Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эмбриологическое изучение апомиксиса у образцов мятлика лугового (Poapratensis L. ), перспективных для селекции

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кутлунина, Наталья Анатольевна, Екатеринбург

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.М. ГОРЬКОГО

УДК 633.32:581.3

Кутлунина Наталья Анатольевна

ЭМБРИОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ АПОМИКСИСА У ОБРАЗЦОВ МЯТЛИКА ЛУГОВОГО (РОЛ PRATENSISЦ, 1ЖРС1ШКТИВНЬ1Х ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Орел Л.И.

Екатеринбург-1999

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1Л. Биологические особенности 9

1. 2. Генетические основы апомиксиса 10

1. 3. Полиплоидия и полиморфизм 14

1. 4. Эмбриологическая характеристика 19

1. 5. Полиэмбриония и причины ее появления 33

1.6. Особенности микроспорогенеза и строения пыльцы у мятлика

лугового и других апомиктичных видов 36

1. 7. Показатель семенной продуктивности 40

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 44

2. 1. Материал исследований 44 2. Ъ. Методы исследований • 45

ГЛАВА З.ПОЛИЭМБРИОНИЯ КАК ПРИЗНАК АПОМИКТИЧНОСТИ 50

3.1. Отбор образцов на апомиктичность при помощи признака многозародышевости 50

3.2. Полиэмбриония у отдельных растений 57

ГЛАВА 4. ЧИСЛО ХРОМОСОМ БЛИЗНЕЦОВЫХ РАСТЕНИЙ 63

4.1. Число хромосом близнецовых проростков в апикальных меристемахб

4.2. Число хромосом близнецовых растений в мейозе микроспорогенеза и в первом митозе пыльцевого зерна 65

4.3. Источники многозародышевости. Число хромосом и частота появления близнецовых проростков различного происхождения 69

ГЛАВА 5. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И СЕМЕННАЯ

ПРОДУКТИВНОСТЬ БЛИЗНЕЦОВЫХ РАСТЕНИЙ 74

5.1. Морфологические показатели и устойчивость к полеганию 74

5.2. Строение цветка и продуктивность на стадии цветения 82

5.3. Семенная продуктивность отдельных растений 87

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЖЕНСКОГО ГАМЕТОФИТА У АПОМИКТИЧНЫХ ОБРАЗЦОВ 96

6.1. Характеристика редуцированных зародышевых мешков 96

6.2. Зародышевые мешки с партеногенетическим развитием яйцеклетки98

6.3. Особенности двух и более зародышевых мешков в одной семяпочке. Дополнительные клетки или апоспорические структуры 105

6.4. Особенности двух зародышей в одном зародышевом мешке 117

6.5. Аномалии в строении зародышевых мешков 123

6.6. Апомиктичность перспективных образцов 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 4 138

ВЫВОДЫ 140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Мятлик луговой (Роа pratensis L) - многолетний, корневищно-рыхлокустовой злак широкого голарктического ареала. Для него характерна высокая экологическая пластичность и полиморфность, что позволяет ему поселяться в разнообразных экологических условиях. Р. pratensis - одно из лучших растений для пастбищ и сенокосных лугов. Его отличают высокие питательные свойства, хорошая поедаемость, повышенная способность к отрастанию, устойчивость при пастбищном использовании. Являясь низовым злаком, мятлик участвует в образовании нижнего яруса травостоя, чем в значительной степени обусловлены кормовые достоинства естественных пастбищ и сенокосных угодий. Дикорастущие популяции и возделываемые сорта этого вида достаточно долголетни и продуктивны при возделывании на

искусственных пастбищах и высокодекоративны в газонной культуре. Мятлик

• ♦

луговой отличается высокой адаптационной пластичностью, что позволяет использовать в интродукции и селекции инорайонные формы и сорта с ценными свойствами. Важным исходным материалом являются дикорастущие аборигенные формы, которые в условиях культуры положительно реагируют на оптимальный режим питания (Мирошниченко, 1968; Ларин, 1969; Киршин, 1978; Сенаторова, 1981; Бузунова, 1987).

