Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экспериментальный апомиксис у крупноплодной земляники

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальный апомиксис у крупноплодной земляники"

pío од

1 o МЛ? Ш7

На правах рукописи

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АПОГЛИКСИС У КРУПНОПЛОДНОЙ ЗЕМЛЯНИКИ (FRAGARIA х ANANASSA DUCH.)

Генетика - 03.00.15.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск 1997

Работа выполнена в Институте цитологии и генетики СО РАН, г.Новосибирск

Научный руководитель: кандидат биологических наук

Н.Б.Сухарева

Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Р.А.Цильке

Новосибирский государственный аграрный университет, г. Новосибирск

кандидат биологических наук, А.В.Железнов

Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Ведущее учреждение: Саратовский государственный университет

им. Н.Г.Чернышевского, г. Саратов

Защита диссертации состоится "еьпрмл- 1997 г. на утреннем заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Д-002.11.01) в Институте цитологии и генетики СО РАН в конференц-зале Института по адресу: 630090, г.Новосибирск-90, пр-т академика Лаврентьева, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии и генетики СО РАН.

Автореферат разослан ^е^оаиА- 1997 1

Ученый секретарь /

диссертационного совета, ]; £ ¿'¿( ------—

доктор биологических наук ~~ / А.Д.Груздев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. У большинства высших организмов изменчивость возникает в результате совмещения последствий двух событий -мейотического рекомбиногенеза и сингамии. У партеногенетических видов изменчивость гибридного характера отсутствует, поэтому геноти-пическая вариабельность (в виде автосегрегаций) обусловлена преимущественно мейотическим рекомбиногенезом (Gustafsson, 1946). Следовательно, апомиксис предоставляет уникальную возможность исследования потенциала генотипической изменчивости только одного родителя, а также изучения роли мейоза в формировании биоразнообразия.

Данные о наличии или отсутствии генотипической изменчивости при партеногенетическом развитии гамет раскрывают роль апомиксиса в формировании и функционировании генетической системы вида - совокупности механизмов, обеспечивающих баланс между наследственной константностью и изменчивостью (Darlington, 1939; Stebbins, 1963).

Принято считать, что при апомиксисе генетическая вариабельность крайне низка и потенциальная изменчивость реализуется весьма редко. Тем не менее, увеличивается количество данных о значительном запасе генотипической изменчивости (особенно у полиплоидов). Чем выше уровень плоидности апомиктического вида, тем выше уровень гетерози-готности и, следовательно, можно ожидать большего размаха изменчивости в апомиктическом потомстве. Результаты изучения апомиксиса у крупноплодной земляники (Fragaria х ananassa Duch. 2п=8х=56) важны не только для решения проблемы взаимосвязи апомиксиса и полиплоидии, но также и для выяснения механизмов высвобождения скрытой изменчивости у полиплоидов и возможностей ее практического использования.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение апомиктического способа семенной репродукции крупноплодной земляники и выявление его генетических последствий в апомиктическом потомстве.

Были поставлены следующие задачи:

- выяснить характер и потенциал апомиктическом репродукции у исследуемых сортов;

- разработать метод массового получения апомиктических сеянцев крупноплодной земляники и создать коллекции апомиктических аналогов исследуемых сортов (генотипов);

- провести анализ изменчивости в апомиктических потомствах;

- выяснить цитогенетические механизмы этой изменчивости;

- изучить селекционно-генетические возможности индуцированного апомиксиса.

Научная новизна. В данной работе впервые:

- показано, что апомиксис у крупноплодной земляники генетически обусловлен и сосуществует с амфимиксисом в пределах одного генотипа. Его реализация происходит при воздействии неблагоприятных факторов среды на ключевые стадии семенной репродукции - мегаспо-рогенез и сингамию;

- установлена генетическая изменчивость в апомиктических потомствах в вида автосегрегации. Автосегрегации позволяют анализировать потенциал изменчивости исходных форм;

- создана технология массового получения апомиктических сеянцев, позволяющая формировать генотипические коллекции;

- описана диплоспория Тагахасит-тмпа для земляники и подтверждена ее функциональность данными анализа расщепления в апо-миктическом потомстве;

- описаны соматическая апоспория и аутомиксис и установлен их структурный характер;

- показано, что при апомиксисе возможна смена систем размножения - переход аллогамии в автогамию;

- выявлена роль апомиксиса как компенсаторного механизма семенной репродукции.

