Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Методы и результаты анализа генетической системы самонесовместимости у груши Pyrus communis L.

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Методы и результаты анализа генетической системы самонесовместимости у груши Pyrus communis L."

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕНКО Авдрей Владимирович

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА Г! СИСТЕМЫ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТ1' communis L,

5 ОД

-7 ФЕЗ 20

:кои

РУШИ Pyrus

03.00.15 — генетш<а

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Краснодар 2000

Работа выполнена в Северо-Кавказском зональном научно-исследовательском институте садоводства и виноградарства в 1990-1999 гг.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Волчков Ю. А.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Смирнов В. Г.

кандидат биологических наук Тырышкин Л. IV4

Ведущая организация: Кубанский государственный аграрный университет

Защита состоится: 18 февраля 2000 года в 14 00 час.

на заседании Диссертационного совета Д020.18.02 при Государственном научном центре РФ— Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н. И. Вавилова - по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 44; факс: (812) 311-87-62

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор Э. А. Гончарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сведения о механизмах и эффектах несовместимости при само- и перекрестном опылении необходимы как для производства, так и для селекции и сортоизучения большинства хозяйственно полезных растений. Так, у плодовых растений правильный подбор опылителей для самобесплодных сортов не только повышает завязываемость плодов, но и улучшает их качество, обеспечивает проявление всех сортовых признаков. Селекционеры часто нуждаются в экспресс-методах анализа совместимости скрещиваемых сортов, а сортоведы— в уточнении пригодности сортов-опылителей в различных условиях среды.

Однако к настоящему времени явление несовместимости при опылении и его генетические механизмы не одинаково хорошо изучены у разных культур. Для груши, в частности, нами найдены в литературе лишьуказания на гаметофитный тип контроля этого явления (Суриков, 1991), описание роста пыльцевых трубок в различных комбинациях скрещивания и некоторые данные о проявлении несовместимости у полиплоидов (Lewis, Modlibowska, 1942; Crane, Lawrence, 1947; Visser, Oost, 1982).

Многие исследования несовместимости у груши выполнены несколько десятилетий назад, когда еще не была разработана классификация её механизмов. Более глубокие исследования ограничивались неудобством груши, как и других плодовых, для таких исследований в сравнении с "модельными объектами" (Brassica, Nicotiana, Petunia). У многолетних культур трудно реализовать один из основных методов генетического анализа— изучение потомства в специально поставленных скрещиваниях. Крайне сложна и оценка несовместимости по завязываемости плодов, так как их число на один-два порядка ниже числа цветков и сильно варьирует в зависимости от внешних условий.

Эти неудобства плодовых растений как объекта изучения генетики самонесовместимости и определяют по существу единственно перспективный путь анализа проблемы. Он заключается в использовании уже имеющихся гибридных форм для организации эксперимента, структура которого максимально приближается к оптимальной для изучения генетики этого специфического признака. Попытка pea-

лизовать этот путь решения проблемы в работе с конкретной коллекцией сортов и ранее полученных гибридов и определяет актуальность данного исследования.

Цель исследования. Характеризовать генетическую систему самонесовместимости (СН) у груши.

Достижение этой цели предполагало решение следующего ряда задач: —сформировать из имеющихся в коллекции родительских форм и их гибридов ряд схем скрещивания, адекватных изучению генетики СН, т. е. включающих переопыления родительских сортов друг с другом, с их гибридами Рь гибридов Р] друг с другом, самоопыление перечисленных форм;

— в пределах этих схем выполнить необходимые варианты само- и перекрестного опыленщ;

— количественно оценить результативность этих опылений, т. е. степень совместимости, по показателям роста пыльцевых трубок (ПТ) в пестиках;

— характеризовать систему СН у груши на основе специально разработанных алгоритмов анализа роста ПТ.

Научная новизна. Впервые у груши определены показатели роста ПТ в пестиках наиболее информативные в оценке СН. Выявлены негенетические факторы, влияющие на рост ПТ и предложены методы коррекции их эффектов, обеспечивающие наилучшее различение совместимых и несовместимых комбинаций опыления. Впервые в исследованиях СН у груши выявлено существование не менее, чем трёх главных генов, контролирующих признак. Показана эффективность исследования генетической системы СН на основе методов генетического и математического (метод Монте-Карло) прогнозирования результатов опыления с последующей оценкой адекватности моделей фактическим результатам опылений

Практическая значимость. Предложен метод, пригодный при работе с любыми плодовыми культурами, обеспечивающий выявление показателей роста ПТ, информативных в оценке СН при опылении.

С его помощью описана картина совместимости—несовместимости в совокупности из 116 комбинаций опыления сортов и гибридов груши. В условиях выявленной сложности системы генетического контроля СН у груши в качестве экспресс-метода подбора возможных опылителей рекомендуется учёт числа пыльце-

вых трубок, достигших завязи, а в качестве оптимального установлено корректированное по предложенному методу значение этого показателя, равное 3 на один пестик.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на методическом совете Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации изложены в 4 печатных работах.