С середины 50-х годов в Уральском госуниверситете проводится изучение биологических особенностей многолетних злаков, в частности, их морфогенеза (Лебедев, 1966, 1968; Мельник, 1968, 1970; Уткина, 1968, 1972; Киршин, 1975, 1985; Мальцев, 1988). Особенностям морфогенеза вегетативных органов мятлика лугового в разных условиях выращивания посвящены работы Г.П. Серой (1965, 1968, 1975). С 1974 г. в ботаническом саду Уральского госуниверситета проводится селекционная работа с мятликом луговым в целях

выведения новых сортов газонного и кормового назначения (Киршин, Мельник, 1979; Мельник, Пермякова, 1979; Киршин, 1984; Киршин, Мельник, 1984; Киршин, Мельник, Стефанович, 1984; Мельник, Стефанович, 1985, 1987, 1988; Мельник, Косарева, 1986; Стефанович, Мальцев, 1986). За это время испытаны 114 образцов мятлика лугового. В результате многолетней селекционной работы выведен и районирован сорт мятлика лугового УрГУ (Киршин, Стефанович, Мельник, 1995, № 6673). В настоящее время несколько образцов переданы на сортоиспытание и выделены перспективные образцы для дальнейшей работы. Селекцию проводили методом отбора по основным хозяйственным признакам - семенной продуктивности, продуктивности зеленой массы, количеству вегетативных и генеративных побегов (Стефанович, Уткина, 1990; Изучение генофонда кормовых злаковых и бобовых трав..., 1992, Стефанович, Кутлунина, 1994), устойчивости к грибковым заболеваниям, зимостойкости, кормовой ценности (Стефанович, Уткина, 1993) и устойчивости к полеганию (Дощенникова, 1993а; 19936).

Известно, что выбор наиболее рациональных методов селекции каждой культуры и поддержание нового сорта определяются, наряду с вышеперечисленными признаками, особенностями размножения. Возможность регуляции и использования эмбриональных процессов зависит от полноты знаний о них. Роа pratensis является факультативным апомиктом (Akerberg, 1942; Поддубная-Арнольди, 1976; Хохлов и др., 1978). Соотношение апо- и амфимиксиса у этого вида находятся под сложным генетическим контролем в состоянии баланса, который может смещаться в ту или другую сторону под действием внешних или внутренних факторов. Изучение апомиксиса представляет как теоретический, так и практический интерес. Апомиксис охватывает большое количество видов покрытосеменных, в том числе представителей наиболее эволюционно продвинутых семейств Asteraceae и Роасеае, его причины и механизмы до конца не изучены. Практическое

значение апомиксиса для селекционно-генетических работ трудно переоценить, так как он имеет ряд преимуществ перед амфимиксисом. Апомиксис способствует закреплению гетерозиса без разрушения удачных генетических комбинаций (Петров, 1970, 1971; Asker, 1979), фиксации любой гетерозиготной комбинации генов (Hintzen, van Wijk, 1985) и сохранению неуравновешенных полиплоидов (Рубцова, 1989); дает возможность получения нерасщепляющихся форм (Батыгина, Фрейберг, 1979); обеспечивает идентичность потомства материнской форме (Поддубная-Арнольди, 1973; Asker, 1979; Hintzen, van Wijk, 1985), а также упрощает производство семян, так как при семеноводстве изоляция не является необходимой (Hanna, Bashau, 1987).

При изучении природных популяций мятлика лугового и при проведении селекционных работ, очень важным является определение соотношения апомиксиса и амфимиксиса уровня различных типов апомиксиса у отдельных растений и образцов, и изучение влияния цитоэмбриологических показателей на семенную продуктивность. Отсутствие методов для быстрой и достаточно точной оценки уровня апомиксиса, определяет необходимость выработки таких методов.

Цель и задачи исследования

Цель работы - изучить эмбриологические особенности апомиксиса и полиэмбрионии у перспективных для селекции на Урале образцов мятлика лугового в связи с их семенной продуктивностью и плоидностью.

В задачи исследований входило:

® Выделить склонные к апомиксису образцы мятлика лугового, используя в качестве диагностического признака степень полиэмбрионии.

• Определить плоидность близнецовых проростков и растений выделенных образцов и их возможное происхождение.

• Определить семенную продуктивность перспективных образцов мятлика лугового, проследить динамику снижения потенциальной семенной продуктивности от цветения до плодоношения.

• Изучить эмбриологические особенности строения женского гаметофита в связи с наличием амфимиксиса и различных типов апомиксиса.

