Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Морфофизиологический контроль в индуцированном мутационном процессе перекрестноопыляющихся растений на примере FESTUCA PRATENSIS Huds.

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Морфофизиологический контроль в индуцированном мутационном процессе перекрестноопыляющихся растений на примере FESTUCA PRATENSIS Huds."

;'1 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ КАРЕЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА

На праваi рукописи

ЛЕБЕДЕВА Ольга Николаевна

М0РФ0ФИЗИ0Л0ГИЧЕСКИЯ КОНТРОЛЬ В ИНДУЩРОВАЯНОМ МУТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ ПЕРЕКРЕСТНООШШЩИХСЯ РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ FESTÜCA PRATENSIS Huds.

03.00.12-физиология растений 03.00.15-генетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ПЕТРОЗАВОДСК 1994

Работа выполнена в лаборатории генетики Института биологии Карельского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор биологических наук

ОЛИМПИЕНКО Г.С.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

МАРКОВСКАЯ Е.Ф. доктор биологических наук ПИТИРИМОВА tí.А.

Ведущая организация: Всероссийский ордена Ленина и ордена

Дружбы народов научно-исследовательский институт растениеводства имени Н.И.Вавилова (Санкт-Петербург) PACXF

Защита состоится "J^^J 1994 года в часов на

заседании специализированного совета К.200.07.01 при Институте биологии Карельского научного центра РАН по адресу: 185610, г.Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Карельского научного центра РАН.

Автореферат разослан " Ant<?>\o3- 1894 г°Да-

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Акимова Т.В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Молекулярно-генетические механизмы формирования мутаций при индуцированном мутагенезе достаточно хорошо изучены. Однако, если говорить о растениях, то подобные знания наиболее приемлемы в отношении- самоопыляемых зидов, фиксирующих мутантные признаки на основе самосовместимости, обеспечивающей одновременно и широкий скрининг индуцированных мутантов. Что касается перекрестноопыляющихся видов растений , то, хотя работы по индуцированному мутагенезу и были успешно начаты в свое время и на них (ВИхМ976), дальнейшего развития в силу известных трудностей, главная из которых связана с самостерильностью, они не получили. Стало очевидно, что перенос известных генетических моделей с самоопыляющихся на перекрестноопыляющиеся вида растений не гарантирует успех и, следовательно, необходим поиск новых генетических и сэлек-ционных концепций, которые могли бы обеспечить и для аллогам-ных видов растений столь же результативный итог.

При изучении индуцированного мутационного процесса в панмиктических популяциях, как представляется, желательны такие критерии его оценки, которые", будучи связаны со структурно-функциональными особенностями генетического материала клетки, в достаточной мере способны отражать различия между му-тантными поцуляционными фенотипами. Морфофизиологический контроль может быть осуществлен через изучение нормы реакции клеток и тканей на те или иные действующие факторы: дефицит или избыток почвенного питания, экстремальная температура, у-облучение семян, а также биологически активные вещества, соединения-энергоносители, используемые как в лабораторном, так и полевом экспериментах.

Что касается мутационной селекции, другой части работы, то она, как одна из отраслей биологических дисциплин, совершенствуется не только на генетических представлениях, но и аа основе достижений широкого спектра наук, способствующих ре-зению селекционных проблем. И в этом случае морфофизиологичес-кое тестирование может служить надежным средством селекционно-генетического мониторинга при создании сортов, перекрестноога-ияющихся видов растений.

В данном исследовании сформировано представление о роли

в процессах мутагенеза индуцированного генетического груза, сохраняющегося в раде генераций. В панмиктических популяциях он может достигать значительной величины и оказывать влияние на целый ряд признаков, в том числе продуктивность, ограничивая ее потенциал, с одной стороны, и, способствуя развитию компенсаторных реакций, с другой.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение индуцированного мутационного процесса у перекрестноопыляющихся растений в ближайших и отдаленных от мутагенного воздействия генерациях. При этом предполагалось решить следующие задачи:

-теоретически и экспериментально изучить возмокности применения морфофизиологических критериев оценки мутантных панмиктических популяций;

- изучить реакции мутантных потомств к действию физиологических нагрузок;

- проследить характер формирования популяционного фенотипа у М,- Мв мутантных потомств;

- сопоставить популяционные физиологические характеристики у потомств, полученных на основе действия на семена ионизирующей радиации, химических мутагенов, совместного их действия;

- сформулировать на основе морфофизиологического контроля рекомендации для мутационной селекции.

Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые показано, что предложенные нами морфофизиологические критерии (АТФ- и кофеин-зависимая частота потенциально летальных проростков, температурозависимая хлорофшшьная депигментация, ростовые процессы, продуктивность) позволяют оценить мутантные потомства в широком диапазоне их биологических особенностей.

