Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимические особенности проявления гетерозиса у кукурузы

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Биохимические особенности проявления гетерозиса у кукурузы"

л '-Ч ^ Л

$ 9 -Ь; М I.

МОСКОВСКИМ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЩАГОГИЧЕСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И.ЛЕНИНА Специализированной совет К 0П3.01.01

На правах рукописи

X И С А М О В Раиль Рауфович

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕТЕРОЗИСА У КУКУРУЗЫ

03.00.04 - биологическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 199?.

Работа выполнена в Отделе биохимии и цитохимии башкирского научной центра Российской Академии наук

Научны!! руководитель: кандидат биологических наук А.Н.Зимницкий

Сфщиадьние оппонента: доктор биологических наук Н.П.Юрина

кандидат биологических наук Г.А.Севастьянова

Ведущая организация: Бсесопзннй институт растйниеводства

им.Н.И.Вавилова

с /г3*

Защита диссертации состоится " ^ " Нср/оРЦг" 1992 г. г часов н, засылании Специализированного Гоне-га К гг.п.01.01 по 1>;.и>-уклони» учи ной степени кандидата биологических наук г Москов'>чм орденв Ленин, и ордена Трудового Красного Знамени педагогическом государственно! университете им.В.И.Ленина по адресу:129243, Москва, ул. Кибальчича дом 6, корп. ¿7

С лйсск]лацией можно ознакомиться в бибилиотеке Московского орде». Ленина и ордена Трудового Красного Знамени педагогическом университет«? им.В.И.Ленина.

Аг.то;**1»?рс1'г разослан " ^ "СкТ£ь~р£" 1992 г. *

УчеКг!П се|-.р>~тарь Специализированного Повета,

А.П.ОЖИГОВ

ЯЯ^Л!1';";'''' 1 ••- — .

ОСУА"1 '' ■ 'У"' ' БИбЛЛи'»^-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гетерозис шгроко используется в практика сельского хозяйства как наиболее эффективный биологический метод повышения урожайности растений и продуктивности животных. Столь высокое практическое значение гибридной мощности заставляет исследователей многих стран уделять самое пристальное внимание данной проблеме (Струнников,1976; Хаджшюв, 1980;Турбин,1982; Конарев, Гилязбтдгаюв, Ахметоп, 1982; Бердышев, Беломар, 1983; Шахбазов, Четко, Шорешевская, 1990; Srl.vant.aYa, 1983; Н1у1п, Си111з,1983).

Несмотря на многообразие полученной информации,природа гетерозиса и шбредной депрессии изучена далеко но достаточно.Вез это свидетельствует о необходимости комплексного изучения явления гетерозиса от молекулярного до ценотических уровней с удалением особого внимания биохимическим и молекулярно-генетичес-ким основам формирования хозяйственно-полезных признаков.Имеющиеся немногочисленные данные по этому вопросу (Конаров.Ахметов, Гилязетдинов,1971-1982; Шахбазов, Чешко, Шерешевская,1990; Кудо-ярова, Еркеев,1980; Костыпшн, Иасюкевич,1984; Н1у1п,Си111з,1983; Бг17аэгауа,1983) указывают на необходимость детального изучения структуры и экспрессии геномов в связи с проявлением аффектов гетерозиса и инбридинга у сельскохозяйственных растений.

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение биохимических особенностей функционирования генетического аппарата на уровнях транскрипции и трансляции с оценкой энергетического баланса растительной клетки. Перед нами стояли следующие задачи:

- определение степени вклада различных уровней экспрессии структурных генов растений (транскрипции,трансляции) в проявлении эффектов гибридной мощности у кукурузы;

- оценка энергетического баланса клеток проростков п листьев у гибридов кукурузы, а также их родительских лилий. -

Научная новизна работы. В результате) исследований установлено, что транскрибируемые в клеточном ядре уникальные последовательности ДНК родительских форм характеризуются большей степенью гетерогенности, чем у созданных на их основе высокого го-розиешх гибридов кукурузы.

Показано, что у гибридных форм кукурузы по сравнению с ис-

ходными родительскими линиями транскрибируется меньшая часть уникальных последовательностей ДНК, в то же время на уровне трансляции обнаруживается примерно одинаковое количество функционирующих генетических систем.

Установлено, что в стадии прорастания семян высокогетеро-зисше гибрида кукурузы в более короткий период времени переходят от гетеротрофного к фотоавтотрофному типу энергообеспечения клеток.