(Структура и объём диссертации, Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Изложена на 84 страницах текста, содержит 23 таблицы и 3 рисунка. Список использованной литературы включает 58 наименований, в том числе 41 на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Опыты проводили в 1990-1992 годах на деревьях из коллекции сортов и гибридов груши Северо-Кавказского зонального НИИ садоводства и виноградарства, высаженных в пригороде Краснодара— ОПХ "Центральное". Участок расположен в центральной подзоне

Прикубанской зоны Краснодарского края, на высоте 50 м над уровнем моря. Почва— слабовыщелоченный мощный чернозём на лёссовидном суглинке. Экстремально низких температур и подтоплений участков сада в периоды, предшествовавшие опыту, не отмечено. В годы опыта фенофаза розовых бутонов у разных сортов груши наступала 10-25 апреля, а раскрытие 90% цветков— на 5-10 дней позже. Дневная температура в течение трёх суток после опыления составляла 9-21°С, а ночная не опускалась ниже 5°С. Пыльца всех заготовленных партий оказалась жизнеспособной не менее чем на 50%.

Схемы опыления формировали, исходя из положения, что наиболее полная информация для генетического анализа СН может быть получена при исследовании комбинаций следующих типов: РтхР6 РхР,, р^хр!,,, а также реципрок-

ные к ним; где Pm и Р(— родительские формы, Fi— гибриды, полученные от их скрещивания, Fjm и F|„— различные растения из семьи Fj, а также вариантов самоопыления изученных форм.

Имеющаяся в наличии коллекция позволила сформировать 6 схем опыления, отвечающих этим требованиям. На табл. 1 в качестве примера приведена схема, составленная из родительского сорта Пасс Крассан и гибридов первого поколения, полученных с его участием.

Для использования в опытах отбирали только здоровые, обильно цветущие и дающие удовлетворительный урожай деревья. Заготовку пыльцы проводили в соответствии с "Программой и методикой селекции плодовых, ягодных и орехоплодных культур" (Мичуринск, 1980). Цветки, выбранные для опыления, кастрировали в стадии бутона.

Для микроскопического исследования изготавливали давленые препараты по методике, изложенной Козубовым (1967). Препараты исследовали при помощи люминесцентного микроскопа. Учитывали число ПТ, достигших каждой из 5 предварительно выделенных зон пестика: 1-я — на выходе из рыльца, 5-я —в месте перехода пестика в завязь, 2-я, 3-я, 4-я — на равных расстояниях между ними. В ячейках табл. 1 приведены эти числа с 1-го по 5-е сверху вниз. Пустые ячейки со-о'п етствуют комбинациям опыления, которые выполнить не удалось.

Оценку СН строили на анализе показателей четырёх категорий. Указанные выше численности составили группу S-показателей. DS-показатёли— разности между числом ПТ в i-й и (¡+1)-й зонах (i=l,2,3,4), то есть число ПТ, прекративших рост в i-й зоне. А- показатели представляют собой отношение числа ПТ в i-й зоне к их числу на границе с завязью. В-показатели— отношениечисла ПТ, достигших i-й зоны к числу достигших предшествующей^-1) зоны. Общее число показателей составило 11. Число комбинаций, в которых оказалось достаточно ПТ для анализа, составило 116.

При анализе данных использовался IBM-совместимый компьютер с программными продуктами Statistica 5.0, FoxPro 2.6. В среде последнего были написаны необходимые программы для работы с базами данных, вычисления показателей

Таблица 1. Одна из схем опылений для генетического анализа самонесовмести-

мости у груши

Пасс Крассаи Флорана Джиома Чудо Рибе

Пасс Крассаи

Г, Флорана 47 72 82 80

40 60 70 58

35 46 55 54

27 27 33 45

27 22 25 43

Р) Джиома 237 136 55 95

182 105 35 88

164 77 25 75

134 69 7 62

132 58 2 52

И| Чудо Рибе 12 25 4

6 21 4

5 15 4

1 13 4

0 11 4

роста ПТ, моделирования взаимодействия генов СН, кластеризации объектов. Продукт 81айзйса использовали для выполнения дисперсионного и дискриминантного анализов, вычисления коэффициентов корреляции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка эффектов факторов, модифицирующих рост пыльцевых трубок

Известно, что проявление СН определяется различными факторами среды. Так, например, было очевидно, что рост ПТ в столбике пестика зависит не только от генетических характеристик пыльцы и тканей пестика, но и от целого ряда факторов, объединяемых в понятие "физиологическое состояние" опыляемого цветка. Совокупное действие этих факторов представлялось возможным оценить за счёт учёта данных по разным цветкам из разных соцветий и в разные годы опыта. При таком подходе особенности условий года и индивидуальность цветка и соцветия

выступали как самостоятельные источники изменчивости— факторы. Эффекты этих факторов были оценены в сравнении с основным источником различий между комбинациями опыления— различием генотипов изучаемых форм.

Наиболее важный вопрос заключался в том, в какой мере эффекты модифицирующих факторов способны исказить картину СН. Вопрос решен в рамках анализа нескольких иерархических дисперсионных комплексов. Структура средних квадратов в дисперсионном комплексе данного типа полностью адекватна решению этого вопроса. Действительно, когда модифицирующий фактор, т. е. физиологическое состояние соцветия или цветка, ставится в иерархии ниже различия комбинаций опыления, обусловленная им часть общей дисперсии изымается из дисперсии "между комбинациями". Эффект генетических факторов оценивается, поэтому, "в чистом виде", при снятом эффекте различий в физиологическом состоянии. Приведённая ниже структура средних квадратов раскрывает это положение: т5А=п,5д2+пч8в2+5е\ т5в=Пц5в2+бД 1л5е=бД

где 5— дисперсия, п— численность группы, А— комбинация, В— модифицирующий фактор, е— остаточная изменчивость, 1 и j— номера уровней факторов.