Впервые получены данные о величине и характере действия пула мутационной изменчивости в панмиктических популяциях,установлены способы его регулирования.

Показано, что морфофизиологический статус мутантных потомств может быть описан через реакцию клеток и тканей на физиологические нагрузки.

Проведено изучение характера мутационного процесса в

ближайших и отдаленных от мутагенной обработки семян генерациях, показана его временная длительность и нестабильность.

Сформулированы рекомендации для мутационной селекции перекрестноопыляющихся видов растений.

■ Практическая значимость работы.Разработан и защищен авторским свидетельством Госкомитета СССР по делам изобретений и открытий ií 1505456 от 8.05.89 г. "Способ оценки посевных качеств семян зерновых и кормовых злаков".

Радиационный сорт овсяницы луговой "Онежская" находится в государственном сортоиспытании.

Проведено предварительное испытание пяти селекционных линий овсяницы луговой различного характера роста, высокопродуктивных и устойчивых к действию низких температур (заморозок).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Всесоюзном симпозиуме "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1983); Всесоюзной школе-семинаре "Надежность биологических систем (Чернигов, 1984, 1986); Всесоюзном совещании "Радиационная генетика - селекции" (Москва, 1986); Всесоюзных съездах ВОГиС им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987; Минск, 1992); Всесоюзной' конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, 1987, 1992); научно-методическом совещании "Генетические методы в селекции кормовых трав" (Вильнюс, 1987); Президиуме Карельского научного центра РАН (Петрозаводск, 1987, 1993); Всесоюзной конференции "Синергизм действия ионизирующей радиации и других физических и химических факторов на биологические системы" (Путцино, 1988); I Всесоюзном координационном совещании "Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду" (Сыктывкар, 1989); Всесоюзном радиобиологическом съезде (Москва, 1989).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17

статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 241 наименование. Работа изложена на 1Б7 страницах машинописного текста, содержит 43 таблицы и 11 рисунков.

- б -

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служила овсяница луговая (Festuca •pratensis Huds.) - диплоидный (2п=14) перекрестноопыляющийся многолетний злак с развитой системой самонесовместимости.

На мутантной основе (табл. 1) нами был получен своеобразный материал, изученный в отношении формирования продуктивности мутантных потомств, темтаратурозависимой депигментации проростков, А1Ф - зависимости восстановления пигментации, интенсивности ростовых процессов, радиочувствительности, кофеин-зависимости. Именно такие условия проведения экспериментов, как дефицит или избыток почвенного питания растений, высокая температура проращивания семян, у- облучение семян, действие биологически активных соединений, веществ-энергоносителей позволяют выявить мутационные изменения физиологического статуса растительного организма.

Таблица 1

Способы и условия обработки семян овсяницы луговой у-квантами и химическими мутагенами

Способы и условия обработки

Варианты

мутагенной облучение, замачивание в

обработки доза, Гр, воде' или растворе

.семян мощность мутагенов.

3.14 Гр/мин ■ . рн

Контроль _ в воде

7-радиация 30 Гр

7+ЭМС 30 Гр 2 % р-р, 1 час, рН 7

ЭМС - _„_

у+ЭТЛ 30 Гр 0.02 % р-р,1 час, рН 7

ЭИ

7+NaN3 NaN,

30 Гр 0.0065 * р-р, 4 часа, pH 3

Примечание. Отмывка в воде 1 час для всех вариантов.

Продуктивность Мг- Mt-потомств изучали в условиях полевого эксперимента при трех различных уровнях почвенного питания растений: высоком (избыточном) - 60 т/га органических удобрений и N,so Peo Кв0, умеренном - Ne0 Peo Кв0 и обедненном - почва не удобрялась. Влияние генетического груза на продуктивность изучали у инцухт- и ауткросс-потомств двух генераций

(Мз,М4).

Тенпературоз ависимую депигментацию изучали в Мз-генерации. Семена замачивали в воде и растворе динатриевой соли АТФ (1*10"5 М) в течение суток и проращивали десять дней в фитотроне при 35°С и постоянном освещении 5000 лк. Проростки идентифицировали по характеру депигментации (Калам, Орав, 1974), а через 4 суток - по типу восстановления при температуре физиологического оптимума (25°С) по 350-400 проростков на вариант.

Интенсивность ростовых процессов оценивали по частоте жизнеспособных проростков с длиной листа более 2 см, анализируя семена, сформировавшиеся при свободном опылении М,- М« растений. Условия проращивания семян стандартные:температура 20 - 25=С, освещенность- 3000 лк, длительность - 7 суток. Для каздого варианта мутагенной обработки проанализировано по 350400 проростков.