Научная и практическая значимость. Экспериментально доказана реальность направленного изменения баланса между амфимиксисом и апомиксисом в пределах одного генотипа. Изменчивость способов семенной репродукции (амфимиксиса и апомиксиса) в сочетании с вегетативным размножением является основой репродуктивной стратегии вида, направленной на увеличение и поддержание генетической вариабельности.

Показано, что асинхронное функционирование археспориального комплекса у крупноплодной земляники приводит к развитию в одной завязи мейотических (легитимных), диллоспорических, апоспорических мегагаметофитов, обладающих различным уровнем мейотического ре-комбиногенеза в генотипе яйцеклетки. Таким образом, полиморфизм апомиксиса обусловлен различной степенью супрессии мейоза при формировании материнской клетки зародышевого мешка. Преимущественное развитие гаметофитов определенного типа зависит от конкурентных взаимоотношений между редуцированными и нередуцированными зародышевыми мешками. Нарушения в прогамной фазе прорастания пыльцы при гетероплоидном межвидовом и межродовом опылении вызывают задержку оплодотворения и создают преимущество для эмбриогенеза яйцеклетки диплоспорического (нередуцированного) зародышевого мешка. Это дает возможность получать легко идентифицируемые по морфологическим признакам апомикгические сеянцы и позволяет манипулировать уровнем генетической изменчивости в потомстве.

Разработка метода индукции псевдогамного апомиксиса - быстрого, простого, технологически доступного, позволила сформировать ге-нотипические коллекции сортов крупноплодной земляники Фестивальная, Заря, Пурпуровая, Бердский рубин, Комсомолка, Red rich, Деснянка, Смена и др., пригодных для использования в генетических исследованиях, а также для применения в селекции. Генотипическая изменчивость апомиктического потомства дает возможность практического использования апомиксиса и формирования нового подхода к селекции вегетативно размножаемых культур.

Псевдогамный апомиксис как метод селекции может быть использован для сортоусовершенствования путем внесения отдельных адаптивных изменений в высокогетерозиготные полиплоидные вегетативно размножаемые культуры.

Полученные данные представляют интерес для исследователей, занимающихся регуляцией изменчивости у растений; а также биотехнологов и селекционеров.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Генотипическая изменчивость апомиктического потомства (автосегрегации) обусловлена мейотическим рекомбиногенезом.

2. Генетические последствия индуцированного апомиксиса могут быть использованы в генетико-селекционных исследованиях.

Публикации и апробация работы. Автором опубликовано 25 работ, из них 23 - по теме диссертации. Основные результаты исследований были представлены на Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1985), III Всесоюзной конференции по экологической генетике растений и животных (Кишинев, 1987), V съезде ВОГиС им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987), III Всесоюзной конференции по генетике и цитологии мейоза (Новосибирск, 1990), XI Международном симпозиуме по эмбриологии и семенной репродукции (Ленинград, 1990), XVII Международном конгрессе по генетике (Бирмингем, Англия, 1993), IV Международном конгрессе по эволюции (Монпелье, Франция, 1993), I съезде ВОГиС (Саратов, 1994), Международном симпозиуме "Апомик-сис у растений: состояние проблемы и перспективы исследований" (Саратов, 1994), Международном симпозиуме "Проблемы репродуктивной биологии" (Пермь, 1996).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания исходного материала и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения в четырех главах, заключения, выводов, краткого словаря терминов и списка литературы (255 источников). Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 20 рисунков.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Апомиксис изучали у 23 сортов и трех синтетических форм крупноплодной земляники (Fragaria х ananassa Duch., 2п=8х=56), наиболее адаптированных к местным условиям. Из них 6 форм с чисто женским типом пола цветка, остальные обоеполые.

В качестве опылителей использовали восточную землянику Fragaria orientalis Los. (2п=4х=28) и клубнику F.moschata Duch. (2n=6x=42). В межродовых опылениях использовали пыльцу различных представителей рода Potentilla L.

