Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Изучение мужской стерильности и ее использование в селекции настурции

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Изучение мужской стерильности и ее использование в селекции настурции"

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЕКЦИИ И СЕМЕНОВОДСТВА ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР

На правах рукописи ЛУКЬЯНЧИК Ирина Даниловна

УДК 635.566 : 575.2.

ИЗУЧЕНИЕ МУЖСКОЙ СТЕРИЛЬНОСТИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕЛЕКЦИИ НАСТУРЦИИ

Специальность 06.01.05 — селекция и семеноводство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена во ВНИИ селекции и семеновод овощных культур в 1989—1991 гг.

Научный руководитель — кандидат сельскохозяйствен наук, старший научный сотрудник Кудрявец Д. Б.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйствеь наук Крючков А. В., кандидат сельскохозяйственных ] Валеева 3. Т.

Ведущая организация — Главный ботанический сад сийской академии наук.

Защита состоится « . . . . 1992 г. в «

часов на заседании специализированного совета К 120.8 при Всероссийском научно-исследовательском институт лекции и семеноводства овощных культур по адресу: 14; Московская обл., Одинцовский р-н, п/о Лесной горе ВНИИССОК, сектор защиты диссертаций.

С диссертацией можно ознакомиться в библис ВНИИССОК.

Автореферат разослан « . . 1992

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат сельскохозяйственных

наук

Агапов А.

'* - ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность гемм. Явление гетерозиса все больше ставится во главу многих селекционных программ в декоративном растениеводстве, в связи с чем встает проблема предотвращения самоопыления. Наиболее эффективно и экономично она может быть решена, как и у множества сельскохозяйственных культур, путем генетической кастрации, в качестве которой выступает цитоплаэмотическая мужская стерильность.

Со времен открытия явления мужской стерильности самые разнообразные формы стерильности андроцея обнаружены почти у всех возделываемых растений, что является подтверждением закона гомологических рядов Н.М.Вавилова и предполагает поиск стерильных форм у ранее не изученных в этом направлении культур.

Настурция ( Тгореео1ша аауиз Ъ. . ) является одной из наиболее распространенных в озеленении цветочных культур, однако в ее промышленном сортименте в последние 25-30 лет практически не появилось новых интересных сортов.

Повышение обилия цветения и изменение реакции на климатические условия при переопылении сортов настурции позволим предположить у данной культуры возможность гетерозисного эффекта при скрещивании гомозиготных линий.

Обнаруженная мужская стерильность настурции представляет научный и практический интерес в связи с возможностью использования этого явления в селекции на гетерозис.

Цели и задачи исследований. Целью работы являлось изучение природы мужской стерильности у настурции культурной в связи с возможностью получения гибридов на ее основе. Дяя достижения постав-пенной цели были выдвинуты следующие задачи, [. Изучить морфологическое проявление мужской стерильности у растений настурции. ' - . ■

I. Установить особенности развития растений с мужской стерильностью.

-23. Изучить цитологическую структуру пыльцы и проследить протекание микроспорогенеза в пыльниках.

4. Установить характер наследования мужской стерильности по результатам расщеплений в поколениях гибридов от прямых и обратных скрещиваний, а также гибридов и беккроссов ВСр ■

5. Проследить закономерности в наследовании таких морфологических признаков растения, как форма куста, окраска листа и цветка. Установить возможную генетическую природу фиолетовой окраски цветка.

6. Изучить способы поддержания линий с мужской стерильностью.

7. Получить меялинейные гибриды настурции на основе мужской стерильности, изучить их биолого-морфологические особенности и определить гибридные комбинации, проявляющие гетероэисный эффект.

Научная новизна исследований заключается в

- установлении существования двух типов проявления мужской стерильности у настурции; полной и частичкой; '

- установлении снижения всхожести, продолжительности сроков развития и цветения стерильных растений;

- Установлении цитологических особенностей пыльцы и нарушений микроспорогенеза в стерильных пыльниках;

- выявлении характера наследования стерильности пыльников при совместном контроле цитоплазмы и двух генов ядра;

- установлении предполагаемых геиогипов гомо- и гетерозиготных линий по генам, определяющим стерильность; '...''..,

- установлении характера наследования фиолетовой окраски цветка;

- выявлении гетерозисного эффекта у гибридов Ер полученных на основе мужской стерильности, по таким признакам, как всхожесть семян, продолжительность и обилие цветения. •■'.•:■

Практическая значимость- исследований состоит в. том,, что

- выделены и изучены гомозиготные, линии-(фертильные,'частично, и

полностью стерильные) для последующего получения гибридов;

- найдены комбинации, дающие высокий декоративный (по окраске цветков, листьев, форме куста) и гетерозисный (по всхожести семян и обилию цветения) эффекты;

- получены перспективные для озеленения гибриды Е^ 11 BCj, представляющие смеси по окраскам и формам растений;

- установлено, что при семенном поддержании инбредных линий способность к размножению теряется в 7-8 поколении;

- изучен вегетативный способ поддержания линий с мужской стерильностью.

