Особенности функционирования репродуктивной системы видов рода Lycopersicon Tourn

Лыско, Ирина Анатольевна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Особенности функционирования репродуктивной системы видов рода Lycopersicon Tourn
ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Особенности функционирования репродуктивной системы видов рода Lycopersicon Tourn"

На правах рукописи

ЛЫСКО Ирина Анатольевна

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ВИДОВ VOД\LYCOPERSICONTOUm.

Специальность: 06.01.05 - селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

16 МАЙ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Краснодар -2013

005060007

Работа выполнена в лаборатории «Изучение и поддержание генетической коллекции томата» ГНУ Всероссийском научно-исследовательском институте биологической защиты растений Россельхозакадемии в 2008 - 2012 гг.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор, академик

РАН и РАСХН

Жученко Александр Александрович

Официальные оппоненты - Щеглов Николай Иванович, доктор

биологических наук, профессор кафедры генетики, микробиологии и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Кубанского государственного университета», г. Краснодар

Зеленцов Сергей Викторович, доктор сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией генетики и иммунитета ГНУ «Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур»

Россельхозакадемии

Ведущая организация - ГНУ Всероссийский научно-исследовательский

институт селекции и семеноводства овощных культур, г. Москва

Защита диссертации состоится 22 мая 2013 г. в 9 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.038.03 созданного на базе ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, гор.Краснодар, ул. им. Калинина, 13, (главный корпус, 1 этаж, комната 106), тел./факс (8-861)221-57-93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», с авторефератом на сайтах http://www.vak.ed.gov.ru и http://www.kubsau.ru

Автореферат разослан «.{$ » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, * 4! ^^^

доктор биологических наук, профессор IIЦаценко Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время изучение репродуктивной системы высших растений становится все более актуальным. Еще в 1934 году Н.И. Вавилов указывал, что изучение биологии цветения и опыления на широком эколого-географическом материале является базой практической селекции [Вавилов Н.И., 1965]. Заслугой Н.И. Вавилова является и то, что он рассматривал исследования проблем цветения и опыления не иначе как в тесной связи с генетикой.

Селекционеры используют половую и вегетативную репродукцию на различных этапах селекционного процесса, включая создание исходного материала, отбор, поддержание, размножение и изучение перспективных сортов и гибридов сельскохозяйственных растений. Основой генетического процесса является понимание того, как влияют способы репродукции на изменчивость растений, как происходит развитие репродуктивной системы у растений. Недостаток знаний о репродуктивных особенностях растений -основная причина слабого использования процессов гаметогенеза [Жученко A.A., 2001, 2009].

Томат наиболее изученная в генетическом отношении культура, но при этом его потенциальные возможности недостаточно реализованы. На современном этапе селекции томатов, возникает необходимость использования диких видов и полукультурных разновидностей как источник незаменимых носителей многих хозяйственно ценных признаков. Адаптации к абиотическим факторам внешней среды, возникшие у этих видов в процессе эволюции, -мощный резерв для улучшения культурных сортов [Вавилов Н.И., 1938; Жученко A.A., 1973; Куземенский A.B., 2004, 2005]. Таким образом, знания о репродуктивном потенциале межвидовых и внутривидовых гибридов томата позволят широко вовлекать в селекционный процесс различные виды этих растений с широким спектром генетической изменчивости.

Цели и задачи исследований. Целью работы является изучение репродуктивного потенциала у таких диких видов томата как L. hirsutum var. glabratim и L. esculentum var. racemigerum, а так же мутантных форм (Mo 393, Mo 628, Mo 755) и культурного сорта Марглоб, их гибридов и использование выявленных при этом закономерностей для нужд практической селекции.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Провести оценку морфологических признаков репродуктивной системы у межвидовых и внутривидовых гибридов Fi растений томата и установить характер их проявления в зависимости от родительской формы.

2. Оценить пыльцевую производительность, жизнеспособность пыльцы у межвидовых и внутривидовых гибридов Fi растений томата и их родительских форм, элементов ее составляющих и выявить перспективы их использования в селекции.

3. Определить семенную продуктивность у межвидовых и внутривидовых гибридов Р] растений томата и их родительских форм; оценить фертильность семян гибридных комбинаций и их родительских форм.

4. Изучить влияние оптимальной и пониженной температур и ограниченного опыления на рост пыльцевых трубок и срок сохранения жизнеспособности рыльца пестика растений томата.

5. Провести цитологические исследования мейоза у родительских форм и гибридов томата Р) в профазе I мейоза.

6. Проанализировать изменчивость частоты рекомбинации в популяции Р2 межвидовых и внутривидовых гибридов томата.

Научная новизна. Впервые в условиях Краснодарского края получены новые генотипы растений томата между дикими видами (I. Ыпишт \аг. glabratum, I. е$си1еп1ит \аг. racemigerum), мутантными формами (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурным сортом Марглоб.

Выявлены основные характеристики репродуктивной системы рода Ьусоретсоп Тоигп. на примере межвидовых и внутривидовых гибридов томата, полученных при скрещивании диких видов (£. ЫпиШт уаг. %1аЪгаШт, I. еясикпшт \аг. racemigerum), мутантных форм (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурного сорта Марглоб.

Выделенные из полученных межвидовых и внутривидовых гибридов генотипы томата представляют собой перспективные генетически разнокачественные линии по ряду признаков интересных для практической селекции.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований являются вкладом в изучение репродуктивной биологии диких и мутантных форм томата, пригодных для использования в селекционной практике при создании новых сортов и гибридов. Получены новые данные по количественным и качественным характеристикам пыльцевых зерен межвидовых и внутривидовых гибридов томата, срокам хранения пыльцы, опылению и плодообразованию, которые могут быть использованы при решении некоторых задач отдаленной гибридизации растений, в т.ч. при интродукции полезных и ценных признаков диких видов в геном культурных растений.

Выявлен эффективный период восприимчивости пыльцы рыльцем растений томата, что дало новые знания о биологии опыления межвидовых гибридов данной культуры, которые могут быть успешно использованы в процессе гибридизации.

Материалы диссертационной работы используются на курсах «Частная цитогенетика» и «Частная селекция сельскохозяйственных культур» в Кубанском государственном аграрном университете.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Определен характер проявления фенотипических признаков: при межвидовой гибридизации диких видов (£. ЫкШит уаг. %1аЪгаЫт,

L. esculentum var. racemigerum) и мутантных форм (Mo 393, Mo 628, Mo 755) томата проходит по отцовскому компоненту, а при внутривидовой гибридизации между мутантными формами (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурным сортом томата Марглоб протекает по доминантному типу материнской формы.

2. Установлено, что у всех гибридных комбинаций при межвидовой и внутривидовой гибридизации отмечается тесная корреляция между пыльцевой производительностью и жизнеспособностью пыльцы.

3. Показано, что мейоз у межвидовых и внутривидовых гибридов томата протекает по типу бивалентной конъюгации. Для увеличения частоты рекомбинации в селекционном процессе целесообразно использовать мутантные формы Мо 393, Мо 628 и межвидовой гибрид Fj Mo 628 х L. esculentum var. racemigerum.

4. Выявлены закономерности по ряду признаков репродуктивного потенциала: по пыльцевой производительности, семенной продуктивности и фертильности семян у межвидовых и внутривидовых гибридных комбинаций. Установлено, что наиболее продуктивными являются кисти второго и третьего порядка у растений томата.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодые ученые - агропромышленному комплексу Поволжья» (г.Саратов, 2010); 6-ой Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений как основа экологического земледелия и фитосанитарной стабилизации агроэкосистем» (г. Краснодар,

2010); V Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г.Краснодар, 2011); научно-практической конференции Кубанского отделения ВОГиС «Вклад ВОГиС в решение проблем инновационного развития России» (г. Краснодар,

2011); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы и перспективы аграрной науки в России» (г. Саратов,

2012); 7-ой Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем. Современные мировые тенденции в производстве и применении биологических средств защиты растений» (г. Краснодар, 2012).

Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в т.ч. 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах компьютерной версии и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературных источников и приложений. Иллюстративный материал представлен 27 таблицами и 37 рисунками. Список использованной литературы содержит 252 источника, из них 89 иностранных.

Особую признательность автор выражает научному руководителю академику РАН и РАСХН, д.б.н., профессору A.A. Жученко, куратору

лаборатории д.с.-х.н. Н.И. Бочарниковой за постоянную помощь, внимание и поддержку, оказываемых на всех этапах выполнения диссертационной работы; сотрудникам лаборатории «Изучение и поддержание генетической коллекции томата» ГНУ ВНИИ биологической защиты растений; а также д.б.н. A.A. Соловьёву (РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева) за содействие и помощь в проведении экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе приводятся данные о культуре томата — как одном из основных модельных объектов для цитогенетических и селекционных исследований. Представлена обобщенная схема формирования репродуктивной системы у томатов. Подробно рассматриваются вопросы вариабельности мужского гаметофита и женского гаметофита и их роли в репродуктивном потенциале у растений томатов, а также поиска методов, снижающих селективную элиминацию рекомбинантов.

2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовали 26 опытных образцов растений генетической коллекции томата ГНУ ВНИИБЗР: дикие виды (L. esculentum var. racemigenim, L. hirsutum var. glabratum), мутантные формы (Mo) растений томата: Mo 393 (с, т-2), Мо 628 (е, ful, hl, а), Mo 755 (wv, аа, d), культурный сорт Марглоб, как контроль; 10 полученных на их основе межвидовых и внутривидовых гибридов Fi и 10 полученных на их основе межвидовых и внутривидовых гибридов F2.

Идентификацию диких видов растений томата осуществляли по A.A. Жученко и др. [1974], мутантных форм в соответствии с каталогом Н.И. Бочарниковой [2011].

Исследования проводили в период 2008 - 2012 гг. в лаборатории «Изучение и поддержание генетической коллекции томата» и на экспериментальной базе ГНУ ВНИИБЗР (г. Краснодар) (поле, теплица и фитотрон), а также на кафедре генетики и биотехнологии РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева (г. Москва). При выращивании в климакамерах (освещенность 20 кЛк; температура в дневные часы +25 ± 2° С, в ночные +18±2°С; фотопериодизм - 16 часов день, 8 часов ночь; влажность почвы поддерживалась на уровне 70-80 %) условия были оптимальными для вегетации растений томата [Марков В.М., 1966].

Гибридизацию проводили на первых трех кистях по общепринятой методике [Веселовский И.А., 1965]. Растения F2 получали в потомстве самоопыленных растений гибридов Ft.

В работе рассматривались I, II и III кисть на главном стебле от основания растения, при этом учитывали номер бутона на каждой кисти (от основания кисти) [Жученко A.A. мл., 1990].

Количество пыльцы в цветке и пыльцевую производительность растений определяли по методике, разработанной на кафедре РГАУ - МСХА им. К.А.Тимирязева [Иванова C.B. и др., 1996]. Для подсчета количества пыльцевых зерен использовали камеру Горяева.

Жизнеспособность пыльцы определяли на искусственной питательной среде (15 % раствор сахарозы, подкисленный 0,006 % раствором борной кислоты) по общепринятой методике З.П. Паушевой [1988]. Пыльцу считали проросшей, если ее трубка имела длину равную диаметру пыльцевого зерна и более, при этом анализировали 400-500 случайно выбранных пыльцевых зерен.

Изучение прорастания пыльцы и роста пыльцевой трубки проводили методом люминесцентного микроскопирования в модификации В.А. Пухальского и др. [2007]. Наличие каллозы в зрелом пыльцевом зерне позволяет обнаружить ее с помощью окрашивания анилиновым голубым. Наблюдения и фотосъемку вели на микроскопе Carl Zeiss Axio Lab при увеличении объективов 10x0,25,40x0,65.

Цитогенетическую оценку проводили по методике В.А. Пухальского и др. [2007]. Учет частоты хиазм определяли согласно классификации бивалентов [Darlington S., 1937]. При анализе конъюгации хромосом просматривали от 300 до 500 МКП (материнских клеток пыльцы) в стадии диакинеза.

Всхожесть и энергию прорастания семян определяли по ГОСТР 52 171 -2003. Оценку и учет проросших семян при определении энергии прорастания проводили через 5 суток, всхожести - 10 суток.

Расщепляющиеся гибридные комбинации F2 выращивали в условиях защищенного грунта. При достижении сеянцами фазы 3-4 настоящих листьев проводили идентификацию по маркерным признакам.

Фотографирование объектов осуществлялось с помощью цифровой фотокамеры Olympus SP-500UZ. Изображения, полученные с помощью фотокамеры, обрабатывали при помощи программы Adobe Photoshop 8.0.

Оценку достоверности различий между средними значениями признаков образцов проводили с помощью рангового теста [Лакин Г.Ф., 1990]. Для более точного сравнения зависимости гибрида от родительских форм применяли однофакторный дисперсионный анализ [Доспехов Б. А., 1979]. Для классификации наблюдений применяли кластерный анализ по методу Уорда [Кендалл Дж., Стьюарт А., 1982; Мандель И.Д., 1988].

Математическая обработка экспериментальных данных маркерного анализа осуществлялась на персональном компьютере по программам, разработанным А.Б. Королем и И.А. Прейгелем (ИЭГ АН Молдова, 1985). При статистической обработке полученных результатов применяли критерии Стьюдента, Фишера и %г [Литтл Т.М., Хиллз Ф.Дж., 1981].

3 ХАРАКТЕРИСТИКА СОЦВЕТИЯ И МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА У

РАСТЕНИЙ ТОМАТА

3.1 Основные морфологические характеристики и особенности соцветия родительских форм и гибридов Е]

Первым этапом в оценке межвидовых и внутривидовых гибридов Б] растений томата является описание и изучение закономерностей проявления их фенотипических признаков.

У межвидовых гибридов Б! растений томата проявление фенотипических признаков, таких как опушенность всех вегетативных и генеративных органов, а так же запах; тип и структура соцветия; размеры и окраска цветков; размеры, форма, окраска плодов и число завязавшихся плодов на первых трех кистях проходит по отцовскому компоненту.

При внутривидовой гибридизации проявление фенотипических признаков протекает по доминантному типу материнской формы - культурного сорта Марглоб.

3.2 Пыльцевая производительность у родительских форм и гибридов Р1

Родительские формы и гибриды Б] томата по пыльцевой производительности достоверно различаются между собой. Доля соответствующей дисперсии составляет 86,9 %. При этом межвидовые гибриды Рь в целом, воспроизводят особенности репродуктивной системы диких видов, проявляя гетерозисный эффект. Наибольшая пыльцевая производительность характерна для гибрида Р, Марглоб * Мо 755 и отцовской формы I. ЫгвШит хаг. %1аЪгаЬ1т (3098,60 и 2763,97 тыс. шт. соответственно). Самое низкое значение признака установлено у мутантных форм Мо 628, Мо 393 и Мо 755 (1069,63; 1354,07 и 1397,93 тыс. шт. соответственно).

Обнаружены статистически достоверные различия между кистями у всех исследуемых образцов, за исключением гибридов Р] Марглоб х I. еэЫепШт хаг. racemigerum и Мо 755 х Ь. ЫгзШит хаг. glaЪratum. Доля соответствующей дисперсии варьировала от 18,0 (Мо 393 х I. езсикпШт хаг. racemigerutri) до 82,2 % (£. НтиШт хаг. glabratum).