Для индукции апомиктического способа формирования семян разработаны и апробированы два приема: опыление инактивированной

пыльцой в гетероплоидных межвидовых комбинациях (8х х 6х и 8х х 4х) и чужеродное (межродовое) опыление. Частичная инактивация пыльцы достигалась облучением дозами 186; 232,5; 279 и 465 Гр на гамма-установке биологического эксперимента (ГУБЭ) Института цитологии и генетики СО РАН.

Кастрацию обоеполых цветков проводили с полным удалением андроцея и околоцветника. Соцветия изолировали упаковочным прозрачным целлофаном с прокладкой слоя ваты у основания цветоноса. Для скрещивания использовали пыльцу, выделенную из раскрывающихся, но с еще сомкнутым венчиком бутонов, подсушенную при комнатной температуре без доступа прямых солнечных лучей. Пыльцу найосили мягкой кисточкой однократно. Бутоны удаляли. Контролем качества изоляции служили неопыленные изолированные соцветия.

Жизнеспособность пыльцы оценивали по окрашиваемости спиртовым кармином, а также по прорастанию на искусственной среде и на рыльцах опыленных пестиков.

Семена проращивали при комнатной температуре в чашках Петри. Проростки переносили в теплицу в пикировочные ящики и в августе (в возрасте 5-6 месяцев) высаживали в открытый грунт. Выращивание сеянцев проводили в условиях стандартного агрофона без дополнительного полива и внесения удобрений. Укрытие в зимнее время не применяли.

Идентификацию сеянцев проводили по межвидовым различиям морфологических признаков и чисел хромосом. При подсчете чисел хромосом применяли фиксацию молодых листочков смесью Карнуа (3:1) и окраску кармином по Snow (1965).

Цитоэмбриологический анализ проводили на' постоянных тотальных препаратах извлеченных мегаспороцитов и зародышевых мешков. Для этого была использована модификация Методики И.Х.Еналеевой и др. (1972), которая заключается в совмещении процессов мацерации с окрашиванием спиртовым кармином, при этом в качестве мацерирую-щего агента используется 1н. HCL, а не цитаза. Объект заключали в консервирующую и просветляющую жидкость Смита (Абрамова, Карлин-ский, 1979).

Анализ биохимического состава плодов проводили по стандартным методикам (Петрова, 1986; Ермаков и др., 1987).

Для статистической обработки данных использовали стандартные методы (Урбах, 1964; Феллер, 1967; Ли, 1978; Зайцев, 1990).

ИНДУКЦИЯ АПОМИКСИСА У ЗЕМЛЯНИКИ

ПРИ ПОМОЩИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧАСТИЧНО ИНАКТИВИРОВАННОЙ ПЫЛЬЦЫ В МЕЖВИДОВЫХ СКРЕЩИВАНИЯХ

В эксперименте наибольшее число апомиктических сеянцев (АС) было получено при использовании пыльцы, облученной 186-279 Гр. При низких дозах потомство в основном гибридное, а при высоких - резко уменьшается число сеянцев.

Проращивание облученной 186 Гр пыльцы на искусственной среде, а также на рыльцах опыленных пестиков выявило снижение скорости роста и наличие различных аномалий, которые задерживали продвижение пыльцевой трубки в тканях столбика по сравнению с контролем примерно на 20 часов. Результаты проращивания полученных семян представлены в таблице 1.

Соматическое число хромосом гибридных сеянцев соответствовало ожидаемому 2n=42 (8х х 4х) и 2п=49 (8х х 6х). Матроморфные сеянцы крупноплодной земляники имели только 2п=56. Сеянцы с полигаплоидным набором хромосом 2п=28 в опыте не зарегистрированы. Общее число полученных апомиктических сеянцев (2п=56) при использовании облученной пыльцы составило 173 растения от 10 сортов.

Сравнение сортов по способности к апомиксису показало их гено-типические различия. Наибольший процент апомиктических сеянцев установлен у сортов Бердский рубин, Пурпуровая, Алая зорька и гибрида Н-1-10-1.

