Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Гетерозис и комплекс компенсаторных генов у гороха

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Гетерозис и комплекс компенсаторных генов у гороха"

МОСКОВСКИМ ОРДЕНА ЛЕПИМ. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА. Отологический факультет ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ

имени Н.К.КОЛЬЦОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ни правах рукописи

Рыбцов Станислав Александрович ГЕТЕРОЗИС И КОМПЛЕКС КОМПЕНСАТОРНЫХ ГЕНОВ У ГОРОХА (03.00.15 - генетика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискаше ученой степени кандидата биологических наук

иоскъА-ийг

Работа выполнена на кафедре генетики и селекции биолс ческого факультете . Московского государственного универси' имени М.Е.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор биологических наук

С.А.Гостимский .

Официальные оппоненты - доктор биологических наук

Н.Н.Зоз

- доктор сельскохозяйственных наук Ю.Л.Гунов

Ведущая организация - Институт генетики и цитологии •

на заседании специализированного совета Л 002.85.01. при Институте биологии развития имени Н.К.Кольцова Росскйско!

О диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института биологии развития им.Кольцова.

АН республики Беларусь г.Минск

Защита состоится "/¿>" -и+сил 1992 г. в /-^"час.

академии наук. По адресу конференц-зал.

г.Москва ул. Вавилова 2(

'втореферат разослан . 19Э2 г.

Ученый секретарь

Е.М.Протопопова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Явление гетерозиса очень широко используется в генетике й селекции растений. Однако широкое практическое применение гетерозиса ставит вопрос о необходи мости более глубокого понимания его механизмов. Выяснение природа и мехашзмов гетерозиса может иметь также существенное значение в разработке теоретических основ популяционной и эволюционной генетики. Согласно мнению ведущих советских и зарубежных специалистов существующие сегодня гипотезы о механизмах гетерозиса не могут объяснить всей многогранной сложности этой проблемы. В этом плайе весьма привлекательной является новая гипотеза гетерозиса, выдвинутая академиком В.А.Струнниковим (1974). На основании многолетних опытов с тутовым шелкопрядом В.А.Струнников пришел к выводу, что для создания мощного гетерозиса надо объединить в одном генотипе достаточно большое количество генов, влияющих на жизнеспособность - комплекс, компенсаторных генов (ККГ). Показано, что удобной моделью- для интеграции генов жизнеспособности могут служить полулегальные мутации. Реальность такой схемы селекции на. гетерозис убедительно'показана на шелкопряде. (Струнников, 1983) .и дрозофиле (Маресин и др.,1985). Нам представлялось существенным проверить приложение этой гипотезы к растениям.

Цель и задачи исследования. В-наши .цели входила проверка гипотезы В.А.Струнникова ца растениях, а также исследование общих механизмов формирования высокой комбинационной способности. Кроме того, представлялось интересным исследовать возможности использования культуры клеток и тканей растений для прогнозирования и анализа гетерозиса.

Исходя из цели работы, были поставлены следующее задачи:

1) Проварить возможность использования полулегальных хло-рофильных мутантов гороха для получения -ККГ. 2) Исследовать Фенотилические проявления ККГ как в мутантной линии, так и в гибридах. 3) Изучить влиящш различных лимитирующих факторов на проявление гетерозиса у гибридов, содержащих ККГ. 4) Найти связи мезду ростом тканой в культуре in vitro и полевыми характеристиками гибридов и линий. 5) Установить характер взаимодействия в культуре in vitro различных линий, отличаикихся, по комбинационней способности, при совместном культиьирэванж иг тканей, с целью прогнозирования гетерозиса. . , ' .

Научная новизна работы. В работе Бпервие получены c/едуг ; nie результаты: 1) Четко показано, что гибридизьаия и отбор на '

фоне полулеталыгой хлорофильной мутации у гороха приводят к быстрому формированию ККГ. 2) Исследовано фэнотипическое проя- . ьление ККГ, вызывающее у гороха увеличение интенсивности фотосинтеза и усиление иммунитета. 3) ККГ проявляется в культуре тканей in vitro. 4) Разработана методика совместного культивирования эксплантов различных органов растений, посзолившая выделить взаимовлияние различных генотипов растений гороха.

Практическая значимость результатов. I) На растениях подтверждена гипотеза Б.А.Струнникова о значении ККГ в формировании и проявлении гетерозиса. Результаты свидетельствуют о важной роли ККГ в формировании комбинационной способности растений и позволяют рекомендовать селекционерам широкое использование полу летальных хлорофильных мутаций при создании гетерозисшх форм. 2) Выделены гибрида гороха,проявляющие стабильный высокий гетерозис, а также линии и сорта, перспективные для дальнейшей селекции на высокую комбинационную способность.3) Получено регрессионное уравнение для прогнозирования полевой выживаемости растений гороха по приросту з:ссплантов в культуре тканей. Разработаны подходы к прогнозированию полевого гетерозиса растений.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы и три сданы в печать. Основные результаты диссертационной работы догладывались на конференциях молодых ученых "Проблемы современной биологии" МГУ (Москва; 1989, 1ЭЭ0), на семинарах кафедры генетики и селекции биологического факультета МГУ. (Москва,1939,1990,1991). . ■

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения", обзора литературы, результатов и обсуждения, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 147 страницах машинописного текста содержит 20 рисунков и 24 таблицы. Список" литературы включает 243 наименования.

. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

Исследования проводили на экспериментальных участках в ботаническом саду МГУ к на биостанции Института биологии развития-"Крслотово" в течение трех полевых сезонов. В работе использовали линии и сорта гороха посевного (Pisum sativum L.) из коллекции кафедры генетики МГУ. Овощные сорта: Виола (В), Ранний Грлбовсюй(НСг);зерновыв:Н0осыпаищийся-1 (н). Немчиновский-766 (Нем), Капитал (К);хлорофяшше мутанты:6 (мутант сорта Ранний ■&эденыЯ),42 (мутант сорта Немчиновский-766) ,7-исходшЙ (7исх),

7-селекционный(7с)(мутанты сорта Капитал), а такке мутант Новая форма (От), характеризующийся измененной формой листа.

Линия /(исх) получена после обработки семян зернового сорта Капитал этилметансульфатом. Мутант содержит 50 % хлорофилла "а" и 30 й хлорофилла "ь" от исходного сорта, полевая выживаемость 10-30 % (Гостимский и др.,1991). Мутантный признак наследуется моногенно, а мутация локализована в пятой хромосоме, ^рядом с геном ' "Ср" (окраска незрелых бобов) (Екова и др.,1981). Для накопления благоприятных генов и формирования ККГ хлорофильный мутант 7исх скрестили с сортом Немчиновский-766. В Р2 посев проводили по семьям и отбирали семьи с лучшей выживаемостью мутантов. Среди этих семеЧ по фенотипу отбирали лучшие мутзнтные формы, которые составили.основу ноеой гибридной и отселектированной на жизнеспособность мутантной линии (7с). В течение всех последующих сезонов в линии 7с на потомство отбирали лучше растения, линию 7исх размножали без отбора.

Все исследуемые варианты высевали в трех повторениях, по 30 семян на долинку.применяя полную рандомизацию. Анализировали сезонную динамику роста растений и конечные морфологические признаки, связанные с урожайностью. Гибрида получали путем скрещиваний в поле линий 7с и 7исх с различными промышленными сортами. Выживаемость оценивали по числу растений, давших полноценные бобы.

Во время полевого сезона 1990 года, в период начала цвете-, ния, а также в начале закладки бобов проводили комплексные биофизические исследования по общепринятым мйгодикам. Определяли интенсивность фотосинтеза и дыхания кислородным датчиком. На фосфороскопе замеряли интенсивность замедленной флуоресценции, строили световые кривые интенсивности фотосинтеза и определяли содержание хлорофилла. (Васильев и др.,1988).

Полученные гибриды и линии исследовали методом культуры тканей 1п V1 ъ 1*0, применяя стандартную среду В5 с различными ее модификациями. В культуре анализировали абсолютный прирост экс-плантов и сравнивали полученные результаты с полевш/л характеристиками линий и гибридов. С целью разработки методов прогнозирования гетерозиса применяли совместное культивирование участков стеблей различных линий.

Экспериментальные данные обрабатывали биометрическими ме-тод&ми (Лакин,1991). Был применен пакет прикладах статист,« (Аффифн и др-,1931). использовали- такке собственные прсгрвмкл, написанные на япыке "Еаз1с". Производили раочзти

элементарной статистики, коэффициентов корреляции, строили регрессионна уравнения и обрабатывали данные методом дисперсионно го и факторного анализа (подробные описания в соответствущи главах).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

I Исследование накопленного комплекса компенсаторных гено в мутанте 7с.

Для формирования ККГ, как указывалось выше, полулетальны мутант 7исх скрещивали с промышленным сортом. В Р2 отбирали бо лее жизнеспособные мутантные формы. В результате селекции в те ченио нескольких поколений новая линия 7с достигла уровня выжи ваемости промышленных сортов (рисЛ) (Гостимский и др., 1992) Несмотря на сохранение хлорофильного дефекта линия 7с oблaдaJ повышенной жизнеспособностью и продуктивностью по сравнению исходной.„Это было справедливо.для всех полевых сезонов на дез экспериментальных участках (табл.1). Более того, линия 7с щ» ближалась по продуктивности к контрольному сорту Капитал, а некоторые годы и превосходила его. Ранее было показано, что щ селекции на выживаемость инбредшх линий шелкопряда (Струшп ков,1983) и дрозофилы (Маресин и др.,1987) происходит одновре-Рисунок I. Выживаемость линии 7с и 7исх. за несколько полев1 сезонов (Кропэтово).

вижи8аемость(%)

полевой сезон 7(исх.) -»- 7(с.)

Таблица I.Характеристика мутантных линий и сорта Капитал,за три

года исследований на двух экспериментальных участках.