Результаты анализа двух иерархических дисперсионных комплексов показали, что: различия между комбинациями опыления в росте ПТ устанавливаются по подавляющему большинству из вычисленных показателей; эффект фактора "соцветие" отсутствует; эффект фактора "цветок" устанавливается для большинства показателей, но его вклад в общую дисперсию оказывается настолько малым (1 %-3%), что позволяет им пренебречь.

Без предварительного анализа нельзя было исключить и условия года опыления как фактор, модифицирующий рост ПТ. Его оценка выполнена на дисперсионном комплексе, структура которого позволила выполнить анализ как многомерный Результат оказался отрицательным в том смысле, что эффекты фактора "год" и взаимодействия "комбинация— год" на изменчивость всего комплекса показателей не установлены. Оценка вкладов отдельных показателей в общую дисперсию

по фактору "год" обнаружила, что такая структура изменчивости свойственна каждому из них в отдельности. В дальнейшем это позволило игнорировать различия года опыления.

Оценка показателей роста пыльцевых трубок по их способности характеризовать несовместимость

Один из центральных вопросов исследования состоял в выборе показателя (или показателей) роста ПТ, адекватного в оценке степени несовместимости при опылении. Безусловные различия по крайней мере некоторых из использованных форм— компонентов опылений по генам, контролирующим этот признак, позволяли определить критерий выбора такого показателя: адекватным является тот, который наилучшим образом дифференцирует комбинации опыления.

Результаты однофакторного дисперсионного анализа позволили разделить общую дисперсию каждого из показателей на два слагаемых: "между комбинациями" и "остаточную" и показали, что дисперсия "между комбинациями" представлена в структуре всех 13 учтенных показателей. Её вклад в общую варьировал в пределах от 9,0% до 53,8%. Максимальный вклад внесли показатели 84, А1, А2, АЗ, А4.

Представлялось оправданным и рациональным выделить в структуре изменчивости каждого из показателей ещё один, более высокий в иерархии дисперсионного комплекса фактор изменчивости, а именно— тип комбинации, под которым понимается её принадлежность к одной из четырёх выделяемых в гибридологическом анализе групп скрещиваний. Выделены следующие группы:

— скрещивания условно неродственных форм, обозначенные как РхР;

— скрещивания родительских форм с гибридами первого поколения (РхР^;

— скрещивания гибридов Б] друг с другом ^хР]);

— самоопыление любых из перечисленных форм (8).

Описанный подход реализован в анализе двухфакторных иерархических дисперсионних комплексов, где в качестве первого в иерархии фактора выступал

"тип комбинаций", в качестве второго—"комбинация опыления". Остаточная дисперсия оценивала изменчивость показателя между пестиками.

Выделение типа комбинаций в качестве раздельно изучаемого фактора изменчивости роста ПТ позволило уточнить критерий выбора адекватного показателя: адекватен тот из комплекса учтенных, который наилучшим образом дифференцирует и комбинации опыления, и их типы. Соответствующие вклады в общую дисперсию оказались наиболее велики у двух показателей: Б4 и А4. Оба они характеризуют число ПТ, доросших до входа в завязь. Первый есть абсолютное число таких ПТ, а второй— их отношение к числу проросших на рыльце пестика.

Дисперсионный анализ изменчивости показателей 84, А1, А2, АЗ, А4 выявил преимущество Б4 и А4, наилучшим образом дифференцирующих как типы комбинаций опыления, так и конкретные комбинации. Но оставалось ещё неясным, в какой мере разрешающая способность каждого из показателей зависит от системы их связей. Вопрос мог быть решён в дискриминантном анализе.

Дискриминантная функция представляет собой линейную комбинацию , в которую каждый из показателей входит со своим коэффициентом— вкладом, учитывающим корреляционную структуру. Чем больше этот вклад, тем информативнее соответствующий показатель в различении типов и комбинаций опыления. Средний вклад показателя Б4, взвешенный на долю дисперсии, учтённой дискри-минантной функцией, оказался выше, чем вклад А4. Кроме того, учёт показателя при искусственно выровненных значениях прочих обеспечивал надёжное различение типов скрещиваний. Учёт показателя А4 к такому различению не приводил. Таким образом, преимущество показателя Б4 над другими представлялось вполне очевидным (табл. 2). х

Таблица 2. Статистики дискриминантного анализа, оценивающие вклад показателей рйста ПТ в различение типов комбинаций опыления

Показатель Л Уилкса Вероятность нуль-гипотезы Средний взвешенный вклад показателя

Б4 0,846 0,000 0,416

А1 0,851 . 0,000 0,600

А2 0,833 0,019 0,592

АЗ 0,824 0,764 0,260

А4 0,827 . 0,249 0,261

При исследовании структуры изменчивости показателей роста ПТ обратила на себя внимание значительная остаточная дисперсия. Это полностью относится и к избранному в качестве наиболее информативного показателю 84. Вклад остаточной дисперсии в общую превысил для него 45%. Большая остаточная дисперсия означает, что учтённые факторы изменчивости, то есть тип комбинации опыления и специфика конкретной комбинации, далеко не исчерпывают источников вариации. Поиск таких источников и составил следующую задачу анализа данных.