Повторные опыты на сортах Комсомолка, Пурпуровая, Mieze Schindler, Деснянка, несмотря на колебания показателей по годам, подтверждают их явно выраженную склонность к апомиксису, что указывает на генетическую детерминированность апомиксиса у крупноплодной земляники.

Таблица 1

Результаты опыления пыльцой ЕопеШаНз, облученной 186 Гр, 1988 г.

Материнская форма Опыленных цветков, шт. Количество Всхожесть семян, % Гибель проростков, % Количество

ПЛОДОВ семян семян/ цветок* сеянцев АС, % АС на 100 семян

шт. %

Алая зорька 26 20 76,9 188 7 20,7 59,0 16 87,5 7

Бердский рубин 42 2 4,8 7 1 100,0 57,1 3 100,0 43

Гласа 12 4 33,3- 494 41 17,4 77,9 19 57,9 2

Деснянка 11 5 45,4 56 5 5,3 33,3 2 50,0 2

Смена 62 37 59,4 295 5 20,3 68,3 19 10,5 1

Пурпуровая 16 1 6,2 11 1 20,0 9,1 2 100,0 18

Талисман 32 22 68,7 313 10 11,2 74,3 9 44,4 1

Чернобривка 28 16 57,1 211 8 21,8 71,7 13 0,0 0

Бепда Ргесова 28 13 46,4 171 6 24,0 58,5 17 58,8 6

Н-1-10-1 21 9 42,8 29 1 27,6 62,5 3 100,0 10

* - индекс опыления

При выдерживании одного и того же режима опыления, генотипа и возраста растений количество АС, полученных от одного и того же сорта, в разные годы может варьировать. Так, у сорта Пурпуровая количество АС в 1988 и 1992 гг. варьирует несущественно Р=0,16 и такие же недостоверные различия получены для сорта Деснянка Р=0,33. У сортов Комсомолка и Чернобривка напротив, доля АС, полученных в 1988 и

-5

1989 гг., достоверно различается Р=0,1 х 10 и Р=0,03 соответственно. Статистически значимые различия в количестве АС в разные годы индукции указывают на зависимость реализации апомиксиса от погодных условий при проведении опытов. В литературе описаны случаи контроля апомиксиса такими факторами окружающей среды как фотопериодический эффект и низкие температуры (Evans, Knox, 1969; Nogler, 1984). У земляники в условиях Новосибирской области мегаспорогенез протекает в 3-ей декаде мая и начале июня, когда часты возвратные ночные заморозки и резкие суточные перепады температуры воздуха. Эти факторы могут выступать своеобразным пусковым механизмом для генов, переключающих нормальный ход женского мейоза на его модифицированную форму, и в результате образуются нередуцированные мегаспоры. Из них формируются зародышевые мешки с нередуцированной яйцеклеткой, партеногенетическое развитие которой определяется условиями опыления (Willemse, Naumova, 1992).

Анализ сеянцев, полученных в режиме индукции апомиксиса, показал, что использование пыльцы, облученной в дозах, снижающих ее жизнеспособность, вызывает появление в потомстве сеянцев апомикти-ческого происхождения (Табл. 2). Этот эффект облучения пыльцы достоверно значим для большинства изученных сортов и гибридов.

При опылении необлученной пыльцой (контроль) в семенном потомстве большинство сеянцев гибридного происхождения. Но все же в потомстве таких комбинаций встречаются единичные сеянцы матромор-фного типа с 2п=56. Так, в комбинации Комсомолка (8х) х F.orientalis (4х) и Смена (8х) х F.moschata (6х) в первом случае был получен 1 апо-миктический сеянец из 104 растений', а во втором - 2 АС из 129 растений, что составляет 0,96 и 1,55 % соответственно от числа плодоносивших сеянцев. По нашему мнению, частоту 1,5 % появления апомиктиче-

1 ских сеянцев следует считать характерной для нормы опыления и оплодотворения в климатических условиях Новосибирской области.