Признак высота число число вес семян выжива- Урожай с

бобов семян емость- делянки

(см) (шт) (шт) (гр) (%) (гр)

Кроготово 1989 (для 7с F8)

7ИСХ 57.0+4.5 4.7±0.8 13-5А2.5 1.б±0.3 35.1 16.8

7с 70.1+1.9 10.0±0.9 37.2±3.4 7.8+0.8 95.2 223.2

Капитал 91.0+5.1 10.0+1.1 35.8+4.1 6.8±0.9 80.2 163.2 Москва 1989 (для 7с Р8)

7ИСХ 33.4Í2.7 1.0±0.01 2.8+0.01 О.4±0.2 13.3 3.9

7с 68.0+1.7 5.4±0.4 17.Oil.5 2.0+0.2 57.9 94.0

Капитал 80.2±3.7 5.8±0.5 20.1+2.2 2.7±0.3 37.1 81.0 Кропотово 1990 (для 7с F9)

7ИСХ 38.3±1.5 4.0+0.3 11.8±1.2 1.5±0.2 49.0 22.1

7с 85.3±3.2 9.8i0.6 41.0*3.7 9.4Ю.9 95.1 267.9

Капитал 119.3±1.8 13.91O.7 66.1t2.4 12.7±0.5 85.0 323.9 Москва 1990 (для 7с F9)

7ИСХ 38.0+9.5 2.3*0.9 5?3±1.8 0.4г0.2 7.1 0.8

7С 83.1+2.6 8.3±0.8 27.2±2.9 3.7±0.5 64.8 72.2

Капитал 117.7 ±3.-9 12,3*1.3 43.6±5.6 5.8t0.8 47.2 81.6 Кропотово 1991 (для 7с PIO)

7ИСХ 31.8±1.8 3.7*0.4 -9.8 + 1.3 1.3t0.5 40.0 15.6

7с 69-5^1.7 10.6+0.5 37.3±1.9 4.9+0.3 88.0 129.4

Капитал 75.1*1.9 1O.71O.6 34.2±3.4 4.2+0.5 70.1 S8.2 Москва 1991 (для 7с FIO)

7ucx 32.6*1.6 2.3+0.2, 5.2*0.8 0.6+0.1 31.7 5.7

7о 75.9*2.0 6.7*0.7 21.6*1.9' 3.3+0.4 83.3 82.5

Капитал I07.4íI.7 12.3*0.5 42.1+2.4 5.?±0.4 78.9 134.9

менное повышение комбинационной,способности этих линий по сравнению с исходными. Этот факт,свидетельствует об образовании КК в результате селекции на выживаемость (Насырова и др.,1Э91).

Можно предположить, что в наших опытах в результате гибри дизации и отбора на высокую выживаемость в линии 7с сформиро вался мощный ККГ, подавивший вредное действие мутантього гена : способствующий высокой выживаемости мутантных форм. Существен ным представлялось исследовать, что из себя представляет ККГ какой комбинационной способностью он обладаем и какие физиоло гические преимущества дает этот комплекс отселектировйнному вы сокозшзнеспособному мутанту по сравнению с исходной формой.

2 Физиологическая характеристика отселектированного мутанта

Для выяснения причин повышения жизнеспособности и продук тивнооти линии 7с были исследованы некоторые физиологически характеристики отселектированного мутанта. Показано, что лини 7с содержала больше хлорофилла "а" по сравнению с 7исх Сир Р<0.01) (табл.2) и несколько меньше хлорофилла "в", входящего светособиращий комплекс. Поэтому показатель "а"/"в" был выше линии 7с, тогда как суммарное содержание хлорофилла осталос неизменным. Отмечено также более высокая интенсивность фотосин теза отселе;-:тированной линш по сравнению с исходной (пр Р<0.05) (табл.2). Различи® в интенсивности дыхания обнарухеи не было.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что произс шла существенная перестройка фотосинтетического аппарата, при Еедшая к повышению интенсивности фотосинтеза отселектированног мутанта.

3. Исследование особенностей гибридов,полученных от скрещиваю линий 7с и 7ксх с проудлнленными сортами.

На следующем этапе нашей работы важно было изучить насч? дова.тао и проявление ККГ в гибридах И. По результатам скрещиваний с промышленными сортами линий 7с и 7исх удалось показа1 более высокую комбинационную способность линг* 7с по сравнеш с исходной. Исследования на экспериментальном участке в Моей убедительно продемонстрировали влияние ККГ на выживаемость проявление количестенных признаков у гибридов гороха. На рису) ке 2 видны различия в гетерозисе по урожаю семян между гибрид; ми, одним из родителей которых является линия 7с, и гибридам] потомками линии 7исх. Гибриды линии 7с (которая отличалась С< лее высокой, чем 7исх выживаемостью) превышают гибриды лик 7исх по всем исследованым показателям. В условиях Москвы э1

-6т

bJ • UJJV/t^itlVn lUOIUl^ Л VdUt • 11ШЛ uiUi IXi-tíMl. Ii i. ЦЦ^ I

Москва ,1990 год.

I0.0S.I990 10.07.: [990

генотип хл."а" ХЛ."Ь" фот-тез дыхание хл."а" хл."Ь" на V "Ъ" . '"Л

мг/гр сыр.веса мг/гр сыр.веса j отн.ед. отн.ед. "мин <Шл§й* мг/гр "йн сыр.веса мг/гр отн сыр.веса • ед отн.ед.