На основе оценки работы транскрипционного аппарата и анализа соотношения фотоавтотрофной и гетеротрофной компонент систем энергетики клеток показано, что эффект гибридной мощности связан с более сбалансированным состоянием как синтетических, так и энергетических процессов растительной клетки.

Практическая ценность работы. Оценка активности транскрипции уникальных последовательностей ДНК и анализ внутриклеточных систем энергообеспечения растительных организмов могут быть предложены в качестве теста ранней диагностики эффекта гетерозиса у сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на 11-ом Всесоюзном совещании "Генетика развития" (Ташкент, 1990), на II съезде Всесоюзного общества физиологов растений (Минск,1990), на XII и XIII конференциях молодых ученых Башкирского научного центра УрО All СССР (Уфа, 1989; 1991), на республиканской конференции молодых ученых и специалистов сельского хозяйства по проблемам интенсификации сельскохозяйственного производства (Уфа,1992).

Публикации.По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, экспериментальной части и обсуадения, выводов и списка цитированной литературы,включающего 253 работ, отечественных (122) и зарубежных (164) авторов. Диссертация содержит 10 таблиц и 10 рисунков.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили корни, листья и проростки высокогетерозисного гибрида кукурузы Слова (ВИР 44 х ВИР 38) и низкоготерозисного гибрида Искра (ВИР 26 х ВИР 27) и их ис~

ходные линии. Пэред посевом семена стерилизовали 2 мин. в 70% этаноле и 6-8 мин. в 3 Ж-ной перекиси водорода. После тщательной отмывки дистиллированной водой их проращивали до 3-4 суточного возраста между слоями влажной фильтровальной бумаги в термостате при 27°С. Листья получали с растений, выращенных в полевых условиях. Материал фиксировали в жидком азоте.

Выделение препаратов нуклеиновых кислот проводили фенольно-детергентным методом по Кирби-Георгиеву (Георгиев,1956; Kirby, 1956) с дополнительной депротеинизацией по Мармуру (Магшиг,19б1) в модификации для растений (Конарев, Тютерев, 1970) .Депротешш-зированную ДНК покоящихся зародышей кукурузы ВИР 42 очищали от примесей РНК обработкой РНКаэоЯ А (Серва.ФРГ). Полисомы выделяли по методу Джексона-Ларкинса (Jackson, Larking,1976).

Для реакций реассоциации использовали фрагментированную ДНК зародышей ВИР 42.Среднюю длину фрагментов ДНК определяли электрофорезом в агарозном геле (Маниатис, Фрич, Сэмбрук,1984). Окраску ДНК в геле проводили бромистым этидием и после отмывки результаты электрофорезов фотографировали в ультрафиолете на пленку Микрат 300.

При гибридизации меченой in vitro уникальной фракции ДНК гетерогенной ядерной РНК и полисомзльной мРНК, был использован общепринятый подход, используемый экспериментаторами для подсчета числа экспрессируемых уникальных генов ( Goldberg, Hoshek, Tarn, е.а.,1981). Реакцию проводили в 0,5 М НФБ (натрий фосфатный буфер,pH 6,8). В процессе инкубации аликвоты отбирали по 5-10 мкл дозаторами фирмы Кильсон (Франция) с повышенной точностью. Дуплексы ДНК-ДНК, ДНК-РНК отделяли на гидроксилаппатите (ГАП) при 60°С в 0,12 М НФБ (Wold е.а.,1976).

Все работы с рестрикционными эндонуклеазами вели по методике описанной в литературе (Маниатис, Фрич, Сэмбрук,1984).Использовались рестриктазы Мэр I, Нра II ("Fermentas" Вильнюс). Электрофорез рестриктных фрагментов ДНК осуществляли.на пластинках агарозного геля (от I до 1,5Ж). Перенос рестриктных фрагментов ДНК из геля на нитроцеллзолозные фильтры осуществляли по методу Саузерна (Southern,1975).

В экспериментах нуклеиновые кислоты метили in vitro по 32Р-У-АТФ с использованием фермента полинуклеотидкиназн (Маниатис, Фрич, Сэмбрук,1984). Удельная активность препаратов составляла 1/5 х 10 имп./мин./мкг.