По значению этого признака можно выделить 3 ранга, объединивших различные гибриды, мутантные формы и дикие виды, где обнаружены достоверные различия между кистями (таблица 1). В самую многочисленную группу вошли Ь. Ыгзишт хаг. glabratum, Ь. езси1епшт хаг. racemigerum, Мо 628 , Мо 755 и гибриды Р, Марглоб * Мо 393, Мо 628 * Ь. еясикшт хаг. racemigerum и Мо 393 * I. ЫпиШт хаг. glabratutn, где обнаружены достоверные различия между кистями.

Установлено, что в цветках на второй кисти образуется больше пыльцы, чем в цветках на других кистях. У Мо 393 и гибридов Р[ Марглоб * Мо 755 и Мо 755 х езсикпшт хаг. racemigerum пыльцевая производительность второй и третьей кистей различается незначительно. Для сорта-контроля Марглоб и гибридов Б] Марглоб х I. ЫгзиШт хаг. glabratum, Марглоб * Мо 628 и Мо 393

X Ь. евсиШит \аг. racemigerum отличий по пыльцевой производительности между первой и третьей кистями не выявлено.

Таблица 1 - Пыльцевая производительность цветка на различных кистях

растения томата, ГНУ ВНИИБЗР (2008 - 2012 гг.)_

Среднее количество пыльцевых зерен в цветке, тыс. шт._

Кисть

III

Ранговый тест

Марглоб (к)

268,71

270,04

285,20

III

I, МгМшп уаг. %1аЪгсаит

326,69

347,27

362,52

Мо 393

209,32

236,32

III

231,33

Мо 755

177,60

199,74

221,76

Марглоб х I. ЫгяиШт у аг. glabratum

240,52

244,32

264,96

Марглоб х Мо 393

230,86

246,82

III

257,30

Марглоб х Мо 755

227,56

245,95

240,14

III II

Мо 628 х Ь. еясиЫЫит уаг. гасет1р,егит 191,63

208,84 224,69

Продолжение таблицы 1

1 2 3

Мо 393 х L. hirsutum var. glabratum

I 230,43 ♦

III 248,07 *

II 259,19 *

Примечание: знак «*», расположенный на разных вертикалях показывает различия между образцами.

Пыльцевая производительность тесно коррелирует с жизнеспособностью пыльцы (г=0,48-0,77), что указывает на возможность отбора форм с высокой пыльцевой производительностью для использования их в дальнейшей селекционной работе.

3.3Жизнеспособность пыльцы у родительских форм и гибридов Fj Установлено, что жизнеспособность пыльцевых зерен, способных к прорастанию на искусственной питательной среде in vitro составляет у родительских форм 15-35 %, а у гибридных комбинаций 4-15 %.

Оценка различий между репродуктивными органами и влияния суток хранения на жизнеспособность пыльцы проведена с помощью двухфакторного дисперсионного анализа (таблица 2).

Таблица 2 - Анализ жизнеспособности пыльцы на разных сроках хранения родительских форм и гибридов Р, растений томата, ГНУ ВНИИБЗР (2008 -2012 гг.)________

Изменчивость Степени свободы Средний квадрат Критерий Фишера Дисперсия Доля в общей дисперсии, %

1 2 3 4 5 6

L. esculentum var. racemigerum

между кистями 2 106,52 2,3* 0,00 0,0

сутки хранения 3 770,06 17,3* 20,16 31,2

кисть и сутки хранения 6 20,63 0,4 0,00 0,0

остаточная 44,48 - 44,48 68,8

Мо 628

между кистями 2 116,67 1 6,0** 4,86 6,3

сутки хранения 3 810,77 41,7** 52,76 68,5

кисть и сутки хранения 6 15,35 0,7 0,00 0,0

остаточная 19,42 - 19,42 25,2

Марглоб х Мо 755

между кистями 2 20,83 6,5** 0,35 3,0

сутки хранения 3 287,82 91,0** 7,49 65,3

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6

кисть и сутки хранения 6 9,20 2,9* 0,48 4,2

остаточная ! 3,16 27,5

Мо 755 х I. ИтиШт уаг. glabratum

между кистями 2 67,50 27,3** 1,74 16,0

сутки хранения 3 117,26 71,8** 6,24 57,2

кисть и сутки хранения 6 6,76 2,7* 0,46 4,2

остаточная 2,46 - 2,46 22,6

Примечание-. * - влияние фактора на признак достоверно с вероятностью 95 %; ** - влияние фактора на признак достоверно с вероятностью 99 %.

Обнаружены достоверные различия в пределах одного и того же растения между репродуктивными органами у всех исследуемых образцов, за исключением I. е5си1епшт гаг. гасепщегит, Мо 755 и гибрида Р, Мо 393 х Ь. езсикпгит \аг. гасепщегит. Доля соответствующей дисперсии варьирует от 3,0 (Марглоб х Мо 755) до 16,0 % (Мо 755 х I. ИШ(ит гаг. аЪгайт) от общей изменчивости, тогда как доля влияния ■ фактора - сутки хранения составляет от 31,2 (I. еясШепШт уаг. гасепщегит) до 68,5 % (Мо 628). На взаимодействие изученных факторов приходится от 4,2 (Марглоб х Мо 755 и Мо 755 х I. ЫгхиШт \>аг. фЬгаШт) до 10,2 % (Мо 628 х I. езсикпПт \'аг. гасепщегит) от общей изменчивости. Выявленные закономерностиуказывают на целесообразность раздельного использования репродуктивных органов в

селекционном процессе.

В первые сутки хранения наблюдалась достаточно высокая жизнеспособность пыльцы у исследуемых образцов как в пределах одного растения, так и по кистям. При этом жизнеспособность пыльцы первой и второй кисти у большинства генотипов была выше этого показателя третьей кисти. Например, у гибрида И, Мо 628 х I. е.чсикпШт \ш. гасепщегит жизнеспособность пыльцы составляла в пределах I кисти 11,9 %, Н-й - 14,9 %, Ш-й - 7,5 %. Жизнеспособность пыльцевых зерен уменьшалась в кисти от первого цветка к последнему. Однако у большинства изученных комбинаций наблюдалась тенденция к увеличению жизнеспособности пыльцевых зерен в 3, 4 и 5 бутонах. У некоторых комбинаций на третьи сутки хранения наблюдалось относительно высокое повышение жизнеспособности пыльцы по сравнению с первыми сутками (Марглоб х ¿. еэсикпШт уаг. racemigerum, Мо 628 х I. еясикпШт \ш. гасепщегит, Мо 755 х I. езсикптт var.■racemigentm). Это явление можно объяснить различными сроками созревания пыльцы.

3.4 Скорость роста пыльцевых трубок томата

Отмечена значительная вариабельность пыльцы по скорости роста пыльцевых трубок. Скорость роста оценивали по средней длине пыльцевой трубки, образовавшейся через определенный интервал времени (таблица 3).

Таблица 3 - Влияние температуры на прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок у гибридных растений томата, ГНУ ВНИИБЗР (2012 г.)_

Оптимальная температура (25-28° С) Пониженная температура (10-12° С)

Время, час пределы пределы

проросшие варьирования проросшие варьирования

пыльцевые длины пыльцевые длины

зерна, % пыльцевой трубки, мкм зерна, % пыльцевой трубки, мкм

3 68,3±3,82 4,8-28,8 22,3± 1,93 1,6-4,8

6 69,4±4,11 4,8-35,2 24,0±4,03 1,6-6,4

12 69,9±0,95 11,2-81,6 24,3±3,83 1,6-8,0

24 79,7±2,70 28,8 и более* 35,6±4,82 1,6-14,4

48 81,9±1,65 46,3± 1,61 1,6-24,0

Примечание: * - пыльцевые трубки, достигшие основания рыльца пестика.