Таблица 2

Эффект облучения пыльцы в индукции апомиксиса

Вариант опыления Год опыления АС ГС Р

Алая зорька 1 1988 0 6 0,37 х 10"3

II 1988 14 2

Гласа 1 1988 0 90 0,20 х 10"э

II 1988 11 8

Смена 1 1988 0 6 0,57

II 1988 2 17

Комсомолка 1 1989 0 49 0,11 х 10"22

I - опыление необлученной пыльцой ЯолепГа/ю;

II - опыление облученной 186 Гр пыльцой Р.опеШаНз] Р - вероятность четырехклеточной таблицы;

ГС - гибридные сеянцы.

Появление в семенном потомстве гибридных растений при опылении облученной пыльцой свидетельствует о том, что облучение не устраняет мужские гаметы из полового процесса, а лишь затрудняет его ход. Таким образом, создаются условия для эмбриогенеза в нередуцированных зародышевых мешках. Эксперимент показал, что все исследованные сорта и синтетические формы крупноплодной земляники в большей или меньшей степени способны формировать апомиктическое потомство, проявляя генотипическое варьирование.

ИНДУКЦИЯ АПОМИКСИСА У ЗЕМЛЯНИКИ ПРИ ЧУЖЕРОДНОМ ОПЫЛЕНИИ

При чужеродном опылении наиболее эффективным оказалось применение пыльцы Лапчатки гусиной - Ро?елй//а апвеппа 1_. (2п=28). Пыльца лапчатки прорастала с задержкой, но пыльцевая трубка прони-

кала в зародышевый мешок через одну из синергид. Завязываемость плодов и семян отмечалась у всех вовлеченных в эксперимент форм. Проращивание семян выявило их низкую всхожесть (в среднем около 12 %), хотя в отдельные годы она достигала 57 %. На стадии семядолей проростки часто гибнут, и их летальность может достигать 100 % (Смена, Новинка, Mieze Schindler, Л-1-15-1). Причины невсхожести семян, а также гибели проростков следует искать в геномной структуре зародыша, который может быть гибридным (2п-42) нежизнеспособным (Ellis, 1962; Asker, 1971 b), полигаплоидным (2л=28) маложизнеспособным (Barrientos, Bringhurst, 1973; Janíck, Hughes, 1974) и с различными вариантами элиминации части кариотипа во время первого деления зиготы (Niemirowicz-Szczytt, 1987, 1990 b).

Получено и проанализировано 186 апомикгических сеянцев. Все они обладали материнским числом хромосом 2п=56. Жизнеспособных гибридов и полигаплоидов в опыте не зарегистрировано.

По числу АС установлены различия не только между разными сортами, но и в пределах одного сорта в разные годы индукции. Так, у сорта Фестивальная в 1988 году показатель апомиксиса составил 7 апомик-тических сеянцев на 100 завязавшихся семян, в 1989 - 4,в 1991- 2,ав 1993 году - 28. О таких колебаниях завязываемости семян и апомикти-чесшх сеянцев сообщает также и K.Niemirowicz-Szczytt (1984) в своей работе по гибридизации Fragaria х Potentilla. Так как в нашем опыте выдерживался один и тот же режим опыления, разница в результатах может быть объяснена влиянием погодных факторов на мегаспорогенез и гаметофитогенез. Аномалии, которые при этом могут возникать, приводят к октоплоидности яйцеклетки. Генетически детерминированный партеногенез яйцеклетки реализуется только при определенных условиях опыления и прорастания пыльцы. Таким образом, условия возникновения апомикгических семян в каждый год индивидуальны.

Самые высокие показатели числа АС на 100 семян у сортов Берд-ский рубин, Деснянка и Комсомолка, низкие у Senga-Sengana и Л-1 -15-1. По числу полученных АС выделяются сорта Комсомолка - 64, Фестивальная - 48, Заря - 43, Пурпуровая - 28 и Бердский рубин - 10 шт.

Обоеполый сорт Заря и сорт Комсомолка с женскими цветками имеют достоверные различия как в числе семян, так и в количестве АС.

От сорта Комсомолка получено почти в 4 раза больше апомиктических сеянцев, чем от сорта Заря. Эта же тенденция зависимости от типа пола сохраняется и в завязываемости семян (в 2,5 раза больше).

Многолетний эксперимент показал, что как и при опылении облученной пыльцой, в разные годы объем апомиктических потомств сорта может существенно варьировать, вплоть до полного отсутствия АС, несмотря на выровненный агрофон и один и тот же режим опыления.