Молекулярную гибридизацию нуклеиновых кислот проводили с

использованием гибридизационного буфера на 50% формамиде в течение 16-36 часов. Процесс отмывки фильтров от несвязавшейся •32Р-проОы контролировали с помощью переносного счетчика КС-482В. Результаты гибридизации эвторадиографировали на рентгеновскую пленку РТ-1 и просчитывали на счетчике радиоактивности Изокап 300. Дот-гибридизацию осуществляли как описано (Ме1пкоШ,1984) Цитоспектрофлуориметрические измерешш проводили на цито-спектрофлуориметре МСФ-2, определяли интенсивность флуоресценции клеток проростков и листьев в видимой области спектра. Активность синтетических процессов в растительных клетках определяли на гистологических препаратах залитых в парафин, приготовленных по обычной гистологической технике (Пирс,1962). В качестве флуорохрома использовали акридиновый оранжевый (АО).Во всех вариантах эксперимента записывали спектры флуоресценции 40-50 ядер. Снимались спектры люминесценции хлорофилла в верхних.средних и нижних ярусах листьев у исследуемых форм кукурузы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

1. Изучение уровней экспрессии структурных генов у гибридных и чистолинейных форм кукурузы

В табл.1 приведены результаты оценки числа транскрибируемых генов в клетках корней и листьев гибрида Слава и его родительских линий. Анализ полученных данных позволяет выявить раз-личин в количестве функционирующих генов в клетках исследуемых форм кукурузы. Гибрид характеризуется меньшим показателем гетерогенности транскрибируемых последовательностей ДИН. Этот факт позволил нам предположить, что транскрипционная активность структурных генов у гибридов кукурузы и их исходных форм ноодн-накова. Кинетическая сложность транскрибируемой чисти генома п.н ше в корнях родительских линий ВИР44 и {',»¡'38, что в пересчете на индивидуальные гены мГНК (поли(А)+- РНК) составляет соответственно у гибрида Слава - 25 тыс., у ВИР44 - 442 тис.и у 1Шс8 484 тыс. генов. Подобная тенденция обнаруживается и в листьях гибрида и его исходных линиях. Так у гибрида Слава в листьях транскрибируется, в пределах 200 тыс, у линии ВИР44 - 277 тыс. и

Таблица 1

Расчет числа транскрибируемых генов поли(А)-РНК в в корнях и листьях гибрида Слава и его исходных линий

Гибрид общая гибр. Сааореас- Гибрвд-я Гибрид-я Исхода. Гибрид-я Уд.вес Транскри-Кинетич. too

линии ДНК/РНК социация с поли(П) с мРИК кол-во мРНК с ДНК Cot бируеная сложн-ть зкспр-х

ткани тис.имп. ДНК.тыс. тыс.инп. тыс.имп. ДЕК с ДНК Cot болееЮО часть экспрес-й генов

инп. тис.имп. более 100 в геноме генома части г е- mPIK^t)

(%) Ш (%) ною Спи) 10

•■ 6

________to_

----- ; (J,

Слава 8,0*0.5 2,0*0.1 5,0*0,1 1.0 52,6 1.9 34 0.62 32,5 25

корень Слава 17,94.6 4,8*0,3 5.0±0,1 8,1 ; 52.6 15.4 34 5.2 260 200

лист ВИР 44 33,7*2.8 3,0*0,3 3,4*0,4 30,7 74.7 .41.1 28 11,5 575 442

корень ВИР 44 21,0*1,7 1.2*0.1 3.4*0.4 19,8 74.7 26.5 28 7,4 370 277

лист ВИР 38 28,6*2,4 4,7*0.4 2,7*0,3 28,9 49.5 48,3 26 12,6 .630 484

корень ВИР 38 24,7*2.1 6.6*0.7 2,7*0.3 18.1 49,5 36,9 . ■ 26 9,6 480 370

лист

у ВИР38 - 370 тыс. генов.

Определение количественного состава транскрибируемой и транслируемой части ДНК является не менее важным показателем оценки вклада в работу генома различных уровней экспрессии,пос-кольку можно полагать, что реализация в фенотипе хозяйственно-полезных признаков сопряжена с экспрессией "компенсационного комплекса" генетических систем (Струнников,1986).