Наибольшей скоростью роста характеризуются пыльцевые трубки в первые три часа как при оптимальной, так и при пониженной температуре. Длина пыльцевой трубки составляет 4,8-28,8 мкм и 1,6-4,8 мкм соответственно. Затем происходит постепенное снижение активности прорастания (рисунок 1).

Рисунок 1 - Состояние пыльцевых трубок гибридных растений томата через 3 часа после опыления: а) при оптимальной температуре; б) при пониженной температуре.

Установлено, что при оптимальной температуре уже через 12 часов после нанесения на рыльце пестика 15-20 пыльцевых зерен до основания пестика

дорастает 69,9 % пыльцевых трубок. Через 24 часа основания пестика достигает 79,9 % пыльцевых трубок.

Однако при пониженной температуре выявлен резкий спад активности прорастания пыльцевых зерен в тканях пестика и сильное снижение скорости роста пыльцевых трубок. Через 48 часов после опыления проросло 46,3 % пыльцевых зерен, длина которых составляла от 1,6 до 24,0 мкм, по сравнению с оптимальными условиями, где уже через 48 часов основания пестика достигает 81,9 % пыльцевых трубок (рисунок 2).

Рисунок 2 - Состояние пыльцевых трубок гибридных растений томата через 48 часов после опыления-, а) при оптимальной температуре; б) при пониженной температуре.

3.5Срок сохранения жизнеспособности рыльца пестика у томата

Результаты исследований жизнеспособности рыльца при различных сроках принудительного опыления цветка свежесобранной пыльцой показали существенные различия между ними (рисунок 3).

3 4 5 6 7

Сутки

Рисунок 3 - Прорастание пыльцевых зерен в зависимости от возрастного состояния рылец гибридных растений томата (Мо 393 * Марглоб): а) при оптимальной температуре (25-28° С); б) при пониженной температуре (1012° С).

При опылении свежей пыльцой молодых рылец прорастание пыльцы было выше, чем при опылении старых рылец. При опылении стареющих рылец свежесобранной пыльцой наблюдали уменьшение количества проросших пыльцевых зерен.

Жизнеспособность рыльца сильно варьирует в зависимости от температурного фактора. Так, при оптимальной температуре рыльце способно воспринимать пыльцу в течение 6 суток. Максимальная восприимчивость пыльцы рыльцем была обнаружена на 3 сутки (76,5 %) после кастрации (рисунок 4). Однако относительное понижение температуры в период формирования и развития цветка удлиняют период жизнедеятельности рыльца. При пониженной температуре срок сохранения рыльца пестика составляет 7 суток (рисунок 5). Самый высокий процент прорастания пыльцы получен на 3 сутки (36,7 %), а самый низкий - на 7 сутки (3,4 %).

Рисунок 4 - Прорастание пыльцевых зерен гибридных растений томата через 3 суток: а) при оптимальной температуре; б) при пониженной температуре.

Рисунок 5 — Прорастание пыльцевых зерен гибридных растений томата через 7 суток: а) при оптимальной температуре; б) при пониженной температуре.

4 КОНЪЮГАЦИЯ ХРОМОСОМ РОДИТЕЛЬСКИХ ФОРМ И ГИБРИДОВ F, ТОМАТА

4.1 Аналнз цитологических нарушений мейоза у родительских форм и гибридов р! в профазе I мейоза МКП

Анализ МКП (материнских клеток пыльцы) на стадии диакинеза метафазы I показал, что большинство клеток у родительских форм и гибридов растений томата характеризуются бивалентной коньюгацией хромосом (таблица 4).

Таблица 4 - Анализ коньюгации хромосом в МКП на стадии диакинеза

Образец Доля клеток с хромосомными ассоциациями Всего исследовано клеток

12пс jll Пп 1 о11 с 2UolOnc 3й 9й J 0J с г'п".

Марглоб ! 0,965 0,035 0 0 0 506

Mo 755 0,950 0,039 0,011 0 0 311

L. esculentum var. racemigerum 0,947 0,044 0,009 0 0 325

L. hirsutum var. glabratum 0,757 0,126 0,072 0,016 0,031 391

Марглоб x Mo 755 0,941 0,045 0,014 0 0 296

Mo 755 x L. esculentum var. racemigerum 0,009 0,035 0,120 0,836 0 380

Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum 0,007 0,034 0,247 0,512 0,200 470

- закрытый оивалент.

Доля клеток с нарушениями у всех изучаемых гибридов была достоверно выше, чем у исходных форм. Так, родительские формы Марглоб, Mo 755 и L. esculentum var. racemigerum имеют более высокую долю клеток со всеми закрытыми бивалентами (0,965, 0,950 и 0,947 соответственно) в сравнении с гибридами F] Mo 755 х L. esculentum var. racemigerum и Mo 755 х L. hirsutum var. glabratum (0,009 и 0^007 соответственно). При этом у межвидового гибрида Fi Mo 755 х L. hirsutum var. glabratum доля клеток с нарушениями превышает показатель у внутривидовых гибридов Fi Mo 755 х L. esculentum var. racemigerum и Марглоб x Mo 755.

У дикого вида L. hirsutum var. glabratum и гибрида Fi Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum в МКП было обнаружено 11 закрытых бивалентов и 2

унивалента. Так, у гибрида Б] в 20 % клеток наблюдалась одна пара унивалентов.

В целом, все отклонения в МКП на стадии диакинеза, обнаруженные в ходе цитологических исследований, не отразились на фертильности пыльцы родительских форм и гибридов Р| растений томата и их способности давать фертильное потомство.

4.2 Гибридологический анализ изменчивости частоты рекомбинации (ф в популяции гибридов

В наших исследованиях у гибридов Р2 растений томата анализ фенотипических маркерных признаков выявил отклонение их наследования от ожидаемого (3:1), так как экспериментальные значения %2 превышали критическую точку х251=3>84.

При анализе частоты мейотической рекомбинации (г/) в комбинациях скрещивания обнаружены некоторые отклонения от значений классической генетической карты (таблица 5).

Таблица 5 - Частота кроссинговера у межвидовых и внутривидовых гибридов у2 растений томата, ГНУ ВНИИБЗР (2011-2012 гг.)_

Вариант Кол-во раст., шт. Рекомбинация в сегментах, %

c-m-2 (27) tcm

Марглоб х Мо 393 814 24,8±2,84

Мо 393 х L. esculentum var. racemigerum 443 32,5±4,67 1,40

Mo 393 x L. hirsutum var. glabratum 484 37,5±4,56 2,35*

aa - vvv (9) tcm wv - d (29) tcm aa-d (20) tcm

Марглоб x Mo 755 814 4.2±1,28 16,9±2,82 14,5+2,58

Mo 755 x L. esculentum var. racemigerum 814 5,7±1,14 0,90 14,7±1,98 0,62 16,4±2,11 0,56

Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum 290 8,8+2,72 1,54 27,8±2,43 2,96 ** 13,3±3,15 0,29

e-ful (42) tcm hl-а (20) tcm

Марглоб x Mo 628 580 30,3±3,93 25,1±3,13

Mo 628 x L. esculentum var. racemigerum 659 32,7±4,45 0,4 58,6±7,15 4,29 ***

Примечание: *, **, *** - отличия от Ь. еясикпШт (Марглоб) значимы при Р>0,05; 0,01 и 0,001 соответственно. Критические табличные значения коэффициентов Стьюдента для Р-0,95 - Ы,96; для Р-0,99 -1-2,58; для Р-0,999 -1-3,29.