• Установить соотношение ano- и амфимиксиса и типов апомиксиса у растений выделенных образцов.

Научная новизна

Впервые у мятлика лугового на большом экспериментальном материале (2795 семяпочек) описаны эмбриологические особенности апомиксиса и полиэмбрионии, определен уровень апомиксиса, участие разных типов апомиксиса. На основе применения экспресс-методов вычленения целых зародышевых мешков предложен оригинальный метод для оценки уровня апомиксиса. Установлены различия в реализации семенной продуктивности и динамике ее снижения у высоко- и низкоапомиктичных образцов.

Обнаружено, не отмеченное ранее у мятлика лугового расщепление проэмбрио на ранних стадиях развития.

Практическая ценность

Определена степень полиэмбрионии у 21 образца мятлика лугового, перспективных для селекции на Урале, и на основе этого выделены формы со склонностью к апомиксису, которые в дальнейшем могут использоваться для получения высокоапомиктичных форм, имеющих матроклинное потомство. У растений перспективных образцов определено соотношение ano- и амфимиксиса, установлена доля партеногенетических и нуцеллярных зародышей, величина полиэмбрионии.

Даны практические рекомендации по использованию эмбриологических и цитогенетических методик в селекции мятлика лугового.

Апробация работы

Результаты исследований доложены в отделе генетики ВИР (1994) и на молодежной конференции "Проблемы общей и прикладной экологии" (Екатеринбург, 1996). По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Биологические особенности

Мятлик луговой (Роа pratensis L.) - многолетний низовой корневищный и корневищно-рыхлокустовой злак. Продолжительность жизни мятлика лугового в естественных местообитаниях может достигать 10-15 лет, что несомненно связано с его высокой способностью к кущению и разрастанию куста. Образует большое количество хорошо облиственных укороченных вегетативных побегов.

Генеративные побеги не скученные, прямостоячие, иногда у основания восходящие, тонкие, гладкие, от 20 до 100 см высотой. Метелка сжатая, 5-20 см длиной, пирамидальная, с шероховатыми веточками, сидящими по 3-5 вместе. Колоски яйцевидные, до 6 мм длиной, 2-5-цветковые, зеленые. Колосковые чешуи ланцетовидные с выдающимися опушенными жилками, при основании с волокнистым пучков. Зерновки мелкие, почти трехгранные, длиной 2-3 мм, шириной 0,5 мм, жесткие, в массе имеют буроватый оттенок, несыпучие, с войлочным опушением в нижней части. Мощная корневая система образует упругую, стойкую против вытаптывания дернину, предохраняющая почву от уплотнения. Наличие подземных побегов (корневищ) способствует интенсивному вегетативному развитию (Селекция и семеноводство..., 1978, Сенаторова, 1981).

Мятлик луговой - очень зимостойкий злак, выдерживает низкие температуры зимой и поздние весенние заморозки. Довольно влаголюбив, но сравнительно легко переносит засушливые периоды, хотя при этом интенсивность кущения снижается. Мятлик устойчив к многократному скашиванию. По этому показателю уступает только райграсу многолетнему и клеверу белому. Устойчив к вытаптыванию, интенсивному выпасу. Вегетация

начинается сразу после схода снега и продолжается до поздних заморозков (Селекция и семеноводство..., 1978; Егорова, 1996).

Роа pratensis - одно из лучших пастбищных растений, имеет высокую питательную ценность, хорошо поедается всеми видами домашних животных. Давно введен в культуру (конец XV11I - начало XIX столетия), в том числе и за пределами естественного ареала. Является основным компонентом пастбищных травосмесей, но нередко включается и в сенокосно-пастбищные травосмеси. Пастбища с мятликом сохраняют высокую продуктивность в течение 50 лет (Егорова, 1996). Мятлик луговой является одним из ценнейших видов при создании газонов различного назначения (Ларин, 1969).

Мятлик луговой является многолетником озимого типа. В год погзва развивается очень медленно и не образует генеративных побегов. Полного развития он достигает на 3-4 год жизни (Селекция и семеноводство..., 1978). Мятлик луговой - вид широкого голарктического ареала, имеет самую

разнообразную экологическую приуроченность.

• ♦

1. 2. Генетические основы апомиксиса

Экспериментальные данные указывают на то, что апомиксис находится под сложным генетическим контролем, и, хотя механизм этого контроля пока неясен, определенные достижения в этой области есть. Подводя итог исследованиям генетических основ апомиксиса, достигнутым к середине столетия, G. Stebbins (1950) констатировал доказательство генетического контроля апомиксиса и разного характера наследования у отдельных групп. Вероятно, у большинства представителей апомиктичных таксонов существовуют множественные факторы апомиксиса и сложный тип наследования. Автор приходит к заключению, что, как правило, апомиктическое состояние рецессивно по отношению к сексуальности,

однако, подчеркивает он, в данном случае рецессивность носит своеобразный характер, поскольку это не рецессивность одного гена, а результат взаимодействия многих генов, контролирующих успешный апомиктический цикл. Любое скрещивание апомиктической и сексуальной форм, у которых апомиксис определяется разными генными комбинациями, будет вызывать разрушение этих комбинаций,

способствовать возврату к половому размножению и стерильности. У мятликов, как отмечает А. Muntzing (1940), развивается особая система равновесия, характеризующаяся двумя признаками: исчезновением апомиксиса в гибридизации и восстановлением его снова при расщеплении.

При скрещивании половых и апомиктических биотипов Роа pratensis и Роа alpina L. была установлена высокая фертильность и склонность к амфимиксису гибридов первого поколения (Muntzing, Muntzing, 1941). Это дало авторам основание полагать, что апомиксис не может контролироваться

одним геном, скорее он возникает как результат взаимодействия целых плеяд

»

генов и хромосом, которые складываются под действием естественного отбора. В более поздних генерациях мятликов, в третьем и последующем поколениях, могут снова появиться бесполоразмножающиеся формы (Clausen, 1947, 1948, цит. по Рубцовой, 1989).

На многих апомиктах установлено, что половые гибриды часто возникают при скрещивании двух апомиктичных растений (Ноглер, 1990). Для объяснения этого явления была выдвинута гипотеза, согласно которой апомиксис "обязан существованием весьма тонкому генетическому балансу" немногих рецессивных генов с выраженным эффектом дозы, легко разрушаемому при скрещивании, при этом восстановление допускается с большим трудом.

Существует мнение о проявлении апомиксиса на основе кумулятивного действия генов (Жиров, 1970). Опираясь на экспериментальные исследования

у Роа palustris, изучение микро- и макроспорогенеза, учета хромосомных чисел, он предположил, что активность фактора, контролирующего партеногенетическое развитие яйцеклетки, может зависеть от определенного минимального уровня плоидности, ниже которого действие этого фактора не проявляется или обнаруживается очень редко. Так, у изученной формы Роа palustris L. такой критической плоидностью, необходимой для действия фактора, контролирующего партеногенез, является, по мнению автора, триплоидность. F. Matzk (1991), применив новые методы, обнаружил доминантность партеногенеза у мятлика лугового.

Считается, что образование нередуцированных яйцеклеток и способность последних к партеногенетическоку развитию контролируются разными генами и группами генов. Некоторые авторы (Rutishauser, 1948; Hunsiker, 1954, цит. по Рубцовой, 1989) отмечают, что апоспория и диплоспория контролируется разными генами или их группами. Они являются рецессивными по отношению

к сексуальности, но проявляют количественный эффект, то есть характер • »

наследования может меняться при увеличении числа этих генов.

По мнению Б.Ф. Юдина (1970), в генетической регуляции партеногенеза существуют, по меньшей мере, два фактора. Поэтому если рассматривать развитие яйцеклетки как мутацию, вызвавшую образование мутабильного локуса, генетический механизм, лежащий в осове такого мутирования, имеет двуфакторный характер. В настоящее время, считает автор, существуют основания заключить, что размножение форм с псевдогамным апомиксисом не только связано со способностью самой яйцеклетки к партеногенезу, но зависит и от физиологических свойств пыльцы. Оба эти признака контролируются генотипически.

Таким образом, как свидетельствует литературный материал, генетически половое и бесполое размножение в разных таксонах или группах может проявляться по-разному. Сдвиг баланса в ту или другую сторону может

зависеть от многих внешних и внутренних факторов (соотношение плоидности, характера и времени опыления и др.). В связи с этим высказывается твердое убеждение (Ноглер, 1990), что генетически апомиксис и сексуальность нельзя р