Апробация работы.Диссертация рассмотрена и рекомендована к защите методическим советом ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур. • .

Публикации результатов исследований." По материалам диссертации опубликовано 2. чТСхУЬа .

Объем и структурз диссертации. Диссертация изложена на /) О страницах машинописного текста, состоит из введения,-Эглав, выводов, приложений, иллюстрирована ^таблицами, ^рисунками, графиками, ¿фотографиями. Список использованной литературы включает 2{Ч наименований, в том числе-?Оиностранннх.

МГЕШАЛ И МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЙ. Экспериментальная работа проводилась во ВШИССОК в Московской области. В качестве объекта исследований использовалась настурция культурная (Tropaeolum culturua hört. ). Исследования проводились на 19 инбредных линиях 1-7 поколений (из них 8 фертильных линий и II линий с мужской стерильностью), гибридах Pj (30 комбинаций прямых скрещиваний и 24 - обратных), гибридах <12 комбинаций) и ВСj (II комбинаций). Инбредные фертилыше линии закладывались в различных сортах или сортосмесях настурций, мужскостерильные линии

были отобрана из гибридных потомств, полученных от скрещивания му-тантных форм (исходный сорт - Иварцер Принц, семена которого обрабатывались К -нитроэометилмочевиной).

Растения родительских линий и гибридов, предназначенных для скрещиваний, выращивали через рассаду и высаживали в изодомиках по 18 штук - линии, по 12 штук - гибриды Все комбинации скрещиваний (Ер и В^хЬ а также контроль (фертильные линии) высевали в открытый грунт по 50 сзмян в двух ловторностях. В момент цветения проводили ручное опыление стерильных линий пыльцой с фер-тильных (прямые скрещивания) и наоборот (обратные скрещивания) (опыление в 3-х повторностях). Для получения гибридов С^ было проведено самоопыление и беккрассирование СррастениЙ.

Линии и гибрида с недостаточным количеством семян или низкой всхожестью размножали вегетативно путем черенкования в климатических камерах.

• На линиях и гибридах проводили фенологические набл'юдения, изучали морфологию растений и пыльников (окраску и способ раскрытия), определяли фертильность пыльцы по ацитокарминовому методу (Пауше-ва, 1974) и просматривали прохождение микроспорогенеза. Фиксацию пыльников и бутонов проводили дважды в сезон: в начале цветения ' и в фазу массового цветения. Биохимическое изучение пигментного состава цветков было проведено в лаборатории онтогенеза высших.растений института общей генетики им. Н.И.Вавилова.

Величину гетерозисного эффекта определяли по формуле оценки доминантности (ь п) на двух уровнях : гипотетическом и истинном

• у

(Савченко (1984). Статистический анализ экспериментальных данных проводили по методикам Б.А.Доспехова (1966, 1935), П.Ф.Рокицкого (1974). • '

модий, который воздействует на микроспоры. У частично стерильных растений микроспорогенез протекает несколько иначе. Гак, мейоз у них проходит аналогично фертильным формам, нормально проходит такие образование таиетума. Нарушения касаются структуры самих пыльцевых клеток, что выражается в дегенерации генеративного ядра в визуально хорошо оформленных и окрашенных пыльцевых зернах.

Наследование признака фертильности у настурции.

Для удобства анализа признака фертильности были выделены зесть групп скрещиваний, где линия с мужской стерильностью опы-шлась несколькими фсргильными.

Следует отметить, что у рстений полностью стерильных линий '85 и 405 из-за плохой завязываемости было получено небольшое ко-шчество гибридных семян от прямых скрещиваний и не получено об-атных гибридов (из-за 100/&-Й стерильности). Данные линии были сключены из анализа. У полностью стерильных линий 385(6) и 3885(7) начале цветения на отдельных растениях были обнаружены 1-2 лолу-ертильных пыльника, что давало возможность получить некоторое ко-ичество обратных гибридов. Несмотря на их малочисленность, даи->ie комбинации были включены в анализ с учетом трехлетних данных, здобное явление наблюдалось также у полностью стерильных: Cj-гиб-1дов, что позволяло в начальный период цветения еамоошлить не->торые растения.