Радиационное зондирование мутантных потомств проводили на основе анализа семян, образовавшихся при свободном опылении М,-,Мг -растений, выращенных при трех уровнях почвенного питания: высоком, умеренном и дефиците. Семена облучали у-кван-тами на установке АГАТ-С 91 (Со®0, 2.75 Гр/мин) дозами 50, 100, 150, 200 Гр, затем в течение суток обрабатывали 5 тМ водным раствором кофеина и семь дней проращивали по стандартной методике.

В качестве критерия радиочувствительности использовали потенциально летальные проростки. Эффект кофеина-ингибитора-пострепликативной рекомбинационной репарации ДНК устанавливали на основе регрессионного анализа логистической зависимости доли потенциально летальных проростков от дозы облучения. Коэффициенты регрессии сравнивали попарно, оценивая различия по t-критерию.

Генетический груз мутантных популяций определяли по

уровню элиминации растений в полевом эксперименте, частоте пигментных мутаций и потенциально летальных проростков у ин-цухт- и ауткросс- потомств.

Оценку достоверности различий проводили с использованием критерия Стьвдента, сравнение долей выборок - метода Фишера, а взаимных связей - коэффициента непараметрической корреляции Кендалла (Айвазян и др., 1985).

' РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Продуктивность мутзнтных потомств как критерий индуцированного мутагенеза. Изменение в физиологическом статусе растений может Сыть обнаружено, прежде всего, по характеру чувствительности растений, к уровню почвенного питания, т.е. через отношение продуктивности к заданному плодородию почвы. В результате оказалось, что дефицит или избыток почвенного питания существенно усиливает фенотшшческие различия среди му~ тантных линий и между ниш и контролем. При дефиците почвенного питания у мутантных потомств продуктивность ниже, чем в контроле - индуцированная в результате мутагенеза физиологическая дефективность обнаружила себя в полной мере. При умеренном и высоком уровне почвенного питания физиологическая•дефективность маскируется действием удобрений, а спектр изменчивости по продуктивности расширяется (табл. 2).

йце одна особенность этих экспериментов состоит в том, что они позволили дифференцировать мутантные потомства па их чувствительности к уровню почвенного плодородия: ЗИ- и ЭМС-потомства более чувствительны, а полученные с использованием 7-радиацш независимо или .совместно с химическими мутагенами - менее чувствительны.- Наименьшая чувствительность характерна для у+ИаПэ-потомства. Из представленных в таблице 2 данных также видно, что при использовании химических мутагенов продуктивность выше в условиях высокого, а у потомств с комбинированной обработкой семян - умеренного фона почвенного питания.

Таким образом, использование дифференцированного плодородия в оценке продуктивности позволяет четко различать мутантные потомства по характеру действия мутагенных агентов.

Таблица 2

Продуктивность растений овсяницы луговой Ма- поколения при различном уровне

питания, кг/растение

Уровень почвенного питания

Потомства высокий умеренный низкий

X Р1 р* . X Р. Ра X р. р*

Контроль 0.687 0,322 0.078

т- 0.756 >0.05 0.266 >0.05 0.041 <0.001

эмс- 0.760 >0.05 <0.05 0.316 >0.05 <0 .05 0.037 <0.001 >0.05

г+эмс- 0.680 >0.05 0.388 >0.05 0.050 <0.001

ЭИ- 0.814 <0.01 <0.05 0.251 <0.001 <0 .01 0.047 <0.001 >0.05

7+ЭЙ- 0.710 >0.05 0.358 >0.05 0.038 <0.001

0.602 >0.05 >0.05 0.309 >0.05 <0 .05 0.049 <0.001 <0.001

г+шэ- 0.582 <0.01 0.251 <0.001 0.075 >0.05

I

ю

Примечание, р,- достоверность различий, мевду контрольным и опытными вариантами; рг- достоверность различий мевду опытными вариантами: химический мутаген и у-радиация + химический мутаген.

Температурозависимая хлорофилльная депигментация. Как феномен температурозависимые пигментные нарушения хорошо известны, но лишь в отношении низкотемпературных условий их экспрессии при 10 - 15°С, как результат снижения уровня метаболизма ( Nybom, 1965; McWilliam, Naylor, 1967; Land et al., 1971 ).

Обнаруженные нами хлорофилльные ^аффекты, напротив, возникают при высокой температуре: 30 - 35°С. Доля их в популяциях существенна, и, насколько можно судить, такие скрытые при обычной температуре генетические дефекты не устраняются отбором ( Олимпиенко, Титов, Николаевская, 1982 ).

