Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

МУТАГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ НЕСОВМЕСТИМЫХ ОПЫЛЕНИЙ У РЖИ, ЯЧМЕНЯ И БОБОВ

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "МУТАГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ НЕСОВМЕСТИМЫХ ОПЫЛЕНИЙ У РЖИ, ЯЧМЕНЯ И БОБОВ"

: , МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

• V московская ордена лешша ъ .■: : V '■■■■-'

V И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А;.ТИМИРЯЗЕВА*

-'•Д. "Д-. На правах рукописи ■ Валентина Петровна;АНДРИЯШ ; :

МУТАГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ НЕСОВМЕСТИМЫХ ОПЫЛЕНИЙ У РЖИ, ЯЧМЕНЯ И БОБОВ

¿л- ■; (Специальность 03.00.15 — генетика полевых культур)

."•/' " \ - . . Автореферат Д ' / Д-" V :диссертации на соискание ученой степени С ^кандидата биологических наук.

\ МОСКВА —1975 V . ^ДДД-Д :

Д ;д; Диссертационная' работа; выцолпена ^а кафедре генетик«, ' дселекцпп л с е м с но в од ств а ,п о л с в ы х кул ьту р и; селекцнЬнио-ге-д ; г.., неткческой станции ^вМихайловском-Моско'вскопгордепа Л е- - ішна; и ^'ордена Трудового Красного Зн а мен и.сел ьскохоз я йст-дд ■:■'■,венной.■■акадсын» нМ; 1С;:А; Тимирязева в І971—1974 гг.. - ; д '-"

- -Д: Научные р у к о и с д і іт е л ш: докт ор. сельскохозяйственных наук 7' ' профессор Тд О. Гуляев,' кандидат ^биологических/наук CT.jp- ' шин научный сотрудник И. М. Мол чан. -д д''.Ч^'.' ДД;

■'.;"; Официальные ^.оппонёптьц Д доктор биологических*!- наук^д-' ,.. В. ф. Любимова," кандидат, б і: о л огн ч ески х- на у к: И^ Л. Мак-.д-

Дд снмов. ''..'■' : > д ' .' *■' 'Я; ДД-Д, * ■ д"; Дд;

; Ведущее - учреждение'— Университет, дружбы народов ИЬІ. П. Лумумбы. - ■ ^ Д. - ,-', г Д ■ ^Д ДД. - ■■ Дї'Д Д

■■:■■,■ ■■: Автореферат' разослан «

*; Защита диссертации: состоится ,«

; в ■« /¿ж^час, на . заседании- Учёного -совета--агрономического Д факультета ТСХД. .-* дд.Дд Д"" Д-':'\Д';-т-Д.-г-Д'-Д'Д-

д-д? С диссертацией'можно ознакомиться в ЦП Б ГСХА.: •

• Пдч:им вас прішят'ь/л іічное - участие; в- работе указанного . .-.-

Совета; или'прислать письменный отзывало данному авторёфе-.- - Д д - -рату' по адресу: -125008, г,: -Москва А-8, Тимирязевская у л., 4 7Д ■ д тД': корпус ё; Ученый совет ТСХА. :■ ДДД.- ■

^ ' Отзывы,'..заверенные: печатью^ просьба'" направлять в двухД ■ ■ экземплярах. " : "дД-V.--'- д Дддд" '-'-Дд- д дЧ^Д^Дч'-Д'. - ДД/ДД

■ Ученый секретарь Совета ■ дД, доцент Ф. Л.'ДЕВОЧКИН .

ВВЕДЕНИЕ

Мутации и гибридизация являются основными источниками генотипической изменчивости и важнейшими факторами эволюции. Раздельному изучению мутаций и гибридизации посвящено большое количество исследований. Однако, до настоящего времени остается «экспериментально почти не изученной взаимосвязь мутаций с гибридизацией и инбридингом» (Н. И. Вавилов, 1966). Поэтому эволюционное и селекционное значение гибридизации и мутаций обычно рассматриваются отдельно, а нередко даже противопоставляются друг другу.

«Первое, что нам бросается в глаза при рассмотрешш движущейся материи,—указывал Ф. Энгельс,—это взаимная связь отдельных движений отдельных тел между собой, их обусловленность друг другом»1. Причинную зависимость между гибридизацией и мутациями теоретически обосновали К. И. Пан-гало, 1933; Г. К. Мейстер, 1934; Г. Д. Карпеченко, 1935; А. Ф. Шулындин, 1970, 1971.

Возможность изменения естественного мутирования при гибридизации следует из работ по обнаружению:

а) генетического контроля мутирования и неодинаковой мутабильиости гена в зависимости от его гомозиготного или гетерозиготного состояния (М. Л. Бельговский, 1934; М. йете-гес, 1937; В. Б. Енкен, 1965);

б) увеличения частоты структурных хромосомных и генных мутаций в гибридном потомстве (Д. КосЫ(, 1934, 1935; И. Н. Свешникова, 1936; В. В. Сахаров, К- В. Магржнков-ская, 1941, 1942), а также сходной природы варьирования при гибридизации и действии мутагенов (К- И. Пангало, 1933; V. Н. КЬайг, М. W. БЬигку, 1972);

в) нарушений метаболизма при несовместимых опылениях (Е. И. Устинова, 1954; У, Тиру, 1962; Н. К Ыпзкепз, 1965, 1973; Г. В. Костанди, 1973) и зависимости уровня мутирования от физиолого-биохимических изменений в клетке (М. С. Нава-шин, 1933; Я Вагнер, Г. Митчелл, 1958; Н. П. Дубинин, 1958. 1960).

Исследуя мутационный характер гибридизации при несов-

1 Ф. Энгельс. Диалектика природы. К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., г. 20, стр. 644—545, ______

»¡Ьшт^¿зыт 1 ^| I

1ЫМК0ВСКС^ <7Д.(Амилоз. |

местимых опылениях, мы ставили перед собой следующие задачи:

1. Изучить влияние инбридинга на уровень мутационной изменчивости у растении, различающихся по склонности к перекрестному опылению.

2. Обнаружить мутационный эффект генетически несовместимой отдаленной пыльцы при гибридизации и установить возможные причины этого явления.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ

Исследования проводили на посевной яровой ржи (Secale cereale L.) сорт Петкус, культурном двурядном ячмене (Ног-deum distichum L.) сорт Московский 121 и двух формах кормовых бобов: крупносеменные (Vicia faba var, major. Наг. Z.) сорт Русские черные и мелкосеменные (Vicia faba var. minor Beck.) сорт Иыгева.

Для получения инбредных семян отдельные колосья ржи за 2—3 дня до начала цветения помещали в пергаментные изоляторы, а отдельные растения бобов — в пергаментно-марлевые изоляторы (И, М. Молчан, 1973). Кроссбредные семена (контроль) получали при свободном перекрестном опылении.

Генетически отдаленную несовместимую пыльцу пшеницы, ячменя, ржи или тимофеевки наносили на рыльца изолированных колосьев ржи или ячменя (при самоопылении) или на рыльца кастрированных колосьев ржи в смеси с пыльцой других растений своего сорта (при перекрестном опылении). Для получения семян при самоопылении в контрольном варианте с колосьями ржи или ячменя перед изоляцией проводились такие же травматические воздействия, как в опытном варианте. Для получения семян в контрольном варианте при перекрестном опылении, колосья предварительно кастрировали и затем опыляли пыльцой других растений своего сорта. Опыление проводили в период массового цветения растений, преимущественно в утренние часы, свежесобранной пыльцой, при строгой изоляции колоса и экспериментатора бязевым чехлом.

Воздушно-сухие семена ржи облучали гамма-лучами Со60 на установке ГУБЭ-800 в Институте общей генетики АН СССР, доза облучения 12000 р. — в 1972 г. и 10000 р. — в 1973 г. Цитологические исследования корешков проводились на временных давленных препаратах. Для этого семена ржи или ячменя проращивали на фильтровальной бумаге в чашках Петри, а семена бобов в растильнях с почвой при температуре +20°С. Корешки бобов длиной 20—30 мм, а ржи и ячменя— 8—13 мм фиксировали в уксуснокислом алкоголе (3: 1). Корешки бобов окрашивали по Фельгену, а ржи и ячменя—

ацетокармином. Из каждого семени для анализа брали один корешок, затем эти семена высевали в поле.

Учет хромосомных перестроек проводили в меристема-тических клетках корешков в поздних анафазах и ранних телофазах. Стерильность пыльцы определяли на временных препаратах, окрашенных ацетокармином.

Активность фермента пероксидазы определяли с помощью спиртового раствора бензидина по методике в изложении Э. Пирса (1962).

Интенсивность гистохимических реакций оценивалась на микрофотометре МФ-4, специально переоборудованном для проведения этих исследований (И. М. Молчан, В. П, Андри-яш, 1972).

Мутационная изменчивость при инбридинге к кроссбридинге ржи и бобов

Принудительное самоопыление у перекрестноопыляющихся растений часто ведет к значительному снижению завязы-ваемости семян под изолятором. Наши данные свидетельству* ют о том, что если при перекрестном опылении завязывае-мость семян ржи была на уровне 68,0—75,1%, то при изоляции колосьев средняя озерненность снизилась до J,8—4,4% (в зависимости от года изоляции).

Уменьшение семенной продуктивности было отмечено нами и при изоляции растений бобов. Так, число семян в бобе снизилось при самоопылении по сравнению с контролем на 19,2% у мелкосеменной формы и на 28,0% у крупносеменной формы. Проявление генетических механизмов самонесовместимости обнаруживается не только на снижении завязыва-емости семян под изолятором, но также и в значительном нарушении метаболизма при опылении, оплодотворении и образовании семян (Е. И. Устинова, 1954; Y. Тиру, 1961; Н. F. Linskens, 1964, 1965; А. П. Горин, И. М. Молчаи, 1964; D. Lewis, 1965 и др.). Естественно поэтому ожидать нарушения генетического баланса в потомстве инбредных организмов.

Частота хромосомных нарушений. Цитологический анализ корешков ржи и бобов показал значительное увеличение частоты хромосомных нарушений при самоопылении по сравнению с перекрестным опылением (табл. 1 и 2). Так, в опыте 1972 г. количество клеток с хромосомными нарушениями у ржи в варианте — перекрестное опыление — равнялось 1,8%, в то время как в варианте—самоопыление—процент хромосомных нарушений составил 8,3. Существенное повышение частоты хромосомных нарушений в семенах, полученных при самоопылении, ло сравнению с перекрестным опылением было отмечено и в последующие годы исследования {табл. 1).

Частота хромосомных нарушений в клетках корешков ржн при самоопылении и облучении

Таблица 1

Способ получения семян Изучено анафаз и телофаз Изучено анафаз и телофаз

всего с нарушения-ми, % разница, % всего с нарушениями, % разница, %

ь без облучения облучение

Перекрестное опыление (контроль) Самоопыление . . ......

Перекрестное опыление (контроль) Самоолыжше........

59S 901

1215 9626

1972 г.

I 1,8 ±0,6 I 8,3 ±0,9

1973 г.

I 1,5 ±0,4 I 7,4 ±0,1

6,5***

763 2182

29,5 ±1,6 40,2 ± U

10,7**

| - I 1048 I I 5,9*** | 3617 )

27,4+1,4 | -38,6±0,8 і П,4***

Частота хромосомных нарушений в клетках корешков бобов

Таблица 2'

Бобы мелкосеменные Бобы крупносеменные

Способ получения семян Изучено анафаз и телофаз Изучено анафаз и телофаз

всего с нарушениями, % разница, % всего с нарушениями, % разница, %

1973 г.

Перекрестное опыление — контроль , , . Самоопыление ([]) . . ;....... Самоопыление (Ь) , , . , . ..... 4037 6190 3840 -5,4±0,4 6,5±0,3 8,0±0,4 1974 г. 1,1 ~ 2,6*** 4953 4998 5,2±0,3 9,0±0,4 3,8*"

Перекрестное опыление — контроль . . Самоопыление (I)).......... Самоопыление (!а)....... . . . Самоопыление (1а).......... 3347 314? 2869 1344 4,0±0,3 5,6 ±0,4 6,8+0,5 7,1 ±0,7 1,6** 2,8*** 3,1*** 4329 1479 1502 3,»±0,3 7,2 ±0,7 6,3±0,6 3,4*** 2,4"*

В 1973-г. разница б Количестве обнаруживаемых хромосомных аберраций между инбредными и кроссбредными семенами составила 5,9%, а в 1974 г. —7,4%.

Статистически достоверное повышение количества анафаз и телофаз с нарушениями при самоопылении по сравнению с перекрестным опылением имело место и при анализе семян бобов. Например, в опыте 1973 г. у крупносеменной формы бобов разница в частоте хромосомных нарушений между вариантами перекрестное опыление (5,2%) и самоопыление (9,0%) составила 3,8%. Повышение частоты хромосомных нарушений в инбредных семенах бобов по сравнению с кроссбредными было отмечено и в опыте 1974 г. (табл. 2).

Таким образом, анализ частоты хромосомных нарушений в корешках ржи и бобов показал усиление генетического дисбаланса в организме при самоопылении. Естественно при этом ожидать и ослабления генетического гомеостаза у инбредных организмов при воздействии на них различного рода внешних факторов. Для проверки этого предположения было проведено облучение гамма-лучами семян ржи, полученных при различных способах опыления.

При облучении возрастает общее количество хромосомных нарушений в клетках корешков из семян, полученных при обоих способах опыления (табл. 1). Если бы радиочувствительность инбредных и кроссбредных семян была одинаковой, то разница в количестве структурных нарушений хромосом между вариантами (перекрестное опыление и самоопыление) у облученных семян была бы такой, как у необлученных. Однако разница в количестве хромосомных нарушений между инбредными и кроссбредными семенами оказалась больше при облучении не 6,5%, а 10,7% в опыте 1972 г. и не 5,9%, а 11,4% в опыте 1973 г. На основании этих данных можно сделать вывод о большей радиочувствительности хромосом у инбредных семян по сравнению с кроссбредными. Большая чувствительность инбредных организмов к воздействию химических мутагенов и облучения отмечена также в опытах других исследователей (Р. ИиёЬ, Л. \УоШ, 1958; А. МйМгп^, Э. Возе, 1969; И. М. Молчан, 1972).

Полевая всхожесть семян. В связи с повышенной частотой хромосомных нарушений обнаружено заметное снижение полевой всхожести инбредных семян ржи и бобов по сравнению с кроссбредными (табл. 3).

Специально проведенный опыт по раздельному учету нолевой всхожести инбредных семян, различающихся по частоте хромосомных нарушений в корешках, показал, что семена, имеющие повышенную встречаемость клеток с хромосомными аберрациями, медленно прорастают и обычно в полевых условиях всходов не дают. В опыте 1973 г. в корешках из инбред-

в>

Полевая всхожесть семян н стерильность пыльцы у ржи я бобов

1973 г. 1974 г.

полевая всхожесть стерильность пыльцы полевая всхожесть стерильность гылыш

Способ получения семя« высеяно сен ян всходов, % проанализировано пыльцевых зерен стерильних, % высеяно семян всходов, V проанализировано пыльцевых зерен стерильных, %

Яровая рожь

Перекрестное опыление—контроль Самоопыление ......- 1000 460 67,1'±1,5 57,2 ±2,2 26838 82401 4,3 ±0,1 7,5 ±0,1 1350 1332 69,1±и 46,$±1,4 16642 10701 4,5 ±0,2 6,5 ±0,2

Бобы ыелкосеменвые

Перекрестное опыление—контроль Самоопыление ....... 305 107 89,Э±1,8 81,9±3,8 28675 27469 3,4±0П 8,1 ±0.3 196 19 45,6 ±3,6 31,6± 10,6 16532 17711 4,3 ±0,1 6,3 ±0,2

Бобы крупиосемеккые

Перекрестное опыление—контроль Самоопыление ......> ■ 254 134 89,?± 1,9 81,1 ±3,5 30114' 60465 4,6 ±0,1 7,3±0,2 195 17 94,4 ±1,6 82,4 ±9,2 30667 20062 5.2 ±0,2 8.3 ±0,2

иых семян, проросших через 36 час. после намачивания, частота хромосомных нарушений составила 7,4%, а в корешках, фиксация которых оказалась возможной только через 62 часа, количество клеток с хромосомными нарушениями составило 13,9%. В опыте 1974 г. количество хромосомных нарушений в корешках разных фиксаций (через 40 час. и 96 час.} было соответственно 7,4 и 17,5%.

Стерильность пыльцы является одним из надежных тестов оценки генетической сбалансированности организма. В наших опытах отмечено повышение уровня стерильности пыльцы в потомстве после самоопыления (табл. 3). Уровень стерильности пыльцы возрос в инбредном потомстве по сравнению с кроссбредным в среднем за 1973—1974 гг. у ржи на 2,8%, а у бобов на 3,4—2,8%.

По мнению ряда исследователей (Н. Т. Кахидзе, 1939; Т. А. Полякова, 1967; А. В. Константинов, 1971; С. П. Сосни-хина, 1973), увеличение уровня стерильности пыльцы является следствием различного рода хромосомных нарушений в мейозе инбредных растений.

Таким образом, генетический дисбаланс и гомозигогность, возникающие в результате инбридинга перекрестноопыляющихся растений, ведут к усилению мутационной изменчивости в потомстве. Об этом свидетельствуют наши данные о повышенной частоте хромосомных нарушений в корешках из инбредных семян, пониженной полевой всхожести и (повышенной радиочувствительности инбредных семян по сравнению с кроссбредным и, В потомстве инбредных растений отмечено заметное повышение стерильности пыльцы. Изменение мута-бильности при самоопылении ржи и бобов показывает важную роль генотипа в контролировании естественного мутационного процесса.

' Полиморфизм по степени самонесовместимости и мутабнльности у ржи и бобов

Посевная рожь обычно относится к облигатным перекрестникам (В. И. и В. Ф. Антроповы; 1929), а кормовые бобы являются факультативным перекрестником, у которого интенсивность ауткроссинга, по данным J. М. Drayner (1959), J. Н. Holden, D. A. Bond (I960), В. А. Лошаковой (1966), A. S. Hann, D. A. Lawes (1967), составляет 31—60% в зависимости от биологических особенностей сорта и условий произрастания.

При самоопылении одиночных колосьев ржи из-за повышенной самонесовместнмости происходит резкое снижение эавязываемости семян в год изоляции, В наших опытах 1972— 1974 гг. средняя озерненность колосьев ржи под изолятором

составила 4,3% по отношению к завязываемости семян при свободном перекрестном опылении.

Самоопыление растений бобов не ведет к такому сильному, как у ржи, уменьшению семенной продуктивности изолированных растений. Число семян в бобе при самоопылении по отношению к свободному перекрестному опылению в наших опытах составило 72,0—80,8%.

Различная реакция на инбридинг у ржи и бобов выражается также в неодинаковом возрастании частоты хромосомных нарушений в инбредном потомстве у этих видов (табл. 1 и 2), В потомстве после самоопыления по сравнению с перекрестным опылением количество хромосомных аберраций значительно больше возрастает у ржи (в 4,6—5,0 раза), чем у бобов (в 1,2—1,9 раза). Чем больше у вида выражена склонность к кроссбридингу, тем сильнее проявляется у него инбредкая депрессия и больше возрастает мутабильность в инбредном потомстве.

Не только между видами, но и в пределах каждого вида наблюдаются различия по склонности растений к самоопылению. В изучаемой нами популяции яровой ржи сорта Петкус не все растения одинаково реагировали на принудительное самоопыление. Больше половины (52,7—68,7%) проанализированных в 1972—1974 гг. изолированных колосьев были самонесовместимыми, то есть в них не образовывалось ни одной зерновки. Наряду с такими колосьями, постоянно встречались колосья с высокой озерненностью под изолятором. Частота встречаемости колосьев с высокой озерненностью (больше 50%) в среднем за 4 года исследования составила 1,4% от всех проанализированных. Широкие пределы варьирования показателей самосовместимости в популяции ржи отмечали в своих работах N. Нег1Ьег1-№15зол (1916), Г. Р. Рэго (1928), К. Ф. Агеев (1929), В. И. и В. Ф. Антроповы (1929), Н. Р. 0«ет (1934), И. М. Суриков (1956, 1958, 1969) и другие.

Изучение частоты хромосомных нарушений в корешках у различных по степени самосовместимости форм ржи показало особенно резкое возрастание нарушений хромосом в инбредном потомстве низкосамосовместимых форм:

Из представленных в таблице 4 данных видно, что процент обнаруживаемых хромосомных нарушений в инбредных семенах низкосамосовместимых форм (в колосе которых под изолятором образовалось 1—3 зерновки) в 2,2 раза больше, чем у высокосамосовместимых форм (в колосе которых под изолятором образовалось больше 10 зерен). При более дробном делении растений по степени самосовместимости в опыте 1973 г. были получены аналогичные результаты (табл. 4). Чем больше образуется зерен под изолятором (1; 2—3; 4—6; II—

Таблица 4

Частота хромосомных нарушений и самосовместимость первого ннбредного поколения (Тп) ржи в зависимости от степени самосов места мости исходной родительской формы (Р)

Р (1972 г.) 1, (1973 г.)

Способ получения семян зерен в колосе проавалнзнровано хромосомные нарушения Озер ценность колоса, %

число % корешков, шт. анафаз и тел ¿фаз % разница, %

Свободное перекрестное опыление — контроль ...... 15-42 71,4±0,8 31 1215 1,5+ОА 60,0±1,8

Самоопыление ........ 1-3 2,9± 0,2 33 2206 10,2 ±0,6 8,7*** 7,7|±0,5

Самоопыление 4—6 9,3 ±0,7 29 2591 7,?±0,5 6,2*** 5,9 ±0,8

Самоопыление ........ 7-10 16,2-±1,4 41 2520 4,8 ±0,4 3,3*** 9,7±0,7

10-34 36,8 ±2,0 28 1205 4,6±0,6 3,1*** 32,3 ±0,4

Р <1973' г.) 1, (1974 г.)

Свободное перекрестное опыление— контроль...... 15—46 68,0± 1,8 19 1643 1,8 ±0,3 75,1 ±1,3

1 2,2 ±0,2 46 2114 13,2 ±0,7 11,4*** 4,4 ± 1,0

Самоопыление ........ 2-3 4,5*0,2 69 4125 9,3*** 6,4 ±0,7'

Самоопыление ........ 4-6 9.6±0,6 26 1662 12Д±0,& 10,5*** 5,2*1,2

Самоопыление 11-20 27,5 ±1,4 38 3309 7,4 ±0,4 5,6*** 19,7 ±0,9

Самоопыление ,...•.,, 20-41 59,0+1,9 76 10154 4,8 ±0,2 3,0*** 42,6 ±1,0

20; 20—41), тем меньше обнаруживается хромосомных нарушений в клетках корешков у таких инбредных форм (соответственно 13,2; 11,1; 12,3; 7,4; 4,8%).

О большей мутабильности низ коса мосов мести мых форм (образовавших под изолятором 1 или 2—3 зерновки в колосе) по сравнению с высокосамосовместимыми формами (в колосе которых под изолятором завязалось>20 зерен) свидетельствуют также наши данные о более низкой у них полевой всхожести семян (9,8% или 25,4% против 72,6%), а также и более высокой стерильности пыльцы (12,2% или 11,1%'против 7,5%) в инбредном потомстве.

Повышенная мутабильность при инбридинге у самонесовместимых форм по сравнению с самосовместимыми предполагает более частое возникновение и обнаружение у них мутационных изменений. Опыты по выявлению самосовместимых Sf-форм в инбредном потомстве разных по степени самонесовместимости растении подтверждают это предположение.

Так, в опыте 1973 г. при изоляции потомства низкосамо-совместимых форм (завязавших 1—3 зерна в колосе под изолятором в 1972 г.) были обнаружены колосья с озерненностью более 10 зерен в колосе. Количество таких колосьев в опыте 1973 г. составило 9,3%, а в 1974 г. — 4,3%. Выделенные высо-косамосовместимые формы в потомстве низкосамосовмести-мых родителей высевались и изолировались повторно. Признак повышенной склонности этих растений к самоопылению проявлялся и в последующих поколениях.

Появление форм с высокой степенью самосовместимости в потомстве низкосамосовместимых форм ведет (табл. 4) к возрастанию средней озерненности колосьев у последующего инбредного поколения по сравнению с предыдущим (с 2,2 до 7,7% в опыте 1973 г. и с 2,2 до 4,4% в опыте 1974 г.). В потомстве среднесамосовместимых и высокосамосовместимых родителей повышения средней озерненности колосьев не наблюдалось как в наших опытах (табл. 4), так и в опытах И. М. Сурикова (1969, 1972).

Резкая реакция на инбридинг, мутационное возникновение Sf-форм (D. Lewis, 1951, 1954; К. К. Pandey, 1965; D. Nettancourt, 1972; И. М. Суриков, 1972 и другие) хорошо объясняет увеличение средней озерненности колоса под изолятором у ржи в последовательных поколениях инбридинга за счет отбора самосовместимых форм (Н. Е. Brewbaker, 1926; К. Ф. Агеев, 1929; F, Peterson, 1934; Н. P. Ossent, 1934; A. Lundqvist, 1956, 1958; И. М. Суриков, 1956,1969,1972).У бобов реакция на инбридинг слабее, чем у ржи, а возможность мутационного появления и отбора Si-форм меньше. Поэтому, очевидно, у бобов в последовательных поколениях инбридинга

не наблюдается увеличения озерненности изолированных растений (J, Н. Holden, D. A. Bond, I960; D. G. Rowlands, I960).

В связи с повышением у ржи в последовательных поколениях инбридинга самосовместимых форм, характеризующиеся низким уровнем мутабильности при инбридинге, становится понятным снижение частоты хромосомных нарушений в более высоких инбредных поколениях по сравнению с I,. Если количество анафаз и телофаз с нарушениями в корешках из семян первого инбредного поколения ржи составило 9,2%, то во втором и шестом инбредных поколениях эта величина уменьшилась соответственно до 6,4% и 5,6%. В отличие от ржи, у бобов в последовательных поколениях инбридинга не наблюдалось увеличения высокосамосовместимых форм. Именно поэтому нами не было обнаружено уменьшения частоты хромосомных нарушении в корешках бобов во втором и третьем поколениях инбридинга по сравнению с первым (табл. 2).

Приведенные в настоящем разделе данные убеждают нас в том, что различия по степени самосовместимости между видами и внутри вида являются причиной неодинакового изменения частоты хромосомных нарушений при инбридинге. Чем сильнее выражена самонесовместимость самоопыляемой формы, тем сильнее проявляется генетический дисбаланс и увеличивается мутабильность в инбредном потомстве. Частота хромосомных нарушений в корешках из инбредных семян может быть использована в качестве одного из косвенных тестов при определении склонности растений к перекрестному опылению.

Мутагенное действие генетически несовместимой отдаленной пыльцы у ржи и ячменя

Генетическое определение (D. Lewis, L. Crow, 1958; Н. W. Allard, 1963; Н. F. Linskens, М. Kroch, 1967) и фенотипическое проявление (Ч. Дарвин, 1939; В. R. Sears, 1937; G. L. Stebbins, 1958; К. К. Pandey, 1960, 1962; В. П. Банникова, 1974; И. М. Молчан, 1974) несовместимости при отдаленной гибридизации и инбридинге имеют большие сходства. Естественно, что при несовместимых отдаленных скрещиваниях, как и при инбридинге, следует ожидать изменения естественной мутабильности в потомстве.

Чтобы исключить перекомбинацию генов разных видов При оплодотворении и вычленить химическое влияние генетически несовместимой отдаленной пыльцы, в наших опытах, пыльца другого вида наносилась на рыльца материнской формы вместе с пыльцой своего сорта. При таком опылении в двойном оплодотворении принимала участие только пыльца своего вида, и в потомстве нами не было обнаружено признаков меж-

Таблица 5

Мутагенное влияние генетически несовместимое отдаленной пыльцы в процессе оплодотворения у ржи и ячменя

Способ опыления Проанализировано цветков, шт. Семена Корешки Пыльца

завязы- ваемость, % полевая всхожесть, % проанализировано анафаз и тело-фаз хромосомные нарушения, % а о. _ 88* « 4 о о. у Ч проанализировано, шт. стерильность, %

Опыт 1872-1973 г г.

Рожь

Перекрестное опыление—контроль 360 56,6±2.5 83,3±3,3 1570 1,7*0,3 — 21661 5,3±0,2

То же+пыльца пшеницы • . . . 133» 54,-0±1,4 82,3 ± 1,9 3193 4,6 ±0,4 2,9*** 18373 5,8 ±0,2

То же+пыльца ячменя , . , . 950 54,7± 1,6 72,4 ±2,4 1697 4,7'+0,5 3,0*** 19773 5,9 ±0,2

Самоопыление — контроль . . . 1622 1,4 ±0,3 51,9±2,6 7317 7.5±0,3 — 82401 7,5±0,1

То же + пыльца пшеницы , . , 1т 3,3 ±0.5 33,$±5,5 1868 14,3 ±0,8 6,8*** 22361 7,8±0,2

То же + пыльца ячменя , . , 1664 2,0±0,4 34,8 ±7,0 1068 14,2±1,1 6,7*** 16601 7,5±0,2

Ячмень

Самоопыление — контроль . , , 295 90,8 ±1,7 66,1+3,6 Э052 3,2±0,3 — 17600 3,2±0,1

То же+пыльца пшеиицы .... 204 80,4±2,8 44,7 ±5,8 2304 6,8±0,6 3,6*** 10391 5,8±0,2

То же+пыльца ржи . . , . 292 85,3±2Л 49,4 ±4,0 2770 б,7±0,5 2,5*** 14786 4,7±0Д

Способ опыления

Семена

эавязы*

ваемость, %

полевая всхожесть,

%

Опыт 1973—1974 г

Рожь

Перекрестное опыление—контроль 570 58,0±2,1 73,4 ±2,4

То же+пыльца пшеницы . . . 314 42,6 ±3,0 ?4;6±3,8

То же+пыльца ячменя .... 512 45,5 ±2,3 68,4 ±3,1

Самоопыление — контроль , . , 4204 3,1 ±0,3 46,$±1,5

То же+пыльца пшеницы . • ^ 1684 7,2±0,2 6&,6±4,3

То же+пыльца ячменя .... Ш2 3,6±0,1 5&,0±5,Э

То же+пыльца тимофеевки . - 386 13,5 ±0,6 76,9±5,8

Ячмень

Самоопыление — контроль . , . 444 89,6±1,4 89,4±1,5

То же+пыльца пшеницы . . . 317 71,3 ±2,5 в8,5±2,1

То же+пыльца ржи..... 424 7&,2±2;1 68,4 ±2,6

То же+.пыльца тимофеевки . • 218 06,1*3,2 77,6±3,5

Продолжение таблицы 5

Корешки Пыльца

проанализировано анафаз и тело-фаз хромосомные нарушения, % ^ О. 8вя а и проанализировано, шт. стерильность, %

г. 1699 96 1408 16215 1918 1573 1735 1,5+0,3 4,2 ±2,0 4,8±0,5 7,4 ±0,1 14,0±0,& 12,0±0,3 10,3 ±0,7 2,7"* 3,3*«* 6,6*** 4,6*** 2,9*** 14703 16967 14901 10701 14167 6073 14154 5,4±0,2 6,6 ±0,2 6,2±0,2 6,5 ±0,2 8,3±0,3 6,1 ±0,3 ю,о±о,з

157+ 1491 2268 2132 3,0±0,4 7,3±0,7 5,2 ±0,5 7,2±0,6 4,3*** 2,2*** 4,2*** 17918 16100 15936 16Ш 2,7 ±0,1 4,1 ±0,1 3,2±0,1 4,2±0,1

видовых гибридов. Тем не менее, генетически отдаленная пыльца оказывает биохимическое влияние в процессе опыления (Е. Н. Бритиков, 1954, 1957; X. Геринг, 1960; И. М. Молчан, 1965 и др.), что сказывается на изменении частоты генных мутаций (Н. В. Турбин, Н. А. Картель, 1972).

В наших опытах нанесение на рыльца вместе с пыльцой своего сорта пыльцы других видов при естественном способе опыления ржи и ячменя оказало ингибирующее действие на процесс оплодотворения, что проявилось в некотором снижении завязи ваемостн семян (табл. 5). При самоопылении, в отличие от перекрестного опыления, дополнительное нанесение генетически отдаленной пыльцы увеличивало завязывае-мость семян ржи (табл. 5) в 1,4—4,4 раза по сравнению с контрольным вариантом.

В связи с неодинаковым влиянием генетически отдаленной пыльцы на завязываемость семян при совместимых и несовместимых опылениях представляет значительный интерес цитологическое изучение корешков из семян, полученных при различных способах опыления.

Цитологический анализ корешков показал значительное возрастание частоты хромосомных нарушений у ржи и ячменя в вариантах с участием в опылении пыльцы отдаленных видов (табл. 5).

Так, в опыте 1972—1973 гг. нанесение на рыльце ржи смеси пыльцы своего сорта и пшеницы повысило процент хромосомных аберраций в 2,7 раза, а при добавлении пыльцы ячменя в 2,8 раза по сравнению с контрольным вариантом. Суще* ственное повышение структурных хромосомных нарушений в корешках ржи отмечено в таких же вариантах опыления и в опыте 1973—1974 гг. У ячменя частота хромосомных нарушений в корешках из семян, полученных при дополнительном нанесении на рыльца пыльцы пшеницы, увеличивалось в 1973 г. в 2,2 раза, а в 1974 г.—в 2,4 раза; при добавлении пыльцы ржи частота хромосомных нарушений в корешках ячменя в 1973 г. увеличилась в 1,9 раза, а в 1974 г.—в 1,4 раза.

Таким образом, генетически отдаленная пыльца других видов, нанесенная в смеси с пыльцой своего сорта как у ржи, так и ячменя способствовала изменению уровня мутирования у этих видов при обычном для них способе опыления.

В семенах, полученных при нанесении несовместимой отдаленной пыльцы на рыльца самоопыляющихся колосьев ржи, доля измененных анафаз и телофаз оказалась значительно больше, чем при нанесении такой же пыльцы на рыльца перекрестноопыляющихся колосьев. Например, в опыте 1972— 1973 гг. нанесение на рыльца перекрестноопыляющихся колосьев ржи пыльцы пшеницы или ячменя повысило частоту хромосомных нарушений на $,9 и 3,0% по сравнению с кон-

тролем. При доопылении самоопыляющихся колосьев ржи пыльцой этих видов разница в частоте хромосомных нарушений между контрольным и опытными вариантами составила уже не 2,9 и 3,0%, как это можно было бы ожидать в случае суммарного действия эффектов самоопыления и чужеродного опыления, а значительно больше — 6,8—6,7%. Большее возрастание количества хромосомных аберраций в семенах ржи, полученных при нанесении генетически несовместимой отдаленной пыльцы на рыльца самоопыляющихся колосьев, свидетельствует о большей чувствительности хромосом инбредных организмов по сравнению с кроссбреднымн к воздействию внешних факторов.

Другая возможная причина более сильного возрастания мутабильности при действии чужеродной пыльцы на фоне самоопыления по сравнению с фоном перекрестного опыления может быть связана с повышением самосовместимости ржи под влиянием отдаленной пыльцы (табл. 5); то есть с образованием и выживанием тех инбредных семян, которые без участия в опылении пыльцы других видов заведомо погибли бы из-за повышенной частоты хромосомных нарушений.

В связи с возрастанием хромосомных нарушений под влиянием отдаленной пыльцы в потомстве ржи и ячменя обнаружено снижение полевой всхожести семян и увеличение стерильности пыльцы (табл. 5).

Мутагенный эффект действия генетически отдаленной пыльцы в наших опытах связан с ее химическим составом. Известно, что пыльца содержит в большом количестве разнообразные физиологически-активные и питательные вещества (R. Lunden, 1956; Н. F. Linskens, 1964, 1967; P. S. Stanley, 1964), в том числе с хорошо выраженной мутагенной активностью (С. И. Пашкарь, 1967, 1970). Свое физиолого-биохимическое влияние генетически отдаленная пыльца может оказать на разных этапах процесса опыления и оплодотворения уже начиная с момента попадания ее на рыльце (А. Ф. Здрилько, И. М. Поляков, 1957; И. И. Львова, I960; L. Meszaros, 1970; А. И. Духовный, !973; И. М. Молчан, 1974 и др.).

Одним из возможных механизмов биохимического действия генетически несовместимой отдаленной пыльцы других видов являются отмеченные в нашем модельном опыте (И. М. Молчан, В. П. Андрияш, 1972) биохимические изменения при хранении пыльцы разных видов в смесях. Микрофотометрическое определение оптической плотности пыльцевых зерен после окрашивания их раствором бензидина показало, что активность фермента пероксидазы значительно возрастает в пыльце конопли при хранении ее (8—12 час.) в смеси с пыльцой ржи и в пыльце подсолнечника при хранении ее в смеси с пыльцой кукурузы. Это говорит о том, что при попа-

даиии пыльцы других видов на рыльце происходит взаимодействие не только пыльцы и рыльца, но и биохимически отличающаяся пыльца в пыльцесмесях может изменить метаболическую активность соседних пыльцевых зерен.

На основании экспериментальных данных настоящего раздела можно заключить, что усиление мутационной изменчивости при спонтанной и экспериментальной интрогрессив-ной гибридизации связано не только с проникновением генетического материала одного вида в другой или с несбалансированностью гибридного генома (М. Г. Попов, 1928, 1963; Е. Anderson, 1948; П. И. Жуковский, 1970), но и с биохимическим влиянием чужеродной пыльцы по типу химических мутагенов.

Выводы

1. Самоопыление у ржи и бобов является одним из факторов мутационной изменчивости. Об этом свидетельствует обнаруженное В ИИбреДНОМ: потомстве по сравнению с кросс-бредным: повышение частоты хромосомных нарушений в клетках корешков и стерильности пыльцы; мутационное появление Sf-форм; снижение полевой всхожести семян. Изменение мута-бильности при инбридинге показывает важную роль генотипа в контролировании естественного мутационного процесса.

2. Выяснение значения сбалансированной гетерозиготно-сти при облучении кроссбредных и инбредных семян показало более высокую чувствительность к гамма-облученню инбредных семян.

3. Одной из причин более низкой полевой всхожести у инбредных семян по сравнению с кроссбредными является повышенная частота хромосомных нарушений.

4. Между видами (рожь и бобы), а также между растениями популяции одного вида (рожь) наблюдается значительный полиморфизм по степени самосовместимости.

5. Чем сильнее выражена реакция самонесовместимости при оплодотворении, тем больше возрастает мутабильность в инбредном потомстве. Об этом свидетельствует более значительное возрастание частоты хромосомных нарушений в инбредных семенах у ржи, чем у бобов, а также у низкосамо-совместимых форм ржи по сравнению с высокосамосовмести-мыми. Частота хромосомных нарушений в корешках из инбредных семян может служить в качестве косвенного теста при определении склонности растений к перекрестному опылению.

6. Внутри самонесовместимоотй популяции ржи в процессе инбридинга могут мутационно возникать и отбираться самосовместимые формы. У низкосамосовместнмых родителей,

имеющих повышенную мутабильность в инбредном потомстве, самосовместимые 5>Д-дфррмы обнаруживаются в большем количестве, чем у высокбр&вмес ти мы х родителей.

7. В семенах, полученных при нанесении на рыльца (ржи или ячменя) в смеси с пыльцой своего вида генетически несовместимой отдаленной пыльцы (пшеницы, тимофеевки, ячменя или ржи), обнаружено возрастание количества хромосомных нарушений по сравнению с контрольным вариантом.

8. Мутационный эффект действия генетически отдаленной пыльцы в наших опытах связан с ее химическим составом. Одним из возможных механизмов действия генетически отдаленной пыльцы является отмеченное в наших опытах биохимическое взаимодействие компонентов пыльцесмеси.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Микрофотометрическое изучение биохимических изменений в пыльцесмесях. Доклады ТСХА, вып. 182, 1972 г. (в соавторстве с И. М. Молчан).

2. Влияние инбридинга на мутационную изменчивость и радиочувствительность семян яровой ржи. Доклады ТСХА, вып. 192, 1973 г.

3. Мутагенное действие генетически отдаленной пыльцы у ржи и ячменя. Доклады ВАСХНИЛ, № 2, 1975 г. (в соавторстве с И. М. Молчан).

4. Способы создания генетической гетерогенности и некоторые вопросы гетерозисной селекции у перекрестноопыляющихся и самоопыляющихся растений. Сообщение 5. Гибридизация как мутагенный фактор. Генетика, т. II, № 2, 1975 г. (в соавторстве с М. И. Молчан и Г. В. Гуляевым).

Материалы диссертации были доложены на научных конференциях:

1. Биологические основы повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. М., 1973.

2. Научные основы повышения продуктивности сельскохозяйственного производства. М., 1974.

3. Научные основы повышения продуктивности сельскохозяйственного производства. М„ 1975.

Объем 1*/« п, л.

Заказ 574.

Тираж 150

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 125008. Москва А-8, Тимирязевская ул., 44