Сравнительный анализ результатов расщеплений в выделенных !сти группах скрециваний показал некоторыз закономерности в на-:едовании признака фертильности. Так, если в качеств'? материнских рм в скрещиваниях принимали участие полностью сторнлыше линии, , в зависимости от генотипов опылителей, расщепление по фенотипу гибридных поколениях.соответствовало четырем вариантам, представ-

нным в схеме I. ' ■ ,

„РР: Q с"х сГЪ*' ç 0 х <f С

^ - - ' 4-

■ FT: Dca С все S шш завязи отеугст.

•■■ ' 1- :■'•■".••'•.

Р<-,:зсе С или.завязи огсутств. -

б)

в)

РР; о Сх

^ Р

Рт: I ЧС : 1_С —-р- все С или А "Т"* . завязи отсут.

3 -ЧС : I С

РР: д С х о* Ф

Рт: 1-3

2 ЧС.: 1С

БС1: 3 5:4 4^1 С

1ВС1.

0*С

все ^ или нет завязей

о Ф х С

все Ф или завязи отсут.

г)

РР: ^ С х а* Ф I Ф : г ЧС

I Ф:2 ЧС:1 С

I С

0 5 х о* С

1 й : 2 ЧС

I С

С

стерильные, ЧС - частично стерильные, - фертильные растения

Схема I. Варианты расщеплений по фенотипам в гибридных потомствах от полностью стерильных линий в опытах по настурции.

Так, одна из групп скрещивания была представлена стерильной линией 3885(7) в качестве материнской и опылителями - феногипически фертильными линиями 1285, 2385, 4586.

Анализ результатов, полученных от рецепрокных скрещиваний в этой группе показал сл едущее.-Во всех случаях при обратных скрещиваниях типа "5 х С" пыльники гибридных растений имели полную фер-тильность. При прямых скрещиваниях в Р-ц-потомстве наблюдалась как полная стерильность (вариант а),' так и расщепление по зтому признаку (варианты б-г). .

Различия в результатах рецепрокных скрещиваний позволили предположить влияние внеядерных структур на проявление стерильности. Возможное количество ядерных генов и тип их взаимодействия

были изучены по результатам расщеплений в гибридных потомствах от прямых скрещиваний. :

Анализ результатов скрещиваний в комбинации 3885(7) х 1285 (соответственно варианту а) показал, что обе линии гомозиготны,

причем линия 3885(7) является носителем стерильной цитоплазмы (Цит ), а линия 1285 - носителем фертильной, нормальной цитоплазмы (Цнгц ).

В связи с тем, что данная комбинация не давала полной информации о ядерном контроле стерильности, была рассмотрена следующая комбинация скрещиваний - 3685(7) х 2385 -, где в Е^ и Е^ наблюдались расщолления (согласно варианту о) :

РР; § стерил. х о* фертил.

Рр 12 част.стерил. —23 част.стерил.,

9 садил. 6 стерил-

р

8 стерил.

На основании данных расщеплений по фенотипу в качестве нуле-гай была предложена гипотеза о моногенном характере наследования [ризнака фертильности. Введены символ Р и его возможные функции: ен РР отвечает за проявление полной фертильности пыльников, Рг -астичной стерильности и а - полной стерильности. Ткким образом, зацепление в Р^ на два фенотипических класса (стерильные и час-

о

ично стерильные в соотношении 1;1 ( X = 0,42; 0,5с Р< 0,7)) поз-эляет предположить генотипы исходных родительских форм, как гг и а* Рг . Так как опылитель с генотипом С? шел фертильные ллышки, можно отметить влияние К-цитоплазма на проявление фер-■.лыгасти. Следовательно, схема скрещивания будет тлеть вид:

РР: о Цит- а х 0я ЦигттРГ + стегал. ^ фертл.

Рх: I Цитд Р£ : I ЩтдЯ ,

частот. стер,

'о соответствовало практическому расщеплению.