В данной работе частота температурозависишх депигмен-тированных проростков, а также восстановление пигментации после перевода проростков в режим оптимального функционирования, были использованы нами как критерий физиологического состояния мутантных потомств.

В таблицах 3 и 4 отчетливо видны различия как по час-

Таблица 3

Температурозависимая депигментация и восстановление пигментации М4- проростков после снятия температурной нагрузки, "

Проростки с Проростки,

депигмента- ревертиру-

Потомства цией, % к Р* ющие к нор- Р« Ра

контролю мальному

фенотипу

Контроль 100.0*2.0 65.4i4.4

7- 71.3t2.0 73.9±3.4 <0.05

эмс- 63.9*2.7' <0.001 73.6±1.8 <0.05 <0.001

7+ЭМС- 93.6±3.5 39.0±5.0 <0.001

эи- 51.8±1.6 <0.001 77.7±2.3 <0,01 <0.001

у+ЭИ- 94.4*2.6 28.3±3.9 <0.001

NaN3- 100.0*1.3 <0.01 63.3±3.6 >0.05 <0.001

7+NaN3- 94.8±3.3 41.1±3.6 <0.001

тоте и спектру депигментации, так и по характеру восстановления между потомствами с различной генетической историей. У потомств, полученных с помощью химического мутагенеза, в феноти-пическом спектре превалируют проростки с неглубокой степенью депигментации (тип виридис), частота их невелика. Для' потомств, полученных с помощью совместного действия у-радиации и химических мутагенов, напротив, характерна глубокая степень депигментации проростков (тип ксанта), а доля их существенна.

Таблица 4

Фенотипический спектр депигментированных проростков, образовавшихся в условиях повышенной температуры, %

Гемпературозависимые фенотипы

Потомства

виридис ксанта комбинированный

Контроль 23.5±3.5 72.1±3.9 2.3±0.5

7- 6.1±1.9 1.2±0.1 1.2±0.1

эмс- - 4.2±1.0

Г+ЭМС- 24.3±5.7 б7.2±7.6 0.7±0.01

эи- 1.б±0.б - 2.8±0.3

7+ЭИ- 22.7±3.1 68.3±5.0 1.3±0.1

•КаЫэ- 5.3*0.4 3.8±0.8 5.3±0.6

Г+ЫаИз- 18.6±3.7 74.0±5.3 -

Нами были показаны два возможных пути восстановления пигментации после перевода проростков в режим оптимального по температуре функционирования: реверсия (полная или частичная) от дефектного к нормальному фенотипу и репопуляция - за счет неповрежденной группы клеток базальной части проростков (рис.1). Реверсия доминирует у проростков с неглубокой степенью депигментации (виридис), а репопуляция - у проростков с глубокой степенью депигментации (ксанта и альбина).Подобные механизмы восстановления у высших растений были показаны и при действии ионизирупцей радиации (Гудков, Гродзинский, 1886).

Сделано предположение, что подобные различия могут быть

связаны с теми или иными нарушениями в клетке синтеза веществ-энергоносителей. При дефиците эндогенных энергоносителей в клетках растений может существовать выраженная конкуренция за АТФ между системами восстановления.

Типы Типы восстановления

депигментации репопуляция реверсия

j вщвдис |t 1

| ВЁфНДИС | | виридо-норма 1 | нормальный фенотип |

| ксанта | — ---------- ,. ...... —i Н ксанта-норма I I нормальный фенотип |

1 L I ксанта | I ксанта-вирщщс | , 1 | ВИРЙДИС |

( альбина | ¡—

1

| альоина | I альбо-вщшдис | | нормальный фенотип |

Рис.1. Схема'температурозависимой хлорофшшьной депигментации и характера ее восстановления: _ фенотип i при температуре .'35°С,' | | -фенотип при температуре 25°С.

• И, действительно, (рис. 2) в.присутствии экзогенной АТФ' после снятия температурной нагрузки среди проростков, восстановившихся до нормального фенотипа, увеличивается доля тех, которые при высокой температуре были депигментированы сильнее, т.е. конкурентноспособнее та система восстановления, которая находится в состоянии функционального дефицита. Существование конкурирующих за АТФ метаболических процессов клетки показано в ряде исследований (Бенова, Рупова, 1Ö84; Ankeren, V/heller, 1885; leff, 1987).