Для оценки эффективности индукции апомиксиса сравнивали количество апомиктических сеянцев для одного сорта, полученных разными приемами (Табл. 3).

Таблица 3

Сравнение эффективности приемов индукции апомиксиса, 1989 г.

Комбинация опыления АС ГС Вероятность

различий, Р

Комсомолка х P.anserina 14 0

Комсомолка х F.orientalis (186 Гр) 64 12 0,11

Деснянка х P.anserina 4 0

Деснянка х F.orientalis (186 Гр) 8 2 0,49

Фестивальная х p.anserina 3 0

Фестивальная х F.orientalis (186 Гр) 9 5 0,32

Недостоверность различий дает основание предположить единый механизм возникновения апомиктических сеянцев как при чужеродном опылении, так и при межвидовом опылении облученной пыльцой. Это подтверждает псевдогамный тип апомиксиса.

ИЗУЧЕНИЕ АПОМИКТИЧЕСКИХ СЕЯНЦЕВ

Изучение апомиктических сеянцев проводилось их сравнением с материнской формой и между собой по количественным и качественным признакам. Признаки генетически детерминированы и характер их наследования описан в литературе (Darow, 1966; Staudt, 1967; Зубов,

1990). Для сравнения использовали морфологические признаки листа: длина черешка листа, длина центральной доли листа, количество зубцов, угол расхождения жилок центральной доли листа в градусах и др., которые имеют важное значение при сортоописаниях (Peiker, 1962). Оценку достоверности различий проводили по t-критерию Стъюдента.

В результате сравнения апомиктических сеянцев с исходной формой установлены достоверные различия практически по всем проанализированным признакам. В сравнении сеянцев между собой также отмечаются достоверные различия, хотя и не столь выраженно. Аналогичные данные получены в сравнении апомиктических сеянцев с исходной формой по содержанию в плодах общих Сахаров, аскорбиновой кислоты, сухого вещества. Таким образом, данные сравнения указывают на гено-типическую изменчивость апомиктического потомства.

Для анализа изменчивости апомиктических сеянцев по качественным признакам выбраны наследование типа пола и характера плодоношения (ремонтантности). У октоплоидной крупноплодной земляники характер наследования типа пола цветка контролируется тремя аллелями одного гена. Фенотипическое проявление признака определяется дозо-вым эффектом этих аллелей (Staudt, 1967). Экспериментальные данные распределения фенотипов по типу пола в апомиктическом потомстве представлены в таблице 4.

Как следует из таблицы, сорта с обоеполыми цветками сформировали апомиктическое потомство с обоеполыми цветками, что соответст-

Таблица 4

Тип пола цветков апомиктических сеянцев

Тип Отношение фенотипов по типу пола у АС

Сорт цветков в опыте теоретически ожидаемые х2

сорта 9 <? 0,6975 Q 0,3026

Mieze Schindler О 28 19 32,78 14,22 2,22

Комсомолка 9 55 33 61,38 26,63 2,19

Заря 0 31 0 31 0,0

Фестивальная V 0 75 0 75 0,0

вует ожидаемому для рецессивных гомозигот. У сортов с женским типом цветков наблюдается генетическое расщепление в потомствах апо-миктического происхождения, что показывает гетерогаметность исходных сортов.

Наблюдаемое расщепление по половому фактору среди АС свидетельствует, что

1) образованию материнской клетки зародышевого мешка предшествуют события мейоза и рекомбинация половых факторов;

2) партеногенетическое развитие яйцеклетки вызывается опылением цветков частично инактивированной пыльцой других видов Fragaria или пыльцой Poteníilla-,

3) партеногенез имеет место в яйцеклетке с соматическим числом хромосом.

Индукция апомиксисау ремонтантного сорта Red rich проводилась для идентификации формы апомиксиса по наследованию ремонтан-тности у апомиктических сеянцев. Ремонтантность моногенно контролируется при полисомическом характере расщепления признака у окто-плоидов (Батурин и др., 1995). В опыте было получено 43 апомиктических сеянца, которые по экспрессии признака "тип плодоношения" распределились следующим образом: 21 сеянец с ремонтантным типом плодоношения и 22 сеянца с однократным. Появление в потомстве неремонтантного фенотипа указывает на автосегрегации в мегаспорогенезе материнского сорта и, следовательно, мейотических формах апомиксиса.