Однако в Р^-поколении при самоопылений частично стерильных -гибридов наблюдалось на практике появление двух фенотипических ассов вместо трех теоретически ожидаемых: I Цит3 РР : 2 Цнт3 Р£ :

V

I Цит^И . Отсутствие стенотипического класса, определяемого гене типом Цит3 ЕС как фертильный, могло быть связано либо с нежизнеспособностью гамет, либо с подавлением действия гена РР другим Г£ ном. Второе предположение представляется нам более вероятным. Таким образом, была отмечена возможность действия второго гена, (условно обозначенного как 3 ), который может воздействовать на проявление гена Р по принципу рецессивного эшетаза. Если Цит3 СР отвечал за полную фертильность, то ДитаГСБ8 будет определять частично стерильные пыльники.Т.и. в случае комбинации 3885(7) х 2385 схема скрещивания будет выглядеть следующим образом:

РР: $ Цит5 «ее х «Г ЦитнР^ее

стерил. ^ фертил. р

I Цитд : I Цига «55 —Цитэ^БВ

част.стер. стер. стер.

Ре | -Иве !

■¡в • | 1

или I Цит8 РРев : 2 Цита Р*вв : Г Дитб ££ВВ -част.стер. част.стер. стер.

Такой подход в определении возможного генетического контрол?

нашел свое подтверждение при анализе других комбинаций скрещиваш?

Так, расщепление в гибридной комбинации 3885(7) х4586 имело

следующий вид (соответственно варианту в схемы)':

РР: £ стерил. х о* фертил.

8 фергильных, 14 фергильных,

21 част, стерильное-----част.стерильных,

4 стерильных, 8 фертильных,

7 стерильных----^12 част.стерильных,

7 стерильных,

что может Суть представлено следующими схемами. I) РР: $ Цит «ее X о" ЦитмР*аЕ

стер.

фертил.

—г I , 1 £"5 1 ( 1

1 ре ! } . I

| Р5 1 ! ргяс 1 1 !

( ™ 1 1 } -гг&г Г !

1 I ! 1 !

или I Цитд Р^Зг ферт.

I Цит3 Р£ве част. ст.

I Циг даст.ст.

I Цнт^Гев стер.

(I ферт.: 2 част.ст.: I стер., 0,55; 0,5^Р<0,7). 2) Расщепление в поколении ВС-рГибридов, полученных при беккросси-ровании Рррастений с генотипом Цит3 Р£ее соответствовало схеме: РР: 2 Цитд Р^ев , гибрид х а* Цитд

ВС

1

■

| Ра СРае Ф-

! Рз РР52 4 с. ■

| га ргае ф. ч. с*

1 ч С гее с. с • •

В случае беккроссирования частично стерильных Р^-гибридов, имеющих генотип Цит расщепление будет идти аналогично выше приведенной схеме.

Таким образом, при учете того, что ВС-ррастения имеют стерильный тип цитоплазмы, теоритически наблюдаемое расщепление по фенотипам будет соответствовать соотношению 3 ферт.: 4 част.ст.: I стер.

-14-

о 2

Проверка по X подтвердила это предположение (ХЛ=0,47; 0,5сР^0,7).

3) При беккроссирошнии полностью стерильных растений схема скрещиваний имела вид:

РР: £ Цигз^сс , гибрид Рг х о" Цат.1гР*°5

с 5..

со

гэ 4-С-

Гз с. ........

что соответствует фенотипическому расщеплению в соотношении I ферт. : 2 част.ст. : I стер. (Х2= 0,41; 0,5

Анализ второй группы скрещиваний, где в качестве материнской выступала стерильная линия 385(6), в качестве опылителей - феноти-пически фергильные линии 1285, 2885, 4586, 988, подтвердил гипотезу о цитоплазматической природе и дигенном характере наследования признака фертильности. Расщепление в обратной комбинации 988 х х 385(6) соответствовало варианту г схемы I, что указывало на э-тип цитоплазмы у фэнотипически фертильной линии 988.

Предложенный механизм наследования признака фертильности нашел свое подтверждение при дальнейшем анализе расцеплений четырех групп скрещиваний, где линии с мужской стерильностью были представлены частично стерильными формами.

ТЬким образом, было выдвинуто предположение, что в зависимости от типа цитоплазмы различные генотипы отвечают за степень выраженности фертильности следующим образом (таблица 3).

Таблица 3.

'¿енотгаическос прочвлсше фертильноеги пыльников у настурции при я -типе цитоплазмы.

№ ! Генотип растения ! Фенотип растения

I. полностью стерильное

2. частично стерильное

3. —м

4. _м

5. • ££аа I»

6. фертильное

7. _и

8.

9. №<Х> 1 п * — —

В случае нормальной цитоплазмы (Цитк ) независимо от перечисленных в таблице 3 генотипов растения форлируюг фертильную жизнеспособную пыльцу (например, Цитд- Иес , Цигд и т.д.).