Таблица 2

Процент транскрибируемой и транслируемой уникальной части генома в проростках ге-терозисного гибрида Слава и его исходных линий

Форма % транскрибируемых % транслируемых

последовательностей последовательностей

Слава 26,7 ± 1,1 7,7 ± 0,3

ВИР44 42,2 ± 2,0 8,1 ± 0,4

ВИР38 46,7 ± 1,8 7,7 ± 0,2

Данные приведенные в таблице 2 свидетельствуют о том, что у инбредных форм гибрида кукурузы Слава в ядрах транскрибируется значительно большая часть уникальных последовательностей ДНК (ВИР44-42,2% ВИР38 - 46,7%) в сравнении с гибридной формой (Слава - 26,7»).На уровне трансляции различий фактически обнаружено на было.Как у гибрида, так и у исходных родительских форм транслировалось примерно одинаковое количество структурных генов.

Таким образом, на уровне трансляции происходит выравнивание гетерогенности мРНК.

Такая же тенденция прослеживается и у индивидуальных мРНК с отдельных структурных генов. Для сравнительного изучения качественного и количественного состава транскрибируемых и транслируемых последовательностей индивидуальных мРНК (А№1) провели нозерн-гибридизацию. Полисомольную мРНК и гетерогенную ядерную РНК гибрида Слава и его родительские линии переносили на нитро-цоллюлозныо фильтры и гибридизовали с радиоактивным зондом - ре-комбинантной плазмидой содержащей гон алкогольдегидрогеназы (А(1Ы) кукурузы (рис.1).

Рис. I Авторадиография нозерн гибридизации

гяРНК и полисомальной мРНК.гибрида Слава и его исходных форм с геном АсШ. I. А - полисомальная мРНК Б - гя (гетерогенная ядерная) РНК I - Слава 2 - ВИР 38, 3 - ВИР 44 Цифровые значения эксперимента приведены в таблице 3. Из таблицы 3 видно,что у инбредных форм ВИР44 и ВИР38 в ядре имеет место "сверхтранскрипция" мРНК-АсШ. У гибрида Слава транскрибируется меньшее количество этих последовательностей.'Однако, на уровне трансляции обнаруживается примерно одинаковое количество транскриптов гена алкогольдегидрогеназы у всех исследуемых форм кукурузы.

Таблица 3

Транскрипция и трансляция гена АШг у гибрида кукурузы Слава и его исходных' форм.

Форма количество транскри- количество транс-

бируемых мРНК-АсШ лируемых мРНК-АсЛ

Слава 127,53 85,3

ВИР44 303,64 126,4

ВИР38 360,86 111,4

Таким образом, у инбредных форм высокогетерозисного гибри-

да Слава транскрибируется большее количество мРНК в составе про-мРНК ядер, затем значительная часть этих последовательностей разрушается в ходе процессинга и до полирибосом у гибрида и родительских форм доходит примерно равное количество информационных РНК.

2. Оценка общей транскрипционной активности ДНК у гибридов кукурузы и их родительских форм

В табл.4 представлены результаты, оценивающие 0б1дую транскрипционную активность ДНК (коэффициент а) у гибридов кукурузы Слава, Искра и их родительских форм. Во всех изученных гибридах и линиях кукурузы обнаружены различия структурного, а следовательно, и функционального состояния хроматина ядер меристе-матических тканей двух- и пятидневных проростков. Наибольшей транскрипционной активностью ДНК характеризуются ядра меристе-мзтических клеток высокогетерозисного гибрида Слава. Материнская форма ВИР44, в свою очередь, имела более высокие показатели по сравнению с менее продуктивной отцоеской формой ВИР38.

Таблица 4

Активность ДНК 2-х и 5-ти дневных проростков гибридов кукурузы Слава и Искра а также их родительских линий (отн.ед.)

Ядра точек 2-х дневные . 5-ти

роста дневные

корешки проростки

Слава 1.02±0,02 1 ,05+0,02 1 ,0210,01

ВИР 44 0,9610,01 0,98±0,02 0,93+0,02

ВИР 38 0,07.10,02 0,8810,01 0,85+0,02

Искра 0,9610,01 0,99±0,01 0,97+0,02

ВИР 26 0,8910,01 0,93±0,02 0,92+0,01

ВИР 27 0,9010,01 0,9310,01 0,8910,01

Следовательно, по отношению РНК / ДНК гибриды превосходят сбои родительские линии. Это может свидетельствовать о том,что гатерооиснио гибрида по сравнению с родительскими линиями характеризуется более высокой интенсивностью воспроизведения ге-

нетического материала клетки и высокой транскрипционной активностью ДНК.

Высокая активность синтеза нуклеиновых кисдот позволяет гибридным растениям быстрее реализовать потенциальные возможности по накоплению биомассы и иметь более широкие возможности адаптации к неблагоприятным факторам среда.