Ростовые реакции. Потенциально летальные проростки. Результаты индуцированного мутационного процесса прослеживались и в отношении интенсивности ростовых процессов. Данные таблицы 5 демонстрируют специфичность действия мутагенных агентов и

возможность ее модификации условиями внутренних и внешних факторов, влияющих на физиологическое состояние проростков третьей генерации. У потомств, полученных на основе совместного использования 7-радиации и химических мутагенов, активность роста проростков ниже по сравнению с потомствамя, сформировавшимися на оснозе химического мутагенеза и в том случае, когда формирование семян проходило в условиях умеренного почвенного питания, материнских растенпЗ. Мозяо было ожидать, что активность роста проростков будет выше, когда формирование семян проходило в условиях высокого уровня почвенного питания растений. И это действительно так, но лишь з ' отношении ряда потомств: у-, 7+ЭИ-, 7+НаЫ3-потомства. Как показало наше дальнейшее исследование, главным фактором, ограничивавшим интенсивность ростовых процессов, является генетический груз популяций, з виде тех или иных нарушений структуры ДНК и хромосом.

Потомства

Рис.2. АТФ - зависимое восстановление температуроза-висимой депигментации проростков. 1 - контроль, 2 - 7+ЭМС-, 3 - 7+ЭИ-, 4 - у+ИаИз - потомства. □ - без АТФ, (Ц- с АЗ».

Их количество преобладает у 7+ЭМС-, 7+ЭИ- и 7+НаИэ-потомств при высоком уровне почвенного питания материнских растений, если судить по выходу потенциально летальных проростков, которые выглядят как нежизнеспособные - не формирующие первый настоящий лист при наличии первичного корешка шга, напротив, имеющие первый настоящий лист, но не способные сформи-

ровать первичный корешок в 7 - 10 дневном эксперименте. 30-процентное значение потенциально ' летальных проростков можно рассматривать в качестве пороговой величины, поскольку при данном их количестве доля проростков с нормальной жизнеспособностью снижается в 2 раза.

Таблица 5

Зависимость частоты потенциально летальных и жизнеспособных проростков (> 2.0 см) в Мэ-генерации от фона почвенного питания материнских растений, %

Фон почвенного питания

Потомства высокий умеренный

потенциально жизнеспо- потенциально жизнеспо-

летальные собные. летальные собные

проростки проростки проростки проростки

Контроль 7~

ЭЫС-

7+ЭЫС-

ЭИ-

7+ЭИ-

НаЯэ-

7+НаЛа-

14.2*2.5 9.0*1.6 33.7*2.9 25.0±2.3 14.9*2.1 12.0*2.3 31.4*2.7 8.5*0.8

61.4*4.7 10.8*1.1

77.9*4.8 34.8*5.5 50.4*3.8 72.4*3.5 69.1*2.2 40.8*3.7 78.9*3.4

14.2*1-.8 . 9.8*2.2*** 14.8*1.8 7.6*1.5** 14.5*1.9 8.0*1.3*** 13,7*2.2

69.1*2.5

70.2*3.1*

68.7*4.5***

64.5*2.8***

74.2*2.4

58.1*3.5 77.3*3.2 67.6*3.1

*** **

Примечание. Различия в частотах по фонам почвенного питания значимы при: * - р< 0.05, ** - р< 0.01, «*« - р< 0.001.

Что касается генетического груза, то сохранению его от элиминации способствовал высокий уровень почвенного питания растений. Более широкое манипулирование уровнем почвенного питания в Мз- генерации позволило установить, что сохранению яизнеспособности растений при высоком уровне генетических пов-

рездений клеток способствует чередование условий "комфорт-дефицит". "Комфорту" ( высокий фон почвенного питания ) и "дефициту" (обедненный фон почвенного питания) адекватно соответствуют реакции толерантности и резистентности, при которых элиминация растений в условиях полевого эксперимента минимальна, и это важно в селекционном отношении.

Как представляется, критерий давления отбора может быть использован для сравнительной оценки эффективности того или иного метода мутагенной обработки семян в отдаленных по-томствах панмиктяческих популяций.

Особенности радиобиологического популяционного фенотипа при индуцированном мутагенезе. Радиочувствительность растений также представляет ценную возможность установить различия между мутантными потомствами, путем модификации лучевого эффекта в пред- и пострадиационный периода радиобиологического эксперимента (Khilman, 1874; Ганасси,1876; Жестянникоз, 1979; Hamilton, 1883; Шевченко, Померанцева, 1986)

Радиобиологический эксперимент, выполненный на сухих семенах третьей генерации,показал, что отчетливый, зависимый от кофеина выход потенциально летальных проростков обнаруаавался лишь в том случае, если формирование семян проходило в условиях. дефицита питания Ка-растений (рис.3). Такой результат соответствует, в принципе, классическому эффекту пострадиационного восстановления, установленного В.И.Корогодиным ( 1966 ) для диплоидных дрожжей, выдержанных после облучения а стерильной водопроводной воде. Кофеин-зависимость в этом случае предполагает, что пострадиационное восстановление происходит за счет пострепликативной рекомбинационной репарация ДНК.