При исследовании корреляционной структуры показателей была установлена связь средней силы Э4 с БО— числом пыльцевых зёрен, проросших на рыльце пестика. Коэффициент корреляции равен 0,42 (р<0,01). Представлялось возможным предположить, что количество ПТ, начавших рост в пестике, является фактором, модифицирующим показатель Б4— например, в силу конкуренции между ПТ в одном пестике. Предположение подтвердилось в анализе изменчивости Б4 с 50 в качестве ковариаты. Доля дисперсии Б4, обусловленная ковариатой, составила 10,6% от общей. Фоном, на котором реализуются конкурентные отношения между растущими ПТ, является пестик, его физиологическое состояние. Попытка сравнить средние значения Б4 в группах комбинаций, сформированных по общности опыляемой формы (её особенности и определяют состояние пестика) привела к установлению различий. Доля дисперсии, обусловленная этим новым фактором изменчивости 84, составила 14,9%.

Опыт генетики количественных признаков свидетельствует о том, что свойственная им широкая модификационная изменчивость оказывается главным препятствием к распознаванию генотипов по фенотипу. В своё время А. С. Серебров-ский (1970) определил главную задачу количественной генетики как вскрытие каркаса генотипической изменчивости под покровом изменчивости модификационной. Всё это в полной мере относится и к показателю Э4 как количественной характеристике степени совместимости. С этих позиций эффекты двух выявленных модифицирующих факторов следовало не столько учесть, сколько изъять. Практически это означало коррекцию фактических значений 84 путём введения поправок на значения 80 и среднее значение 84 по группе комбинаций с общей опыляемой формой.

Уравнение, использованное для коррекции значений по отдельным пестикам, имело вид:

54'=84+Ь1(80-т501;)+Ь2(т841-т84..), где:

84'— корректированное значение 84,

Б4— фактическое значение Б4 для данного пестика,

БО— фактическое значение 80 для данного пестика,

т80ц— среднее значение 80 по комбинации опыления i х^

т84г _ среднее значение Б4 по группе комбинаций с опыляемой формой ¡,

т84— среднее значение 54 по всей совокупности комбинаций опыления,

Ъ)— коэффициент линейной регрессии 84 на Б0,

Ъг— коэффициент линейной регрессии 84 на 84, .

Корректированное значение 84 для данной комбинации опыления определялось как среднее по всем изученным пестикам.

После снятия эффектов модифицирующих факторов распределение изученных комбинаций по значениям 84 существенно преобразовалось (рис. 1).

По корректированным значениям ясно выделились две группы комбинаций: несовместимые (84<0,10) и совместимые (84>0,17). По фактическим значениям Б4 разделение было невыполнимо.

Успех анализа роста ПТ в столбике пестика— выявление двух различных в генетическом отношении типов комбинаций опыления— совместимых и несовместимых— определился верным выбором информативного показателя и эффективной методикой его коррекции, минимизирующей эффект негенетических факторов. Под исходной непрерывной изменчивостью значений значений показателей роста в совокупности комбинаций обнаружена генетически обусловленная дискретность.

А

эз

30 27 24

21 18 15 12 9 6 3 0

<-•1,785 (-1,267:-,749] (-.231;,288] (,806:1.324] (1,842:2.36]

{-1,785;-1,267] (-.749;-, 231] (.287;,806] (1,324:1.842) >2,36

Б

■

-•1,812 (-1,32;-,829] (-.337;, 154] (.645:1,137] (1,628;2

И,812:-1.32] (-.829;-,337] (.154,,645] (1,137;1,628]

Рисунок 1. Распределение совокупности изученных комбинаций по фактическому (А) и корректированному (Б) значениям показателя Б4 (абсцисса— 1п(84); ордината— число комбинаций).

Анализ генетической системы самонесовместимости у груши

При проведении генетического анализа СН обычно используют скрещивание потомства от самоопылённых форм. Однако этот методический приём не может быть реализован на груше. Хотя самоопыление у груши выполнимо, выращивание потомства до возраста, когда возможна оценка, требует 10-12 лет. Важное для де-

тального генетического анализа исследование последующих поколений делает время эксперимента практически необозримым.

Нами была предпринята попытка систематизировать картину изменчивости роста ПТ за счёт объединения комбинаций со сходной долей ПТ, достигших того или иного уровня пестика. Но удовлетворительного результата, т. е. разделения изученных комбинаций на относительно малое число групп, не достигнуто. Картина изменчивости оставалась по-прежнему сложной.

В генетическом анализе разделяют два типа задач, иногда называемых прямыми и обратными. Первый заключается в прогнозировании расщеплений в потомстве от скрещивания форм с известными генотипами. Второй— в установлении генотипов родительских форм по расщеплению в потомстве от их скрещивания. Когда возможность постановки всех требуемых для генетического анализа СН скрещиваний отсутствует, представляется рациональным ввести в исследование элементы "прямых" задач генетического анализа. Практичесыг'этЬ означает прогнозировать результаты опыления в схемах разных типов на основании заранее выбранных моделей генетики СН и сопоставить реальные результаты опылений с прогнозируемыми.

Поскольку система генетического контроля СН у груши не изучена, были рассмотрены все основные из известных моделей генетики СН (Суриков, 1991). Естественно было начать с самых простых в генетическом смысле моделей и далее повышать их сложность до получения соответствия экспериментальным данным по переопылению разных форм.

Были рассмотрены все гипотезы, предусматривающие контроль СН одним или двумя генами, действующими по гаметофитному или одному из видов споро-фитного типа: с доминированием алллей, их кодоминированием и сменой доминирования.

Так, например, кодоминирование аллелей должно приводить к несовместимости во всех комбинациях типа РхБ, и Р^Р, так как генотип любого опылителя имеет хотя бы один аллель, общий с генотипом опыляемого растения. Однако из 32 изученных комбинаций данного типа 23 оказались в той или иной степени совмес-

тимы. На этом основании данная модель признана неадекватной системе генетического контроля СН у груши.

Подобным образом было установлено несоответствие экспериментальным данным и остальных моно- и дигенных гипотез. Оставалось заключить, что СН у груши контролируется большим числом генов.

В рамках гипотезы о гаметофитном контроле СН при равных частотах аллелей средняя в популяции вероятность совместимости ПТ может быть описана формулой:

где: х— число гаметофитных генов СН в генотипе;

п,— число аллелей /-го гена СН.

Например, в популяции с четырьмя генами и числом аллелей соответственно 4, 5, 6 и 7, совместимых ПТ ожидается в среднем 29%. Изложенная гипотеза удовлетворительно объясняет описанное выше явление остановки роста части ПТ при переопылении неродственных сортов. Однако многие из изученных комбинаций отнесены к несовместимым.

Более перспективной оказалась гипотеза, объединяющая действие двух комплементарных гаметофитных генов и одного независимого от них гена также га-метофитного типа. Однако произвести всестороннюю проверку адекватности этой гипотезы способом, применённым ранее, оказалось затруднительно из-за её сложности. Поэтому методом Монте-Карло (Ермаков, 1975) было проведено моделирование процессов подбора родительских пар всех изученных в эксперименте типов и проверки совместимости соответствующих ПТ. Для этого была написана компьютерная программа, имитирующая случайный выбор генотипов материнского и отцовского родителей с учётом налагаемых используемой гипотезой ограничений. Так, например, невозможно образование гомозигот по третьему, независимому ло-кусу. Затем программа имитировала получение гибридов Fi и опыление в комбинациях всех возможных типов: PmxPf, PfxPm, PmxFi, F]xPm, PfxFi, FixPf, FimxFi„: При моделировании перечисленные типы скрещиваний взяты в пропорции, отвечающей их реальной частоте в совокупности опытов. В каждой из них подсчитывалось чис-

ло совместимых ПТ, а затем доля несовместимых комбинаций от общего числа каждого типа. Переменной величиной являлось число аллелей в популяции по каждому гену. Изучали варианты с числом аллелей от 4 до 10, в 10 повторностях каждый, причём число аллелей принимали равным для всех трёх локусов.

Для числа аллелей 4, 5 и 6 были получены результаты, весьма сходные с экспериментальными (рис. 2). В модели и реальных данных близко совпали, во-первых, доли несовместимых комбинаций от общего числа изученных. Во-вторых, сравнение модельного и фактического распределений по доле несовместимых ПТ не выявило их различий. Поскольку в экспериментальных данных значения SO и, следовательно, S4 колеблются в значительных пределах, а при моделировании SO принимали равным 30, диапазон значений S4 оказался смещён'относительно экспериментального (см. рис. 3). Поэтому сравнение распределений по критерию х2 оказалось возможным выполнить только в два этапа. На первом совокупности разделили на совместимые и несовместимые комбинации. На втором— сравнивали распределения частот несовместимых ПТ совместимых комбинаций, выделив предварительно шесть классов. Полученные значения х2 оказались равными соответственно 0,81 и 8,65 (р>0,05). Это позволило принять нуль-гипотезу о сходстве модельного и эмпирического распределений.

Тригенная модель генетического контроля СН у груши не кажется слишком сложной с учётом мнения М. Б. Крейна и У. Лоренса (Crane, Lawrence, 1947), отметивших зависимость проявления само- и перекрёстной несовместимости сортов от геномного состава плодовой культуры. Род Pyrus считается криптополиплоидом (по мнению упомянутых авторов, с хромосомным набором 2n=6xi+4x2=34; Xi=3; ■ Хг=4), и самим своим происхождением обязан, очевидно, объединению геномов неких древних видов Rosaceae. Установлено (Anderson et al., 1986; Uyenoyama, 1995; Xue et al., 1996), что гены СН имеют древнее эволюционное происхождение, и их возраст часто превосходит возраст самих видов, ими обладающих. С этих позиций весьма вероятно, что вид груши обыкновенной Pyrus communis L. наследовал несколько различных локусов, контролирующих СН.

А

<49 44

40 М 32 2» 24 20 1«

12 <

0

Б

525 490 455 420 385 350 315 280 245 210 175 140 105 70 35 0

Рисунок 2. Распределение совокупностей изученных комбинаций по значениям показателя Б4: экспериментальной (А) и смоделированной (Б); абсцисса— 1п(84); ордината— число комбинаций.

Относительно малое число аллелей в каждом из трёх локусов можно связать с двумя обстоятельствами. Во-первых, подавляющее большинство современных сортов груши, в том числе и использованные в нашем исследовании, происходят от старинных западноевропейских сортов, и их родословная может восходить к очень ограниченному числу общих предков. Во-вторых, исследования пуклеотидных по-

следовательностей S-генов яблони и груши (Broothaerts et al., 1995; Sassa et al., 1996) показали, что возраст аллелей превосходит возраст видов, а возможно, и родов Malus и Pyrus. Если видообразование груши произошло посредством поли-плоидизации, то структура популяции с малым числом аллелей S-генов могла закрепиться и до настоящего времени не подверглась существенным изменениям в отношении их числа и функций.

ВЫВОДЫ

1. В комплексе показателей, характеризующих рост пыльцевых трубок в пестике груши, наиболее информативным при распознавании совместимых и несовместимых комбинаций опыления является абсолютное число пыльцевых трубок, достигших завязи.

2. Информативность данного показателя возрастает в результате выполняемой в регрессионном анализе коррекции его значений на число пыльцевых трубок, проросших на рыльце пестика и на среднее число достигших завязи пыльцевых трубок у данной опыляемой формы.

3. Эффект негенетических факторов, модифицирующих картину роста пыльцевых трубок: условий года опыления и физиологического состояния цветка и соцветия,— незначителен и не препятствует распознаванию совместимых и несовместимых комбинаций предложенным способом.

4. В исследованиях генетической системы самонесовместимости у объектов, где затруднена постановка всех необходимых для этого скрещиваний, эффективно генетико-математическое моделирование доли совместимых комбинаций и частоты совместимых пыльцевых трубок в них на основе известных моделей генетики признака. В работе с грушей указанный подход привёл к тригенной системе гамето-фитного типа в составе двух комплементарных генов и одного с независимым от них эффектом; число аллелей в каждом из локусов равно 4-6.

5. Относительно сложная, в сравнении с описанными у других объектов, генетическая система самонесовместимости связывается со спецификой геномного

состава рода Pyrus, возникшего путём гибридизации и полиплоидизации древних видов Rosaceae, а малое число аллелей— с ограниченным числом растений-родоначальников.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алексеенко А. В. Комплексная оценка совместимости растений груши при опылении//Отдалённая гибридизация плодово-ягодных и других многолетних растений. — Кишинёв, 1994. С. 14.

2. Алексеенко А. В. Эколого-генетический аспект явления совместимости— несовместимости при опылении у груши. I. Оценка эффектов факторов, модифицирующих рост пыльцевых трубок//Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий. — Краснодар, 1999. С. 20-21.

3. Алексеенко А. В. Эколого-генетический аспект явления совместимости— несовместимости при опылении у груши. II. Распознавание генетически совместимых и несовместимых комбинаций опыления на основе коррекции показателей роста пыльцевых трубок//Аюуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий. — Краснодар, 1999. С. 21-24.

4. Алексеенко А. В., Волчков Ю. А. Выявление системы генетического контроля самонесовместимости у груши Pyrus communis ¿.на основе генетико-математического моделированиях/Сельскохозяйственная биология, 1999, № 5, с. 95-102.

Тип. КубГАУ Заказ -¿Г Тираж /гГг'? экз.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Алексеенко, Андрей Владимирович

ВЫВОДЫ

1. В комплексе показателей, характеризующих рост пыльцевых трубок в пестике груши, наиболее информативным при распознавании совместимых и несовместимых комбинаций опыления является абсолютное число пыльцевых трубок, достигших завязи.

2. Информативность данного показателя возрастает в результате выполняемой в регрессионном анализе коррекции его значений на число пыльцевых трубок, проросших на рыльце пестика и на среднее число достигших завязи пыльцевых трубок у данной опыляемой формы.

3. Эффект негенетических факторов, модифицирующих картину роста пыльцевых трубок: условий года опыления и физиологического состояния цветка и соцветия,— незначителен и не препятствует распознаванию совместимых и несовместимых комбинаций предложенным способом.

4 . В исследованиях генетической системы самонесовместимости у объектов, где затруднена постановка всех необходимых для этого скрещиваний, эффективно генети-ко-математическое моделирование доли совместимых комбинаций и частоты совместимых пыльцевых трубок в них на основе известных моделей генетики признака. В работе с грушей указанный подход привёл к тригенной системе гаметофитного типа в составе двух комплементарных генов и одного с независимым от них эффектом; число аллелей в каждом из локусов равно 4-6.