Важным показателем, характеризующим, активность синтеза и накопления рРНК, может стать уровень метилирования рДНК. Уровень экспрессии рДНК определяет в значительной степени синтез белка за счет увеличения количества рибосом. Известно,что рДНК недомэтилирована в участке, близко расположенному к промотору для РНК полимеразы I, которая транскрибирует гены рРНК. Предполагается, что высокий уровень метилирования этого участка в какой-то мере, отражает низкий уровень экспрессии генов рРНК и наоборот. Недометилирование проявляется у гибрида с сильным яд-рышковым организатором и не проявляется у гибридов со слабым ядрышковым организатором (Р1а\'е11,е.а.1988). Наблюдается корреляция между содержанием 5-метилцитозина и активностью некоторых генов запасных белков и рДНК.

1 2 3 4 5 6

■Ч

им

к

< • i 'Л*

♦4 Г) 1 н

¿5 • 4' а;. ц * •

а •■4 Ц *г*

■ ц * * ■5

*• г*. tJ

■ *

¡si ¿.4 ш

Рис.2

Авторадиография Саузерн блот-гибридизацгл -ДНК гибрида кукурузы Слава и его исходных форм с 132Р]рДНК I - ВИР 38 Hpall 3 - Слава Hpall Б - BMP 44 Hpall ?. - БИР 38 Mspl 4 - Слава Mapl 6 - ШР 44 Мзр1

Различие между представленными на рис.2 вариантами,включающими в себя гибридную и родительские формы, лучше выявляются в случае применения рестриктазы НраП. Видно, что полоса, соответствующая фрагменту рДНК, выщепляемой рестриктазой НраП,имеется у материнской формы ВИР44, хорошо представлена у гибрида Слава и отсутствует у отцовской формы ВИР38. Это может быть связано преаде всего с отсутствием сайта узнавания для рестриктаз НраП/ Нзр1 в соответствующем участке. Однако полное тождество спектра полос рДНК, образующихся при расщеплении рестриктазой Мзр1 во всех трех вариантах, позволяет предположить с достаточно высокой долей вероятности, что в соответствующих участках рДНК отцовской формы этот сайт имеется. А недоступность для рестриктазы НраП связано с высоким уровнем метилирования этого участка.

Таким образом,приведенные здесь экспериментальные данные могут свидетельствовать о более активной работе трансляционного аппарата за счет повышенного синтеза рРНК в клетках высокогете-розисных гибридов в сравнении с исходными родительскими линиями. В связи с обнаружением у исследуемых форм кукурузы биохимических особенностей, проявляющихся в более интенсивном функционировании генетического аппарата и, следовательно синтетических процессов, возникла необходимость оценки энергетической стороны функционирования гетерозисных растений.

3. Изучение энергетического баланса в клетках гибридных и чистолинейных форм кукурузы

От потенциальной мощности энергообразующих систем и совершенства механизмов их регулирования зависит эффективность био-_синтетических процессов, приспособляемость растительного организма к воздействию отклоняющихся факторов внешней среды, и в конечном счете, продуктивность.

Используя методы спектрального анализа, мы оценили энергетический баланс проростков и листьев гибридов Слава, Искра и их родительских линий в зависимости от интенсивности гетеротрофного и автотрофного питания. Подобные исследования важны для выяснения особенностей биохимических механизмов гетерозиса.

В таблице 5 приведены значения, количественно отражающие степень активности митохондрий в клетках одно-и четырехдневных проростков кукурузы. Они представляют собой отношение интенсив-

ности люминесценции окисленных флавопротеинов к интенсивности люминесценции восстановленных пиридиннуклеопротешюв, т.е. параметр Е=(153О-0,5 14б0)/14б0

Таблица 5

Активность митохондриального энергетического аппарата клеток проростков кукурузы (отн.ед.)

ФОРМА Проростки

однодневные четырехдневные

Слава 0,51 0,97

ВИР и 0,89 0,41

ВИР 38 0,88 0,96

Искра 0,79 0,56

ВИР 26 1,79 0,59

ВИР 27 1,00 0,29

Как показали эти исследования, значительных различий между гибридом Слава и его исходными линиями не обнаружено, следовательно стимуляционный эффект гетерозиса, обуславливающий более высокую мощность гибридных растений первого поколения в меньшей степени зависит от различий в гетеротрофном питании.