Отсутствие кофеин-зависимости у семян, сформировавшихся при высоком почвенном питании материнских растений, одновременно низкий уровень радиочувствительности, а также высокий выход потенциально летальных проростков у необлученных семян указывают на то, что в данном случае мы сталкиваемся, скорее, с эффектом радиобиологической толерантности, нежели с собственно репарацией. Толерантность мы рассматриваем как способность растительных тканей функционировать без видимого физиологического напряжения при наличии повреждений ДНК.

Рис. 3.

Радиочувствительность семян овсяницы луговой при различных уровнях почвенного питания М8-растений (высокий -А, умеренный -Б, дефицит - В) в отсутствие (а,в, д) и присутствии (б,г,е) кофеина.

1. 7+ЭМС-,

2. 7+ЭИ-,

3. ИаИз-,

б. ЭМС-,

6. ЭИ-,

7. у+ЯаКэ-потомства, 8. Контроль

Эксперимент позволил также установить различия в радиочувствительности семян двух груш потомств: полученных на основе комбинированного действия мутагенов и химического мутагенеза. Кривые доза - эффект оказались.в первой груше потомств более пологими, 50-процентное насыщение их по уровню потенциально летальных проростков смещено в область высоких доз ( 100 - 150 Гр ), а выход их на плато у ряда потомств не происходит даже при дозе 200 Гр. В связи с этими различиями, сделано предположение, что индуцированная толерантность токе модифицируется уровнем генетического груза ( в форме хромосомных нарушений и потенциально летальных проростков ) и что более высокая толерантность свойственна тем потомствам, которые несут меньший генетический груз. Действительно, ранжированному ряду данных по количеству потенциально летальных проростков соот-

и 0 SO W 150 200 0 10. 100 ISO 200

Доза облучения, Гр ■

ветствует обратный ряд по их радиорезистентности.

Таким образом, проведенная серия радиобиологических экспериментов позволила оценить мутантные потомства по различиям в радиочувствительности и по возможности модифицировать луча-вой эффект уровнем почвенного питания материнских растений. При этом обнаружилось такое пострадиационное состояние, которое может быть описано в понятии радиобиологической толерантности. Критерий потенциально летальных проростков, который мы здесь используем, согласуется с радиобиологическим критерием летальности, но представляется более приемлемым з случае работы с семенами перекрестноопыляющихся растений.

Продуктивность и генетический груз. Генетический груз мутантных популяций выступает в качестве центрального фактора наблюдаемых различий в спектре показателей. И даже продуктивность оказалась с ним связанной. У ауткросс- а инцухт-iíotomctb между частотой потенциально летальных проростков и продуктивностью растений (надземной массой) установлена обратная взаимосвязь (хк= 0.64; р< 0.05). Определенное своеобразие на эту взаимосвязь накладывает модифицирующее действие условий почвенного питания дочернего поколения. В случае избыточного его уровня, при котором индуцированные генетическим грузом компенсаторные реакции сохраняются, подобная взаимосвязь не наблюдается (т*= 0.29; р> 0.05). Компенсаторные реакции могут обслуживать не только вегетативную, но и репродуктивную сферу растений. В нашем случае это выражается в том, что между частотой пигментных мутаций и семенной продуктивностью у инцухт-потомств обнаруживалась положительная взаимосвязь (т.=0.86; р< 0.05). Подобные компенсаторные механизмы постулированы В.А.Струнниковым (1976) в виде компенсационного комплекса генов (ККГ) и на растениях показаны С.А.Гостгмскт (1987). Данные исследования, а также наш экспериментальный результат позволяют констатировать, что продуктивность у перекрестноопыляющихся растений контролируется пулом хромосомных и генных мутаций", а зависимость продуктивности от генетического груза осуществляется по схеме: генетический груз - компенсаторные реакции (изменение чувствительности к действию физиологических нагрузок) - продуктивность надземной массы и семян.

Интересно отметить, что у потомств, полученных на осно-

ве химического мутагенеза, компенсаторные реакции обслуживают, главным образом, вегетативную сферу, а у потомств, полученных на основе действия у-радиации независимо или совместно с химическими мутагенами,- репродуктивную сферу, и в этом .случае мы сталкиваемся со специфическими эффектами индуцированного мутагенза.