Выявленная в эксперименте генотипическая изменчивость количественных и качественных признаков в апомиктических потомствах свидетельствует о реализации мейотических форм апомиксиса. Следовательно, мы имеем возможность исследовать потенциал генотипичес-кой изменчивости материнского растения благодаря автосегрегациям. Кроме того, изучение генотипической изменчивости апомиктического потомства перспективно для выяснения селекционно-генетических возможностей использования апомиксиса для сортоусовершенствования по отдельным признакам. Двенадцать клонов апомиктического происхождения с высокой урожайностью, вкусовыми качествами плодов и устойчивостью выделены для селекционного использования.

Ц1ПГ0ЭМБРИ0Л0ГИЧЕСК0Е ИЗУЧЕНИЕ АПОМИКСИСА У КРУПНОПЛОДНОЙ ЗЕМЛЯНИКИ

Появление сеянцев с таким же числом хромосом, как и у материнской формы (2п=56), возможно при функционировании различных форм апомиксиса (апоспории, адвентивной эмбрионии, аутомиксиса, диплоспории). Наличие генотипической изменчивости указывает на функционирование мейотических форм апомиксиса, таких как аутомик-сис или диплоспория с формированием реституционного ядра в конце первого мейотического деления.

Аутомиксис легко выявляется по наличию двух одинаковых ядер в яйцеклетке при неразрушенных синергидах. Однако при аутомиксисе вряд ли следует ожидать жизнеспособных сеянцев из-за жесткой' гомо-зиготизации генотипа при диплоидизации редуцированной яйцеклетки. Земляника крупноплодная - активный перекрестник (от 10 до 100 %), вид с высокой гетерозиготностью практически по всем признакам, и даже однократное самоопыление ведет к инцухтированию потомства (Фадеева, 1964; Клипко, 1982).

Более реально функционирование диплоспории. Благодаря использованию методики извлеченных мегаспороцитов, проанализировано свыше 2 тысяч мегаспороцитов, что позволило восстановить цепь событий в мейозе, приводящих к формированию нередуцированных мегаспор. Модифицированная форма мейоза соответствует диплоспории Тагахасит-тта (ВаНадНа, 1991). Соматическое число хромосом в яйцеклетке, вступающей в партеногенез, обусловлено нарушениями мега-спорогенеза. Основное отклонение заключено в частичном асинапсисе, в результате которого нарушено правильное расхождение гомологичных хромосом в метафазе I, что приводит к формированию реституционного ядра в мейозе I, а далее происходит обычный митоз с образованием диады нередуцированных мегаспор.

Таким образом, при благоприятных условиях опыления и оплодотворения гаметы редуцированных (мейотических) зародышевых мешков вступают в половой процесс, и в результате формируются гибридные зародыш и эндосперм. При затруднениях оплодотворения (режим индукции апомиксиса) происходит задержка (около 20 часов) оплодотво-

рения, и к моменту проникновения пыльцевой трубки в нуцеллус семяпочки функциональными остаются диплоспорические зародышевые мешки, которые развиваются позже, а неоплодотворенные редуцированные к этому времени в основном дегенерируют. Создавая условия для выживания гаметофитов определенного типа, т.е. повышая их конкурентноспособность, мы имеем возможность управления способом семенной репродукции.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод индукции апомиксиса у Земляники крупноплодной (Fragaria х ananassa Duch., 2п=8х=56) при помощи межвидовых гете-роплоидных скрещиваний с использованием частично инактивиро-ванной пыльцы и межродового опыления. Показан единый механизм возникновения апомиктических сеянцев при использовании этих приемов. Их применение позволяет получать массовый материал апомик-тического происхождения.

2. Исследование апомиктического способа семенной репродукции у крупноплодной земляники показало, что апомиксис гаметофитный, факультативный, псевдогамного типа.