Используя методы спектрального анализа; мы решили оценить эффективность работы действующих концентраций хлорофилла в клетках листьев верхнего, среднего и нижнего ярусов. Для количественной оценки использовался параметр го, равный отношению интенсивности длинно- и коротковолновой полос флуоресценции хлорофилла: ^т7эо/?6ао.

Таблица 6

Величина параметра ш листьев гибридов кукурузы и их родительских форм в зависимости от возраста (отн.ед.)_

Форма Лист

нижний средний В0РХ1ШЙ

Слава 0,67 0,67 0,66

ВИР44 0,82 0,63 0,62

ВИР38 0,72 ' 0,58 0,56

Искра 0,57 0,57 0,57

ВИР26 0,64 0,58 1 0,61

ВИР27 .0,68 0,54 0,56

верхнего (а), среднего (б), нижнего (в) ярусов гибрида Слава (I) и его родительских линий ВИР 44 (II) и ВИР 38 (III)

Риг: .1 Профили люминесценции хлорофилла в листья;-, торхнего (э), среднего (0), нижнего (в) яр/сов гибрида Искра (I) и его родитель-■•"IIк линий РИГ 26 (II) и ВИР 27 (1П)

Анализируя результаты табл.6 и спектры люминесценции хлорофилла представленные на рис.3,4 можно сказать,что гибрид Слава имеет более высокие значения параметра ь> в листьях верхнего и среднего яруса по сравнению с родительскими формами. Однако, в нижнем ярусе гибрид имеет меньший показатель. Так как листья для проведения экспериментов брались одновременно, а по литературным данным известно, что при старении тканей показатель ш уменьшается, следовательно уменьшение значения параметра и> у листьев нижнего яруса гибрида Слава, можно объяснить более быстрым протеканием метаболических процессов в них и отсюда вероятно раннее старение листьев этого яруса.

Табл.7 оценивает энергетический баланс проростков растений в зависимости от интенсивности гетеротрофного (за счет семян) и автотрофного (фотооинтез) питания. В первый день у наклюнувшихся проростков гибридов кукурузы с родительскими линиями в клетках почти отсутствуют хлоропласта и имеется значительное количество митохондрий, осуществляющих гетеротрофное энергообеспечение этих клеток. Показатель соотношения этих типов энергетики низок. На четвертые сутки проростки имеют зеленый цвет, клетки содержат в большом количестве типичные хлоропласта, осуществляющиеся фото-автотрофное энергообеспечение этих клеток. При этом наблюдается увеличение показателя соотношения фотоавтотрофной и гетеротрофной типов энергетики (параметр х)

Таблица 7

Соотношение фотоавтотрофной и гетеротрофной коипонент системы энергообеспечения клеток (отн.ед.) *=Р680/Г530

ФОРМА Проростки Увеличение показателя

однодневные четырехдневные

Слава 0,11 2,60 23,6

ВИР 44 0,24 - 2,70 11,3

ВИР 38 0,23 1,70 7,4

Искра 0,84 6,99 8,3

ВИР 26 0,16 1,10 6,8

ВИР 27 0,90 7,10 ; 7,9

Совершенно иное соотношение интенсивностей полос излучения характерно для зрелых фотоавтотрофных клеток листа. Этим клеткам с высоким содержанием хлорошгастов и малым количеством мито-

хондрий соответствует спектр люминесценции в котором полоса излучения хлорофилла во много раз превышает интенсивность люминесценции окисленных флавопротеинов митохондриальнрй системы гетеротрофного энергопроизводства (табл.8).

Таблица 8

Определение фотоавтотрофности - гетеротрофное™ клеток листьев кукурузы (х) (отн.ед.)

ФОРМА ЛИСТ

нижний средний верхний

Слава 39,1 ±1 ,9 50,1+2,5 44,2±1,7

ВИР 44 34,б±1,7 35,8±1,6 25,4±1,0

ВИР 38 28,2±1,4 43,712,2 40,8+1,6

Искра 36,2±2,3 37,7+1,9 35,3±1,8

ВИР 26 35,3±1,8 42,9+2,1 38,8±1,9

ВИР 27 35,б±1,8 38,5+1,9 34,2±1,4

Следует отметить, что рост интенсивности полосы излучения хлорофилла сопровождается не только уменьшением общей интенсивности полос люминесценции окисленных флавопротеинов (530 н.м.) и восстановленных пиридиннуклеотидов (480 н.м.) митохондриаль-ной системы энергообеспечения, но и уменьшением отношения интенсивности люминесценции окисленных флавопротеинов к интенсивности люминесценции восстановленных пиридиннуклеотидов, что указывает на снижение энергетической активности самих митохондрий и переключении энергетики на более экономный путь фотофосфорилирования. При этом, по-видимому, высокогетерозисные гибриды отличаются более эффективным процессом этого перехода.

Анализируя полученные данные можно сказать, что по количеству энергетически емких веществ гибриды находятся на уровне со своими родительскими формами. В то же время,высокогетерозисные гибриды в более короткие сроки переходят от гетеротрофного к автотрофному режиму питания при прорастании семян.

16

выводы

1. Установлено, что транскрибируемые в клеточном ядре уникальные последовательности ДНК родительских форм характеризуются большей степенью гетерогенности, чем у созданных на их основе высокогетерозисных гибридов кукурузы.

2. Показано, что у гибридных форм кукурузы по сравнению с исходными родительскими линиями транскрибируется меньшая часть уникачьных последовательностей ДНК, в то же время на уровне трансляции обнаруживается примерно одинаковое количество функционирующих генетических систем.

3. Установлено,что в стадии прорастания семян высокогете-розисныв гибрида кукурузы в более короткий период времени переходят от гетеротрофного к фотоавтотрофному типу энергообеспечения клеток.

4. На основе оценки работы транскрипционного аппарата и анализа соотношения фотоавтотрофной и гетеротрофной компонент систем энергетики клеток, показано, что эффект гибридной мощности связан с более сбалансированным состоянием как синтетических, так и энергетических процессов растительной клетки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕКОМЕНДАЦИЯ

Оценка активности транскрипции уникальных последовательностей ДНК, и анализ внутриклеточных систем энергообеспечения растительных организмов могут быть предложены в качестве теста ранней диагностики эффекта гетерозиса сельскохозяйственных культур.

Автор приносит искреннюю благодарность проф.Ананьеву Е.В. г.Москва за предоставление плазмиды со вставками генов АсШ кукурузы, д.б.н.Вахитову В.А. и сотрудникам лаборатории "Молекулярной биологии" за предоставление рДНК и за содействие в проведении молекулярно-генетических исследований, к.б.п.Сердюк Л.С. за помощь в проведении цитоспектрофшуометрических измерешй, а также заведующему лаборатории "Биохимии и фитовирусологии" Ги-лязетдинову Ш.Я. за критические замечашш при рассмотретш экспериментальных данных диссертации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. А.Н.Зимницкий, И.А.Малышева, Р.Р.Хисамов, В.Ю.Ирич. Выделение ДНК-зондов активно транскрибируемых генов поли(А)+- мИЖ клеток кончиков корней кукурузы / XII конференция молодых ученых БНЦ УрО АН СССР: Тезисы докладов.- Уфа, 1939.- С.95. '

2. Р.Р.Хисамов, А.Н.Зимницкий. Изучение состава популяции гяРНК и полисомальной мРНК у гетерозисного гибрида Слава и его исходных линий / II Всесоюзное совещание по проблемам генетики растений: Тезисы докладов.- Ташкент, 1990,- С.152-153.

3. Г.А.Геращенков, Р.Р.Ахтямов, Г.М.Рахимова, Р.Р.Хисамов. Структурная организация генов 18-26 Б рРНК у различных форм кукурузы в процессе каллусообразования / XIII конференция молодых ученых БНЦ УрО АН СССР: Тезисы докладов.- Уфа,1991,- С.12.

4. Р.Р.Хисамов, Л.С.Сердюк, А.Н.Зимницкий. Цитоспэктрофлуомет-рия ранней диагностики эффекта гетерозиса кукурузы / Республиканская конференция молодых ученых и специалистов сельского хозяйства. Тезисы докладов.- Уфа, 1992.- С.30.

5. Р.Р.Хисамов, А.Н.Зимницкий, Ш.Я.Гилязетдинов. Изучение гетерогенности популяций РНК у' гетерозисного гибрида Слава и его исходных линий / физиологические и технологичеркие аспекты йовыше-ния продуктивности сельскохозяйственных культур.- Труды БНЦ УрО РАН Отдел биохимии и цитохимии.- Уфа, 1992. С.74-76.

УОП БНЦ УрО АН СССР зак.293тир. 100