Таким образом,изучение формирования продуктивности и поведения генетического груза показывают, во-первых, что избыточное почвенное питание выступает в качестве условия временной консервации потехщиально летальных повреждений; во-вторых, что генетический груз выступает в качестве главного фактора, контролирующего продуктивность растений; в-третьих, что условия культивирования в предшествующей генерации влияют на продуктивность следующей. Все это позволяет сформулировать селекционную стратегию для панмиктических популяций, согласно которой семена, предназначенные для мутагенной обработки лучше брать с посева, находящегося при высоком уровне почвенного питания растений, а селекционную работу на основе индуцированных мутаций выгоднее проводить, чередуя обильно и умеренно удобряемые почвы. Подобная схема позволяет сохранить от отбора еще не реализованные повреждения ДНК и, тем самым, существенно повысить эффективность мутагенеза. Учитывая, что продуктивность надземной массы и семян зависят от . условий культивирования растений в предшествующей генерации, семеноводство лучше вести на менее плодородных почвах, чем товарное производство.

ВЫВОДЫ

1. Изменения морфофизиологического статуса панмиктических популяций, сформированных на мутационной основе, обнаружены:

- по чувствительности растений к уровню почвенного питания;

- по спектру и характеру восстановления температуроза-висимой хлорофилльной депигментации проростков;

- по чувствительности к веществам - энергоносителям и метаболитам;

- по радиочувствительности.

Этот статус определяется, главным образом, генетическим действием мутагенных агентов при обработке семян.

2. Морфофизиологический контроль позволил оценить мутационный процесс в отношении специфичности его действия. При химическом мутагенезе мутантные потомства оказались чувствительными к изменению уровня почвенного питания и действия радиации. Температурная зависимость физиологически дефектной части проростков характеризовалась менее глубоким типом делш1-'ментации, а восстановление шло путем реверсии признака.. При комбинированном мутагенезе, напротив, мутантные потомства в этом отношении были менее чувствительны ' и характеризовались глубокой степенью температурозависимой хлорофилльной депигментации, восстанавливались преимущественно путем клеточной репо-пуляции. Радиационные потомства отличались как низкой чувствительностью к изменению уровня почвенного питания растений, так й низкой степенью температурозависимой депигментации проростков-.

3. Индуцированный мутационный процесс в панмиктических популяциях представляет собой длящееся событие, охватывающее несколько генеративных циклов и характеризующееся сохранением в ряде поколений структурно-генетических повреждений ДНК и хромосом.

. 4. Скрытый пул аберраций (пигментные мутации и голуле-тали) способствуют развитию компенсаторных реакций, которые различны у потомств, сформировавшихся в условиях панмиксии при химическом и радиационном мутагенезе. В первом случае компенсируется вегетативный рост за счет повышения чувствительности к условиям культивирования, во втором - репродуктивная сфера за счет снижения чувствительности к ним.

5. Уровень генетического груза у мутантных потомств поддается регулированию через способ репродукции и условия почвенного питания растений. Критерий давления отбора, отражаемый уровнем элиминации, может быть использован для сравнительной оценки эффективности методов мутагенной обработки семян в отдаленных потомстЕах панмиктических популяций.

8. Радиобиологическая реакция у семян, оцениваемая через частоту потенциально летальных проростков, зависит от условий выращивания материнских растений и уровня генетического

груза. Обильное почвенное питание повышает их радиорезистентность. Индуцированная радиорезистентность снижается при повышении уровня генетического груза в форме хромосомных нарушений и потенциально летальных проростков.

7. Радиобиологическими исследованиями показано, что репарация радиационных повреждений и клеточная пролиферация представляют собой сопряженные и конкурирующие за источники АТФ процессы, причем конкурентоспособнее тот из них, который находится в функциональном дефиците.

8. Жесткость связей мезду морфологическими признаками в неблагоприятных условиях среды (дефицит элементов питания, экстремальная температура) может уменьшаться, при этом сохраняются или даже усиливаются те признаки, которые связаны с продуктивностью. И в этом отношении мутантные потомства различались: у радиационного потомства это признаки репродуктивной сферы, у ЭЫС-,.ЭИ-, КаЯз-потомств - вегетативной, а у у+ЭМС-, 74ЭИ- и у+Мз-потомств и той, и другой.

й. Возможности морфофизиологического контроля связаны как с целями и задачами селекции, так и с характером экспрессии тех признаков, на которые направлен отбор. В условиях высокого почвенного питания легко идентифицируются растения сенокосного и эректоидного типов, а при умеренном - пастбищного.

10. На основе использования методов массового отбора и мутационной селекции'получены гибриды, сочетающие высокую продуктивность и заморозкоустойчивость.

11. Морфофизиологический контроль на ранних этапах развития растений показал, что признак "масса на побег" эффективен в условиях физиологического экстремума.