5. Относительно сложная, в сравнении с описанными у других объектов, генетическая система самонесовместимости связывается со спецификой геномного состава

76 рода Ругив, возникшего путём гибридизации и полиплои дизации древних видов ЯоБасеае, а малое число аллелей с ограниченным числом растений-родоначальников.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Алексеенко, Андрей Владимирович, Краснодар

1. Биометрия/Глотов Н. В. , Животовский Л. А., Хова-нов Н. В., Хромов-Борисов Н. Н. — Л., 1982. — 420 с.

2. Вавилов Н. И. Фитогеографические основы селекции растений. -М., 1951. 348 с.

3. Вайсман Н. Я. Влияние генетических факторов и внешних условий на выражение признака несовместимости (псевдосовместимости) //Генетика сахарной свёклы. — Новосибирск, 1984. — С. 108-120.

4. Выханду Л. К. Об исследовании многопризнаковых систем// Применение математических методов в биологии. -Л., 1964. С. 19-23.

5. Грант В. Видообразование у растений.— М., 1984. 528 с.

6. Ермаков С. М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы.- М. , 1975. 472 с.

7. Животовский Л. А. Интеграция полигенных систем в популяциях.— М., 1984. — 234 с.

8. Козубов К. М. Люминесцентный метод изучения пыльцы растений// Ботанич. журн.— 19 67.— Т. 52.— № 8. С. 1156-1157.

9. Крючков А. В., Крашенинник Н. В., Ось ко Е. В. Влияние повышенных концентраций углекислого газа на проявление самонесовместимости в потомстве инбредных- линий белокочанной капусты//Селекция овощных культур.— 198 9.— Вып. 28. — С. 23-27.

10. Рылов Г. П. Груша в Белоруссии. — Минск.— 1991.— 238 с.

11. Серебровский А. С. Генетический анализ. — М.,1970. 344 с.

12. Сидорский А. Г. Соотношение инбридинга и аутбри-динга у огурцов//Генетика.— 1981.— Т. 17.— № 4. С. 694-700.

13. Соонихина С. П. Значение систем несовместимости для эволюции перекрёстного опыления и самоопыления у покрытосеменных растений//Успехи современной генетики, вып. 5 — М., 1974. — С. 210220.

14. Суриков И. М. Генетика внутривидовой несовместимости мужского гаметофита и пестика у цветковых растений//Успехи современной генетики, вып. 4 — М. , 1972. С. 119-169.

15. Суриков И. М. Несовместимость и эмбриональная стерильность растений. — М., 1991. — 220 с.

16. Туз А. С. Вопросы эволюции рода Pyrus//Сб. науч. тр. МОС ВИР. Краснодар, 1972. - С. 13-16.

17. Ascher P. D. Self-incompatibility//Petunia.-1984,- pp. 92-110.

18. Bower M. S. Matias D. D., Fernandes-Carvalho E., Mazzurco M., Gu Т., Rothstein S. J., Goring

19. D. R. Two members of thioredoxin-h family interact with kinase domain of Brassica oleracea S-locus receptor kinase//Plant Cell.- 1996.- N. 8. pp. 1641-1650.

20. Boyes D. C., Nasrallah J. B. Physical linkage of the SLG and SRK genes at the self-incompatibility locus of Brassica oleracea//Mol. Gen. Genet.- 1993.- V. 236.- pp. 369-373.

21. Boyes D. C., Nasrallah J. B. An anther specific gene encoded by an S-locus haplotype of Brassica produces complementary and differentially regulated transcripts//Plant Cell.- 1995.- N. 7. pp.1283-1294.

22. Broothaerts W., Janssens G., Proost P., Broekaert W. cDNA cloning and molecular analysis of two self-incompatibility alleles from apple//Plant Mol. Biol.- 1995.- V. 27.- pp. 449511.

23. Brewbaker J. L. Pollen cytology and self-incompatibility systems in plants//Journal of heredity.- 1957.- V. 48.- pp. 271-277.

24. Crane M. B., Lawrence W. J. C. Genetics of garden plants.- London.- 1947.- 299 p.

25. Crowe L. K. The evolution of outbreeding in plants. I.The angiosperms //Heredity.- 1964.- V. 19.- N. 3.- pp. 435-457.

26. Darwin C. The effect of cross and self-fertilisation in the plant kingdom. -London,-1876.

27. Darlington C. D. Recent advances in cytology.1.ndon.- 1932.

28. East E. M., Mangelsdorf A. J. A new interpretation of hereditary behaviour of self-sterile plants//Proc. Nat. Acad. Sci. USA.-1925.- V. 11.- pp. 166-183.

29. Ferrari T.E.Burns D.,Wallace D.H. Isolation of a plant glycoprotein involved with control of intercellular recognition//Plant Physiol.-1981.- V. 67.- N. 3.- pp. 270-277.

30. Goring D. R., Rothstein S. J. The S-locus receptor kinase gene in a self-incompatible Brassica napus line encodes a functional serine/threonine kinase//Plant Cell.- 1992.- N. 4.- pp. 1273-1281.

31. Lewis D. Comparative incompatibility in Angiospermae and Fungi//Advances in genetics.-1954.- V. 6.- pp. 235-285.

32. Lewis D., Crowe L. K. Unilateral interspecific incompatibility in flowering plants//Heredity.-1958.- V. 12.- N. 2,- pp. 233-256.