К — — — 12.ЗОЮ.34 3.5310.18 1.17Ю.04 0 .59Ю.03 1 .18 0.6510.01

В 1.36i0.01 0.08*0.01 1.55 14.17tO.63 4.21+0.11 1.13±0.04 0 .9310.04 1 .22 0.7210.05

7с 0.25í0.01 0.16+0.01 1.56 6.2710.67 1.7510.00 1.09+0.07 0 .81+0.02 1 .35 0.7910.05

7исх 0.17*0.01 0.19í0.09 0.89 5.2U0.20 1.76+0.22 — --- - — ---

В г 7с 1.5210.02 1.0110.01 1.51 14.1710.28 3.82+-0.20 1.57+0.05 1 .29Ю.05 1 .22 0.81+0.03

В ж îuox 1.49±0.01 0.9910.01 1.51 11.68+0.45 3.0810.10 — --- - — 0.55Ю.10

К X 7с --- .--- — 13.53Ю.37 3.18+0.03 1.30+0.05 1 .0410.03 1 .25 0.6610.04

К X 7исх --- --- --- 13.1010.41 3.2310.25 — --- - — ---

i]- показатель вариабельной флуоресценции Imax-lo/lmax

Рисунок ?.. Урожай семян с делянки, гибридов П, полученных от скрещивания линий 7с и 7исх с промышленными сортами. Москва 19891991 гг.

(гр) урожаи семян с делянки

500 400 300 200 100 О

1989 1990 1991 1989 1990 1991

Вх7иСх в 8x7с ШБ К*7исх в Кх7с

повторялось в течоние трех лет исследований. Так, гибрид И Вх7с превышал по урока» семян гибрид ВхТйсх в среднем на 112.0% за три года исследований, а гибрид Кх7с превышал Кх7исх на 309.8 %.

Один из родителей - сорт Виола, был сильно отдален в генетическом отношении от линий 7исх и 7с, в то время как сорт Капитал был исходным сортом для получения линии 7исх и 7с. Возможно, поэтому гетерозис гибридов был выше с участием Виолы в сравнении гибридов Капитала с линиями 7с и 7исх.

Проведенный дисперсионный анализ.по схеме представленой на рисунке 3,показал существенное влияние ККГ (фактор-В), накоплю иного в линии 7с, на продуктивность получаемых гибридов. Зна-

Рисунок 3 Схема дисперсионного анализа по факторам А и В. А1 А2 "

гибриды Р1 гибриды Р1

отдаленные близкородственные

Виола х 7с Капитал х 7с содержат ККГ

Вшло х 7исх Капитал х 7исх ККГ отсутствует

чимым, било также влияние отдаленности родителей (фактора-Л). 00а исследование фактора существенно (при 99 % доверительном интервале) : тияли на проявление всех исследованиях признаков.

Сравнение двух типов гибридов убедительна показало более высокую комбинационную способность линии 7с • по сравнению с 7исх. Однако существенным представлялось сравнить комбинационную способность линии 7с с другими сортами и линиями. С этой целью били проведены полиаллельные скрещивания нескольких сортов и линий,включая 7с, с одним и тем же промышленным сортом. Опыт был проведен дважды; Срис.4). В первом опыте на бкостанщги "Кропотово" скрещивали твсторную шго ДТР с несколькими сортами и линиями (Гостимский и др..1987). Причем линия ДТР была достаточно сильно отдалена в генетическом отношении от всех исследуемых генотипов. Как видно из рисунка, наибольший урожай семян с делянки давал гибрид ДТРх7с. Во втором опыте в Москва промышленный сорт Неосыпающийся-I и линии 7с и NF скрецивали с сортом Капитал. В ходе опыта гибрид К х 7с дал лучший результат, чем гибриды этого же сорта с двумя другими генотипами. Необходимо отметить, что родители гибрида К х 7с были наиболее близкородственны из всех исследованных комбинаций. Рисунок 4 Урожай семян с делянки гибридов, получэных от скрещиваний промышленных сортов с тёсторными линиями, в 1987 году - с ДТР. в 1991 году - с Капиталом.

(гр) урожая с делянки

700 600 500 400 300 200 100 О

СИЗ 1967 кропсюво ЕЭ 1991 Моема

—

-----

-----

— П

г^-- ! f 1 1 1..Н1 Loti ' ■

1072 РопортH. ___7с «F H. 7с

' \апитлл

Результаты этих двух опытов свидетельствуют об исключительно важном явлении - более высокой комбинационной способности линии 7с по сравнению с несколькими сортами и линиями. Это подтверждает высокую эффективность селекции на гетерозис с использованием отбора на выживаемость на фоне действия вредного полулетала. Необходимо отметить поразительное сходство результатов применения такой схемы селекции на гетерозис на разных объектах: тутоеый шелкопряд (Струнников,1974), дрозофила (Маре-син и др., 1985), ячмень (Наволоцкий,1987). 4. Физиологические характеристики гибридов, содержащих ККГ.

Гибриды линии 7с превосходили гибриды линии 7исх по некоторым физиологическим характеристикам.Гибрид Р1 (В х7с) превосходил В х 7исх по интенсивности фотосинтеза (Р<0.01) в начале цветения. Отмечена тенденция более высокого фотосинтеза гибрида К х 7с по сравнению с К х7исх (табл.2).

По результатам трехлетних исследований гибриды, полученные в Кропотовс к Москве, разделили на 3 класса: высокогетерозисные средкегетерозисные и низкогетерозисные. Наибольший гетерозис проявляли гибриды, полученные от скрещиваний отдаленных родителей, особенно, если один из них нес ККГ.

