Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиолого-генетические аспекты явления фасциации на примере модельного объекта Arabidopsis thaliana (L.) Heynh

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физиолого-генетические аспекты явления фасциации на примере модельного объекта Arabidopsis thaliana (L.) Heynh"

На правах рукописи

Николаева Юлия Евгеньевна

Физиолого-генетические аспекты явления фасциации на примере модельного объекта АгаЫс1ор818 НшИапа (Ъ.) НеупЬ,

(03.00.12-физиология и биохимия растений, 03.00.15-генетика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ДУША11БЕ-2006

Работа выполнена в лаборатории физиологической генетики Института физиологии растений и генетики АН Республики Таджикистан.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

академик АН РТ, доктор биологических наук, профессор

Усманов Пулат Джураевич,

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Усманова Ольга Владимировна

доктор биологических наук, профессор В.А. Бободжанов, кандидат биологических наук Х.Х. Хурматов

Таджикский государственный национальный университет

Защита диссертации состоится «К?» сентября 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 047.001.01 при Институте физиологии растений и генетики АН Республики Таджикистан (734063, Республика Таджикистан г. Душанбе, ул. Айни,299/2, e-mail: asrtkarimov@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. И. Ганди АН Республики Таджикистан.

Автореферат разослан « //* _ 2006 г.»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Б.Б. Джумаев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Фасциация вегетативных и генеративных органов у высших растений представляет собой широко распространенное среди сосудистых растений явление, выражающееся в резком отклонении от нормальной формы и структуры осевых органов растений вследствие их мощного и непра-. вильного разрастания. Фасциация обычно сопровождается нарушением в листорасположении и резким умножением числа гомологичных органов цветка (элементов околоцветника, андроцея и, особенно, гинецея), что приводит к образованию сложных фасциированных плодов, например, у культурных сортов томата. По мнению Н.М. Жуковского (1971) и В.Л. Витковского (1984), в эволюции многих культурных растений важнейшим этапом морфогенеза стеблей, соцветий и плодов служила фасциация. Объем плода у фасциированных растений, как правило, больше, чем у не фасциированных. Следовательно, фасциация - еще далеко не использованный резерв увеличения продуктивности растений путем создания крупноплодных растений. Вследствие этого изучение генетической природы и физиологических особенностей феномена фасциации имеет не только научное, но и практическое значение.

В 1978 г. в лаборатории физиологической генетики Отдела общей генетики хлопчатника АН Республики Таджикистан П.Д. Усмановым и Г.А. Старцевым был замечен ярко выраженный феномен фасциации стебля и стручка у арабидоп-сиса. Это явление наблюдалось во втором поколении при скрещивании мутанта 90 с мутантом 1и'со. Генетическая природа и механизмы возникновения фасциации у выделенных фасциированных форм не были изучены. В связи с этим представлялось интересным продолжить эти исследования и выполнить экспериментальную работу, в результате которой можно было бы получить данные, характеризующие генетическую природу и механизмы возникновения фасциации.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы явилось изучение генетических механизмов фасциации, исследование фасциации в зависимости от условий вегетации, получение данных, характеризующих физиологические особенности фасциированных растений арабидопсиса и анатомические особенности строения стебля фасциированных растений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

-дать фенотипическую характеристику хлорофилльных мутантов, мутанта 90 и рас Бланус, Энхайм, Колумбия;

- получить гибриды второго поколения от скрещивания мутанта 90 с хлоро-филльными мутантами и провести генетический анализ их;

- выделить чистую линию фасциированных растений из гибридных линий;

- определить степень экспрессивности и пенетрантности признака фасциации стебля в зависимости от условий выращивания;

- провести сравнительный морфо-анатомический анализ фасциированных и исходных форм;

- провести сравнительный анализ продуктивности исходных форм и фасциированных растений.

Научная новизна и практическая значимость работы. Показано, что взаимодействие гена булавовидности стручка мутанта 90 с генами хлорофилль-ных мутантов ведет к возникновению новых форм с фасциированным стеблем. Выявлена положительная корреляция между степенью фасциации стебля и продуктивностью. Методом гибридологического анализа впервые выделены линии с ярко выраженной специфичностью типов наследуемой фасциации стебля, которые в зависимости от вариантов скрещивания мутанта 90 с хлорофилльными мутантами имеют- плоско-лентовидную, спиральнотлентовидную, карликовую и крестовидную формы стебля. Продуктивность полученных фасциированных растений превышала продуктивность исходных мутантов. Целенаправленный подбор мутантов для получения гибридов с фасциацией стеблей и плодов может служить основой для создания высокопродуктивных сортов культурных растений.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в материалах б научных международных и республиканских конференциях: 36-й международной научной конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 1998 г.; республиканской конференции, посвященной 50-летию ТГНУ «Физиолого-биохимические основы продуктивности растений», Душанбе, 1998 г.; на конференции молодых ученых Академии наук Республики Таджикистан, посвященной 50-летию Академии наук Республики Таджикистан, Душанбе, 2001 г.; 2-й международной конференции молодых ученых «Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений», Харьков, 2003 г.; конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития физиологии растений», посвященной 40-летию Института физиологии растений и генетики Академии наук Республики Таджикистан и 80-летию города Душанбе, 2004 г.; конференции «Современные проблемы генетики, радиобиологии, радиоэкологии и эволюции», посвященной Н.В. Тимофееву-Ресовскому, Ереван, 2005 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 2 рисунка, 20 таблиц, 7 графиков, 5 гистограмм и 17 фотографий. Список цитируемой литературы включает 100 источников, в том числе 15 на иностранных языках.

Объект исследования:

Arabidopsis thaliana (L.) НеупЬ.-резушка Таля- высшее растение из семейства крестоцветных, листья опушенные, листья розетки зубчато—ланцетовидные, на стебле обратно—яйцевидная рыхлая кисть . [Тахтаджян, 1966]. Цветки 4-х-лепестковые, 4-х-тычиночные, белого цвета. Использованные в исследовании хлорофилльные мутанты находятся в 5-ой группе сцепления. Мутанты - 58/15, 12.6.15, V-76 аллельны и относятся к одному локусу flavi 1; 58/15- flavi 1-1, мутант 12.6.15- flavi 1-2, V-76- flavi 1-5. Мутант 568/5 относится к локусу chlorine 5. Мутант 130 относится к локусу clavovilidis [Усманова, 1990]. Морфологический

мутант 90 (фасциированный стручок), мутанты с1ауа1а, расы Энхайм, Колумбия, Бланус. Подробное описание мутантов и рас приводится в диссертации.

Методы и условия проведения исследований.

Воздушно-сухие семена арабидопсиса указанных выше мутантов высевались в пикировочные ящики, размером 15 на 30 см. Состав субстрата и уход за растениями описаны в одной из наших работ [Усманов, Николаева, 2003]. В фазах бутонизации—цветение проводилось скрещивание по общепринятой методике [Усманов, Мюллер, 1970].

Для наблюдения за ростовыми процессами брались 100 модельных растений каждой линии арабидопсиса. Фенологические наблюдения проводились каждые 3 дня до фазы бутонизации, затем каждые 5 дней до окончания фазы плодоношения.

Анатомические срезы стеблей арабидопсиса делались вручную при помощи острой бритвы. Для фиксации анатомических срезов применялась среда Яковлева (60 мл дистиллированной воды, 36 мл 96% этилового спирта, 4 мл ледяной уксусной кислоты, 6 мл формалина). Для окрашивания препаратов применялась метиленовая синь. В работе применялся микроскоп МБИ-5 и рисовальный аппарат РА-4 [Паушева, 1988].

Содержание хлорофиллов определяли по методике, описанной в работах А. С. Вечера (1961) и Т.Н. Годнева (1961). Для определения оптической плотности раствора хлорофилла мы использовали спектрофотометры Эреко! (Швеция) и СФ-26 М (ЛОМО). Данные статистически обработаны [Рокитский , 1973].

Экспериментальная часть исследований проводилась на протяжении 19982004 годов. Эксперименты проводились на Биостанции «Сиёкух», расположенной на высоте 2300 м над уровнем моря, и в Отделе генетики Института физиологии растений и генетики АН РТ, г. Душанбе.

Эксиериментальная часть Феногенетика фасциированных мутантов арабидопсиса и исходных форм

Нами проводились фенологические наблюдения за растениями арабидопсиса рас Бланус, Энхайм, Колумбия (дикий тип), мутанта 90 и хлорофилльных мутантов (родительские формы), а также за фасциированными растениями (полученными от скрещивания мутанта 90 с хлорофилльными мутантами).

■- Из табл. 1 видно, что мутант 90 и хлорофилльные мутанты имеют замедленное развитие по сравнению с расами Колумбия, Энхайм, Бланус.