12. Из оценки свойств и особенностей мутагенных агентов вытекает, что сорта, отзывчивые на минеральное, питание легче получать на основе химического, а сорта, менее пластичные - на основе радиационного и радиационно-химического мутагенеза.

Основные положения диссертации опубликованы в следущих работах:

1. Олимпиенко Т.О., Титов А.Ф., Лебедева О.Н. Самофертильность как показатель уровня мутирования у овсяницы луговой // Генетика. 1977. Т.И, Я> 7. С. 1169-1171.

2. Олимпиенко Г.С.. Титов А.Ф., Николаевская Т.е., Павлова H.A., Лебедева О.Н. Температурозависимый хлороз как попу-ляционный признак у овсяницы луговой. 1. Некоторые аспекты экспрессии // Селекционно-генетические исследования многолетних трав. Петрозаводск, 1980. С.17-28.

3. Олимпиенко Г.С., Титов А.Ф., Николаевская Т.е., Павлова H.A., Лебедева О.Н. Температурозависимый хлороз как попу-ляционный признак у овсяницы луговой. I. Наследуемость. Возможное участие в формировании гетерозиса. Там же. С.26-33.

4. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Харин В.Н. Факторный анализ количественных признаков как метод статистического контроля в селекции перекрестноопыляющихся растений // С.-х. биология. 1983. М 10. 0.116-119.

5. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A. Значение генетического груза в радиорезистентности мутантных по-томств диплоидных и полиплоидных видов многолетних злаковых трав // Информац. бюлл. по радибЬиол. 1985. ä 31. С.66-67.

6. Лебедева О.Н. Экспрессия количественных признаков у M¡¡ (F, )-поколения овсяницы луговой при различном уровне плодородия почвы // Многолетние травы. Вопросы селекции и агрономии. Петрозаводск, 1985. С.15-22.

7. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Титов А.Ф. Создание высокопродуктивных и устойчивых к заморозку сортов овсяницы луговой методами экспериментальной селегада в условиях Севера // С.-х. биология. 1985. » 4. С.14-17.

8. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н. Радиорезистентность семян, сформировавшихся при свободном переопылении растений М, овсяницы луговой и модифицирующий эффект кофеина // С.-х. биология. 1985. Я И. С.56-59.

9. Лебедева О.Н. Об эффективности индивидуального отбора на продуктивность зеленой массы у овсяницы луговой в Ма на селектирующих фонах // С.-х. биология. 1987. Л 5. С.14-16.

10. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A., Николаевская Т.С., Холопцева Н.П. Генетический груз и толерантность растений // Надежность и гомеостаз биологических систем. Киев: Наукова думка. 1987. С.101-111.

11. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A., Николаевская Т.е. Радиочувствительность семян и модифицирующий эф-

фект кофеина при различном уровне питания материнских растений - Радиобиология. 1987. Т.27, вып.З. С.427. / Инст. биол. Кар. филиал АН СССР. Петрозаводск, 1987. 10 с. Деп. в ВИНИТИ 29.01.1987 Ü 688-1387, деп.

12. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A. Проблемы мутационной селекции в панмиктических популяциях многолетних злаковых трав // Индуцированный мутагенез и принципы мутационной селекции многолетних злаковых трав. Петрозаводск, 1988. С.5-25.

13. Лебедева С'.Н. Мутационная селекция овсяницы луговой. Генетический груз // Индуцированный мутагенез и принципы мутационной селекции многолетних злаковых трав. Петрозаводск, 1988. С.47-54.

14. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A., Николаевская Т.е. Цитогенетические аномалии в материнских клетках пыльцы овсяницы луговой под влиянием постмутационных условий почвенного питания // С.-х. биология. 1989. № 3. С,136-138.

15. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Николаевская Т.е. Способ оценки посевных качеств семян зерновых и кормовых злаков: A.c. JS 1505456 СССР // Ш. 1989. С.4.

16. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н. Влияние экзогенного источника АТФ и глютаминовой кислоты на радиочувствительность семян овсяницы луговой // Вопросы генетики и селекции многолетних злаков. Петрозаводск, 1990. С.23-24.

17. Олимпиенко Г.С., Лебедева О.Н., Павлова H.A., Николаевская Т.е., Тихов П.В. Растительные популяции и индуцированный мутагенез // Препринт докл. на засед. Президиума КНЦ РАН. Петрозаводск, 1993. 34 С.

Сдано в производство 17.01.94г. Формат 60x84"/16. ТирЛ00окз._Закаэ Ы.

РИ0 ШЦ РАН. Петрозаводск, ул.Пушкинская, И.