33. Lewis D.,Modlibowska I. Genetical studies inpears. IV.Pollen tube growth andincompatibility//J. Genetics.- 1942.- V. 43.- p. 211-222.

34. Li X., Nield J., Hayman D., Langridge P. Cloning a putative self-incompatibility gene from the pollen of the grass Phalaris coerulescens//Plant Cell.- 1994.- V. 6.- pp. 1923-1932.

35. Lundqvist A. The origin of self-compatibility in rye//Hereditas. I960.- V. 46.- N. 1-2.- pp. 119.

36. Marcucci M. C., Visser T. Pollen tube growth in apple and pear styles in relation to self-incompatibility, incongruity, and . pollen load//Adv. in Hortic. Sc.- 1987.- N. 2.- pp. 9094.

37. Mau S. L., Raff J., Clarke A. E. Isolation and partial characterisation of components of Prunus avium L. styles, including an antigenic glycoproteine associated with a self-incompatibility genotype//Planta.- 1982.- V. 156.- N. 6.- pp. 505-516.

38. McClure B.A., Gray J.E., Anderson M. A., Clarke A. E. Self-incompatibility in Nicotiana alata involves degradation of pollen rRNA//Nature.-1990.- V. 347,- pp. 757-760.

39. McClure B.A., Haring V., Ebert P. R., Anderson M. A., Simpson R. J., Sakyama F., Clarke A, E. Style self-incompatibility gene products of Nicotiana alata are ribonucleases//Nature.-1989.- V. 342. -pp. 955-957.

40. Nettancourt de D. Self-incompatibility in angiosperms.- Berlin.- 1977.- 305 p.

41. Nishio T.,Hinata K. Rapid detection of S-glycoproteins of self-incompatible crucifers using Con-A reaction//Euphytica.- 1980.- V. 29.-N. 2.- pp. 217-221.

42. Pandey К. K. Overcoming incompatibility and promoting genetic recombination in flowering plants//N. Y. J. Bot.- 1979.- V. 17.- N. 4.- pp. 645-663.

43. Pastuglia M., Ruffio-Chable V., Delorme V., Gaude Т., Dumas C., Cock J-. M. A functional S-locus anther gene is not required for the self-incompatibility response in Brassica oleracea//Plant Cell.- 1997.- N. 9.- pp. 20652076.

44. Sassa H., Nishio Т., Kowyama Y., Hirano H., Koba Т., Ikehashi H. Self-incompatibility (S) alleles of the Rosaceae encode members of a distinct class of the T2-S ribonuclease superfamily//Mol. Gen. Genet.- 1996.- V. 250.- pp. 547-557.

45. Sax K. The origin and relationships in Pomoideae//J. Arnold Arbor.- 1931.- N. 1.- pp. 3-22.

46. Sood R., Prabha K. , Gupta S. C. Is the rejection reaction inducing ability in sporophytic self-incompatible systems restricted only to pollen and tapetum?//Theor. and Appl. Genet.- 1982.- V. 63.- N. 1. -pp. 27-32.

47. Stahl R. J., Arnoldo M.-A., Glavin T. L., Goring

48. D. R., Rothstein S. J. The self-incompatibility phenotype in Brassica is altered by the transformation of a mutant S-locus receptor kinase//Plant Cell.- 1998.- N. 10.- pp. 209-218.

49. Stebbins G. L. Flowering plants. Evolution above the species level.- Cambridge, Mass.- 1974.

50. Stein J. C., Howlett B., Boyes D. C., Nasrallah M. E., Nasrallah J. B. Molecular cloning of putative receptor protein kinase gene encoded at the self-incompatibility locus of Brassica oleracea L.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA.- 1991.-V. 88.- pp. 816-882.

51. Stevens J. P., Kay Q. 0. N. The number of loci controlling the sporophytic self-incompatibility system in Sinapis arvensis L.- 1988.- V. 61.- N 3,- pp. 411-418.

52. Uyenoyama M. K. On the evolution of genetic incompatibility systems. VI. A three-locus modifier model for the origin of gametophytic self-incompatibility//Genetics.- 1995.- V. 128. -pp. 453-469.

53. Visser T.r Oost E. A. Pollen and pollination experiments. V. An empirical basis for a mentor pollen effect observed on the growth of incompatible pollen tubes in pear//Euphytica.-1982.- V. 31.- N. 2.- pp. 305-312.

54. Whitehouse H. L. K. Multiple-allelomorphic incompatibility of pollen and style in the evolution of the angiosperms//Ann. Bot.- 1950.-V. 14.- p. 199.84

55. Xu B.,Mu J., Nevins D.L., Grun P., Kao T. Cloning and seguenscing of cDNAs encoding two self-incompatibility associated proteins in Solanum chacoensis//Mol. Gen. Genet.- 1990.- V. 224.- pp. 341-346.

56. Xue Y., Carpenter R., Dickinson H. G., Coen E. S. Origin of allelic diversity in anthirrinum S-locus RNases//Plant Cell.- 1996.- V. 8,- pp. 805-814 .

57. Yu K., Schafer U., Glavin T. L. , Goring D. R., Rothstein S. G. Molecular characteristic of the S-locus in two self-incompatible Brassica napus lines//Plant Cell.- 1996.- V. 8.- pp. 2369-2380.