Наследование морфологических признаков настурции: формы растения, окраски листа и цветка. По результатам расщеплений в поколениях и ВС^ был уста-

новлен моногенный характер наследования признака "форла растения" а также дигенность (комплементарное взаимодействие) при контроле окраски листа, что подтвердило литературные данные по частной генетике настурции (КаЛГеМг , 1936).

Особый интерес представляло изучение возможного генетического контроля ранее не отмеченной в литературе фиолетовой окраски цветка, появившейся в ходе воздействия химического мутагена НММ на семена сорта Шварцер Принц с темно-вишневыми цветками.-

Был изучен биохимический состав исходной и полученной окрасок, показавший различие'в рН клеточного сока лепестков (у фиолетовых цветков она ниже), а также в качественном составе.Гак, цветки красной окраски содержали антоцманидины пеларгонидин, петунидин, пео-

нидин и дельфинндин в сочетании с флавонолом кемпферолои. У фиолетовых цветков обнаружено отсутствие пеларгонидина и кемпферола. . Таким образом, было выдвинуто предположение, что мутация затронула как качественное содержание антоцианидинов, так и синтез флавонолов.

Из литературных источников известно, что рН клеточного сока лепестков настурции контролируется геном М ( КогГеМ , 1936). На основании этого была выдвинута гипотеза о возможной мутации по этому гену. Расцепления в гибридных потомствах по окраске цветка при скрещивании растений с темно-красными и фиолетовыми цветками (схема 2) подтвердили гипотезу о том, что отличие генотипа фиолетовой окраски от исходной состоит в одном гене - М находящемся в рецессивной форме ( ^ ).

ш I И а 15п ша -

ВС^ I

вст

о

м а

□

Ш Мт шл

Ш - № ' ШИ-

- темно-вишневая окраска,

- темно-красная, [ "I - фиолетовая

Схема 2. Наследование фиолетовой окраски цветка настурции.

Практическое использование мужской стерильности

настурции в селекции на гетерозис.

Анализ биологических особенностей гибридов Г^ на стерильной

основе показал наличие гегррозпенего эффекта по таким признакам,

чость проявляется при взаимодействии Цит 3 и генотипов Рг^к ,

, СР^е ,££<Х1 . В остальных случаях при наличии стерильной цитоплазмы формируются фертильные пыльники. Независимо от генотипов 1ри Цит к пыльники также фенотипически фертильны. 7. Выявлено, что мужская стерильность связана с понижением всхо-сести семян и замедлением сроков вегетативного развития и цвете-[ия, что наиболее выражено у полностью стерильных линий. !. Установлено понижение завязываемосги семян при самоопылении и 'пылении полностью стерильных растений. У частично стерильных и 1ергильных' растений этот показатель является достаточно высоким снижается при увеличении степени инбридинга. . Выявлено, что у гибридов Р| на стерильной основе наблюдается етерозисный эффект по трем-признакам: всхожести семян (!£>% от бщего количества гибридов), продолжительности (8^) и обилию цве-ения (64%). -

0. Установлено, что форма куста наследуется моногенно, окраска иста определяется двумя комплементарными генами. Фиолетовая ок-аска цветка отличается от других антоциановых окрасок отсутствием гларгонидина и флавонола, а также отличается от исходной красной сраски по.одному гену, контролирующему рН клеточного сока лепест->в (рецессивная форма гена М).

Г. Установлено, что наиболее перспективные по декоративности гиб-гдные потомства и ВС у можно получить от скрещивания пар расте-[й, одно из. которых обладает набором доминантных генов, конгроли-■ющих морфологические признаки, другое - рецессивных..

1. Шделены две фертильныа линии - 1285 и 4586 - дающие при скре-ваниях наиболее декоративные смеси гибридных растений в С^ и ВС|, также высокий гетерозис по всхожести и обилию цветения.

; Изучены способы размножения'и поддержания-инбредных линий.

Выявлено, что поддержание инбредных; линий можно проводить семенньш и вегетативным путями. При семенном способе размножения всхожесть семян теряется на седьмом-восьмом поколении.

. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Наследование морфологических признаков у настурции культурной

(. Кудрявец Д.Б. ,-Панько И.Д.)- 1992, 12 с. - рукопись депонирована в ВИНИТИ, 1992 г.

2. Наследование признака фертильности у настурции (Кудрявец Д.В., Панько И.Д.) -М., 1992 г. - рукопись депонирована в ВИНИТИ, Ю'с.