Хромосома 2. В сегменте wv - d у межвидовых гибридов F2 в комбинациях скрещивания с мутантной формой Мо 755, частота кроссинговера изменялась от 14,7 ± 1,98 до 27,8 ± 2,43. При этом у гибрида F2 Мо 755 х L. hirsutum var. glabratum значение rf приближено, но меньше значения генетической карты. У гибридов F2 Мо 755 * L. esculentum var. racemigenim и Марглоб х Мо 755 отмечено значимое уменьшение частоты кроссинговера в 2 раза и их значение составило 14,7 ± 1,98 и 16,9 ± 2,82 соответственно.

Анализ частоты расщепления rf между генами аа - wv показал, что частота кроссинговера изменялась от 4,2 ± 1,28 до 8,8 ± 2,72. При этом у гибрида F2 Мо 755 х L. hirsutum var. glabratum значение rf на уровне контроля. У гибридов F2 Мо 755 х L. esculentum var. racemigerum и Марглоб х Мо 755 частоты кроссинговера достоверно значительно ниже значения генетической карты.

При анализе rf в сегменте аа - d показано, что у межвидовых гибридов F2 в комбинациях скрещивания диких видов с мутантной формой Мо 755 частота кроссинговера достоверно отличалась от значений генетической карты и варьировала от 13,3 ± 3,15 до 16,4 ±2,11.

Хромосома 4. Анализ частоты расщепления rf в сегменте е - ful показал, что частота мейотической рекомбинации в потомстве межвидовых гибридов F2 достоверно отличалась от значений генетической карты и была существенно ниже.

Хромосома 6. Анализ частоты rf между маркерными локусами с - т-2, показал, что у межвидовых гибридов F2 в комбинациях скрещивания диких видов с мутантной формой Мо 393 частота кроссинговера достоверно значительно выше, чем у контроля. У гибридов F2 Мо 393 х L. hirsutum var. glabratum и Мо 393 х L. esculentum var. racemigerum его значение составило 37,5 ± 4,56 и 32,5 ± 4,67 соответственно. У гибрида F2 Марглоб х Мо 393 частота кроссинговера была приближена к значению генетической карты и равнялась 24,8 ± 2,84.

Хромосома 11. При анализе частоты мейотической рекомбинации rf в сегменте Ы - а достоверно выше, чем у контроля. При этом у гибрида F2 Марглоб х Мо 628 значение rf приближено, но больше значения генетической карты. У Мо 628 х L. esculentum var. racemigerum отмечено увеличение частоты кроссинговера более чем в 2 раза и его значение составило 58,6 ± 7,15.

5 ВОСПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ МЕЙОЗА У РОДИТЕЛЬСКИХ

ФОРМ И ГИБРИДОВ Ft

5.1 Особенности формирования семян в плодах родительских форм и гибридов F]

Все анализируемые образцы по осемененности плодов достоверно различаются между собой. Доля соответствующей дисперсии составляет 79,1 %. По значению этого признака можно выделить 7 рангов. Верхнюю

ступень ранга занимает гибрид F, Марглоб х Мо 628 (176,58 шт.). Гибриды Fj Марглоб х L. hirsutum var. glabratum, Марглоб х Мо 393 и Марглоб * Мо 755 проявили положительный гетерозис по отношению к материнской форме, осемененность которых составила 91,52; 120,68 и 142,53 шт. соответственно. Для гибридов F] Мо 628 х L. esculentum var. racemigerum и Мо 755 х L. esculentum var. racemigerum значение показателя оказалось выше, чем у лучшего из родителей.

Гибриды F| Марглоб х L. hirsutum var. glabratum, Мо 393 х L. hirsutum var. glabratum и Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum проявили эффект отрицательного гетерозиса по отношению к родительским формам. Низкая завязываемость плодов и семян может быть результатом действия генов несовместимости в пыльце и семяпочках.

При этом гибриды F) в большей степени воспроизводят особенности репродуктивной системы диких видов и успевают формировать на кусте за вегетацию в 3-4 раза больше плодов, чем культурный сорт Марглоб.

В ходе дисперсионного анализа обнаружены статистически достоверные различия между кистями. Доля соответствующей дисперсии варьировала от 27,7 до 55,9 %.

Множественный ранговый тест выявил 3 ранга по осемененности плодов на различных кистях у растений томата. Для сорта-контроля Марглоб обнаружены достоверные различия между кистями. Установлено, что семенная продуктивность второй кисти превышает аналогичный показатель на других кистях. У L. esculentum var. racemigerum и гибридов F, Марглоб * Мо 393, Мо 628 х I. esculentum var. racemigerum, Мо 755 х L. esculentum var. racemigerum и Mo 393 x L. hirsutum var. glabratum самое низкое значение показателя характерно для первой кисти, в то время как между второй и третьей кистями существенных отличий не выявлено. Для гибрида Fi Марглоб х L. hirsutum var. glabratum осемененность первой и третьей кисти различаются незначительно. Таким образом, самые высокие показатели семенной продуктивности характерны для второй и третьей кисти.

Количество семян значительно варьирует в зависимости от расположения плода на кисти, при этом с увеличением порядкового номера плода осемененность его увеличивается. Так как плоды, расположенные на одной кисти, находятся в неодинаковых условиях питания, то для них характерна изменчивость целого ряда биологических показателей. Особенно сильно в пределах кисти варьирует параметр соотношения числа выполненных к числу невыполненных семян одного плода, причем это колебание увеличивается от основания соцветия к его свободному концу.

Родительские формы и гибриды томата по средним значениям массы плодов достоверно различаются между собой. Значительная изменчивость веса плода наблюдается как в пределах одного растения, так и по кистям. Средний вес плода у гибридов Ft в большинстве случаев наследуется в сторону мелкоплодной родительской формы. Так, значения этого признака гибридов Fi

Mo 393 x L. hirsutum var. glabratum, Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum, Марглоб x L hirsutum var. glabratum, Mo 393 * L. esculentum var. racemigerum (3,76; 4,04; 4,94 и 5,61 г соответственно), было близко к диким видам. При скрещивании крупноплодного культурного сорта Марглоб (135,44 г) и мутантной формы Мо 393 (17,24 г) наблюдаемый у гибридов Fi Марглоб х Мо 393 вес плодов близок к средней геометрической этих родительских форм -69,41 г.

Большой вес плода не гарантирует высокой семенной продуктивности. Нередко в более мелких плодах оказывается большее количество семян. Так, вес плодов у гибридов Fi между дикими видами и мутантными формами в 2030 раз меньше по сравнению с сортом-контролем Марглоб, в то время как осемененность плодов меньше всего в 2,5-3 раза.

В процессе изучения исследуемых образцов наблюдалась отчетливая закономерность: при увеличении размера плода и урожайности куста снижалась его скороспелость. Однако с повышением скороспелости образцов продуктивность их снижалась.

Оценка сходства и различия исследуемых образцов была проведена по комплексу признаков, включающему жизнеспособность пыльцы, пыльцевая производительность, среднее количество пыльцевых зерен в одном цветке, осемененность, среднее количество семян в одном плоде, масса плода, энергия прорастания и всхожесть семян, с помощью кластерного анализа по методу Уорда [Мандель И.Д., 1989]. Этот метод, относящийся к многомерным статистическим методам, позволяет разделить образцы по критерию максимума дисперсии между кластерами минимума дисперсии внутри кластеров (рисунок 6).