3. У изученных сортов крупноплодной земляники установлена генотипи-ческая изменчивость способности к апомиктическому образованию семян. Наибольшую экспрессию апомиксиса проявляют сорта Пурпуровая, Фестивальная, Бердский рубин, Заря, Комсомолка.

4. Изучена экспрессия апомиксиса по результатам многолетних опытов. Впервые показано, что апомиксис реализуется под воздействием неблагоприятных факторов среды на генотип растения в ключевые моменты семенной репродукции - мегаспорогенез и опыление. При задержке прохождения спермиев в завязь редуцированные зародышевые мешки теряют способность к оплодотворению и дегенерируют, тогда как в развивающихся позже нередуцированных мегагаметофи-тах происходят оплодотворение полярных ядер и партеногенез яйцеклетки.

5. Впервые показано, что сорта с женским типом пола цветков формируют большее число апомиктических сеянцев, чем обоеполые сорта при тех же условиях опыления.

6. При сравнительном анализе апомиктических сеянцев установлена их генотипическая изменчивость. Сеянцы отличаются не только от материнской формы, но и друг от друга. На основе этой изменчивости созданы генотипические коллекции восьми сортов крупноплодной земляники.

7. Впервые проведен анализ генетического контроля типа пола по расщеплению в апомиктических потомствах. Показан автосегрегационный характер расщепления, который позволяет анализировать гено-типический потенциал материнского растения по изменчивости его апомиктического потомства.

8. Выявлен полиморфизм структурного апомиксиса у крупноплодной земляники. Цитоэмбриологически показаны аутомиксис, апоспория и диплоспория. Впервые у земляники идентифицирована диплоспория Тагахасит-т\лпа. Ее функциональность доказана по автосегрегационному расщеплению в партеногенетических потомствах.

9. Теоретически разработаны и осуществлены на практике схемы использования апомиксиса в направленном сортоусовершенствовании и обогащении генофонда крупноплодной земляники.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Батурин С.О. Некоторые данные сравнения апомиктического клона С-1-5-9 F.ananassa (сорт Мици Шиндлер) с исходной формой // Теоретические основы селекции. Новосибирск: Наука. 1985. С.162-167.

2. Батурин С.О. Сравнительное изучение фертильности апомиктического клона крупноплодной земляники сорта Мици Шиндлер и его исходной формы // Проблемы апомиксиса и отдаленной гибридизации. Новосибирск: Наука. 1987. С.192-199.

3. Sukhareva N.B., Baturin S.O. The embryological basis of apomictic poly-morphy in Fragaria Ц Proc. of XI Int. Symp. "Embryology and seed reproduction" (3-7 July, 1990, Leningrad, USSR). St.Petersburg: Nauka, 1992. P.539-540.

4. Батурин С.О. Экспериментальный апомиксис у земляник // Апомик-сис у растений: состояние проблемы и перспективы исследований. Тр. межд. симп. Саратов. 1994. С. 13-15.

5. Малецкий С.И., Сухарева Н.Б., Батурин С.О. Наследование пола у апомикгических сеянцев Земляники крупноплодной (Fragaria х ала-nassa Duch.) // Генетика. 1994. Т.ЗО. N 2. С.237-243.

6. Батурин С.О., Сухарева Н.Б. Индуцированный эпомиксис как способ сортоулучшения культурной земляники // Генетические основы сельскохозяйственных растений. М., 1995. С.141-149.

7. Батурин С.О., Сухарева Н.Б., Малецкий С.И. Использование апомик-сиса для изучения наследования ремонтантности у Земляники крупноплодной (Fragaria х ananassa Duch.) // Генетика. 1995. Т.31. N 10. С.1428-1424.

8. Батурин С.О., Сухарева Н.Б., Молоткова М.Ф. Преобразование пола цветка и фотонейгральности у Fragaria х ananassa Duch. при апомик-сисе // Проблемы репродуктивной биологии. Тез. докл. симп. Пермь. 1996. С.54-55.

Подписано к печати 04.02.97 Формат бумаги 60 х90 1/16. Печ.л. 1. Уч.-изд. л. 0,7 Тираж 100 экз, Заказ 6

Ротапринт Института цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, проспект академика М.А.Лаврентьева,10