Паспортизация объектов биоресурсной коллекции USU 44053 ЦСБС СО РАН с использованием цифровой семенотеки и цитолого-генетических методов

Abstract

Одним из современных направлений исследований ботанических учреждений является создание биоресурсных коллекций, которые используются для проведения научных экспериментов, прикладных разработок и в образовательном процессе. В Центральном сибирском ботаническом саду СО РАН на базе биоресурсной коллекции USU 44053 проводятся не только научные исследования, но также подготовка бакалавров и магистрантов биологических и сельскохозяйственных специальностей. Цель работы – описание методов, используемых в ЦСБС СО РАН для паспортизации и характеристики объектов биоресурсных коллекций редких и хозяйственно-ценных растений с использованием современных молекулярно-генетических методов и цифровых технологий. Для характеристики коллекционных образцов привлекаются наиболее константные признаки, например морфометрические показатели семян. Микрофотографии цифровой семенотеки позволяют описать морфологические признаки семян и провести статистическую обработку морфометрических параметров с использованием стереомикроскопа Carl Zeiss Stereo Discovery V12 с цифровой камерой высокого разрешения AxioCam MRc‑5 (программное обеспечение AxioVision 4.8). При работе с цифровой семенотекой используются описательно-морфологический и статистический методы обработки данных. К настоящему времени цифровая семенотека ЦСБС насчитывает более 280 образцов, наиболее широко в ней представлены виды семейств Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Poaceae, Rosaceae, Solanaceae. Также в учебном процессе используются сведения по морфологии и морфометрии семян видов, входящих в семейства Amaranthaceae, Begoniaceae, Capparaceae, Hydrophyllaсеае, Onagraceae, Paeoniaceae, Papaveraceae, Polemoniaceae, Scrophulariaceae, Verbenaceae. Дополнительной характеристикой являются микрофотографии кариотипов, позволяющие выявить среди представителей внутривидового разнообразия коллекционных образцов хромосомные расы. Для изучения внутри- и межвидовой изменчивости и уточнения таксономического разнообразия, в том числе родственных видов, наиболее удобными маркерами являются запасные белки зрелых семян. Поэтому электрофоретическое исследование состава запасных белков семян является эффективным методом характеристики генотипов растений, входящих в биоресурсные коллекции. Важной характеристикой объектов, входящих в биоресурсные коллекции, является описание присущих им систем размножения, в частности завязывания семян при различных способах опыления. Проверка возможности использования электрофоретического метода с целью идентификации способов семенной репродукции у многолетних злаков трибы Triticeae показала, что у всех видов Elymus L. спектры сестринских зерновок в высокой степени идентичны, что подтверждает представление о самоопылении как основной форме размножения видов этого рода. У Agropyron cristatum (L.) Gaertn., напротив, спектры характеризовались высокой гетерогенностью семян с индивидуального растения, что является показателем перекрестного опыления при наличии множественного аллелизма по генам, контролирующим проламиновые белки

One of the current trends in research of botanical institutions is the creation of bioresource collections, which are used in scientific experiments, applied research, and education. In the Central Siberian Botanical Garden of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (CSBG SB RAS), the bioresource collection USU 44053 is used not only for scientific research, but also for the training of bachelors and masters of biological and agricultural sciences. The purpose of the present work is to describe research methods employed in the CSBG SB RAS to certify resources and characterize specimens in bioresource collections of rare and economically valuable plants using modern molecular genetic approaches and digital technologies. The characterization of collection specimens is based on the most permanent features such as morphometric parameters of seeds. Micrographs of the digital seed library make it possible to describe the morphological features of seeds and carry out statistical processing of morphometric parameters using a Carl Zeiss Stereo Discovery V12 stereomicroscope with an AxioCam MRc‑5 high- resolution digital sensor (AxioVision 4.8 software). In the work with the digital seed library, descriptive- morphological and statistical methods of data processing are used. To date, the digital library of the CSBG has more than 280 accessions, the species of the families Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Poaceae, Rosaceae, and Solanaceae being the most diversely represented in it. The data on the morphology and morphometry of seeds of the species belonging to the families Amaranthaceae, Begoniaceae, Capparaceae, Hydrophyllaseae, Onagraceae, Paeoniaceae, Papaveraceae, Polemoniáceae, Scrophulariaceae, and Verbenaceae are also used in the educational process. Additional characterization is provided by microphotographs of karyotypes, which reveal chromosome races among representatives of intraspecific diversity. Storage proteins of mature seeds are the most convenient markers for studying intra- and interspecific variability and specifying taxonomic diversity, for related species as well. Therefore, electrophoretic analysis of the composition of seed storage proteins is an effective method for characterizing plant genotypes included in the bioresource collections. An important characteristic of the samples included in bioresource collections is the description of their reproductive systems, in particular, seed formation under different pollination modes. Electrophoretic analysis used to identify the types of seed reproduction in perennial grasses of the Triticeae tribe showed that in all species of Elymus L., the spectra of sister grains were highly identical, supporting the idea of self-pollination being the main reproduction type of the species of this genus. By contrast, in Agropyron cristatum (L.) Gaertn., the spectra of the seeds of the same plant showed high heterogeneity, indicating cross-pollination and multiple allelism in the genes that control prolamin proteins