Из представленных данных следует, что на уровне 40 усл. ед. выделяется 3 кластера. В первый вошли мутантные формы - Мо 393, Мо 628 и Мо 755 и гибрид Fi Марглоб х Мо 628; во второй - гибриды Fi Марглоб х L. esculentum var. racemigerum, Марглоб х Mo 393, Марглоб х Мо 755 и Мо 628 х L. esculentum var. racemigerum-, в третий - сорт-контроль Марглоб, дикие виды - L. hirsutum var. glabratum, L. esculentum var. racemigerum и гибриды Fi Марглоб x L. hirsutum var. glabratum, Mo 393 x esculentum var. racemigerum, Mo 755 x L. esculentum var. racemigerum, Mo 393 x L. hirsutum var. glabratum и Mo 755 x L. hirsutum var. glabratum.

Результаты дисперсионного анализа полностью подтверждают наличие трех кластеров исследуемых образцов, выделенных по комплексу признаков. Установлено, что статистически значимые различия между кластерами выявлены только по признакам пыльцевая производительность и осемененность, доля влияния которых составила 75,7 и 67,3 % соответственно. Таким образом, эти признаки вносят наибольший вклад в разделение исследуемых образцов.

14 12 19 1

Рисунок 6 - Оценка сходства и различия образцов: 1) Марглоб; 2) Ь. ЫпШит уаг. §1аЬгаШт\ 3) Ь. езсикпШт уаг. racemigerum•, 4) Мо 393; 5) Мо 628; 6) Мо755; 7) Марглоб * Ь, езсикмит уаг. racemigerum■, 8) Марглоб х Ь. ИтШит уаг. glaЪralum\ 9) Марглоб х Мо 393; 10) Марглоб х Мо 628; 11) Марглоб х Мо 755; 12) Мо 393 х I. еэси1епШт уаг. racemigerum\ 13) Мо 628 х I. еяЫепШт уаг. racemigerum^, 14) Мо 755 х I. еясикпНап уаг. racemigerum^, 15) Мо 393 х I. ЫгяиЫт уаг. glabratum■, 16) Мо 755 х Ь. ЫгэиЫт уаг. glabratum.

Средние значения характеристик в выделенных кластерах приведены на рисунке 7.

а)

г г - д

5 3

Кластеры

ЕЯ Кластер 1 ■ Кластер 2 □ Кластер 3

б)

1200 1000

600 400

200

□ Кластер 1 В Кластер 2

□ Кластер 3

Кластеры

Рисунок 7 - Средние значения показателей в выделенных кластерах: а) пыльцевая производительность, тыс. шт.; б) осемененность, шт.

Исследуемые образцы разделились на три группы по особенностям формирования пыльцевой производительности и осемененности плодов. В первую группу относятся образцы, имеющие низкие показатели как пыльцевой производительности, так и осемененности плодов (1317,5 тыс. шт. и 491,2 шт. соответственно). Вторая, резко отличающаяся от первой - генотипы, характеризующиеся высокими значениями пыльцевой производительности и осемененности плодов (2329,9 тыс. шт. и 1027,9 шт. соответственно) -основного показателя приспособленности генотипа. Промежуточное положение по своим показателям занимают представители третьего кластера, характеризующиеся самой низкой завязываемостью и осемененностью плодов по сравнению с остальными кластерами, но имеющие высокие показатели пыльцевой производительности (437,9 шт. и 2349,7 тыс. шт. соответственно). 5.2Харакггер прорастания семян у родительских форм и гибридов Р) Семена изученных образцов характеризовались высокими показателями как энергии прорастания(55,44-98,11 %), так всхожести (78,77-99,55 %) (рисунок 8).

Рисунок 8 - Прорастание семян через: а) 1 сутки; б) 5 суток; в) 10 суток.

В ходе дисперсионного анализа установлено статистически достоверное влияние генотипа родительских форм и гибридов F, растений томата на энергию прорастания и всхожесть семян. Доля соответствующей дисперсии составила 78,6 и 62,9 %.

Множественный ранговый тест позволил выделить 5 рангов по средним значениям всхожести семян исследуемых образцов. Самое высокое значение показателя всхожести семян отмечено у диких видов L. esculentum var. racemigerum и L. hirsutum var. glabratum (99,55 %). Все гибриды по этому признаку проявили положительный гетерозис по отношению к родительским формам.

Также были обнаружены статистически достоверные различия между кистями по этим признакам. Установлено, что показатели энергии прорастания семян значительно различались по кистям в первые пять суток, особенно отличались значения второй и третьей кисти по сравнению с первой, затем при

дальнейшем прорастании семян на 10 сутки этот показатель у некоторых комбинаций выровнялся между репродуктивными органами. Таким образом, для включения семян гибридных комбинаций томата в селекционную практику лучше использовать семена со второй и третьей кисти.

ВЫВОДЫ

1. При межвидовой гибридизации у гибридов растений томата проявление фенотипических признаков таких как опушенность всех вегетативных и генеративных органов, а так же запах; тип и структура соцветия; размеры и окраска цветков; размеры, форма, окраска плодов и число завязавшихся плодов на первых трех кистях проходит по отцовскому компоненту.

2. При внутривидовой гибридизации с участием в качестве отцовского компонента образцов мутантной коллекции томата проявление фенотипических признаков протекает по доминантному типу материнской формы.

3. Межвидовые и внутривидовые гибриды растений томата проявили положительный гетерозис по отношению к родительским формам по показателю пыльцевой производительности. Достоверно установлено, что у гибридных растений в цветках на второй кисти образуется больше пыльцы, чем в цветках на других кистях и это обстоятельство необходимо учитывать в селекционной работе.

4. Выявленная взаимосвязь между вариабельностью показателя пыльцевой производительности и жизнеспособностью пыльцы (г=0,48-0,77), указывает на возможность отбора форм с высокой пыльцевой производительностью для использования их в дальнейшей селекционной работе.

5. Достоверно показано, что в пределах растения жизнеспособность пыльцы у растений томата разная, при этом самые высокие значения показателя характерны для первой и второй кисти.

6. Установлено, что с увеличением порядкового номера плода осемененность его увеличивается. Самые высокие показатели семенной продуктивности и фертильности семян характерны для второй и третьей кисти, что необходимо учитывать в селекционной практике.

7. Изучение характера прорастания пыльцевых зерен показало, что наибольшая скорость роста пыльцевых трубок наблюдалась в первые три часа как при оптимальной, так и при пониженной температуре. При пониженной температуре выявлен резкий спад активности прорастания пыльцевых зерен в тканях пестика и сильное снижение скорости роста пыльцевых трубок у гибридных растений томата.

8. Установлено, что наиболее эффективный период восприимчивости пыльцы рыльцем - у растений томата 3-4 сутки после начала цветения.

Относительное понижение температуры в период формирования и развития цветка удлиняют период жизнедеятельности рыльца пестика.

9. Гибриды Р] культурного томата с другими представителями рода Ъусорешсоп Тоигп. характеризуются бивалентной конъюгацией хромосом. При этом установлено, что доля клеток с нарушениями у анализируемых форм является видоспецифичным признаком для растений томата.

10. Установлено, что частота рекомбинации зависит от компонентов скрещивания: у гибридов Р2, где в качестве отцовской формы использовали маркерные формы или Ь. еясиЫптт маг. гасет^егит, частота мейотической рекомбинации уменьшается; в случаях, когда маркерная форма Мо393 выступает в качестве материнской формы - увеличивается.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ

1. В селекции томата, при гибридизации межвидовых и внутривидовых гибридов рекомендовано использовать вторую и третью кисть на главном стебле растений, характеризующихся высокой пыльцевой производительностью, оплодотворяющей и конкурентной способностью пыльцы, а так же семенной продуктивностью и фертильностью семян.