■ Сравнивая данные табл. 2, можно видеть, что фаза бутонизации наступает у фасциированных растений позже, чем у мутанта 90. Однако дальнейшее развитие фасциированных растений происходит теми же темпами, что и мутанта 90. Они нормально цветут, плодоносят и дают обильный урожай. Фенологические наблюдения проводились в г. Душанбе и на Биостанции «Сиёкух». Из табл.3 видно, что расы по высоте стебля, количеству стеблей, количеству стручков, количеству семян в стручке, диаметру розетки, количеству розеточных листьев мало отличаются между собой. Мутанты между собой значительно отличаются по этим показателям. Мутант 90 самый высокий и превосходит другие по количеству стручков, семян в стручке и розеточных листьев. Хлорофилльные мутанты имеют меньшую высоту, чем мутант 90 и расы Колумбия, Энхайм, Бланус. У них также меньше стручков и семян в стручке. Мутант 90 чуть ниже рас Бланус, Колумбия, Энхайм, но имеет больше стручков и семян в стручке. Диаметр розетки у мутанта 90 меньше, чем у других мутантов, а также рас Бланус, Энхайм и Колумбия. Возможно, уменьшение размера диаметра розетки компенсируется увеличением количества розеточных листьев. Мутант 90 всегда имеет один стебель в отличие от других мутантов и рас, которые имеют от 2 до 4 стеблей.

Таблица 1

Фенологические наблюдения роста и развития рас и мутантных линий АгаЫ<1ор51з ЙшНапа

Фазы развития

Название семя- 1-ая пара 2-ая па- Буто- цве- плодо- созрева-

линии дольные розеточ- ра розе- низа- тение ноше- ние

листья ных листьев точных листьев ция ние

Расы Наступление фазы с начала посева (дни). Посев 26.02.1999г., г. Душанбе

Колумбия 11 21 17 29 35 45 67

Энхайм 11 22 14 30 37 43 65

Бланус 11 20 12 32 39 43 бб

Мутанты

90 И 21 25 38 51 56 60

V-76 12 21 26 45 55 62 77

12.6.15 13 23 27 46 55 62 72

130 12 22 25 40 53 60 71

58/15 12 23 26 46 55 63 76

568/5 11 22 26 40 55 60 75

Расы Наступление фазы с начала посева (дни). Посев 16.06.1998 станция «Сиёкух» г Био-

Колумбия 6 10 17 43 53 72 88

Энхайм 6 9 18 41 55 70 90

Бланус 7 10 16 42 56 73 91

Мутанты

90 6 12 20 45 60 74 90

V-76 6 17 20 46 66 76 100

12.6.15 6 17 21 51 68 80 105

130 7 12 20 43 60 74 94

58/15 6 16 21 46 65 78 120

568/5 7 13 20 43 64 76 100

Таблица 2

Фенологические наблюдения роста и развития рас и фасциированных растений. г.Душанбе. Посев 22.02. 2000 г.

Фазы развития

Название линий Семя дольные листья 1-ая пара розеточных листьев 2-ая пара розеточных листьев бутонизация цветение плодоношение созревание

Расы Наступление фазы с начала посева (дни)

Колумбия 11 24 30 52 56 54 67

Энхайм и 24 31 52 57 53 68

Бланус 11 23 32 53 58 55 70

Мутант

90 11 |24 | 35 | 60 | 65 |57 | 77

Фасциро-ванные растения, потомки от скрещивания

90хУ-7б 12 28 36 66 70 77 82

90x12.6.15 12 27 37 65 71 76 83

9 Ох 130 12 29 36 64 72 77 86

90x58/15 12 28 36 66 72 77 85

90x568/5 12 28 37 67 73 78 86

Количественные признаки рас и мутантных линий, г. Душанбе. Посев 31.03. 1998 г.

Таблица 3

Название линий Высота, см Диаметр розетки, см Количество, шт.

листьев в розетке стеблей стручков семян в стручке семян на одно растение

Расы

Колумбия 35,3+1,2 6,1+0,05 6,4+0,1 2,5+0,01 32,3+1,5 25,2+1,5 813,96

Энхайм 35,1+2,1 6,5+0,03 6,5+0,2 3,7+0,02 36,7+0,4 28,6+1,8 1049,62

Бланус 36,7+0,2 6,7+0,05 6,1+0,3 3,5+0,06 36,6+2,1 26,4+0,7 966,24

Мутанты

90 30,8+2,2 3,2+0,05 12,7+0,2 1 95,1+3,1 50,3+2,1 4783,53

V-76 10,3+0,3 3,4+0,06 6,6±0,3 4,5+0,05 20,2+1,2 15,3+1,1 309,06

12.6.15 12,7+0,2 5,1+0,05 6,2+0,3 3,4+0,04 18,7+0,6 16,6+0,4 310,42

130 20,9+0,5 5,2+0,05 6,3±0,1 3,9+0,06 30,4+0,5 20,6+1,3 626,24

58/15 10.3+0.07 6.4+0,05 6,2+0.03 2,5+0,01 22,3+0,7 15,5+1,1 345,65

568/5 20,7+0,2 5,2+0,07 6,7+0,09 3,75+0,2 25,7+1,2 22,9+1,7 588,53 '

Гибридологический анализ мутантов

Весной 1999 г. в лаборатории физиологической генетики (г. Душанбе) были посеяны семена р1-поколения. Растения имели вид дикого типа. Это говорит о рецессивном характере наследования изучаемых мутаций. Был произведен индивидуальный сбор и осенью 1999 г. посеяны семена Р2 - поколения. Анализируя данные по дигибридному скрещиванию (табл. 4), мы выявили в некоторых случаях несоответствие независимому комбинированию. На этом основании мы можем предположить, что гены хлорофилльной недостаточности и ген булаво-видности стручка сцеплены. Аналогичную картин> мы можем наблюдать при расщеплении Р2 - поколения среди растений, выросших летом 2000 г. на Биостанции «Сиёкух» (табл.6).

Таблица 4

Анализ расщепления в Бз по форме стручка и окраске растения (дигибрид-ное расщепление). Осень 1999 г.

Вариант скре- Всего Дикие Зеле- Жел- Жел- ^ — Г Р

щивания му- расте- ные тые тые 9:3:3:1

тантов ний була- про- була-

вовид- стые вовид-

ные ные

90x12.6.15 156 105 31 15 5 12,74 >0,05

90хУ-76 70 49 10 11 0 7,81 <0,05

90x568/5 116 85 19 7 5 17 >0,05

90x58/15 130 93 30 4 3 26,96 >0,05

90x130 126 80 27 12 7 7,47 <0,05

Однако предположение о сцеплении можно отвергнуть, так как по нашим данным, наблюдаемое отклонение от расщепления 9:3:3:1 в Р2 связано, главным образом, с резким дефицитом хлорофилльных мутантов. На основании полученных значений компонента "¡¿ч-.уъл и компонентов по каждому признаку

2

можно рассчитать компоненту % ь выявляющую отклонение от независимости расщеплений по двум признакам. = Х29:3:3:1 " Х2Д, 3:1 - 3:1 (табл. 5,7), где А-компонента по признаку морфологии стручка, В-компонента по цвету листьев. Значение степеней свободы 1.

Таблица 5

Разложение на компоненты

Вариант скрещивания мутантов Х2А Л Л

90x12.6.15 0,3 12,33 0,11

90хУ-76 4,28 3,2 0,33

90x568/5 1,15 17 2,59

90x58/15 0,0101 26,68 0,27

90x130 0,26 6,55 0,66

Таблица 6

Анализ расщепления в Р2 (дигибридное расщепление) по окраске растения и форме стручка (посев - лето 2000 г. Биостанция «Сиёкух»)

Вариант скрещивания мутантов Всего растений Дикие Зеленые булавовидные Желтые простые Желтые булавовидные х2 Р 9:3:3:1

90x12.6.15 217 142 31 33 11 7,68 <0,05

90хУ-76 234 149 48 28 9 10,58 >0,05

90x568/5 384 217 77 68 22 0,74 <0,05

90x58/15 278 169 56 36 17 6,31 <0,05

90x130 276 155 51 53 17 0,036 <0,05

Таблица 7

Разложение на компоненты

Вариант скрещивания мутантов Х2а --v Х'в УЛ

90хУ-76 0,04 10,53 0,01

Пенетрантность и экспрессивность фасциированных мутантов араби-допсиса при различных условиях вегетации

Теоретически можно предположить, что фасциированных растений, если они гетерозиготны, по гену хлорофилльной недостаточности должно быть 66,66% по отношению к зеленым булавовидным во втором поколении. Фактически, фасциированных растений оказалось меньше и не в одинаковом количестве для разных типов скрещивания. Фасциированных растений должно было быть 12,5% к общему количеству. Фактически, эта величина варьировала от 0,79% до 15,79% (табл.8). Уменьшение количества фасциированных растений по отношению к зеленым булавовидным можно объяснить неполным проявлением признака фасциации Увеличение количества фасциированных к общему числу рас-тенЯТГможно объяснить гибелью желтых растений. '

Таблица 8

Количество фасциированных растений во втором поколении в зависимости от условий выращивания (%)

Вариант скрещивания мутантов По отношению к зеленым булавовидным растениям По отношению к общему числу растений

осенние посевы весенние посевы летние посевы осенние посевы весенние посевы летние посевы

90x58/15 20 56,52 17,6 4,62 13,29 3,6

90xV-76 50 35,29 13,9 10 6,59 2,8

90x568/5 47,37 26,32 12,1 7,76 6,02 3

90x12.6.5 41,94 44 27,4 8,33 14,29 4,5

90x130 7,14 37,5 3,8 0,79 15,79 0,7

Для удобства работы с мутантами были введены рабочие шифры. Так, потомки от скрещивания 90 х 12.6.15 обозначены как линия А, от 90 х V-76- линия Б, от 90 х 58/15- линия В, от 90 х 130- линия Г, от 90 х 568/5- линия Д.

