 08.10.2007; Опубліковано 25. 01. 2011, Бюл. № 7. 2011

Патент України на винахід 91861, МПК6 A01H 1/04. Спосіб відтворення гетерозиготних форм вищих рослин (варіанти) / Парій М.Ф., Ситник К.С., Парій Ю.О., Якушко Ю.Є., Антіпов І. О., Спиридонов В. Г., Мельничук М. Д. -№. a200714579; Заявлено 24.12.2007; Опубліковано 10.09.2010, бюл. № 17. 2010

Патент України на винахід 45108, МПК7 А 01Н1/04. Спосіб ідентифікації генотипів хмелю / Парій М.Ф., Оверченко В.В., Спиридонов В.Г., Мельничук М.Д.-№. u200905292; Заявлено 27.05.2009; Опубліковано 26.10.2009, бюл. № 20. 2009

У наукових дослідженнях положення та висновки наукової роботи можуть бути основою для подальшої розробки нових підходів у відтворенні гетерозиготних генотипів рослин, що можуть використовуватись у сільському та лісовому господарстві.


В.о. завідувача кафедри селекції і генетики

Національного університету

біоресурсів і природокористування,

кандидат біологічних наук Парій М.Ф.