2. Выделенные межвидовые и внутривидовые гибриды Р] растений томата: Марглоб * Ь. ехсикпШт \аг. racemigerum, Марглоб х Мо393, Марглоб х Мо 755 и Мо 628 х езсикпЫт маг. racemigerum, с высокой пыльцевой производительностью и осемененностью плодов рекомендовано использовать как исходный материл в селекционной работе по созданию новых сортов с ценными хозяйственными признаками.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Лыско И.А. Характеристика репродуктивной системы гибрида F, Мо 755 х L. esculentum var. racemigerum (Lange) Brezh. растений томата/ H.A. Лыско// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. Режим доступа: http://ei.kubagro.ru/201 l/04/pdf/41 .pdf №68 (04) - 2011.

2. Лыско H.A. Изучение пыльцеобразующей способности у гибридных растений томата/ И.А. Лыско// Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012. -№3 (36). - С. 130-133.

3. Лыско И.А. Влияние температуры и ограниченного опыления на скорость роста пыльцевых трубок у гибридных растений томата/ И.А. Лыско// Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012.-№4(37).-С. 131-134.

Публикации в других изданиях

4. Лыско И.А. Определение жизнеспособности пыльцы у гибрида томата Fi Mo 755 х L. esculentum var. racemigerum/ И.А. Лыско, H.A. Щербаков// «Молодые ученые агропромышленному комплексу Поволжья». Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов. Материалы докладов, сообщений. - ГНУ НИИСХ Юго-Востока. - Саратов, 2010. - С. 93-95.

5. Лыско И.А. Стабильность мужского гаметофита и его роль в репродуктивном потенциале растений томата/ И.А. Лыско, H.A. Щербаков// «Биологическая защита растений как основа экологического земледелия и фитосанитарной стабилизации агроэкосистем» 6-я Международная научно-практическая конференция. Материалы докладов, сообщений. - ГНУ ВНИИ биологической защиты растений. - Краснодар, 2010. - С. 684-686.

6. Лыско И.А. Изменение показателя пыльцевой продуктивности у гибридных растений томата/ И.А. Лыско// «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». Материалы V всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Краснодар, 2011. - С. 732-733.

7. Лыско И.А. Изучение репродуктивного потенциала на основе состояния мужского гаметофита у гибридных растений томата/ И.А. Лыско// «Вклад ВОГиС в решение проблем инновационного развития России». Материалы научно-практической конференции Кубанского отделения ВОГиС. -Краснодар, 2012. -С. 180-181.

8. Лыско И.А. Характеристика морфологических признаков репродуктивной системы межвидовых гибридов F| растений томата/' И.А. Лыско// «Проблемы и перспективы аграрной науки в России» (посвящается 135-летиюсо дня рождения А.И. Стебута). Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. - Саратов, 2012 г. - С. 53-55.

9. Лыско И.А. Срок сохранения жизнеспособности рыльца пестика у гибридных растений томата/ И.А. Лыско, H.A. Щербаков// «Биологическая защита растений основа стабилизации агроэкосистем. Современные мировые тенденции в производстве и применении биологических средств защиты растений» 7-я Международная научно-практическая конференция. Материалы докладов, сообщений. - ГНУ ВНИИ биологической защиты растений. -Краснодар, 2012. - С. 352-354.

Подписано в печать 17.04.2013 г. Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 100 зкз.

Формат 60x84 1/16 Офсетная печать Заказ № 295

Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Лыско, Ирина Анатольевна, Краснодар

Российская академия сельскохозяйственных наук ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ (ГНУ ВНИИБЗР Россельхозакадемии)

04.201 35781 8 На правах рукописи

ЛЫСКО Ирина Анатольевна

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ВИДОВ РОДА Ь YCOPERSICON Т01Ж1Ч.

Специальность: 06.01.05 - селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биол. наук, профессор, академик РАН и РАСХН А.А. Жученко

Краснодар - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................4

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУЛЬТУРЫ ТОМАТА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)....................................................................................................................9

1.1 Томат как модельный объект в научных исследованиях..................9

1.2 Формирование репродуктивной системы у томата................................11

1.3 Характеристика мейоза у отдаленных гибридов....................................16

1.4 Вариабельность мужского гаметофита и женского гаметофита, их роль в репродуктивном потенциале у растений томата....................................................................................................................21

1.5 Методы гаметной и зиготной селекции............................................................26

2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................................................33

2.1 Условия проведения исследований......................................................................33

2.2 Материалы исследований........................................................................................35

2.2.1 Сорт-контроль Марглоб..................................................................................35

2.2.2 Образцы используемой мутантной коллекции томата............36

2.2.3 Изучаемые дикие виды томата....................................................................39

2.3 Методы исследований......................................................................................................41

2.3.1 Методика определения пыльцеобразующей способности 41

2.3.2 Методика определения жизнеспособности пыльцы..................42

2.3.3 Методика флуоресцентной микроскопии прорастающих пыльцевых зерен в пестике..............................................................................43

2.3.4 Методика цитогенетического анализа материнских клеток пыльника (МКП)....................................................................................44

2.3.5 Методика определения всхожести и энергии прорастания семян................................................................................................46

2.3.6 Методика гибридологического анализа изменчивости частоты рекомбинации (/;/) в популяции Р2................... 47

2.3.7 Методы статистического анализа экспериментальных данных................................................................ 48

3 ХАРАКТЕРИСТИКА СОЦВЕТИЯ И МУЖСКОГО

ГАМЕТОФИТА У РАСТЕНИЙ ТОМАТА................................... 50

3.1 Основные морфологические характеристики и особенности соцветия родительских форм и гибридов Р]........................ 50

3.2 Пыльцевая производительность у родительских форм и гибридов Р|................................................................ 64

3.3 Жизнеспособность у родительских форм и гибридов р!......... 74

3.4 Скорость роста пыльцевых трубок томата.......................... 82

3.5 Срок сохранения жизнеспособности рыльца пестика у томата 89

4 КОНЪЮГАЦИЯ ХРОМОСОМ РОДИТЕЛЬСКИХ ФОРМ И ГИБРИДОВ В Р, ТОМАТА...................................................... 95

4.1 Анализ цитологических нарушений мейоза у родительских форм и гибридов Р| в профазе I мейоза МКП..................... 95

4.2 Гибридологический анализ изменчивости частоты рекомбинации (г/9 в популяции Р? гибридов...................... 98

5 ВОСПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ МЕЙОЗА У РОДИТЕЛЬСКИХ ФОРМ И ГИБРИДОВ Р,.................................... 104

5.1 Особенности формирования семян в плодах родительских форм и гибридов Б |...................................................... 104

5.2 Характер прорастания семян у родительских форм и гибридов Р]................................................................ 117

ВЫВОДЫ.............................................................................. 127

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ................... 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 130

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 154

ВВЕДЕНИЕ

Томат наиболее изученная в генетическом отношении культура, но при ч этом его потенциальные возможности недостаточно реализованы. На

современном этапе селекции томатов, возникает необходимость использования диких видов и полукультурных разновидностей как источник незаменимых носителей многих хозяйственно ценных признаков. Адаптации к абиотическим факторам внешней среды, возникшие у этих видов в процессе эволюции, - мощный резерв для улучшения культурных сортов [Вавилов Н.И., 1938; Жученко A.A., 1973; Куземенский A.B., 2004, 2005]. Таким образом, знания о репродуктивном потенциале межвидовых и внутривидовых гибридов томата позволят широко вовлекать в селекционный процесс различные виды этих растений с широким спектром генетической изменчивости.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось изучение репродуктивного потенциала у таких диких видов томата как Ь. МкиШт уаг. g¡abratгlm и Ь. еэс^епШт уаг. racemigerlAm, а также мутантных форм (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурного сорта Марглоб, их гибридов и использование выявленных при этом закономерностей для нужд практической селекции.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Провести оценку морфологических признаков репродуктивной системы у межвидовых и внутривидовых гибридов Б, растений томата и установить характер их проявления в зависимости от родительской формы.