Весной 2000 г. было посеяно третье поколение для проверки гипотезы о ге-терозиготности фасциированных растений. Учет пенетрантности в F3 представлен в табл. 9. Из нее видно, что признак фасциации обладает большой вариабельностью. Теоретически, если фасциированные растения гетерозиготны по гену хлорофилльной недостаточности, мы должны ожидать следующее расщепление: 1 часть булавовидных зеленых гомозигот, 2 части булавовидных гетеро-зигот, 1 часть желтых булавовидных гомозигот. В случае 100% выживаемости представителей всех классов фасциированных растений должно быть около 50%. Этому требованию отвечают линии Б1, Б2, ДЗ. В случае гибели желтых булавовидных растений количество фасциированных ожидается около 66,66%. Этому требованию соответствуют линии A3, В2, В4. Однако, есть линии с высокой и даже 100% фасциацией. Из табл. 9 следует, что признак фасциации про-

является по-разному. Линии А..., В..., Д... имеют высокий процент фасцииро-ванных растений, а линии Б - средний, линии Г...—низкий.

Осенью 2000 г. были высеяны семена, взятые от сильно фасциированных растений, растений со средней степенью фасциации и со слабо выраженной фасциацией. Зимой 2000-2001 г.г. было получено Р4 - поколение. Был произведен учет пенетрантности в Р4- поколении (табл. 10).

Таблица 9

Количество фасциированных растений в Из ( %). Посев 26.02. 2000 г.

Потомки от скрещивания мутантов

90x12.6.15 90хУ-76 90x58/15 90x130 90x568/5

А1-75,47 Б1 -52,75 В1-76,74 Г1 -12,28 Д1 -24,71

А2 -42 Б2 -55,26 В2 -66,67 Г2 -0 Д2 -96,43

АЗ -61,82 БЗ -24,39 ВЗ-100 ДЗ -50

А4-0 В4 -66,67

Таблица 10

Пенетрантность в Р4 фасциированных растений (%). Осень 2000 г. - зима 2001 г.

Потомки, полученные от скрещивания мутантов

90x12.6.15 90хУ-76 90x58/15 90x130 90x568/5

А1*Г5**- 62,07 А1В -37,3 А1Г2- 42,11 А1Е1-60 Б1Д2 -56 Б1Е4-23 Б1Ж1 -0 В1АЗ -22,58 В1ЖЗ -26,67 В1ДЗ -46,67 В1ГЗ -63,64 В1ГЗ -100 В1Ж1 -100 Г1Г2-0 Г1Г4 -3 Г1Г4-3 Д1Е4- 17,86 Д1ДЗ-22,73

А2ЖЗ- 40 А2Д5 -20 А2Г4-18 А2Г2- 9 Б2Б1 -100 Б2Г1 -41,3 Б2Д2 -12,5 Б2БЗ -43,75 ВЗЖ1 -60 — Д2АЗ -2,67 Д2В1 -9,09

АЗГ5- 18,18 АЗД1- 17,65 АЗДЗ -25 A3A5-ll.il АЗЖ2- 60,05 БЗБ4-17,89 БЗГ2-5.4 ДЗВЗ -0 ДЗАЗ -14,29. ДЗГ5 -!2 ДЗЕ2 -20

*Примечание: индекс обозначает номер растения во втором, поколении,

от которого произошла линия; **вторая буква и цифра обозначают место растения в культивационном ящике при выращивании третьего поколения. Ящик делили на сектора, наподобие шахматной доски по длине ящика - буквенное обозначение, по ширине — цифровое. Каждый сектор соответствует лунке, куда было посеяно растение.

Теперь можно говорить о пенетрантности, так как были получены чистые линии, пенетрантность у них колебалась в пределах 50-60%, за исключением линий Б1Б1, В1ГЗ, В1Ж1 со 100% фасциацией. Согласно данным табл. 10, пенетрантность фасциации затухает у потомков от скрещивания 90x130 в четвертом поколении. Пенетрантность фасциации у остальных линий остается приблизительно на одинаковом уровне, на протяжении 7 поколений.

Экспрессивность фасциации была выражена в баллах (Гершензон, 1983). Экспрессивность (среднестатистическое значение) для фасциированных линий А=3,19; Б=3,5;В=4,65;Г=1 ;Д=3.

Типы фасциации, наблюдаемые в процессе эксперимента.

1. Плоская лентовидная фасциация. Стебель на высоте 1-2 см расплющивается и превращается в ленту шириной 3-6 мм, высота растения 20-35 см, диаметр розетки 4 см. В случае ярко выраженной экспрессии стебель расширяется у основания и достигает в ширину 1,5 см. Данный тип фасциации характерен для потомков линии Б2Г1.

2. Спирально-лентовидная фасциация. При данном типе фасциации стебель растения на высоте 5-6 см закручивается в кольца, может делать от 1 до 3 оборотов, ширина стебля - 5-7 см, высота растения- 15-20 см, диаметр розетки - 4 см. Данный тип фасциации характерен для линий А1В4, А1Е1, АЗЖ2. Растения представляют собой пространственно закрученную спираль, состоящую из плотно прижатых друг к другу колец. В некоторых случаях от фасциирован-ного стебля отходят нормальные ветки.

3. Крестообразная фасциация. При данном типе фасциации высота растения достигает 15-20 см, диаметр розетки -3-4 см, ширина стебля -5-7 мм, стебель очень толстый, ребристый, неполегающий. Стебель образует 4 довольно широких ребра, на продольном срезе стебель имеет форму креста. Он состоит как бы из двух перпендикулярно перекрещивающихся стеблей. В случае слабо выраженной фасциации на стебле образуется 3 ребра. Признак хорошо держится и специфичен для линий В1ГЗ и В1Ж1.

4. Карликовая фасциация. Растения с очень широким стеблем, до 2 см, изогнутые крючком, но имеющие небольшую длину — до 5 см. Стебель таких растений в нескольких местах может быть разорван и от фасциированного стебля отходят нормальные ветви, диаме!р розетки — 3 см. Подобный тип фасциации встречается у растений - потомков от скрещивания 90хУ-76.

Цветки у фасциированных растений 5ти лепестковые или 6—ти лепестковые, стручки булавовидные, число перегородок в стручке 4-5, в отличие от стручков мутанта 90 с тремя перегородками.

Нами наблюдалось необычное явление - у потомков от скрещивания 90x58/15 из полураскрытого стручка выходила ветка с недоразвитыми бутонами.

Интересно отметить тот факт, что ген АаУ1 1 в трех аллельных состояниях дает различные типы фасциаций. Мутант Яау1 1-5 (У-76) при скрещивании с мутантом 90 дает лентовидную фасциацию, мутант Пау1 1-2 (12.6.15) при скрещи-

вании с мутантом 90 дает спиральную фасциацию и flavi 1-1 (58/15) от скрещивания с мутантом 90 крестообразную фасциацию.

Существование линий с высокой, а также со 100% — фасциацией может быть объяснено присутствием в геноме этих растений малых генов (модификаторов), которые усиливают действие главных генов [Авдеев, 2003]. Мутант 90 произошел от расы Бланус, хлорофилльные мутанты - от рас Колумбия и Эн-хайм. Высокая пенетрантность фасциации у мутанта 90 в потомстве от скрещивания с аллельными хлорофилльными мутантами, 58/15, 12.6.15, V-7б, полученными на основе расы Энхайм может быть связана с наличием в геноме этой расы гена-модификатора, усиливающего проявление мутации clavata.

Морфологический сравнительный анализ фасциированных мутантов и мутанта 90

Весной 2000 г. было высеяно третье поколение и проведен сравнительный анализ количественных характеристик фасциированных растений, мутанта 90 и рас Бланус и Колумбия. Анализ данных, сведенных в табл. 11, показывает, что количество розеточных листьев, семян в стручке, ширина стебля у фасциированных растений больше, чем у мутанта 90. Чем ниже фасциированное растение, тем шире у него стебель, диаметр розетки уменьшается с понижением высоты растения, но увеличивается количество розеточных листьев. Из табл. 11 видно, что ширина стебля у фасциированных растений в 3-4 раза превосходит ширину стебля у мутанта 90. Диаметр розетки и высота растений меньше у фасциированных растений, чем у мутанта 90. Количество розеточных листьев больше. Цветки фасциированных растений 5-лепестковые, с 9 тычинками. В отличие от расы Бланус, растения которой формировали 2-3 цветка и 5-6 бутонов, мутант 90 имеет одновременно 5-6 цветов и 10-15 бутонов. У фасциированных растений может цвести до 20 цветков и сформироваться много бутонов, соцветие представляет собой плотно сжатую корзинку или гребень. Сравнивая данные табл. 11 и 13, можно видеть, что фасциированные линии превосходят мутанты clavata по количеству стручков, исключение - мутант civ 2-3. Однако в большинстве случаев число стеблей у них больше одного, у фасциированных же всегда один стебель. Стебель у мутантов clavata всегда округлой формы, диаметр 1-2 мм (исключение - мутанты civ 2-3, civ 3-2, диаметр стебля Змм), у фасциированных он плоский, ширина его в отдельных случаях может достигать 1,5 см. Анализируя табл. 14, 15, можно видеть, что сильно фасциированные линии по относительному количеству стручков во много превосходят мутанты clavata.

Морфологическая характеристика и семенная продуктивность мутанта 90 и фасциированных линий в Р3. Посев г. Душанбе, 26.02.2000 г.

Таблица 11

Название линий Высота растений, см Диаметр розетки, см Количество на одно растение, шт. Ширина стебля, мм

розеточных листьев стручков семян в стручке семян

Мутант 90 30,5+2,2 3,5+0,1 11,9+0,4 139,6±9,4 49,5+3,2 6811 1,2+0,02

Фасциированные линии

А1 23,5+1,6 3,2+0,2 15,5+0,3 156,5+10 75,8+4 11700 3,4+0,1

А2 26,8+1,2 3,5+0,09 14,3+0,3 148,7+9,5 69,7+3,2 1036,39 3,5+0,2

АЗ 25,7+1,1 3,4+0,07 14,8+0,5 147,2+8,2 70,6+3,1 10392,32 3,6+0,2

Б1 21,1+0,8 2,6+0,04 16,2+0,2 160,2+11 72,3+4,1 11582,46 4,2+0,4

Б2 20,3+0,7 2,7+0,05 15,8+0,3 155,6+9,3 68,7+3,1 10689,72 4,4+0,2

В1 15,6+0,3 2,8+0,04 17,6±0,7 151,4+9,7 65,2+2,8 9871,28 4,1+0,1

В2 22,2+1,4 3,1+0,06 16,8+0,6 148,3+8,4 63,7+2,5 9446,71 3,9+0,3

ВЗ 21,4+1,7 3,2+0,05 15,6+0,6 146,2+7,6 69,7+3,2 10074 3,7+0,2

Г1 23,1+1,3 3,5+0,08 12,1+0,1 142,3+7,4 50,2+3,1 7143,46 1,4+0,06

Д1 25,2+1,5 3,5+0,09 13,1+0,2 140,4+7,5 49,5+2,8 6949,8 3,2+0,05

да 21,5+1,4 3,3+0,07 16,4+0,4 142,3+8,2 55,7+3,3 7926,1 3,4+0,2

дз 22,7±1 3,2+0,04 15,2+0,3 144,6±8,6 57,4+3,4 8300,04 3,5+0,3

Таблица 12

Семенная продуктивность различных линий АгаЫс1ор51з 1ЬаНапа в Р4 г. Душанбе. Посев 03.09. 2000 г.

Название линий Высота растений, см Ширина стебля, мм Количество, шт.

стручков семян в стручке семян на одно растение

Колумбия 22+2,3 1+0,2 30+2,2 30,5+3 900

Энхайм 34+3,7 1+0,1 22+3,2 29+2,3 638

90 24+4,4 1,3+0,3 60+3,4 49,5+3,2 2970

АЗД1 сил.фас 32+1,7 7,4+0,3 90+5,3 75,8+4 6822

АЗД1 сл.фас 35+4,2 3,2+0,2 49+4,1 69,7+3,2 3415

АЗД1 н/фас. 19+1,3 1,4+0,3 38+0,2 70,6+3,1 2666

Б2Б1 сил.фас 27+1,7 8,4+0,3 98+5,3 69,8+6 6762

В1Ж1сред. фас 18+1,5 7,3+0,3 60+3,6 63,7+2,5 3822

В1Ж1сил. фас. 7+0,7 8,5+0,4 70+1,5 69,7+3,2 4879

В1ДЗ сл.фас 32+3,4 4,6+0,7 60+2,1 50,2+3,1 3012

Д2АЗ сл.фас. 33+2,7 2,4+0,3 40+2,1 72,3+4,1 2892

Д2Г5 н.фас. 35+3,1 1,7+0,3 32+1,8 68,7+3,1 2198

Д2В1 сл.фас 44+4,7 1,8+0,1 48+2,6 65,2+2,8 3129

Примечание: сш.фас.-стьная фасциация, ср.фас.-средняя, сл. фас.-слабая фасциация, н/фас.-не фасциированное

Таблица 13

Семенная продуктивность мутанта 90 и мутантов с1ауа1а. Посев в г. Душанбе, 22.02.2000 г\

Мутанты Количество, шт.

стручков на стручков на семян в стручков на семян на одно

главном боковых стручке одно растение растение

стебле ветках

90 80,1+5,2 80,0+5,2 66+2,1 160 10560

clv 1-1 60,5+5,1 55,2+2,5 51+2,5 115 5865

clv 1-2 62,5+6,14 58,6+7,6 50+5,0 121 6050

clv 1-4 68,5+2,7 89,8+5,7 80+2,2 157 12560

clv 1-6 41,1+3,86 56,3+7,6 82+2,5 97 7954

clv 1-7 40,3+3,7 54,3+6,9 69+2,2 94 6486

clv 2-3 98,8+2,2 87,1+5,0 56+2,0 185 10360

clv 3-1 62,5+5,2 30,2+2,5 80+3,5 90 7200

clv 3-2 69,3+3,9 35,6+7,6 83+2,3 104 8632

Таблица14

Плотность расположения стручков мутантов с1ауа1а и мутанта 90. Посев в г.Душанбе, 22.02.2000 г.

Мутанты Высота от 1-го Количество Количество

стручка до ' стручков стручков

соцветия, см на главном на 1 см

стебле, шт. стебля, шт.

90 22,03+1,3 80,1+5,2 3,6

СIV 1-1 27,4+1,2 60,5+5,1 2,2

с IV 1-2 23+2,4 62,5+6,1 2,6

с IV 1-4 17,8+3,1 68,5+2,7 3,7

С1У 1-6 13,8+2,5 41,1+3,8 2,9

сIV 1-7 13,3+2,3 40,3+3,7 3,0

С1У 2-3 5,5+1,2 98,8+2,2 16,0

С1У 3-1 13+1,8 62,5+5,2 4,7

С!У 3-2 7,1±1,1 69,3+3,9 9,8

Таблица15

Плотность расположения стручков различных линий АгаЫ(1ор518 ИтаНапа

Название Высота Относительное количе-

линий от 1-го стручка ство стручков на

до соцветия, см 1 см стебля

Колумбия 8+0,4 1,75

Энхайм 12+1,3 1,83

Бланус 20+2,2 1,4

90 10,5±0,6 4,5

АЗД1 сил.фас 16+1,3 5,63

АЗД1 сл.фас 7±0,3 3,06

АЗД1 н/фас. 19+1,3 2,57

В1Ж1 сред, фас 14+1,1 7,5

В1Ж1сильн. фас. 21+2,1 26.67

В1ДЗ сл.фас. 25+2,4 4,0

Д2АЗ сл.фас. 8±0,3 2,86

Д2Г5 н.фас. 1,5+0,2 1,52

Д2В1 ср.фас. 15+1,3' > . 1,92

Примечание: сил.фас.-сильная фасциация, ср.фас.-средняя, сл. фас.-слабая фасциация, н/фас.-ке фасциированное

Таблица 16

Содержание хлорофилла в листьях арабидопсиса (мг/г сырого веса)

Название линий Фазы развития

бутонизация цветение плодоношение

Колумбия 0,95±0,02 1,4+0,01 1,1 ±0,04

Мутант 90 0*9+0,04 1,6+0,02 0,9+0,02

Фасциированные линии

В1Ж1 0,71+0,04 1,04+0,06 0,87+0,02

Б1Б2 0,8+0,041 0,94+0,039 0,81+0,031

Д2В1 0,76+0,031 0,85+0,02 0,79+0,043

Хлорофилльные мутанты

58/15 0,39+0,024 0,6+0,041 0,51+0,03

У-76 0,4+0,04 0,58+0,051 0,51+0,071

568/5 0,23+0,029 0,49+0,07 0,34+0,042

Из табл. 16 следует, что у расы Колумбия содержание хлорофилла самое высокое (она была выбрана в качестве контроля). Наблюдается его уменьшение у фасциированных линий арабидопсиса, а наименьшее его количество свойственно хлорофилльным мутантам. Самое высокое содержание хлорофилла обнаруживается в фазе цветения.

Сравнительный анатомический анализ фасциированных и не фасциированных мутантов

Основным отличием фасциированного стебля от нормы является то, что стебель имеет в поперечнике вытянутую, эллипсоидную форму, при этом проводящие пучки мелкие, но нормально сложенные, хотя и имеют меньшее количество клеток флоэмы и ксилемы. Количество проводящих пучков в норме и при фасциации резко отличается. В норме в стебле насчитывается всего 5-6 пучков, а в фасциированном стебле-около 27. Количество проводящих пучков у фасциированных растений колеблется в достаточно широких пределах. Так, на 9 срезах фасциированных растений было обнаружено от 15 до 29 проводящих пучков.. Камбий представлен фактически одним слоем и не имеет яркой выраженности. Клетки эпидермы, так же, как и в норме, покрыты восковой кутикулой и имеют таблитчатую форму. Сердцевина фасциированных растений рыхлая со следами дегенерации. Паренхима коры, в отличие от нормы, сразу же переходит в склеренхиму и к проводящим пучкам, что говорит об отсутствии ряда элементов, таких, как эндодерма, перициклическое кольцо (рисунки анатомических срезов приведены в диссертации). Все вышеизложенное свидетельствует о фасциа-

ции стебля, то есть о срастании как минимум, 4-5 стеблей растений или точек роста, что мы, в свою очередь, связываем 'с результатами скрещивания мутанта 90 с хлорофилльными мутантами и образованием аномального типа строения стебля во втором поколении.

Выводы.

1. Ярко выраженный эффект фасциации стебля у арабидопсиса был выявлен при скрещивании мутанта 90 и хлорофилльных мутантов V-76, 12.6.15, 58/15, 568/5, 130. Феномен фасциации стебля наблюдался только'среди класса зеленых булавовидных растений.

2. Наблюдалось 4 типа фасциации: плоско-лентовидная и карликовая -у потомков от скрещивания мутантов 90xV-76, спирально —лентовидная - у потомков от скрещивания мутантов 90x12.6.15, крестообразная - у потомков от скрещивания мутантов 90x58/15.

3. Пенетрантность феномена фасциации стебля у арабидопсиса колеблется от 1% до 100 %. Пенетрантность фасциации зависит от условий выращивания. У растений летних посевов пенетрантность фасциации намного ниже, чем у растений весенних и осенних посевов.

4. У потомков в четвертом поколении, полученных от скрещивания мутантов 90x58/15 и от скрещивания мутантов 90x12.6.15, пенетрантность фасциации колеблется в пределах 50-60%. Исключение составляют линии Б2Б1 (от скрещивания мутантов 90xV-76) и В1ГЗ, В1Ж1 (от скрещивания мутантов 90x58/15), пенетрантность фасциации которых составляет 100%. У потомков, полученных от скрещивания мутантов 90x568/5, пенетрантность признака фасциации колеблется в пределах 20-24%. Потомки от скрещивания мутантов 90x130 обладают низкой пенетрантностыо - 3%. Экспрессивность признака фасциации колеблется от 1 до 4, 65 баллов.

5. Высокая пенетрантность фасциации мутанта 90 в потомстве от скрещивания с аллельными хлорофилльными мутантами, 58/15, 12.6.15, V-76, полученными на основе расы Энхайм, может быть связана с наличием в геноме этой расы генов-модификаторов, усиливающих проявление мутации clavata.

6. Фасциация вызывает значительную задержку фазы бутонизации по сравнению с мутантом 90. Сравнительный морфологический анализ показал, что фасциированные растения имеют меньший диаметр розетки, но большее количество розеточных листьев, чем исходные формы. У фасциированных растений в несколько раз шире стебель,' чем у мутанта 90. Соцветие у фасциированных растений - плотная корзинка или гребень в отличие от соцветия «кисть» у мутанта 90.

7. Сильно фасциированные линии превосходят . мутант 90 ho количеству стручков и семян в стручке по абсолютным и относительным показателям. Сильно фасциированные линии превосходят мутанты clavata по количеству стручков и семян в стручке по относительным показателям.

8. У растений расы Колумбия самое высокое содержание хлорофилла. Наблюдается его уменьшение у фасциированных линий арабидопсиса, наименьшее содержание хлорофилла свойственно хлорофилльным мутантам,

9. Сопоставительное анатомическое исследование стеблей фасциированных и не фасциированных растений показало, что имеются некоторые особенности в строении фасциированного стебля. Для фасциированных растений характерно большее количество проводящих пучков и отсутствие в проводящих пучках эндодермы и перициклического кольца.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора:

1. Николаева Ю.Е., Старцев Г.А. Возникновение фасциации при взаимодействии мутантных генов у арабидопсиса талиана //Тр. респ. конф., посвящ. 50-летию ТГНУ «Физиолого-биохимические основы продуктивности растений» (26 мая 1998 г.)//-Душанбе, 1998.-С.37-38 .

2. Николаева Ю.Е. К вопросу о природе фасциации// Тр. 36-й международной научной конф. «Студент и научно-технический прогресс» - Новосибирск, 1998. -С.20 .

3. Николаева Ю.Е. Изучение фасциации на арабидопсисе//Конф. молодых ученых Академии наук Республики Таджикистан, посвященная 50-летию Академии наук Республики Таджикистан. Душанбе, 2001.-С. 59-61.

4. Николаева Ю.Е., Усманов П.Д. Феногенетические характеристики мутантов «clavata» Arabidopsis thaliana в условиях Таджикистана. — Известия АН РТ, Отд. биол. и мед. наук . - №1(148). - 2003. - С.48-53.

5. Николаева Ю.Е. Феногенетическое описание фасциированных мутантов арабидопсиса, полученных при скрещивании мутанта 90 с желто-зелеными ли-ниями//Тр.2-й международной конф. молодых ученых «Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений». - Харьков, 2003-С.72.

6. Николаева Ю.Е. Изучение фасциации у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. «Актуальные проблемы и перспективы развития физиологии растений», посвященной 40-летию Института физиологии растений и генетики Академии наук Республики Таджикистан и 80-летию города Душанбе. Душанбе, 2004,-С. 106.

7. Николаева Ю.Е. Сравнительный морфологический анализ фасциированных мутантов, полученных при скрещивании мутанта 90 с хлорофилльными ли-ниями//Вестник национального университета. Сер. Естественные науки- Душанбе, 2004.-№4.- С. 106-110.

8. Nikolaeva Yu.E. The study of phenomenon of fasciacia on the Arabidopsis thaliana.//Abstracts, papers by young scientists. 2-th international conference "Modern problems of genetics, radiobiology, radioecology and evolution." Yerevan 2005,-P.239-241.

БЛАГОДАРНОСТЬ:

Автор выражает благодарность доктору биологических наук, академику АН РТ Каримову Х.Х. доктору биологических наук кафедры генетики МГУ Ежовой Т.А., и кандидату биологических наук Донцовой C.B. за научные консультации.

Подписано в печать 4.08.2006 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,6 Тираж 100. Заказ № 80

Отпечатано в ООО «Рафиграф»

Адрес: г.Душанбе, ул. Бохтар, 21 Тел.: 221-52-21; 221-59-11

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Николаева, Юлия Евгеньевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. История исследования явления фасциации.

1.2. Типы фасциации.

1.3. Причины возникновения фасциации.

1.4. Использование арабидопсиса как объекта генетических исследований

Глава 2. Объект, методы и условия проведения исследований

2.1. Характеристика объекта исследований.

2.2. Методы исследований.

2.3. Место и условия проведепия экспериментов.

Глава Экспериментальная часть

3.1. Феногенетика фасциированных и исходных форм арабидопсиса.

3.2. Гибридологический анализ.

3.3. Пенетрантность и экспрессивность фасциироваппых линий арабидопсиса при различных условиях вегетации

3.4. Морфологический сравнительный анализ фасциированных мутантов и мутанта 90.

3.5. Сравнительный анатомический анализ фасциированных и нефасциированных растений.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Физиолого-генетические аспекты явления фасциации на примере модельного объекта Arabidopsis thaliana (L.) Heynh"

Актуальность работы. Феномен фасциации вегетативных и генеративных органов у высших растений представляет собой широко распространенное среди сосудистых растений явление, выражающееся в резком отклонении от нормальной формы и структуры осевых органов растений вследствие их мощного и неправильного разрастания. Фасциация обычно сопровождается нарушением в листорасположении и резким умножением числа гомологичных органов цветка (элементов околоцветника, андроцея и особенно гинецея), что приводит к образованию сложных фасциированных плодов, например, у культурных сортов томата. По мнению Н.М. Жуковского (1971) и ВЛ. Витковского (1984) в эволюции ч многих культурных растений важнейшим этапом морфогенеза стеблей, соцветий и плодов служила и продолжает служить фасциация [23, 11]. Объем плода у фасциированных растений, как правило, больше, чем у не фасциированных. Следовательно, фасциация еще далеко не использованный резерв увеличения продуктивности растений путем создания крупноплодных растений. Вследствие этого изучение генетической природы и физиологических особенностей феномена фасциации имеет не только научное, но и практическое значение.

В 1978 г. в лаборатории физиологической генетики Института физиологии растений и генетики АН Республики Таджикистан П.Д. Усмановым и Г.А. Старцевым был замечен ярко выраженный феномен фасциации стебля и стручка у арабидопсиса. Это явление наблюдалось во втором поколении при скрещивании мутанта 90 с мутантом 1и'со[57, 99]. Генетическая природа и механизмы возникновения фасциации у выделенных фасциированных форм не были изучены. В связи с этим представлялось интересным продолжить эти исследования, и выполнить экспериментальную работу, в результате которой можно было бы получить данные, характеризующие генетаческую природу и механизмы возникновения фасциации.

Цель и задачи исследования: Целью данной работы явилось изучение генетических механизмов фасциации, исследование фасциации в зависимости от условий вегетации, получение данных, характеризующих физиологические особенности фасциированных растений арабидопсиса, анатомические особенностей строения стебля фасциированных растений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

-дать фенотипическую характеристику хлорофилльных мутантов, мутанта 90 и рас Бланус, Энхайм, Колумбия;

- получить гибриды второго поколения от скрещивания мутанта 90 с хлорофилльными мутантами и провести генетический анализ их;

- выделить чистую линию фасциированных растений из гибридных линий ;

- определить степень экспрессивности и пенетрантности признака фасциации стебля в зависимости от условий выращивания;

- произвести сравнительный морфо-анатомический анализ фасциированных и исходных форм;

- произвести сравнительный анализ продуктивности исходных форм и фасциированных растений.

Научная новизна и практическая значимость работы. Показано, что взаимодействие гена булавовидности стручка мутанта 90 с генами хлорофилльных мутантов ведет к возникновению новых форм с фасциированным стеблём. Выявлена положительная корреляция между степенью фасциации стебля и продуктивностью. Методом гибридологического анализа впервые выделены линии с ярко выраженной специфичностью типов наследуемой фасциации стебля, которые в зависимости от вариантов скрещивания мутанта! 90 с мутантами Йауь1 имеют плоско-лентовидную, спирально-лентовидную и крестовидную формы стебля. Продуктивность полученных фасциированных растений намного превышала исходные мутанты. Целенаправленный подбор мутантов для получения гибридов с фасциацией стеблей и плодов может служить основой для создания высокопродуктивных сортов культурных растений.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в материалах 6 научных международных и республиканских конференций: 36-й международной научной конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 1998г.; республиканской конференции, посвященной 50-летию ТГНУ «Физиолого-биохимические основы продуктивности растений», Душанбе, 1998г.; на конференции молодых ученых Академии наук Республики Таджикистан, посвященной 50-летию Академии наук Республики Таджикистан, Душанбе, 2001г.; 2-й международной конференции молодых ученых «Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений», Харьков, 2003г.; конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития физиологии растений», посвященной 40-летию Института физиологии растений и генетики Академии наук Республики Таджикистан и 80-летию города Душанбе, 2004г.; конференции «Современные проблемы генетики, радиобиологии, радиоэкологии и эволюции», посвященной Н.В. Тимофееву-Ресовскому, Ереван 2005 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 3-х глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Николаева, Юлия Евгеньевна

-83-Выводы.

1. Ярко выраженный эффект фасциации стебля у арабидопсиса был выявлен при скрещивании мутанта 90 и хлорофилльных мутантов V-76, 12.6.15, 58/15, 568/5, 130. Феномен фасциации стебля наблюдался только среди класса зеленых булавовидных растений.

2. Наблюдалось 4 типа фасциации: плоско-лентовидная и карликовая у потомков от скрещивания мутантов 90xV-76, спирально -лентовидная - у потомков от скрещивания мутантов 90x12.6.15, крестообразная - у потомков от скрещивания мутантов 90x58/15.

3. Пенетрантность феномена фасциации стебля у арабидопсиса колеблется от 1% до 100 %. Пенетрантность фасциации зависит от условий выращивания. У растений летних посевов пенетрантность фасциации намного ниже, чем у растений весенних и осенних посевов.

4. У потомков в четвертом поколении, полученных от скрещивания мутантов 90x58/15 и от скрещивания мутантов 90x12.6.15, пенетрантность фасциации колеблется в пределах 50-60%. Исключение составляют линии Б2Б1 (от скрещивания мутантов 90xV-76) и В1ГЗ, В1Ж1 (от скрещивания мутантов 90x58/15), пенетрантность фасциации которых составляет 100%. У потомков, полученных от скрещивания мутантов 90x568/5, пенетрантность признака фасциации колеблется в пределах 20-24%. Потомки от скрещивания мутантов 90x130 обладают низкой пенетрантностью - 3%. Экспрессивность признака фасциации колеблется от 1 до 4,65 баллов.

5. Высокая пенетрантность фасциации мутанта 90 в потомстве от скрещивания с аллельными хлорофилльными мутантами, 58/15, 12.6.15, V-76, полученными на основе расы Энхайм, может быть связана с наличием в геноме этой расы генов-модификаторов, усиливающих проявление мутации clavata.

6. Фасциация вызывает значительную задержку фазы бутонизации по сравнению с мутантом 90. Сравнительный морфологический анализ показал, что фасциированные растения имеют меньший диаметр розетки, но большее количество розеточных листьев, чем исходные формы. У фасциированных растений в несколько раз шире стебель, чем у мутанта 90. Соцветие у фасциированных растений - плотная корзинка или гребень в отличие от соцветия «кисть» у мутанта 90.

7. Сильно фасциированные линии превосходят мутант 90 по количеству стручков и семян в стручке по абсолютным и относительным показателям. Сильно фасциированные линии превосходят мутанты с1ауа1а по количеству стручков и семян в стручке по относительным показателям.

8. У растений расы Колумбия самое высокое содержание хлорофилла. Наблюдается его уменьшение у фасциированных линий арабидопсиса, наименьшее содержание хлорофилла свойственно хлорофилльным мутантам.

9. Сопоставительное анатомическое исследование стеблей фасциированных и не фасциированных растений показало, что имеются некоторые особенности в строении фасциированного стебля. Для фасциированных растений характерно большее количество проводящих пучков и отсутствие в проводящих пучках эндодермы и перициклического кольца.

-81-Заключение.

Проведено исследование феномена фасциации у различных линий арабидопсиса, полученных от скрещивания мутанта 90 с жизнеспособными хлорофилльными мутантами. Проведен фенологический, морфологический, гибридологический анализ фасциированных растений. Установлены различия в анатомическом строении стебля фасциированных и не фасциированных растений. Исследована степень влияния условий выращивания (сроки посева, температурный режим, долгота дня) на пенетрантность фасциации. Выведены продуктивные линии фасциированных растений.

Совокупность полученных нами экспериментальных данных дает основание выдвинуть несколько гипотез для объяснения эффекта ярко выраженной фасциации стебля у арабидопсиса.

Первая гипотеза. Гены cía и flavi-1 сцеплены, фасциация проявляется у потомков, в геноме которых имеются гены cía и flavi-1 однако статистическая обработка данных не подтверждает этого положения.

Вторая гипотеза. Фасциированные растения гетерозиготны по гену хлорофилльной недостаточности. В их геноме также присутствует ген хлорофилльной недостаточности. Данная гипотеза не объясняет существования линий со 100% пенетрантностью фасциации, а также тот факт, что эти линии в череде поколений не расщепляются.

Третья гипотеза. Влияние контролирующих элементов. В. Mc.Clintock еще в 40-ые годы 20 века был описан феномен мозаичности у кукурузы [цит. по Р.Б. Хесину 1984]. Сущность данного явления состоит в том что контролирующий элемент, не имеющий собственного фенотипического проявления, проявляется благодаря изменениям тех генов в локусах которых он находится или на которые он влияет на расстоянии. Подобные элементы были описаны и у других растений. Однако подобные локусы нестабильны и часто мутирующиеся. Контролирующие элементы могут перемещатся в локусы разных хромосом. Такое перемещение контролирующих элементов было использовано для объяснения явления парамутаций. Это явление заключается в том, что парамутабильная аллель изменяется после того как он находился в гетерозиготе с другим парамутабильным аллелем. Изменения Наступают неотвратимо и сохраняются в ряду поколений, но затем происходит реверсия к исходному типу [77].

Четвертая гипотеза. Влияние генов-модификаторов. Фасциация стебля в потомстве от скрещивания мутанта 90 с аллельными хлорофилльными мутантами 58/15,12.6.15, V-76. полученными на основе расы Энхайм, связана с наличием в геноме этой расы гена-модификатора, усиливающего проявление мутации clavata. Эта гипотеза объясняет существование линий с высокой пенетрантностью и экспрессивностью, а также закрепление признака фасциации стебля в ряду поколений. Ярко выраженный эффект фасциации в потомстве от скрещивания мутанта 90 с хлорофилльными мутантами мы объясняем влиянием генов-модификаторов.

Результаты, полученные по изучению явления фасциации на арабидопсисе, можно экстраполировать на другие виды растений. Целенаправленным подбором соответствующих мутантов возможно создание фасциированных растений, подобных линиям арабидопсиса описанных в диссертации, во-первых, среди сельскохозяйственных растений, во-вторых, в декоративном цветоводстве. Зная особенности проявления фасциации, можно получать фасциированные растения с большим объемом плода среди сельскохозяйственных культур, а также с махровыми цветами среди декоративных растений.

Если говорит о перспективах исследования феномена фасциации, то особое значение, на наш взгляд, имеет сочетание генетических исследований с физиолого-биохимическими. Представляется интересным изучить закономерности онтогенеза, корреляцию фотосинтеза и роста растений, фотосинтеза и продукционных процессов, роль фитогормонов. О возможной роли нарушения баланса фитогормонов у фасциированных растений пишет И.М. Скулкин [52].

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Николаева, Юлия Евгеньевна, Душанбе

1. Авдеев Ю.И. Генетический анализ количественных признаков растений. Астрахань,- 2003-202с.

2. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. Т. З-Москва «Мир» 1988- 334 с.

3. Arabidopsis thaliana-модельный объект генетики растений. Ежова Т.А., Лебедева О. В., Огаркова O.A., Пенин A.A., Солдатова О.П., Шестаков С.В.-Москва,-2003-218

4. Астауров Б.Л. Фенотипическая изменчивость гомодинамических частей в пределах организма. Труды всесоюзного съезда по генетике, селекции, семеноводству и племенному животноводству.// Генетика, 1930,Т.2.

5. Бочанцева З.П. Многоцветковость тюльпанов, полученная под воздействием внешних условий. Труды ботанического сада АН Уз ССР.- 1953.-№3.-С. 12-14.

6. Бочанцева З.П. Многоцветковость тюльпанов.//Труды ботанического сада АН Уз ССР.- 1954.- №4.-С.5-7.

7. Вавилов Н. И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчиво ста —Л.: Наука, 1987 256 с.

8. Вечер А. С. Пластиды растений. Их свойства, состав и строение, изд-во АН БССР, Минск, -1961.- С.193.

9. Власов П.В., Ракитина Т.Я., Ракитин В.Ю. Влияние УФ-Б радиации на рост и образование этилена у VC, ER, GL, AN мутантов ARABIDOPSIS ТНАЫАКА.//Материалы съезда физиологов растений России. Пенза.2003.-С. 336-337.

10. Витковский В Л. Морфогенез плодовых растений.- JL, 1984- С. 260

11. Витковский B.JI. Почковые новообразования у черной смородины.//Ботанический журнал.-1962.- Т. 47, № 3. С. 10-13

12. Витковский B.JI. Пути возникновения фасциации у плодово-ягодных растений.// АН СССР.- 1958. Т. 119, № 4.- С.15-17

13. Витковский В Л. Природа фасциации у древесных растений. //- Труды Туркменской опытной станции ВИР, 1961 вып.4.-С.23-56.

14. Витковский В Л. Фасциация побегов у Syrinya Josikaea Jaco. Ботан. жури. 1959.Т.26 №, Изд-во АН СССР. С. 505-506

15. Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев.,1983-С. 552

16. Годнев Т.Н. Фотосинтез. Минск .,1961-С.133

17. Данилова М.Ф. О природе фасциации у растений.//Ботан. журн. 1961 Т.16,-- №10 .-С. 1545-1559.

18. Данилова М.Ф. О природе многокамерности плода у томатов. //Труды Ботанического института АН СССР. 1952. Сер. 7, вып 3. С.87-106.

19. Данилова М.Ф., Лузина З.Н. О некоторых анатомических особенностях стебля французской чечевицы.//Труды прикладной ботаники генетики и селекции 1961- Т. 34, вып. 1 Зернобобовые культуры.- С. 176-191.

20. Данилова М.Ф., Силина З.Н.Формообразование у тюльпанов в связи с активизацией пазушных меристем.//Труды совещания по морфогенезу растений. М - Л.,1961. Т2.,- С.180-187.

21. Иванов В.И. Радиобиология и генетика арабидопсиса //В кн.: Проблемы космической биологии. М.: Наука. Т. 27:5-85.

22. Изучение роли гена ABRUTUS в дифференцировке цветоносов у арабидопсиса. Ежова Т.А., Ондар Т.Н., Солдатова О.П., Кузнецова Т.В. //Общая биология.- 1997.- Т. 35, №6.С 839-842.

23. Изучение роли пероксидаз в устойчивости растений ARABIDOPSIS THALIANA к окислительному стрессу. Солдатова О.П., Мусин С. М., Радюкина НЛ., Пеннин A.A., Ежова Т.А.// Материалы съезда физиологов растений России. Пенза, 2003.-С.370-371

24. Касьяненко А.Г., Насыров Ю.С. О действии генетических факторов на фотосинтетический аппарат Arabidopsis thaliana (L.) Heynh // Физиология растений. 1968 -15:С. 422.

25. Касьяненко П.Д. А. Г., Усманов П.Д.Индуцированные гамма-лучами С60 аллельные мутации Arabidopsis thaliana// Докл. АН Тадж. ССР.-1968-Т.11, №5.-С.69-73

26. Карначук Р. А., Тищенко С.Ю., Головацкая И.Ф. Рост и эндогенные гормоны у световых мутантов арабидопсиса в онтогенезе.// Материалы съезда физиологов растений России. Пенза , 2003 .-С.593-594.

27. Квитко К.В. Асептическая культура и перспективы ее использования е ботанических исследованиях.// Вестн. Ленингр.гос.ун-та.- I960.- №15.-С.20-25

28. Квитко К.В., Мюллер А. Новый объект для генетических исследований Arabidopsis thaliana. Сб.//Исследования по генетикеЛ., 1961.-Т.1.- С.79

29. Коконов М.Т. К методике селекции лимонов /о фасциации/.//-Известия ТСХА.- 1955.- Вып. 2 -С. 15-18.

30. Кондратьева-Мелвиль Е.А., Водолазкий Л.Е.Морфологическое и анатомическое строение в онтогенезе.// Ботан. журн.-1982- Т. 67, №8, С. 1060-1069.

31. Комаров В.Л. Происхождение культурных растений. М., 1931.- С. 307.

32. Котг С.А. Позеленение цветов, пролиферация и фасциация у одуванчика обыкновенного (Taraxacum officinale Wigg)// Ботан. журн., 1941, №4.- С.12-15

33. Кренке Н.П. Регенерация растений М., 1950.-С.505

34. Лебедева Т.Н. Условия проявления фасциации.// Ботан. журнал, 1966, том 51, №9 С 1044-1055

35. Малютин Н. И. Дельфиниумы. М.: Агропромиздат, 1992. С.56.

36. Махмадбеков Т.С. Индуцированная соматическая химерность и частота мутаций у Arabidopsis thaliana (L.) НеупЬ.//Автореф.дисс. канд. биол. наук.- Душанбе-1997- С.16.

37. Мутанты Arabidopsis thaliana и их клеточные культуры: ответ на стрессор. Бургутин А.Б., Волкова Л.А., Солдатова О.П.,Радюкина Н.Л., Ежова Т.А// Материалы съезда физиологов растений России. -Пенза, 2003-С.254-255.

38. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М. «Агропромиздат» 1988. С.234

39. Пигменты пластид зеленых растений и методика их исследования. Под редакцией Годнева Т.Н. М. Наука,-1961.-С. 121

40. Рокитский П.Ф. Биологическая статистика. Минск, 1973.- С.267.

41. Скулкин И.М. Роль наследственной фасциации в формообразовании у кактусов.//Электронный журнал Культивар.2005. №5.http://www.lapshin.org/cultivar/N4-5/art.htm

42. Слепян Э.И. Патологические новообразования и их возбудители у растений. Л.,-Наука.-1973.-С.572

43. Соколова И.Д., Шелихов П.В. Изменение силы влияния и спектра, действующих на количественные признаки генов у арабидопсиса при различных условиях его выращивания //Генетика. -1997.- Т. 33, №10.-С.24-29

44. Старцев ГЛ. Генетические исследования явления фасциации и гетерозиса у арабидопсиса талиана //Тез. докл. 4 съезда Всесоюзного о-ва генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Москва 24-28 ноября 1987 г.) С. 15.

45. Старцев Г.А., Усманов П.Д. Необычные эффекты действия мутантных генов на особенности развития растений арабидопсиса//Тезисы докладов Первого Всесоюзного совещания «Генетика и развития растений»(23-26 сент. 1980 г.). Ташкент, 1980.-С.62.

46. Тахтаджян АЛ. Происхождение и расселение цветковых растений. -JL, «Наука» 1970.-С.146

47. Титова H.H. Поиски ботанической дрозофилы.// Советская ботаника. 1935,2- С.61-67.

48. Тимофеев-Ресовский Н.В., Иванов В.И. Некоторые вопросы феногенетики.//Актуальные вопросы современной генетики.- М. 1966-С.203

49. Томилов A.A., Томилова Н.Б. Инсерционный мутагенез. Увеличение эффективности трансформации прорастающих семян в результате предобработки их ультразвуком.//Генетика.- 1999.-Т. 35, №9.- С. 19141922.

50. Усманов П.Д., Касьяненко А.Г.Методы оценки радиологических эффектов у арабидопсиса. //Материалы 1 Всесоюзного симпозиума по радиобиологии растительного организма, 12-16 мая 1970 г. -Киев,1970.-С.25-26.

51. Усманов П.Д., Мюллер А. Применение эмбрион-теста для анализа эмбриональных деталей, индуцированных облучением пыльцевых зерен АгаЫёорш ШаНапа (Ь.) НеупЬ.//Генетика.-1970. Т.6,№7.-С.50-51.

52. Усманов П.Д., Сахибназаров Ш.//Химические супермутагены в селекции// Изв. АН СССР. Ин-т химии и физики. М., 1975.-С. 75-83.

53. Усманов П.Д., Касьяненко А.Г., Баталов Р.Б.//Генетические аспекты фотосинтеза // Изв. АН Тадж. ССР. Отделение биологических и медицинских наук Душанбе, 1971.-С.24-43.

54. Усманов П.Д., Усманова О.В. Геномно-пластомный контроль числа хлоропластов в клетках высших растений//3 Всесоюзный симпозиум «Молекулярные механизмы генетических процессов» Тез. докл., Москва, 18-20 окг. 1976г.-М., 1976.-С.107

55. Усманова О.В. Мутационная изменчивость мезоструктуры фотосинтетического аппарата высших растений. Автореф. дис. канд. биол. наук. Душанбе,-1990 -24с.

56. Усманов П.Д., Старцев Г.А.// Индуцирование мутаций рубиновым лазером у арабидопсис талиана.// Материалы Всесоюзного совещания по использованию оптических излучений в с.-х. производстве. -Львов,1969.-С.13-14

57. Усманов П.Д., Усманова О.В. Создание новой множественно маркированной различными сигнальными генами линии арабидопсиса

58. TR'VC'ER'GL'AN //Вклад генетики в ускорение научно-технического прогресса в сельском хозяйстве Таджикистана: (Материалы конф., посвящ. 100-летию со дня рождения Н.И. Вавилова). Душанбе, 1986.-С.108-110.

59. Федоров A.A. Тератология и формообразование у растений. Комаровские чтения //-M.-JL, 1958.4.2 С.28.

60. Федоров A.A. О связи и взаимосвязи некоторых аномальных структур у растений на примере CAMPANULA MEDIUM// Ботан. журн.М.1954., Т.39, №4, С.568-576.

61. Федоров A.A. Тератология и закон гомологических рядов Н. И. Вавилова.// Ботан. журн.- 1968, Т.58, №4.- С.8-10.

62. Филов А.И. Огурцы мира с точки зрения их использования в СССР. // Ботан. журн.-1948- Т. 6, №8, С.69-76

63. Хесин Р.Б. Непостоянство генома.-М.: Наука, 1984.472с.

64. Шавров JI.A. О природе фасциации. //Ботан. журн.-1959-Т.44, №4, С. 32-40

65. Шевякова Н.И., Садамов Н. Г. Мутант арабидопсиса МТО 1 как модельный объект для изучения регулярного взаимовлияния полиаминов и этилена. // Материалы съезда физиологов растений России. Пенза, 2003-С.370-371

66. Шишкин В.А.Влияние генотипа и освещенности на выживаемость растений арабидопсиса в условиях ультрафиолета.// Физиология растений.- 1997.-Т.44,№5,-С. 742-784.

67. Эсау К. Анатомия растения. -М.-Мир-1969- С.564

68. Юнусов С.Ю., Касьяненко А.Г., Усманов П.Д. Генетико-морфологические и эколого-систематические исследования рода Arabidopsis Heynh //Изв. АН Тадж. ССР. Отделение биол. наук.-1969.-№2.-С.З-14

69. Якубова М.М., Бободжанова Х.И. Функциональная активность фотосинтетического аппарата арабидопсиса.-Душанбе-2002-С.140

70. Якубова М.М., Хамрабаева З.М. Н^АТФаза хлоропластов хлопчатника и арабидопсиса.-Душанбе-2005-С.90

71. Список иностранной литературы:

72. Characteristics of the photosynthetic apparatus of the mutant triplex. Yakubova M.M., Shkia Z.A., Krendeleva Т.Е., Usmanov P.D.

73. Arabidopsis information service/-Frankfurt/Main, 1980.-№17/-P.115119

74. Griffing Bruce, Randall L. Scholl. Qualitative and quantitative geneticstudies of Arabidopsis thalianaV/Genetics volume. 199 l.-V129r№3. P.605.609

75. Jennifer C. Fletcher, Elliot M. Meyerowitz. Cell signaling within the shoot meristem.//Growth and development.- 2000.-V.25.- P. 23-30

76. Kasyanenko A.G., Usmanov P.D. A chlorina mutation of Arabidopsis thaliana induced by gamma rays//Arabidopsis information service.-Gottingen, 1969-№6-P.30

77. Linkage map of Arabidopsis thaliana. Koorneeff M, Eden J. van, Hanhart

78. C.J., Stam P., Braaksma F.J., Feenstra W.J. //The Journal of Heredity 1983.- V.74.-P.265-272

79. Mutation variability of chloroplasts in Arabidopsis thaliana. Usmanov P.D., Abdulaev H.A., Usmanova O.V., Sohibnazarov //Genetic aspects of photosynthesis Collected papers from symposium held on October 17-24, 1972 in Dushanbe USSR

80. Nasyrov Yu. S., Giller Yu. E., Usmanov P.D. Genetic control of chlorophyll biosynthesis and formation of its forms in vivo //Geneticaspects of photosynthesis: Collected papers from symposiumheld on October 17-24, 1972 in Dushanbe USSR. 1972.-P.C.25

81. Ottoline Leyser H. M., Jan J. Fumer. Characterization of three shoot apicalmeristem mutants of Arabidopsis thaliana. //Development.-1992.-V.116.-P. 397-403

82. Signaling of Cell Fate Decisions by CLAVATA 3 in Arabidopsis Shoot

83. Meristems. Jennifer C.Fletcher, Ulrike Brand, Mark P. Running, Rudigerger Simon, Elliot M. MeyerowitzV/Science.- 1999.-Vol.283.-P. 654-660.

84. Steven E. Clark, Mark P.Running, Meyerowitz M. Clavata3 is a specific regulator of shoot and floral meristem development affecting the same processes as CLAVATA 1. //Development 1996-. Vol.121.- P. 2067-2075

85. The CLAVATA and SHOOT MERISTEMLESS loci competitively regulate meristem activity in Arabidopsis. Steven E. Clark, Steven E. Jacobsen, Joshua Z. Levin, Elliot M. Meyerowitz. //Development 1996-. Vol.122-, 1567-1575

86. The effects of the capacity and density of the ruby laser irradiation on the seeds of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Yuldashev O.H., Ivanov A.V., Usmanov P.D.,

87. Usmanov P.D., Loginov M.A. On the physiological adaptation of species ecotypes of Arabidopsis from the Pamir-Alay //Arabidopsis information service. Gottingen, 1972.-№9 P.5-6

88. Usmanov P.D., Sohibnazarov Sh. Somatic and genetic effects of N-nitrosomethybiuren in plants of Arabidopsis thaliana. //Arabidopsis information service.-Frankfurt/Main, 1974.-№ 11 .-P. 12-13

89. Usmanov P.D., Startsev G.A. The appearance of stem fasciation in Arabidopsis thaliana F2 by crossing the mutant 90 with lu' co.//Arabidopsis information service.-Frankfurt/Main,1979.-№10.-P.99-102

90. Yakubova M.M., Nazarova Z.A., Chramova G.A. On primary processes of the photosynthetic electron transport in chloroplasts and intact leaves