У выделенных рысокогетерозисных гибридов, содержащих ККГ, для определения причин их мощности были исследованы некоторые физиологические характеристики. Установлено, что;

1.Высокогетерозисные гибриды, у которых присутствовал ККГ, отличались повышенной массой семян, по сравнению с родителями к низкогетерозисными гибридами. Это давало им преимущество н?и\ другими растениями в момент прорастания. У них отмечен низкий генотипический коэффициент вариации, что говорит о высокой го-мэостатичности высокогетерозисных гибридов.

2. Высокогетерозисные гибриды имели более развитую ассимиляционную систему - широкие листья и увеличенное их количество.

3. По содержанию хлорофилла "а" гибриды,.содержащие ККГ и не содержащие его, не различались, это,- по-видимому, говорит 'о низком влияншга ККГ на синтез хлорофилла (табл.Ь).

4. Световое насыщение высокогетерозисных гибридов наступало при более высоких интенсивностях света, чем у родителей. У родительских линий Виола к 7с величина толунасыщающей интенсивности составляла 24%, 26%, соответственно, у высокогетерозисного гибрида Н (Виола х 7с-) - 38й от максимальной интенсивности света.

-Ю-

Эти данные показывают способность гибрида Виола х 7с эффективно фотосинтезировать при высоких иктенсквностях света, при которых — у родителей наступает светоЕое насыщение. 5.- Зависимость проявления ККГ от внешних условий.

Как показали наши йсслёдовшшя сильное воздействие на проявление ККГ оказывают внешние условия. Так, превниение гибридов, содержащих ККГ, над не содержащими его по ряду признаков варьировало в зависимости от года исследований и места произрастания. ,

Как видно из таблицы I,представленные генотипы имели большую выживаемость на экспериментальном участке в Кропотово. В этом же месте они отличались повышенным количеством семян с растения и урожаем семкн с деляшсн.

Одним из факторов, влияющих на проявление ККГ, как показали наши исследования, являются агротехнический фон. Так, в Москве отсутствует севооборот, что приводит к обеднению почв и увеличению ее зараженности паразитическими микроорганизмами. Два исследовань'х участка различались по количественному и качественному составу почвенной микрофлоры. На участке в Москве отмечена большая встречаемость бактерий. На участке в Кропотово более разнообразным был видовой состав грибной микрофлоры, что свидетельствует о наличии большого числа антагонистов паразитическим грибам. Показано, что в Москве почвы имели щелочной характер, а в Кропотово слабо кислый. Таким образом, можно констатировать, что в Кропотово мы имели более благоприятные агротехнические условия для возделывания гороха.'

Исследования в различных экологических условиях (в Москве и Кропотово) выявили еще одну особенность-проявлений гетерозиса. Различия между гетерозисными-гибридами и родителями •проявляйте.. ¡фактически во всех условиях (неблагоприятных и - благоприятных). Однако при сравнении гибридов между собой установлено, что в благоприятных экологических условиях различия между гибридами, содержащими и не содержащими ККГ, выявляются слабо. . Высокая выживаемость и устойчивость к воздействию окружающей среды гибридов, содержащих ККГ, приводит к их превосходству над ■ гибридами, но содержащими ККГ, именно в плохих условиях. Так, на двух экспериментальных участках было обнаружено, что ККГ сильнее'проявляется в условиях Москвы (рис.5). На рисунке видно, что в Москве растения дают .более низкую массу семян по сравнению с Кропотово, и одновременно наблюдается увеличение различий мевду гибридами, содержащими и не содержащими ККГ. На

Рисунок 5. Масса семян гибридов, содержащих и не содержа-

щих ККГ, на экспериментальных участках Кропотово и Москвы Шо-.левой^сезон 1990 годаЬ

Масса семян с растения (гр )

25-Г

20 -

Вио К Кропотово

СЗ Гибриды с (Р1) 7исх в Гибриды с (Р1) 7с

окспвремвнтальном участке в Кропотово эти различия нивелируются. После исследований по физиологии комплекса компенсаторных генов, можно сказать, что в Москве на растения действует ряд .'¡имитирующих факторов, которое выявляют преимущество гибридов, содержащих ККГ. В Кропотово эти факторы действуют в меньшей степени, и в этих условиях преимущества гибридов, содержащих ККГ, менее заметны. . «

Таким образам, исходя из литературных данных, а также наших исследований можно рекомендовать испытания гетерозиса гибридов как животных, так и растений производить в преднамерено плохих экологических условиях. Это позволит выделить гибриды, обладающие наиболее мощным ККГ, проверить их жизнеспособность и гетерозис.

6. Исследование корреляций, методом'факторного анализа.

Пр5Ганалкзе первичных корреляций количественных признакоЕ мл обнаружили, что порзжаемость растений грибными заболеваниям!

тесную обратную связь со всеми исследованными признакам! за исключением узла закладки первого боба (табл.3). Это свидетельствует о сильном'влиянии грибных заболеваний на развитие у-петекиЛ. Нсглго.'гев тесные связи получены с количеством сеыян I гухоа мпсетя семян с растения. Причем период -^эрмкрозания этш

Таблица 3.Коэффициенты корреляции мезду поракаемостью растений и различными исследованными признаками в конце вегетационного — периода (Москва 1991 год). Все исследованные коэффициенты достоверны при РсО.ОО!.

• высота число число вес семян выживаемость

Заболе- бобов семян

ваемость -0.794 -0.734 -0.817 -0.822 -0.743

признаков приходится на пик поражаемости растений грибными заболеваниями. Таким образом, на участке в Москве сильнее, чем в Кропотово действовал ряд лимитирующих факторов. Для уточнения действия этих лимитирующих факторов был проведан факторный анализ количественных признаков гибридов и линий по трем полевым сезонам. Факторный анализ сейчас широко применяется в полевых исследованиях (Абдрашидов и др.,1990; Гладышева,1991; Сарапулов и др,1990).

На факторном поле (рис.6) вектор чувствительности к гриб-Рисунок'6. Факторный график.

2.7

1.7

0.7

-е.з

-1 3 „.»«И.................■...;...................:...........л..........:,<ил«............-........................

' | .... | ... , | . . ■ |....... 1 ........

-2.« -1.« -в. 4 е.4 1.4 2.4

Г1с1ог 1

Признаки: I - Заболеваемость растений. 2 - Число растений с делянки давших урожай 3 - Сухая масса семян с растений. 4 - Высота растений. 5 - Число семян. 6 — Число бобов. • .

Т——1—'1 ' '—'—1—I—г-1—'—'—I—'—г—'—'—I ' '—'—'—г

.» :

.тк ...................;..... X..........

,№Ла

7т................ ............ :....................,н.................. „вЛм

Л ■... ,. I ... I I .........I

шм заболеваниям направлен в противоположную- стогну от осталь-шх признаков растений. Это означает, что грй<5й&' заболевания в сильно влияют на формирование всех исследований признаков. При анализе признаков, имеющих нагрузку на этот фактор, он был интерпретирован как жизнестойкость растений, связанная с устойчи востью к грибным заболеваниям (иммунитет растений).

Если расположить все изученные линии и гибриды на факторном поле согласно их нагрузкам на эти факторы, еид.ю, что линия 7с существенно продвинута в сторону нечувствительности к грибным заболеваниям и к более мощному развитию всех исследованных признаков. Проявление ККГ на факторном графике заметно и для гибридов. Так, гибрида линии 7с и 7исх явно различались по устойчивости к грибным заболеваниям и мощности развития всех признаков.

Признаки - количество семян и масса семян с рас^'вййЯ/ формируются во второй половине вегетационного пери- # Момент наибольшей лоражаемости растений грибными заболеваний®.- Поэтому гибриды, имеющие высокую устойчивость к грибным заболеваниям, обладали наиболее мощным урожаем семян.

Таким ооразом, увеличение жизнеспособности растений, свя-заное с формированным ККГ, обусловлено усилением их иммунитета, а также меньшей чувствительностью к воздействию окружающей среды, и как следствие, более мощным проявлением количественных признаков в гибридах Р1. В наших исследованиях гибрида И, обладавшие наиболее высокой жизнеспособностью, демонстрировали одновременно и повышение всех хозяйственно ценных признаков.

На факторном графике (рис.о/ легко выделить сор,а и гибриды, обладающие наибольшей экспрессией количественных признаков и иммунитета. Такие генотипы наиболее продвинуты по факторным осям. Это сорта: Виола, Неосыпающийся, гибриды Р1: Виола х 7с, Виола х 7исх, РашшЯ Грибоьский х 7с, Новая Форма х 42. Выявление генотипы могут быть рекомендованы для дальнейшей селекции на высокую комбинационную способность.

После исследования начальной скорости роста и развитие конечных количественных признаков.мы обнаружили, что уже в начале цветения высота растений коррелировала с конечными показателями продуктивности гибридов (табл.4). Получение результаты показывают какое большое влияние на развитие количественных признаков оказывает интенсивность развития гибридов в начале вегетационного легиода. Это данные могут позволить в дальнейшем разработать тести на раннее обнаружение продуктивна' растений.

Таблица 4. Коэффициенты корреляции между различными признаками, измереными в конце вегетационного периода, и высотой растений в — начале цветения (участок в Москве).

время. от посева конечная высота число бобов семян масса сухих семян выживаемость

Ш£> год

35 дней 0,863* 0.6 72 0.772 0.963* 0.690

1990 год 0.889**

42 дней 0,291 0.442 0.540* 0.571

1991 год „«л*** 0.989 0.808

30 дней 0.408 0.687* 0.725*

*- 0.05>Р>0.01 ** 0.01>Р>0.001 **»- Р<0.001

7. Слагаемые гетерозиса.

Конечным показателем продуктивности растений является урожай семян с делянки. Это - слоюшй признак, который формируется из нескольких составляющих. Первая составляющая,это-иммунитет растений, определяющий жизнеспособность и количество растений, давших полноценные бобы. Вторая составляющая многокомпонентна и определяется скоростью развития растений,в нее включаются: число илодушных узлов, число бобов и семян, масса одного семени, масса семян с растения. В этом плане интерсным представлялось исследовать вклад ИНГ в форлфование этих составляющих.

Исследование вклада ККГ в каждый отдельный'признак показало, что гибриды, содержащие ККГ.особв! го сильно превышают гибриды, не содержащие ККГ, по количеству сбмян, массе семян с растения и урожаю семян о делянки и в меньшей степени по высоте и числу плодущных узлов (рис.7). Это обясняется тем, что отбор линии 7с шел на высокую жизнеспособность, которая оказалась наиболее важна в период закладки и налива семян,..поэтому растения с более высокой жизнеспособностью в это? лориЪд отличались" вы- • сокой массой семян с растения и урожаем семян с долянки.

8. Исследование проявлений ККГ методом культуры тканей 'in vitro.'

На следующем этапе работы изучалось проявление ККГ в культуре in vitro. Было показано, что линия 7с достоверно (при Р<0.-001) превышает линию 7исх по приросту эксплантов, в пяти независимых опытах и на двух исследованных средах (табл.5).

Гибрида, содержащие ККГ, также демонстрировали более высокую, массу экеплзнта на 20 сутки культивирования, чем гибриды,

Рисунок 7. Влияние ККГ на формирование различных признаков гиб ридов (За 100% приняты гибриды с исходной формой). Москва,199! год. 1-Высота; 2-число плодушных узлов 3-число бобов 4-числ1 семян Б-масса одного семени; 6-масса семян с растения 7-выживаемость 8-урожай семян с растения.

ЕШ KX7UCX ШШ Кх7с ЕЛ Bx7ucx М 6x7с

Таблица б. Усредненный прирост эксплантов (мг) различных' гею типов по всем проведенным опытам в культуре 1п Жго.

Генотипы среда ВБ . среда В5 „

1% сахарозы 4% сахарозы

7исх^ 579 319

7с2 410 462 '

Бис л а х 7ИСХ1 385 609.

Виола х 7с2 507 630

Капитал х Vncx1 360 341

Капитал х 7с2 405 ' 436

Г^ТШ1 отсутствует 2- ККГ присутствует, но содержавде ККГ. Это проявлялось как по каждому опыту, так в среднем по всем проведенным опытам (табл.5). Такт: образом ККГ гроявляется и в культуре in vitro по приросту экспланта.

Одновременно б::ла установлена корреляция между приросто; »хеплантов i, культуре и такими показателями как выживаемость sr*0.64> семян (i~0.63) к?.: за сух;;., семян с растения

(г=0.81), высота растений (r=0.70).

По признакам выживаемость и прирост эксплантов в культуре -на среде с 1% сахарозы построена криволинейная регрессионная зависимость. Для сведения этой зависимости к линейной взяли величину обратную приросту каллуса (рис.8). Эта регрессионная зависимость соответствовала модели Y=a+bX при Р<0.001, гдо У-полевая выживаемость растений,Х-1/привес эксплантов на 20 сутки культивирования, а=203.95+22.14, ъ= -54.08+8.68. Коэффициент корреляции для этой модели составил: 0.91. Был рассчитан также коэффициент детерминации, сн составил 83 %. Таким образом, прирост тканей в культуре in vitro на 83 % определялся полевой выживаемостью исследованых растений.

Полевыми исследованиями было показано, что гетерозис с наибольшей силой проявляется в неблагоприятных условиях, поэтому нами был испытан ряд обедненных сред с целью проверки этого вывода в культуре тканей. Как оказалось, наиболее эффективным явилось обеднение среды культивирования по сахарозе. Поэтому была подобрана среда, на которой высокогетерозисные гибридные экспланты максимально выделялись бы от родителей. Такой средой Рисунок 8 Регрессионная зависимость массы экспланта и полевой выживаемости растений.

х

оказалась среда В5 с пониженным содержанием сахарозы. Поэтому в дальнейшем мы использовали две среды. Срэда Гамборга-I содержала 1% сахарозы (обедненная среда). Вторая среда содержала 4% сахарозы (обогащенная среда).

Таким образом, представляется возможным найти условия для проявления гетерозиса в культуре тканей. Для каждого генотипа на двух средах было проведенно от 3 до 6 опытов и был вычислен средний прирост по всем опытам.

При анализа прироста эксплантов на двух этих средах обнаружена связь между гетерозисом в поле и культуре in vitro, для гетерозиса по высоте (г=0.75), по числу семян (г=0.81), по сухой массе семян с растения (г=0.82), по выживаемости (г=0.91).

Данный факт свидетельствует о том, что существуют единые факторы, действующие как в целом растешш, • так и в культуре тканей, которые определяют продуктивность рь ,тений, и их устойчивость к воздействию окружающей среды.

Нам представляется возможным, при более обширных исследованиях, разработать тест на раннее обнаружение полевого гетерозиса по. гетерозису в культуре тканей и выявить условия,прс которых гетерозис проявляется с наибольшей силой в модвльщх экспериментах в культуре in vitro.

8. Исследование взаимодействия тканей при совместном культивирс вании.

Поскольку в литературе имеются указания, чт') взаимодействие тканой может служить методом, для тестирования гетерозиса i культуре in vitro (Булыгина и др.,1932), мы решили проверит! это предположение на гибридах, содержащих и не содержащих ККГ.

При совместном культивировании участков- стеблей также выявлен эффект взаимодействия. Выдели™ несколько типов взаимодействий. Перзпй взаимное угнетение (В+6), второй - взаимна! стимуляция (К+7ИСХ, Вт7исх), третий - угнетение одного генотип! другим (В+7с; К+7с; 6+К). '

Проведенные исследования показали что, выделенные титл взаимодействий не могут служить моделью для прогнозировать гетерозиса и подбора высокогетерозисных пар, так как в групп: высокогетерозисных комбинаций входят пары как взаимно стимулируемые, так и угнетаемые при совместнном культивировании hi различных средах.

вывод;

1) Подтверждена гипотеза В.А.Струшшсовя о роли ККГ в формировании гетерозиса у растений.

2) У полулетального хлорофильного мутанта гороха п результате селекции на выживаемость сформирован комплекс компенсаторных генов, фенотипически выразившийся в перестройке фотосинтетического аппарата, повышении интенсивности Фотосинтеза, устойчивости к грибным заболеваниям и приведший к повышению жизнеспособности и продуктивности, а также скорости роста эксплантов отселектировзной линии в системе in vitro

3) Накопленный в отселектированой линии ККГ при скрещивании наследуется гибридом. Это приводит к превосходству гибридов, содержащих ККГ, по интенсивности фотосгаггеза и устойчивости к световому насыщению, по ассимиляционной поверхности листьев, по скорости роста (особенно в начальный период развития), tio массе семян. Уменьшается генотшшческий коэффициент вариации, возрастает устойчивость к грибным заболеваниям. Всо эти физиологические показатели давали преимущество гибридам, содер-кащим ККГ, по выживаемости, мощности развития всех признаков и урожаю семян с растения.

4) Наибольший гетерозис проявляли гибриды, получение от зкрепдаваний достаточно отдаленных родителей с мутантом, содер-кащим ККГ. Причем, оба вклада были существенны.

5) Различия между гибридами, содержащими и не содержащими ШГ,в наибольшей степени проявляются в неблагоприятных условиях.

6) Поражаемость гибридов грибными заболеваниями тесно кор-. эелировала со всеми признаками (г= -0.7; -0.8), причем в большей степени с числом семян и урожаем „змян с растения. Скорость роста в начале вегетационного периода была также тесно связана ;о всеми исследованными- признаками (г=0.6; 0.9). Сделано прзд-юложенне о связи этих двух факторов с формированием гетерозиса растснЕ'г. По анализу корреляций рекомендованы сорта и гибрида для дальнейшей селекции на комбинационного способность.

' *

7) Обнаружено несколько типов взаимодействия тканей при ювместном культивировании in vitro. Эффект взаимодействия не *ыл связан с комбинационной способностью линий.

8) Получены регрессионные уравнения между приростом экс-глантов в культуре тканей и-полевыми характеристиками гибридов [ линий. Гетерозис в культуре тканей тесно коррелировал с поле -юй выживаемостью гибридов и гетерозисом по массе сухих семян с >астания.

РЕКОМЕНДАЦИИ • ' ■

1.На основании проведенных исследования рекомендуется ис-пользовшше ослабленных хлорофильных мутантов в качестве модели для создания гетерозисных форм.

2. Рекомендуется испытание гетерозиса гибридов в неблагоприятных экологических условиях.

3. Отобраны линии и сорта гороха, обладающие высокой комбинационной способностью. Эти генотипы рекомендуются для выведения новых высокопродуктивных сортов гороха.

4. Изучение характера роста эксплантов гороха в культуре in vitro рекомендуется для прогнозирования половой выживаемости растений и гетерозиса по массе семян с растения. '■..:•;.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1 Rybtsov S.A..Gostimski S.A..Ezhova. In vitro joint oulturing of different Pisum sativum L.genotypes for J'.ie. study of oharao-ter interaction.Abstracts 7th International Congress on Plant Tissue and Cell Culture.Amsterdam.June 24-29,1990.A1-.128 P. 127

2 Rybtsov S.A. Gostimski S.A. Comparative study of various pea hybrid lines for variation in vigour in vitro and field conditions. Abstraots. Symposium on grain legumes. February 9-11, 1991; IAHI, New Delhi. P.703

3 Рыбцов С.А. Культивирование in vitro эксплантов линий и гибридов гороха, различающихся по комбинационной способности и гетерозису, // в сб: Проблемы современной биологии.- Москва МГУ,-1991, депонировано в ВИНИТИ.-N.3762 B-9I. С.7-12. 4. Гостнмский С.А..Ежова Т.А.,Рыбцов С.А. Исследование возможности получения гетерозисных форм на основе полулегальных хлорофильных мутаций у гороха. // Селъскохоз. биол.-1992.- N.I.-С.64-71. .

СДАНО В ПЕЧАТЬ

1. Rybtsov S.A. Relationships of in vitro explant growth vigour and development features of whole pea plant.Abstraot 5th International Congress on Cell Biology Madrid Spain 26-31 July.1992.

2 Rybtsov S.A..Gostimski S.A. Thu photosynthesis and heterosis

*

iiybrid of pea. Abstraot IXth International Congress on Photo-synthesis Japan, Nag-oja September,1992.

3. Гостнмский С.А., Рыбцов С.А., Хартина Т.А. Характеристика компонсациошюго комплекса генов у гороха. Тезисы.- Йо^ренция ЕЭТ.С МинскЛ992.

-2С>-