2. Оценить пыльцевую производительность, жизнеспособность пыльцы у межвидовых и внутривидовых гибридов Р| растений томата и их родительских форм, элементов ее составляющих и выявить перспективы их использования в селекции.

3. Определить семенную продуктивность у межвидовых и внутривидовых гибридов р! растений томата и их родительских форм; оценить фертильность семян гибридных комбинаций и их родительских форм.

5. Провести цитологические исследования мейоза у родительских форм и гибридов томата Р| в профазе 1 мейоза.

Научная новизна. Впервые в условиях Краснодарского края получены новые генотипы растений томата между дикими видами (Ь. ЫгБШит уаг. glabratum, в8си1епШт уаг. racemigerum), мутантными формами (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурным сортом Марглоб.

Выявлены основные характеристики репродуктивной системы рода Ьусорег$1соп Тоигп. на примере межвидовых и внутривидовых гибридов томата, полученных при скрещивании диких видов {Ь. ЫгБиШт уаг. g¡abratum, Ь. е8си1епШт уаг. гасегт^егит), мутантных форм (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурного сорта Марглоб.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований являются вкладом в изучение репродуктивной биологии диких и мутантных форм томата, пригодных для использования в селекционной практике при создании новых сортов и гибридов. Получены новые данные по количественным и качественным характеристикам пыльцевых зерен межвидовых и внутривидовых гибридов томата, срокам хранения пыльцы, опылению и плодообразованию, которые могу быть использованы при решении некоторых задач отдаленной гибридизации растений, в том числе при интродукции полезных и ценных признаков диких видов в геном культурных растений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Определен характер проявления фенотипических признаков: при

межвидовой гибридизации диких видов {Ь. ЫгБШит уаг. glabratum,

Ь. е5си1епШт уаг. гасет'^егит) и мутантных форм (Мо 393, Мо 628, Мо 755)

томата проходит по отцовскому компоненту, а при внутривидовой гибридизации между мутантными формами (Мо 393, Мо 628, Мо 755) и культурным сортом Марглоб протекает по доминантному типу материнской формы.

2010); V Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2011); научно-практической конференции Кубанского отделения ВОГиС «Вклад ВОГиС в решение проблем инновационного развития России» (г. Краснодар,

2011); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и

специалистов «Проблемы и перспективы аграрной науки в России»

(г.Саратов, 2012); 7-ой Международной научно-практической конференции

«Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем. Современные мировые тенденции в производстве и применении биологических средств защиты растений» (г. Краснодар, 2012).

Декларация личного участия автора. Автор непосредственно участвовал в проведении лабораторных опытов и исследований в открытом и защищенном грунте, осуществлении анализов, учетов и наблюдений.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю академику РАН и РАСХН, д.б.н., профессору A.A. Жученко за постоянную помощь, внимание и поддержку, оказываемых на всех этапах выполнения диссертационной работы. Особую признательность автор выражает куратору лаборатории д.с.-х.н. Н.И. Бочарниковой за ценные советы при обсуждении полученных результатов и содействие в выполнении данной работы; сотрудникам лаборатории «Изучение и поддержание генетической коллекции томата» ГНУ ВНИИ биологической защиты растений; а также д.б.н. A.A. Соловьёву (РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева) за содействие и помощь в проведении экспериментов.

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУЛЬТУРЫ ТОМАТА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Томат как модельный объект в научных исследованиях

Правильный выбор модельного объекта - одна из важных составляющих эксперимента, поэтому следует принимать во внимание, как преимущества каждого объекта, так и его недостатки. При проведении генетических экспериментов на растениях особенно важно наличие большого числа альтернативных признаков, короткий период вегетации, хорошая плодовитость гибридов и удобство проведения скрещиваний [Орлова H.H., 1991].

Среди цветковых растений томат является одним из лучших модельных объектов для цитогенетических и селекционных исследований [Брежнев Д.Д., 1964; Жученко A.A., 1973]. Обусловлено это, прежде всего, следующими факторами:

• томат характеризуется коротким вегетационным периодом (от посева до созревания семян требуется 65-75 суток), что позволяет выращивать 2-3 поколения в год (в условиях теплиц и фитотронов). Цветение у большинства сортов не ограничено длиною дня;

• возможность вегетативного размножения позволяет сохранять полученные спонтанно или экспериментально формы (эуплоиды, анеуплоиды и т.д.);

• возможность проведения вегетативных прививок;

• невысокая требовательность к условиям выращивания;

• разработанная система агротехники для разных районов возделывания;

• структура цветка томата (L. esculentum Mill.) позволяет проводить в широком масштабе контролируемую гибридизацию, в том числе и с

близкими дикими видами и полукультурными разновидностями рода Lycopersicon Tourn.;

• пыльца томатов может сохраняться в течение длительного времени (до двух лет);

• высокий репродуктивный потенциал - с одного растения можно получить от 5000 до 25000 семян;

• возможность получения полиплоидов и трисомиков, используемых для изучения структуры генома томата;

• каждая из 12 хромосом генома томата (культурных и диких) может быть идентифицирована на стадии пахитены по своей относительной длине, положению центромеры, распределению гетеро- и эухроматиновых зон;

• томат оказался удобным объектом для культивирования in vitro, что сделало его модельной культурой для выполнения различных молекулярно-биологических и генно-инженерных манипуляций;

• число хромосом в соматических клетках 2п=24; размер митотических хромосом варьирует от 1,5 до 3 мкм; возможна идентификация хромосом с применением дифференциального окрашивания [Пухальский В.А. и др., 2007];

• небольшой геном удобен для молекулярного изучения, что позволило создать насыщенные генетические карты и молекулярные маркеры на ряд ценных признаков.

Таким образом, перечисленные биологические особенности делают культуру томатов прекрасным объектом не только для цитогенетических, но и других (физиологических, биохимических) направлений исследований, что оказывается особенно важным при комплексном подходе к разработке теоретических и практических основ селекции.

1.2 Формирование репродуктивной системы у томата

Развитие репродуктивных органов растений томата охватывает два вегетационных периода. Во время первого периода в генеративных почках происходят процессы микро- и макроспорогенеза. В течение второго -формирование мужского гаметофита и женского спорофита, цветение, оплодотворение, формирование и созревание семян и плодов.

Соцветие томата - завиток, называемый овощеводами кистью. Различают соцветия: простое (имеет только один стержень), промежуточное (ось однократно разветвленная, состоит как бы из двух простых соцветий) и сложное (ось 2-3-кратно разветвленная). Соцветия могут быть компактные или рыхлые, короткие или длинные. Число цветков в соцветии колеблется от 7 до 20 и даже до 600 в зависимости от сорта [Брежнев Д.Д., 1964; Алпатьев A.B., 1981; Брянцева З.Н., 1989; Гавриш С.Ф., 1990, 2005].

Первое соцветие начинает формироваться на растении в период раскрытия двух-трех настоящих листьев [Алпатьев A.B., 1981; Гавриш С.Ф., 2003]. Низкая ночная температура в этот период увеличивает степень ветвления соцветия и способствует образованию большего количества цветков [Бексеев Ш.Г., 1989]. При высоких же ночных температурах (22-24°С) формируется меньшее число цветков на более длинной и тонкой оси соцветия [Wen

Информация о работе

Лыско, Ирина Анатольевна
кандидата биологических наук
Краснодар, 2013
ВАК 06.01.05

Диссертация

Особенности функционирования репродуктивной системы видов рода Lycopersicon Tourn - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы