Цитоплазматическая изменчивость сельскохозяйственных растений

Давыденко, Олег Георгиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Цитоплазматическая изменчивость сельскохозяйственных растений
ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Цитоплазматическая изменчивость сельскохозяйственных растений"

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИИ И ГЕНЕТИКИ

1СX

Об.Ч

на правах рукописи

ДАВЫДЕНКО ОЛЕГ ГЕОРГИЕВИЧ

УДК 575.13575.224

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИИ

03.00.15 - генетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Киев 1989

Работа выполнена в Институте генетики н цитологии АН БСОР

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Крупнов В. А.

доктор биологических наук, ст. н. с. Шевцов И. А.

¡доктор биологических наук, ст. н. с. Ригин Б. В.

Ведущая организация - Всесоюзный селекционно-генетический институт, г. Одесса

Зашита состоится "_"_1990 г. в __ часов

на заседании специализированного совета Д 016.5?. 01 по ватте диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте физиологии растений и генетшси АН УССР по адресу: 252022, г. Киев, ул. Васильковская, 31/17

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института фи-ешологии растений и.генетики АН УССР

Автореферат, разослан " " _ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор биологических каук А. М. Силаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАБСТЫ

Актуальность проблемы. Практически все разрабатываемые и используемые в настоящее Еремя модели эволюционных и селекционных процессов оперируют изменчивостью ядерных генов, а роль цитоплазматической изменчивости игнорируется. Одна И8 главных причин этого - кэипученность цитоплазматической изменчивости высших растений. Хотя в настоящее Еремя накоплена обширная информация об организации геномов кдоропластов и митохондрий, о различиях видов по ДНК этих органелл, проведен ряд исследований по из учению эффекта чужеродных цитоплаём на проявление целого ¡сомплекса признаков, в том числе и хозяйственно ценных, ряд важных в теоретическом и практическом плане вопросов требует своего разрешения. К их числу относятся:

- значение к роль цитоплазматической изменчивости в эволюционных и селекционных процессах;

- пути реализации генетической информации цитоплазмы;

- способы и механизмы взаимодействия ядерных и цитонлавкати-чеоких наследственных факторов;

- возникновение цитоплазматической изменчивости на внутривидовом к внутрипопуляционном уровне;

- причины более высокой консервативности геномов цитоплазмы по сравнению с ядром и ряд более частных вопросов.

В настоящей работе предприняты попытки систематического экспериментального исследования цитоплазматической изменчивости важнейших сельскохозяйственных растений и теоретического обобщения по взаимосвязанным проблемам: роль и значение этой изменчивости в эволюции и селекции растений и механизм взаимодействия ядерных и цитоплазматических генетических систем растительной клетки.

Дель и задачи работы. Основной целью явилось комплексное изучение цитоплазматической изменчивости о/Х растений; Е задали исследований входило:

1. Исзледовать действие акридинов и антибиотиков на ультрас--труктуру хлоропластов и митохондрий и выявить особенности возникновения цитоплазматических мутаций у о/х растений -. кукурузы, птеницы, сои.

2. Исследовать эффект ■ щтоплпвш и ядра на ультраструктуру хлоропластов и митохондрий высших растений и выявить взаимосвязи

мевду структурными изменениями органелл и морфологическими прививками, в тем числе и признаками продуктивности.

3. Исследовать внутривидовую изменчивость у важнейших с/х растений - кукуруза, пшеница, ячмень, в том числе:

- изучить взаимосвязи изменений ультраотруктуры органелл с признаками продуктивности растений у замещенных ферм;

- ивучить полиморфизм митохендриальной и хлоропластной ДНК у форм растений в пределах вида;

- изучить эффект цитоплазм сортообразцов на хозяйственно ценные признаки растений.

4. Исследовать эффекты цитоплазм на трансмиссионные и реком-бинационные процессы ядерных генов.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований впервые показано:

- изменение ультраструктуры пластид и митохондрий у высших растений под действием акридинов и способность этих веществ, так же как и антибиотиков, вызывать необратимые изменения органелл, пластомнообусловленные мутации хлорофшишефектности и мутации мужкой стерильности;

- блокирование или снижение темпа репликации органелл, несущих индуцированные мутации, в результате чего некоторые из них могут проявляться как модификации или длительные модификации;

- изменение ультраструктурных параметров органелл при изменении ядерных или цитоплазматических-генов;

- связь изменений ультрасгруктуры органелл с изменением морфологии и продуктивности растений, что свидетельствует о возможности реализации цитоплазматических изменений до уровня фенотипе растений через изменение структурнофункциоиальных особенносте1 хлэропластов и митохондрий;

- внутривидовой полиморфизм по геному митохондрий у сортообразцов пшеницы;

-эффект цитоплазм сортообразцов ячменя и пшеницы на хозяйственно ценные признаки;

- эффект цитоплазм яа изменение расщепленкя по ряду маркерных признаков, что может быть объяснено либо избирательной акцепцией, либо выживаемостью гамот или зигот с тем или иным идиотипо»

и создает принципиальную воеможность направленных изменений чео-тот аллелей ядерных генов а популяциях растений на том или ином цитоплазматическом фоне;

- локусо- и хромосомоспецифический эффект цитоплазм на частоту сестринских хроматидных обменов.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные результаты позволили конкретизировать теоретические представления о механизмах взаимодействия ядерных и цитоплазматических генов. Экспериментально обосновано положение о способах этого взаимодействия: изменение экспрессии количествеиных признаков, изменение трансмиссии хромосом и рекомбинаций при изменении цитоплазматических генов. Полученные результаты выявили воеможность направленного изменения частот ядэрных генов в гибридных популяциях растений и изменений рекомбинаций в определенных участках генома,' что имеет большое значение для понимания эволюционных и селекционных процессов у высших растений и открывает не ропот гаи управления этими процессами.

Экспериментально доказано наличие внутривидовой цитоплазматической изменчивости у важнейших с/х растений как на уровне полиморфизма митохондриальной ДНК, так и на уровне изменения признаков продуктивности при замене цитоплазм у сортообразцов, что позволяет считать цитоплазматическую изменчивость, наряду с ядерной, одним из основных источников и движущих сил эволюции видов.

Полученные результаты по индукции цитоплазматических мутаций объясняют причины большей консервативности цитоплазматических геномов по сравнению с ядерными - блокирование или снижение теша репликации органом, несущих эти мутации. Сходство в проявлении модификаций, длительных модификаций и цитоплавмагических мутаций позволяет предполагать, что в основе модификационной изменчивости могут лежать и обратимые генетические изменения в цитоплазме.

Вышеприведенные теоретические положения выносятся на защиту. Кроме теоретического они имеет и практическое значение. Так, доказанная сопряженность изменчивости ультраструктуры хлороплаотов и митохондрий с изменениями элементов продуктивности растений паяет быть испольвована для разработки способов прогнозирования потенциальной урожайности гибридов и сортов. Положительные эффекты

замещэных цитоплазм сортообра8цов у пшеницы к ячменя позволяют использовать методы замещения хромосом для улучшения ужа имеющихся сортов. Эффекты цитоплазм вадоз и сортообраацов на трансмиссию маркированных хромосом и специфическое изменение рекомбинаций в определенных хромосомах или локусах создают теоретическую основу для разработки методов селекции, основанных на использовании идентифицированных плазматипов для направленного изменения частоты определенных генотипов или рекомбинэнтов в гибридных популяциях растений.

Апробация работы. Основные ровультаты работы докладывались и обсуждались на 01 съезде БелОГиС (Минск, 1976), Ш съезде ЭОГИО (Ленинград, 1977), Республиканской конференции "Создание идентифицированных генофондов с/х растений" (Кишинев, 1979), Всесоюзной научной школе по проблеме "Нехромосомная наследственность у растений в связи с явлением ЦШ" (Москва, 1979), Всесоюзном совещании "Генетика развития растений" (Ташкент, 1980), Республиканской конференции "Применение электронной микроскопии в науке и технике" (Минск, 1980), Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, 1982), IV съезде БелОГиС (Минск, 1981), IV съезде ЮГКС (Кишинев, 1982), Всесоюзном симпозиума по ультраструктуре растений (Кишинев, 1983), IV научно-теоретической конференции молодых ученых."Биологические основы повышения продуктивности Еэрновых культур" (Мироновка, 1983), Всесоюзной конференции. "Структура и функции клеточного ядра" (Пущино, 1984), II Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, 1984), I Всесоюзной конференции по проблема* эволюции (Москва, 1985), молодежной национальной конференции с международным участием по генетике ( София, 1985 ), V съезде БелОГиС (Горки, 1986), Республиканской конференции "Гаметная \ зиготная селекция растений" (Кишнев, 1987), Республиканском генетическом семинаре БелОГиО (Минск, 1988).

Публикация материалов. По материалам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 59 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения пяти глав, выводов и списка литературы. Практические рекомендада: изложены в приложении. Пзрвая глава основана на данных литератур;

и служит кратким яведениом в проблему. Во второй главе обобщены как оригинальные исследования, так и данные литературы. Три последних глаьы основаны на оригинальных исследованиях. Общий объем диссертации составляет 433 стр. машинописного текста, включая 31 таблицу и 40 рисунков. Список основной использованной литературы содержит 94 отечественных и 354 иностранных источника.

ГЛАВА I. РОЛЬ ЦИТ0Ш1АЗМАТИЧЕСК0Й ИЗМЕНЧИВОСТИ Е ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ РАСТЕНИЙ

1.1. Геном пластид и митохондрий. Анализируются данные об особенностях генома хлоропластов и митохондрий. Основное внимание уделено высшим растениям.

1.2. Дивергенция видов по ДНК цнтоплазматических органелл. Приводятся данные о сравнительном изучении ДНК органелл у различных видов высших растений, животных и грибов. Показано, что гены органелл, так же гак и ядерные, изменяются в процессе эволюции. В большинстве случаев эволюция ядерных генов идет быстрее, чем цитоплазматических, а хлоропластная ДНК более консервативна, чем митохондриальная.

1.3. Цитоплазма и адаптивные свойства растений. Обобщены данные о взаимосвязи цитоплазматической изменчивости с адаптивными свойствами растений. Большая часть доказательств основана на изучении аялоплазматичэских линий, сочетающих геном одного и цитоплазму другого вида Енутри таких родов, как Tri ticum, Ni cotí ana, Aegilops, Solanum, Brassica и др. При создании таких замещений часто обнаруживают ЦМС, но может изменяться' и большой комплекс хозяйственно важных признаков, включая продуктивность и устойчивость к неблагоприятным факторам. Ядра и цитоплазмы видов взаимно неадаптированы. Одним из парадоксов является эффект цитоплазм на большее разнообразие количественных признаков при малой информативной емкости генома пластид и митохондрий. Вероятно, разрешение этого парадокса заключается в том, что кроме прямого и двойного кодирования существует и модифицирующее действие цитоплазм на признаки, контролируемые ядерными генами. Наиболее вероятный механизм такой модификации обусловлен изменением функционирования энергетических органелл - хлоропластов и митохондрий -при изменении ядерно- плазменной комбинации.

ГЛАВА 2. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ МУТАЦИИ РАСТЕНИЙ

2.1. Изменение ДНК и структуры пластид и митохондрий у мутантов. Систематизированы данные по изучению цитоплазматических мутантов у грибов и растений. Показано, что цитоплазматические мутации сопряжены с изменением генома и структуры органелл. Обращено внимание на однотипность большинства цитоплазматических мутаций, что входит в противоречие с данными, полученными при анализе аллоплазматических линий растений, у которых вамена цитоплазм приводит к разнообразным фепотипическим эффектам. Причина противоречия, вероятно, кроется в более легкой идентификации мутаций с блокированными функциями (хлорофиллдефектиооть, мужская стерильность).

2.2. Индукция цитоплазматических мутаций и специфичность мутагенов. Анализируются трудности искусственного получения цитоплазматических мутаций. Ряд эффективных и мощных для генов ядра мутагенов не аффективен при индукции мутаций органелл, в то же время некоторые из веществ - акридины и антибиотики - могут давать до 100% выхода мутантов у грибов и хламидомонады. Действие этих веществ по индукции мутаций у высших растений изучено очень слабо. Ряд фактов указывает на то, что специфичность цитоплазматических мутагенов основана на создании условий для более эффективной репликации мутангных геномов.

2.3. Действие акридинов на ультраотруктуру пластид и митохондрий кукурузы и пшеницы. В оригинальных исследованиях показано, что в клетках корневой меристемы пшеницы (сорт Ленинградка) и кукурузы (линия ВИР 41) под действием акридинового оранжэвого происходит достоверное изменение размера, формы и степени выраженности система внутренних мембран органелл. После выведения красителя из среды происходит постепенное нивелирование между контролем и оптом по количественным параметрам ультраструктуры. Предполагалось, что после выведения красителя уменьшается доля пораженных органелл ва очет различий в скорости репликации пораженных и непораженных органелл. Показано, что наличие красителя в среде достоверно снижает количество органелл на клетку, среднее количество делящихся органелл и процент делящихся органелл от их

общего числа, а также митотичеокий индеко. Череэ 72 и 120 часов после выведения красителя количество органелл на клетку в опыте не отличается от контроля, но сохраняется более ниэкий темп репликации митохондрий. Вероятно, восстановление структурных параметров органелл происходит 8а счет увеличения темпа репликации непораженных органелл и уменьшения доли пораженных. Это предположение было подтверждено при изучении более удобной модельной сио-темы - пестролистных и альбиносных проростков кукурузы, индуцированных действием акридинов и антибиотиков. Изучение пластид в альбиносных тканях показало резкое снижение числа этих органелл, а наличие гетеропластидных клеток доказывало обусловленность дефекта структуры пластид хлоропластными генами.

2.4. Индукция хлорофиллдефектных мутантов у сои при помощи антибиотиков. В эксперименте показана высокая частота выхода пестролистных растений (82,17.) под действием эритромицина В опытах со стрептомицином хлорофиллдефектности обнаружено не было, но о высокой частотой (76,б7.) изменялась морфология листьев. Электрон-номикроскопически* исследования продемонстрировали снижение количества органелл на клетку и наличие гетеропластидных клеток у пестролистников. 3 то лда время индуцированная эритромицином пест-ролистность не проявлялась в дальнейших поколениях, что можно объяснить отсутствием или ревким снижением теша репликации му-тактных пластид.

2.5. Цитоплазматическая мужская стерильность как мутация и попытки индукции ДНО при помощи мутагенов. Обобщены накопленные в литературе данные о природе ЦМС, спонтанных частотах их возникновения и индуцированных формах с Щ,5С. Шказаны трудности получения этих мутация при помощи обычных мутагенов.

2.6. Мулюки стерильные мутанты пшеницы, индуцированные дейс-тапем акридинов. 3 экспериментах испытано действие двух производных акридинового ряда - акридинового оранжевого и акридинового :.твлтого - .по индукции мужской стерильности у шгаиицы. Всего в

а было выделено 49 аевовисию полученных мутантов. Дозовой иа-и'/симости обнаружено по было, "астота выхода составила от 0 до 3,39% . Водьиинстг.о вэдолонишс форм были частично мулпки оторшь-ПИМЯ, т. о. содорголи наряду со сторилышми и мужски фэртильяш

участки или колосья. Размер стерильных участков 5ыл достоверно выше в вариантах с обработкой цветков, чем семян, и в М2 по сравнению с М1. Этот факт хорошо согласовывался с предположением о сортировке мутантных и нормальных цитоплазматических наследственных факторов в ходе клеточных делений. Для анализа генетической природы индуцированного признака был использозан тест на соматическое расцепление. Цветки в стерильных участках или колосьях опылялись пыльцой исходного сорта Ленинградка, а фэрткльных - самоопылялись. В последующих поколениях до Рб прослеживались потомства фертильных и стерильных частей частично стерильных растений. В результате была показана наследственная гетерогенность не только растений из мутантных, но к гибридных поколений нескольких мутантов.

В большинстве семей мужская стерильность не наследовалась. В 10 семьях проявлялась как минимум на протяжении двух поколений. По характеру наследования эти десять мутантов можно было разделить на три группы: 1. Наследование по типу длительных модификаций: постепенное снижение в потомствах стерильных участков как доли стерильных растений, так и уменьшение степени выраженности признака, вплоть до полного исчезновения особей с данным признаком; 2. В двух семьях в ранних поколениях и некоторых сублиниях наб.тго-далось соматическое расщепление и материнское наследование признака, а в последующих - типичное рецессивное и передача признака вместе с пыльцой; 3. Рецессивное монофакгориальное наследование признака (1 семья).

Таким образом в 9 иэ 10 семей наблюдалось соматическое растепление, которое вероятнее всего можно было объяснить сортировкой мутантных и нормальных цитоплазматических факторов; в 7 из 10 семей имело место наследование по типу длительных модификаций, что могло быть обменено внутриклеточным отбором, направленным против органелл, несуща мутацию, что согласуется с данными, полученными при изучении цитологического эффекта акридинов. Наиболее трудно объяснимый случай - изменение характера наследования от типично цитоплазматичеоксго к типично менделевскому. Анализируются результаты ряда тестерных скрещиваний с участием одного из таких мутантов. Сообщается о безуспешных попытках локализовать

ген стерильности при помощи моносомного и дителоцентрического анализа. Рассматривается спекулятивное предположение об эписомной природе детерминанта стерильности, способного объяснить совокупность противоречивых фактов.

2.7. Факторы, влияющие на возникновение и проявление цито-плазма-ических мутаций. Обобщаются собственные и литературные данные, приведенные в двух главах. Особенности возникновения и проявления мутаций связаны со множественностью копий цитоплазмати-ческих ДНК, хотя сама по себе множественность копий, благодаря механизму сортировки, не создает непреодолимых препятствий для реализации цитоплазматических изменений. Основными препятствиями реализации изменений цит с плаз мат иче с кш: ДНК являются: возможность неслучайного распределения мутантннх и нормальных органелл, возможность неравной скорости их репликации, рекомбинации мутаитных и нормальных ДНК органелл. Внутриклеточный отбор создает принципиальную возможность вытеснения одного ив двух типов органелл -мутантных или нет- ::ных. Предполагается, что не только при воздействии неменяющихся факторов внешней среды может происходить избирательное накопление измененных или нормальных цитоплавмати-чоских факторов. На роль носителей этих факторов могут претендовать митохондриальные ДНК, которые, в отличие от хлоропластных, представлены в виде молекул нескольких классов.

ГЛАВА 3. ЭФЕЕКТ ЦИТОПЛАЗМ НА УЛЬТРАСТРУКТУРУ ХЮРОПЛАСТОВ К

МИТОХОНДРИЙ У АЛЛОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ЛИНИИ ПШЕНИЦЫ И ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЭКСПРЕССИИ ЮЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ

3.1. ¡Эффект генома и плазмона на ультраструктуру хлороплас-тов ' и митохондрий аллэплавматичеоких линий пшеницы. Для изучения использовано две триады - донор ядра, донор цитоплазмы и алло-плавдатичоская форма. В обоих одучаях донором ядра служила озимая пшеница сорта Иген-3. Доноры цитоплазм - рожь Вятка и дикий злак Аее11 орэ оуа1а. Материал был любезно предоставлен О. Г. Семеновым. Хпоропласты исоледовалиоь только в клетках мезофилла, а митохондрии - в клетках мезофилла и клетках обкладок проводящего пучка лиота. Выборка среза в этом и во всех последующих эяоктронномик-роскопических исследованиях составила 100 случайно взятых сревоь

органелл о каждого образца, который был представлен участками ткани четырех растений.

Сравнение органелл донора ядра и аллоплазматических линий (общие ядра, но разные цитоплазмы) давало возможность судить об аффекте генов цитоплазмы, а сравнение донора цитоплазмы с аллоп-лазматической линией (общие цитоплазмы, но разные ядра) - об эффекте ядерных генов на признаки ультраструктуры или их совокупность. \

Сравнение двух триад продемонстрировало, что большинство признаков ультраструктуры в более или менее равной степени изменяются как при изменении ядра, так и цитоплазмы, в то же время некоторые из них - количество тилакоидов в гранах, признаки, характеризующие липидные включения хлоропластов, - в значительно большей степени зависели от плазмагенов, чем от генов ядра.

Сравнительное количественное изучение ультраструктуры митохондрий в двух тканях у обоих систем сравнения продемонстрировало аффект ядра и цитоплазмы на изменение всех параметров этих органелл. Наиболее сильно эффект цитоплазмы проявлялся на признаки, характеризующие степень развития системы внутренних мембран.

Одной из особенностей действия цитоплазмы ржи по сравнению с цитоплазмой Ае. ovata является то, что она, взаимодействуя с ядром мягкой пшеницы, вызывает значительно более резкое изменение многих признаков ультраструктурной организации как хлоропластов, так и митохондрий. У пшеницы на цитоплазме ржи резко снижается количество гран, количество тилакоидов на грану, возрастает размер митохондрий и степень выраженности их мембранной системы (периметр контура крист). Можно предположить, что резкое снижение продуктивности у пшеницы на цитоплазме ржи объясняется уменьшением фотооинтетической активности хлоропластов и увеличением энергетической активности митохондрий, а повыаенная продуктивность другой аллоплазматической линии объясняется усилением фотосинтетической активности хлоропластов, в то время как энергетическая активность митохондрий хотя и превышала таковую у донора ядра, но была меньше, чем у донора цитоплазмы.

Так или иначе, полученные данные послужили отправной точкой дальнейших исследований, пошсольку продемонстрировали детермини-

рованность ультраструктуры органелл цитоплазмы ядерными и цитоп-лавматическими генами и позволили подучить первые косвенные доказательства сопряженности изменений ультраотруктуры органелл с продуктивностью растений при изменении цитоплазмы.

3.2. Изменчивость структуры митохондрий у аллоплазматических линий пшеницы. В этом. и следующем разделе для количественного электронномикроскопического неучений была испольвована серия аллоплазматических линий пшеницы с цитоплазмами 21 вида Aegllops и Tritt cum и их эуплазматический аналог с геномом сорта Чайниэ Спринг. Семена были любезно предоставлены проф. К.Цуневаки (Киото, Япония). Список изучавшихся линий представлен в табл. 1.

Табл. 1

Аллоплазматические линии пшеницы, использованные для изучения ультраструктуры органелл

N n/iií Код ! Донор цитоплазмы IN п/п! Код1 Донор цитоплаэмы

1 С52 Tri ti cum aestlvum 12 C26 Ae. tri unci al l s

2 С02 Aegl 2 ops caudata 13 . CZ8 Ae. cyl i ndri ca

3 СОЗ Ae. umbel 1 ul ata 14 C29 Ae. Ы unci al l s

4 С04 Ae. squarrosa 15 C31 Ae. ovata

5 С05 Ae. comosa 16 C33 Ae. kotschyl

б С08 Ae. spei toi des 17 C34 Ae. vari abl 11 s

7 СЮ Ae. sharonensl s 38 C36 Ae. ventri cosa

8 С21 T. dl coccoi des spontaneum 19 C53 Ae. 1 uvenal 1 s

9 С22 T. di coccum 20 C54 Ae. tri arl stata

10 С23 T. dl coccoi des nudi gl umi s 21 C55 Ae. crassa

11 С23 T. ti mopheevi 22 C56 ■ Ae. vavi 1 ovi 1

Для изучения ультраструктуры хлоропластов было использовано 27, а для изучения ультраотрутаури митохондрий - 10 количественных признаков. Вся обработка информации проводилась по специально созданным Б. Ю. Аношенко программам для ЭВМ.

Использование зуплазматической линии в качестве стандарта продемонстрировало, что цитоплазмы линий С04, СЮ, С28, С53 достоверно уменьшают, а цитоплазмы линий С22, С29 достоверно увеличивают раэмер органелл. Степень сферичности органелл достоверно уменьшалась при введении цитоплавм линий С02, С04, 005, COS, С21, С22, С53. Хотя введение чулэродиых цитоплазм в большинстве случаев достоверно увеличивало степень развития приэшисов, характерк-вукщпс развитие мембран (объем одной кристи, доля крист, относе-ние длины контура внутренней шмбрани к внешней), ряд цитоплазм вызывал и достоверное снижение этих параметров. В целом призната

структурной организации митохондрий ивмонллксь несогласованно, что свидетельствовало о том,.что цитоплазмы различались мевду собой по набору ПлазмагенОЕ, ответственных за различные элементы ультраструктуры. .

Зффект цитоплазм на признаки стругауры митохондрий был оценен при помощи.дисперсионного аналива, а котором в качестве вари-, ант использовались средние значения для каждого из четырех изучаемых растений в каждой линии. Ио Ю проанализированных признаков 9 показывали высокодостоверные коэффициенты Фишера, т. е, влияние цитоплазм на них было достоверно выше, чем влияние случайных факторов, таких, как микроусловия, случайность выборки срезов, индивидуальность растений л т. п.

Степень сходства линий была также оценена по совокупности признаков при помощи метода дифференциальных индексов и кластерного анализа Получэнная картина классификации не соответствовала юиссификации плазматипов по Цуневаки (1980), основанной на мор-фофизиологичеомх эффектах цитоплазм.

3.3. Изменчивость структуры хлоропластов у серии аллоплавма-тичеоких линий пшеницы. Равные чужеродные цитоплазмы оказывали различный 'эффект на ультраструктуру хлоропластов. Наблюдалось кал достоверное увеличение, так и достоверное уменьшение количествен-' ных признаков, характеризующих размер органелл, число, размер и удельный объем составляющих их элементов. Дисперсионный анализ обнаружил доказанные эффекты на 26 иб 27 признаков. Сравнение степени сходства между всеми аллолинкями по совокупности признаков и каждому из них показало, что их хлоропласта отличаются не только от своего вуплавматического аналога, но и модду собой. Сопоставление ультраструктурных и морфологических классификаций с опубликованными данными рестриктного анализа показало отсутствие полного их совпадет га. Вероятно., структурные изменения органелл не отражают в полной мере изменений б геноме этих органелл и не детерминирует полностью все морфологические особенности аллоплаз-матичеоких линий.

S. 4. Взаимосвязи (.мзду изменением ультрасгруктуры органелл и внешцеморфологическ'ими признаками растений. Для изучения этих связей были использованы опубликованные (Цуневаки, 1080) данные о 18 морфологических признаках всех 22 изучавшихся в наших иссладо-

ваниях линий. В связи с тем, что данный набор признаков не включал в себя признаки собственно продуктивности растений, были использованы опубликованные данные по изучению 13 иэ этих линий (Силкова, 1984, 1988) по 21 признаку в условиях БССР.

Анализ парных коэффициентов корреляции между признаками уль-трастр;,чтуры органелл и морфологическими признаками растений, изучавшимися в Японии, покааал, что признаки ультраструктуры хло-ропластов связаны главным образом о морфологией растений, а признаки стерильности пыльцы и уродства пыльников - о ультраструктурой митохондрий (Табл. 2).

Табл. 2

Количество доказанных связей и их величины (в скобках) между признаками ультраструктуры органелл и морфофивиологическими признаками аллоплазматических линий

Морфологические признаки

! признаки ультраструктуры _'■ хлоропластов I митохондрий.

Всхожесть семян 18(0,43-0,72;

Весенняя пестролистнссть 15(0,42-0,63. Дата колошения

Сухой вес растений 14(0,47-0,61) Ширина листа 9(0,42-0,51) Количество узлов стебля 3(0,49-0,55)

Длина третьего мездоуэлия 11(0,43-0,67) Длина второго междоузлия 2(0,42-0,48)

Длина первого междоузлия 2(0,51-0,54) 1(0,49)

Длина колоса 15(0,42-0,62)

Высота растений 5'0,50-0,54) 1(0,44)

Кустистость 14(0,42-0,59) Количество колосков в колосе 1(0,52)

Фэртильность пыльцы - 1(0,46)

08ерненность при самоопылении - 2(0,39-0,03)

Оверненность при свободном опылении - -

Частота уродливых пыльников - -

Частота пистилоидных пыльников_- _3(0.42-0.48)

Анализ признаков, достоверно связанных как о ультраструктурой хлоропластов, так и митохондрий, при поыопи коэффициентов путей Райта покавад, что один из них - высота растений - связан только о хлоропластными приапаками, т.к. только они имею; достаточно сильный эффект, а митохондриальнда признаки не опосредуют своего действия черва структуру хлоропластов. Длина первого от колоса междоузлия была связана как с хлоропластньыи и митохондри-альными признаками, так и с признаком стерильности пыльцы.

Аналиа корреляций между ультраструктурой хлоропластов и ия-

тохондрий показал, что признаки структуры эти:: двух органелл изменяются относительно автономно. Анализ коэффициентов множественной корреляции и кластерный корреляционный анализ выяьили относительно автономно неменяющиеся группы признаков и общий характер связи между ультраструктурой органелл и элементами морфологии растений.

Анализ связей между признаками продуктивности, изучавшимися в условиях £ССР. и признаками ультраструктуры, позволил подтвердить достоверность корреляций между изменением структуры хлороп-ластов и продуктивностью растений (Табл.3).

Табл.3

Связи между признаками ультраструктуры органелл и основными элементам) продуктивности

Количество и значение! Коэффициенты парных(г) корреляций ! множественной с признаками ультра- ! (И) корреляции структуры ! с выбранными

______.1 признаками

! ультраструктуры I хлоропластов и !митохондрий

Признаки продуктивности

хлоропластов

митохондрий

Период всходы-колошение

Продуктивная

кустистость

Число верен в колосе

Масса 1000 верен

Масса верна о растения

1(0,55)

9(0,64-0,73) О 3(0,56-0,50) О

О 1(0,60)

5(0,54-0,72) 0,92

0,39

0,91

0,97 0,98 0,89

0,95..

Набор из 9 »выбранных признаков ультраструктуры хлоропластов и митохондрий позволяет описывать продуктивность растений и ее элементы с коэффициентами множественной корреляции 0,89-0,98, Собственно продуктивность растений достаточно хорошо описывается только группой признаков ультраструктуры хлоропластов (К-0,92), но не митохондрий (й-0,39).

Таким образом, изменение продуктивности растений сопряжено главным образом с изменением хлоропластов, а изменения в мужской генеративной сфере - с изменением ультраструктуры митохондрий.

Подученные в настоящей главе данные свидетельствуют о том, что эволюция близких видов сопровождалась и изменчивостью цито-плааматических генов, которые детерминируют структуру хлсроллас-

тов и митохондрий. Генетическая информация, которую несут эти ор-ганоллы, может быть реализована до уровня фенотипа растений черев изменение их структуры и функции.

ГЛАВА 4. ВНУТРИВИДОВАЯ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Сптематическоо исследование внутривидовой цитопла8матичес-кой изменчивости имеет не только теоретическое значение в плане расширения наших представлений об эволюции растений, но и практическое, т. к. селекция растений оперирует чаще всего формами в пределах вида, а потенциал цитсплазматической изменчивости видов (если он реально существует) не используется сознательно. Наиболее неизученным остается вопрос об адаптивном значении зтой изменчивости, хотя факты о реципрокных различиях по признакам продуктивности и приспособленности растений известны давно, а в последние годы появились молекулярные исследования о различии форм внутри видов по ДНК их органелл.

4.1. Изменение ульграотруктуры хлоропластов и митохондрий у замещенных линий кукурузы, различающихся по ядерным и цитоплавма-тическим генам. Изучаемая модельная система кукурузы включала 16 линий кукурузы Wf-9, А-632, В-37 и В-73, содержащих типы и источники цитоплазм N, Т, М, С, J и Rb. Все замещенные линии созданы в Институте генетики Болгарской АН, а полученные данные явились результатом совместных исследований с болгарскими коллегами -Т. Данковым и М. Крулевой. Кроме сравнительного морфометрического исследования хлсропластов и митохондрий в листовой ткани кукурузы эти № линии изучались в Болгарии на протяжении трех лет в полевых условиях, что позволило анализировать эффекты ядра, цитоплазмы и среды на 21 хозяйственно ценный признак, а так же взаимосвязь изменений между ультраструктурой органелл и продуктивностью растений.

Сравнительный морфометрический и дисперсионный анализы показали достаточно высокий эффект ядра, цитоплазмы и их взаимодействия на большинство изучавшихся признаков ультраструктуры хлоропластов и митохондрий. Эффект ядерных геноэ был более значительным. Наиболее сильный эффект цитоплазмы, так же как и в системе сравнения аллолипий пшеницы, был обнаружен на признаки, характеризующие граны хлоропластов и криоти митохондрий. Замещение ци-

тсплазм значительно сильнее сказывалось на признаках ультраструктуры митохондрий, чем хлоропластов, что согласуется с данными литературы о более высокой степени изменчивости митохондриальной ДНК у этих растений. В целом, изменчивость структуры органелл у замощенных линий кукурузы была ниже, чем у аллолиний пшеницы.

Результаты трехлетнего исследования продуктивности растений у замещенных линий кукурузы выявили высокодостоверные эффекты ядра, цитоплазмы, среды и их взаимодействия на все изучавшиеся признаки. Анализ !связей воей совокупности признаков при помощи парных коэффициентов множественных корреляций между индивидуальными признаками растений и группами выбранных признаков хлороплаотов и митохондрий показал тесную взаимосвязь ультраструктуры органелл с морфологией и продуктивностью растений (Табл. 4).

• Табл. 4

Множественные коэффициенты корреляции у замещенных линий кукурузы

Признаки растений

Признаки органелл__

7л - I 1ЛШП.- Т «V РПСП-

хлоро-Т мито пластов! хокдрий!

их совокупное™.

Дата выметывания метелки 0,96 0,76 0,95

Дата появления рылец 0,97 0,92 0,99

Стерильность ПЫЛЬЦЫ 0,94 0,25 0,92

Еысота оаотений 0,91 0,01 0,96

Длина метелки 0,93 0,83 0,67

Количество веточек метелки 0,95 0,93 0,96

Количество междоузлий в сгебле 0,87 0,73 0,86

Длина листа 0,82 0,81 0,97

Ширина листа 0,87 0,83 0,91

Длина узла 0,92 0,79 0,95

Длина междоузлия 0,91. 0,90 0,96

Еысота прикрепления початка 0,89 0,92 0,97

Количество початков 0,90 0,95 0,97

Длина початка 0,94 0,72 0,90

Количество рядов в початке 0,95 0,82 0,69

Количество зерен в ряду 0,98 0,77 0,90

Количество зерен в початке 0,97 0,85 0,91

Масса 1000 зерен 0,82 0,62 0,78

Масса верна с растения__0^99_0,91__0,93

Стерильность пыльцы, как это ни странно, имела высокие и достоверные связи только с группой признаков, характеризующих ультраструктуру хлоропластов, но но митохондрий, хотя большинство групп скоррелированных вношнэморфологических'признаков имели соп-{.ялонаую изменчивость как с признаками ультраструктуры хлороплас-

тов. так и митохондрий, что, вероятно,, объясняется тем, что оами ультраструктурные параметры этмс органелл изменяются согласованно.

Полученные данные свидетельствуют о том, что сравнительно небольшие изменения в геноме органелл, имеющие место у форм внутри вида, могут приводить к изменению количественных параметров их ультраструктуры и морфологии растений, а сопряженность этих изменений - о вначительном вкладе генетической информации органелл в продуктивность растений.

4.2. Количественный аналте признаков удьтраструктуры хлороп-ластов и митохондрий у мутантов пшеницы, различающихся по продуктивности. В этих исследованиях подтверждено наличие внутривидозой изменчивости структуры органелл при изменении генов ядра и цитоплазмы. Анализируемые формы включали потомства трех независимо полученных муж ¡си стерильных мутантов и исходный для их получения сорт Ленинградка. Мутанты бэккроссироваяись исходным сортом по принципу прерванных бэккроссов до ВС4.-ВС6. Несмотря на ато у двух ив них обнаружено снижение продуктивности по сравнению с исходным сортом. Различия между фертильными и стерильными растениями в пределах потомств каждого мутанта могли быть отнесены 8а счет ядерных генов, детерминирующих мужскую стерильность, или сцепленных о ними генов, а различия между фертильными растениями каждой семьи и исходным сортом - за счет цитоплазма Использование этого принципа позволило показать зффет ядра и цитоплазмы на изменение ультраструктуры органелл.

4.3. Сравнительный рестриктный анализ мт и хл ДНК сортооб-разцов яровой пшеницы. Эти исследования выполнены в Институте ботаники АН УССР совместно с Комарницким И. К., Самойловым A. It и. Глеба КХ10. Для анализа ДНК испольвованы три фермента рестрикции: BamHl, EcoRl и HindiII. Исследуемые образцы включали 7 сортов пшеницы саратовской селекции как формы из степной экологической зоны. Кроме того, часть из них имеет обвях родителей по материнской линии, что позволяло проследить измокенио генома органелл а процессе селекции. 5 образцов были исследованы как формы, используемые з (сачестве доноров крупноэорности. б образцов представляли собой исходный сорт Ленинградка и 4 выделенных иэ него мутанта. Еще два образца взяты как формы той та экологической зоны, что и сорт Лэгошградка. Остальные 11 отобраны из коллегами ЕКР как мес-

тнъю формы различного географического происховдения, не используемые широко в селекционных процессах.

Сравнительный рестриктный анализ хл ДНК не выявил различий между исследуемыми формами. Из трех ферментов рестрикции, используемых в анализе мт ДНК, наиболее сильные различия были получены при анализе ВатН1 фрагментов, и анализ их фореограмм позволил разделить все образцы на 10 групп, объединенных в 4 основных типа.

Обнаруженная изменчивость митохондриального генома не была свявана о экологическим происхождением сортов, т. к. сорта одной экологической зоны могли иметь различающиеся электрофореограммы, в то вромя как сорта ив разных вон - одинаковые. Вопреки ожиданию, среди местных малокультурных образцов не было обнаружено более широкого споктра изменчивости. В сортообразцах с общим происхождением по материнской линии обнаружены различия, что указывает на возможность изменений ДНК в процессе селекционных (отбор) и генетических (мутагенез) манипуляций.

4. 4. Эффект цитоплазм сортообразцов на хозяйственно ценные признаки паеницы. Проанализирована специально созданная серил замененных линий (ЕС7-ЕС12). Донором ядра служил сорт Ленинградка, донорами цитоплазм - 29 сортообразцов, большинство иэ которых использовались в рестриктном анализе, и один дикий злак Ае. БциаггоБа уаг. зСгалги! что позволяло в одном эксперименте сравнивать эффект цитоплазм сортов и видов. Кроме того, изучалось 5 замещенных линий с цитоплазмой сорта Ленинградка и ядрами 5 сортообразцов (обратные бэккроссы) и 6 пар реципрокных гибридов И четырех сортообразцов, различающихся по своим мт ДНК.

Сравнение замещенных линий выявило эффект цитоплазм как на отдельные признаки, так и на их совокупность. Наиболее сильные эффекты были характерны для признаков: продуктивная кустистость, количество и масса семян с растения, масса 10С0 семян. Ряд цитоплазм сортообразцов давал более сильный аффект, чем цитоплазма дикого вида. В некоторых случаях замещение цитоплазмы приводило к улучшению продуктивности растений или отдельных полезных признаков (снимание высоты без изменения продуктивности). Не обнаружено преимуществ или большего разнообразия эффектов при использовании цитоплазм местных сортообравцов но сравнению о пирога используемыми в селекции. Наиболее сильные отрицательные изменения продук-

тивности продемонстрировали цитоплазмы тех сортообразцов, у которых ранее (равдол 4.2) покавано уменьшение количества гран на хлоропласт. Сравнение эффектов цитоплазм сортов и мутантов с известной родословной показывает, что цитоплазматические адаптивные изменения могут возникать ещо на популяциоююм уровне, и отдельные особи, отбираемые по тому или иному признаку, могут обладать генетическими особенностями не только ядерных, но и цитоплавмати-ческих генов.

Сравнение прямых, обратных бэккроссов и реципрокных гибридов показало, что эффект цитоплазм специфичен и зависит от конкретной ядерно-плазменной комбинации, и, следовательно, на основе реципрокных различий нельзя предсказать эффект цитоплазмы, который она может оказывать в замещенной линии с тем или иным геномом.

Сопоставление результатов рестриктного и морфологического исследований показало, что при помощи рестриктного анализа ДНК органелл нельзя отобрать источники цитоплазм, дающие наибольший эффект на морфологические признаки растений: Причина несовпадения изменчивости на молекулярном и морфологическом уровне может быть объяснена как слабой разрешающей способностью метода рестрикции, так и специфичностью цигопла8матических эффектов. Несмотря на это, связь между наличием-отсутствием 3-х из 5 изменяющихся фрагментов рестрикции и изменением некоторых морфологических признаков 8аме ценных линий растений была показана (г-0,71-0,87).

4.5. Эффект ядра и цитоплазмы сортов на хозяйственно ценные признаки ячменя. Эти исследования проведены совместно с коллегами из БелНййЗ М, А. Кадыровым, Ф. Н. Батуро и Б. XX Аношенко. В качестве объекта изучения испольвованы специально созданные замещенные линии (ВС7), сочетающие ядра и цитоплазмы 6 сортообразцов, наиболее часто используемые в селекции ячменя в Западном селекцентре. Каждый ив сортообраэцов реципрокно бэккроссировался пыльцой пяти других. В результате создана почти полная; серия - 30.из. 36 возможных вамещенных линий и родителей. Кроме обычного, морфологического анализа сноповогс материала определялась устойчивость (степень поражения болезнями) на инфекционном фоке и урожайность с учетных делянок.

Дисперсионный анализ позволил выявить эффект ядра, цитоплазмы и их взаимодействия (Табл.5).

Хотя в большинстве случаев замена цитоплазмы сопровождалась отрицательным эффектом, в ряде случаев наблюдались и высокодосто-верныо положительные. Так, ни одна И8 вводимых в сорт Роланд цитоплазм нэ улучшала его ни по отдельным признакам, ни по интегральному показателю - урожаю. В то же время замена цитоплазмы у широко районированного сорта Зазерский-85 увеличивала высоту растений (цитоплазмы сортов Ида и КМ1192), длину колоса и продуктивную кустистооть (цитоплазма сорта КМ1192), массу семян с растения (цитоплазмы сортов Ида, Жодинский-5, КМ1192).

Положительный эффект цитоплазм сортообразцов был проверен при учете урожая в конкурсном испытании (Табл.6).

Форма с ядром сорта Зазерский-85 и цитоплазмой КМ1192 обладала наивысшей урожайностью и достоверно (Р<0,01) превышала урожайность исходного высокопродуктивного сорта.

Таблица 5

Основные результаты двухфакторного дисперсионного анализа сортов и замещенных линий ячменя по некоторым хозяйственно важным признакам

Признаки

-р-г

ядро

цито плазма

критерий.

ТП- ! Т?

взаимодействие

Высота растений 34,59** 3,48** 13,99**

Продуктивная кустистость 3,90** 1,83 1,54

Длина колоса 51,63** 4,54** ?,02**

Число семян в колосе 68,85** 2,65** 4,15**

Число семян о растения 7,61** 1,29 0,93

Масоа сомян в колосе 16,16** 3,99** 1,47

Масса 1000 семян 6,88** 2,70* 1,03

Масса семян с растения 5,30** 2,25 0,58

Пзралаемость гольминтоспориозом 19,44** 7,14** 1,80

Поражаемость оепторио8ом_ 6,39** 5,29** 2,63**

Таблица 6

Урожай в кг с учетной делянки у замененных линий и родительских сортов ячменя

Цитоплазма

I КЩУ21 Нуб

Ядро !подин-1 аавер-

Роланд! "Йда

КМ 1192 1,00 _ 2,50 2,17 2,10

Нуб 91/76 1,07 2,10 - 2,47 2,10 -

¡¡одинокий 5 1,97 2,17 2,37 1,83 2,13

Зазерский 85 . - 2,00 2,23 2,33 2,13 2,03

Роланд 2,07 2,17 2,13 2,37 1,93 2,27

.... 2,03 2.07 1,97 2,40 2,00 2,13

"07Г5-22

Вероятно, . феномен предпочтения селекционерами использования в качестве родителей тех или иных сортообразцов основан не только на наличии у них тех или иных ядерных генов, но и цитоплазмы, способной, взаимодействуя, с другими ядерными генами, давать более селекционно ценные идиотипы.

Трким образом, приведенная в настоящей главе информация показывает, что внутривидовая цитоплаэматическая изменчивость может явиться дополнительным источником генотипической изменчивости, а создание и разносторонний анализ линий с замещенными цитоплазмами может способствовать не только идентификации плавматипсв на уровне вида, но и направленному конструированию идиотипов растений.

ГЛАВА 5. ЦИТОПЛАЗМА И ТРАНСМИССИЯ ЯДЕРНЫХ ГЕНОВ Рассмотренные в предыдущих главах данные показывают, что изменения в цитоплазме могут приводить к изменению экспрессии разнообразных признаков. Кроме того, во второй главе приведены факты, указывающие на то, что изменения в цитоплазме, их возникновение и проявление может находиться под контролем ядра и регулироваться внешними факторами. Вместе с тем есть основание предполагать, что существует и механизм влияния плазмагеков на трансмиссионные, рекомбинационные и, возможно, мутационные процессы, происходящие с ядерными генами. Фактов, косвенно свидетельствующих о наличии таких эффектов, очень немного.

В настоящей главе сделана попытка суммировать эти факты и подкрепить данное теоретическое представление собственными экспериментальными данными, которые, естественно, нэ моГут претендовать на роль исчерпывающей информации по этой, пока еще только складывающейся, проблеме. •

5.1. Экспрессия и трансмиссия ядерного гена, детерминирующего мукскую стерильность пшеницы в чужеродных цитоплазмах. В качестве тестируемых источников цитоплазм использовались аллоплаз-матичвские линии с гопоиш сорта Чайниз Спринт, ряд аллоплазмати-чеоких линий, созданных и. Поязйотсеым (НРБ) и о. Г. Семеновым (Москва! , а таота образцы мягкой пшеницы (мутанты и сорта белорусской и саратовской селекции) - Есего 30 цитоплазм. Эти формы опылялись пыльцой гибридов П стерильного мутанта 10Д2 с сортом Ленинградка (гетерозиготы Мага). Теоретически в первом поколении должно наб-

людатьоя раошэпление только по генотипу (lMsMs : Items), а в половине индивидуальных потомств F2 - раошэпление и по фенотипу (3 Ms- : lmsms).

Во всех.типах скрещиваний стерильные растения в F2 были обнаружены и, следовательно, ни одна ив данных цитоплазм не препятствовала экспрессии рецессивного гена стерильности. В то же время численные соотношения расщепления изменялись в зависимости от цитоплазмы материнского родителя.

Достоверно высокий сдвиг в расщеплении по генотипу в F1 был обнаружен для цитоплазм Ае. spel tot des, Ае. sharonensis, As. crassa и Secale cereal e, в то время как использование э уплае мат иче с ких аналогов этих сортов не приводило к такому эффекту. Суммарно в этих скрещиваниях на 75 гетеро8игот приходилось только 19 гомозигот. Из эуплааматических скрещиваний достоверный сдвиг в расщеплении в F1 был характерен только для гибридов, где в качестве материнского родителя испольвовался сорт Саратовская-29. Однако, вдесь наблюдалось противоположное изменение - увеличение доли фертильных растений.

Достоверно высокий сдвиг в расщеплении в F2 был характерен для цитоплазм: Т.dicoccoides, Ае.variabilis, Ае.crassa (увеличение доли фертильных растений) и Ае. sharonensl s, Т. di coccum, S.cereals (достоверное снижение). Доля фертильных растений увеличивалась достоверно и в некоторых ¿уплаэматических скрещиваниях.

Критически рассмотрены три предположения о возможных причинах изменения численных отношений расщепления под влиянием цитоплазм: дифференциальная выживаемость генотипов; дифференциальная выживаемость или акцепция гамет; .вависимое от цитоплазмы изменение частоты рекомбинаций в слоеном локусе. Анализ связи между выживаемостью растений н сдвигом в расщеплении в гибридных потомст-вах повволил отвергнуть первое предположение. Отклонения в рас-шэплении в F1 согласовывались с предположением о дифференциальной акцепции гамет, а в F2 - с предположением о. влиянии цитоплазм на рекомбинацию в оломюм локусе. Каков бы ни был в действительности метанием дэйотвия цитоплазм, полученные данные свидетельствуют о том, что цитоплазмы могут значительно изменять частоты генотипов н фенотипов в гибридных популяциях растений.

5.2. Изменение расщепления по маркерным признакам опушеннос-ти и остистости колосковых чешуй под влиянием чужеродных цитоплазм и в зависимости от направления скрещивания. Использовались две маркерные линии - радиационный мутант МО-62, выделенный иа сорта Санора (Володин и др., 1982) и местный обравец иэ Памира -ВИР 31362. Обе линии имели остистый опушенный с черной окраской колосковых чешуй колос, в то время как тестируемые аллолинии с геномом сорта Чайниз Спринг - набор альтернативных признаков. Предполагалось, что анализ расщепления сцепленных доминантных маркеров Нг (опушенность) и Вг (черная окраска) поэволит проследить не только движение маркированных хромосом, но и исоледовать частоты рекомбинаций в хромосоме 1А при изменении цитоплавмати-ческого фона. Последнее не удалось осуществить* поскольку не только в алло-, ио и в эуплазматичеоких скрещиваниях с участием сортов, различающихся по своим мт ДНК, наблюдались вначитедьные трудности в идентификации колосьев о черной окраской - изменение степени выраженности признака.

В целом, в большинстве комбинаций скрещиваний и в их суше наблюдался дигенный контроль признака остистости и моногенный -опушеннооти. В некоторых комбинациях скрещиваний обнаружен высокий и достоверный эффект цитоплазм на изменение расщепления. Изменение численных соотношений расщепления зависело не только от цитоплазматического фона, но и от того, какой маркер использован в скрещиваниях (Табл.7).

Таким образом, эффект цитоплазм на движение маркеров является локусо- или хромосомоспецифичным, т. е. одна и та же цитоплазма могит по разному влиять на трансмиссию разных хромосомных локусов или хромосом разного происхогедения.

Анализ частоты маркерных признаков у реципрокных межсортовых гибридов ГЗ показал зависимость изменения этой величины от нап-разлечия скрещивания. Этот феномен но был связан с выживаемостью генотипов, хотя различия по выживаемости имели место в некоторых парах рэципроков. Чаще наблюдалось преимущество маркеров, вносимых маторишсим родителем, но обнаружен и обратный эффект - преимущество отцовских маркеров.

Гйлуагоше данные дешнстрируш ивмэпегага не только экспрессии, по и трансмиссии ядерных генов при изменении цитоплазмы. Предполагается, что эффекты цитоплазм на дзшеэпне хромосом могут

лежать в основе канализированных адаптационных и селекционных процессов в гибридных популяциях высших растений и могут послужить ключом для объяснения разной селекционной ценности реципрок-ных гибридных комбинаций, наблюдаемой селекционерами.

Таблица 7

Эффект цитоплазм Tri ti сии и Aegi 1 ops на изменение ядерных маркерных генов мужской стерильности (ms), опушенности (Hg) и остистости (М,В)

Цитоплазма

I Маркерная линия_

iutf¿ i ~Ю S3 : к З1362_

1 1 Аллели ядерных генов

I— 1 ns ¡ hd.B ! Нк I hd,B t HB

Т. aestivum (CS) 0 0 0 0 0

Ае. squarrosa 0 0 - + 0

Ае. comosa 0 0 - 0 0

Ае. spel tot des + 9 9 0 0

Ае. sharonenst s + Ó Ó 0 0

Т. di coccol des spont. 0 0 0 0 0

T. di coccum 0 0 0 0 0

Ae. cyl t ndri ca 0 0 0 - 0

Ae. vari аЫ I i s - 0 - 0

Ae. kotschyi ó 0 0 - 0

Ae. ventrí cosa 0 - 0 0 0

Ae. J uvenal 1 s + 9 9 0 -

Ae. crassa + - ó 9 9

Ae. vavi 1 ovi t + 0 0 ó -

+ — увеличение частоты аллеля в v¿; --- снижение; 0 — сев

оущэотвенных изменений; ? — отсутствие иди недостаток данных.

5.3. Эффект цитоплазм па частоту сестринских хроматидных обменов у пшеницы. Хотя механизм образования СХО и их биологический смысл окончательно не выяснен, тем не менее изучение изменения частот етих обменов, происходящих при шмонании цитоплазмы, может дать определенное представление о влиянии плавмагенов на рекомбинационные и мутационные события, происходящие в ядре.

В качестве объекта изучения испольвованы аллолинии сорта Чайниз Спринт с цитоплазмами Аа. squarrosa (С04), Ае. comosa (С05), Ае. ventrí cosa (СЗб), Ае. juvenalís (С53), Ае. crassa (С55) и их ауплазыатичеокий аналог (052). Эти исследования проведены в БГУ им.В.И.Ленина совместно с ЕЕЛугининым и С.Р.Векшиным. Частота СХО у спутничных хромосом и хромосом без спутников аналивирова-лась отдельно (Табл. 8).

В хромооомах Ова спутников достоверное повышение частоты 0X0 было обнаружено у линии 004. у остальных линий она снижалась, но достоверно - у линий С05 к 055. В спутничных хромосомах, напротив

- у всех аллолиний частота СХО зыше, чем у эуплазматического аналога, однако достоверные различия (вероятно, в силу меньшей Выборга) наблюдались только у линии С04. Различия в изменении частоты СХО у спутничных хромосом и хромосом без спутников свидетельствуют о том, что у разных хромосом их частота может изменяться разнонаправленно. Для .подтверждения этого предположения было проанализировано распределение обменов по длине спутничных хромосом как наиболее легко идентифицируемых (Рис.).

Таблица 8

Количество проанализированных хромосом и частота СХО у аллоплазматических линий пшеницы и их зупла8матического

аналога

Линия 1 Хромосомы без спутников 1 Хромосомы со спутниками

1 кол-во ! частота I Кол-во ! частота

С52 3304 0,88 310 0,65

С04 1672 1,07** 154 0,95**

С05 1429 0,76** 129 0,66

СЗб 585 0,82 22 С',82

С53 3616 0,85 281 0,85

С55 679 0,72** 71 0.72

Рис. Распределение частоты СХО по длине спутничных хромосом у линий С52( А), С04(В) и С53(С), По вертикали - частота СХО, по горизонтали - длина хромосом в 12..

Сравнение этих распределений по методу. показывает их высокодостоверные отличия друг от друга (Р<0,01).

Полученные данные позволяют предполагать, что возникающие цитоплазматические различия за счет мутаций или гибридизации могут в определенной степени направлять рекомбинационную изменчивость в определенных участках генетического материала ядра. В этом смысле возникновение цитсплааматичеекой изменчивости может иметь важные селекционные и эволюционные последствия.

ВЫВОДЫ

1. Цитоплазматическая изменчивость - широко распространенное в природе явление. У высших растений она может иметь место не только на межвидовом, но и на внутривидовом уровне.

Обнаружены:

- межвидовая (у пшеницы) и. внутривидовая (у кукурузы и пшеницы) цитоплазматическая изменчивость по количественным приэнакам ультраструктуры хлоропластов и митохондрий;

- внутривидовой полиморфизм митохондриальной ДНК у сортооб-равцов в пределах вида мягкой пшеницы;

- эффект цитоплазм сортообравцов на хозяйственно ценные признаки пшеницы и ячменя;

- возможность изменений ДНК митохондрий и эффектов цитоплазм на хозяйственно ценные признаки ппеницы во время селекционных (отбор) и генетических (мутагенез) манипуляций.

2. Одним из возможных механизмов действия цитоплазм на количественные признаю! является измонение структурно-функциональных особенностей хлоропластов и митохондрий. При сравнительном исследовании замещенных и аллоплазматических линий кукурузы и пшеницы установлено:

- «вменение элементов улмрпотруюуры зтих органелл в зависимости от генов ядра и цитоплазмы;

- сопряженность иамопоний улътраотругауры органелл с изменением продуктивности растений, оо ояаыош'о'в и ыорфофизиологичоских особенностей растений, яричом иванюнио структуры хлоропластов чносит болоо оуиу'ствеюша йклэд в ююшиив продуктивности растений, чем измонение структуры иатахоадрий;

- совокупность колачэотвемиш ааршйчров структур« :глороп-

ластов и митохондрия может служить критерием потенциальной продуктивности растений.

3. Показан эффект цитоплазмы на трансмиссионные и рекомбина-ционные процессы. Обнаружено:

- локусо- и хромосомоспецифическое изменение частоты сестринских хроматидных обменов у аллоплазматичесгсих линий пшеницы в зависимости от хромосом и участков обмена;

- изменение частоты аллелей ядерных генов в гибридных популяциях растений в зависимости от цитоплазмы и хромосом, несущих данный маркер, а тага® в зависимости от направления скрещивания при внутривидовой гибридизации.

4. Шггоплавматическиё гены наряду с ядерными являются первичным материалом эволюции, в процессе которой создаются не только новые комбинации ядерных генов, но и новые ядерно-плазменные комбинации. Эффекты цитоплазм на экспрессию, трансмиссию и рекомбинацию ядерных гонов могут канализировать и ускорять темпы эволюции.

5. Создание и изучение замешенных линий сортов с новыми источниками цитоплазмы может служить не только для идентификации плазматипов вида, но и является методом селекции, позволяющим создавать более продуктивный коадаптированные сочетания ядра и цитоплазмы и целенаправленно испольвсвать плазмафонд и генофонд вида.

6. Одна иэ возможных причин высокой консервативности цитоп-лавматической изменчивости - блокирование или существенное снижение тема репликации органелл, несущих мутации. Показано, что некоторые из цитоплазматических мутаций могут проявляться как модификации или длительные■модификации.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Для расширения возможностей методов селекции наряду с потенциалом изменчивости генофонда видов предлагается использовать потенциал внутривидовой цитоплазматической изменчивости, включая:

1. Создание коллекции идентифицированных плазматипов важнейших с/х растений путем замещения хромосом.

2. Использование идентифицированных плазматипов в качестве

доноров цитоплазм для новых ядерно-плазменных комбинаций, оценка последних по комплексу хозяйственно важных признаков и использование лучших з качестве новых сортов.

3. Использование эффекта цитоплазм на трансмиссионные и ре-комбинационные процессы ядерных генов для повышения частоты выхода трансгрессивных форм и полезных рекомбинангов.

Для прогнозирования потенциальной продуктивности сортов и гибридов с/х растений предлагается испольговать методы количественной электронной микроскопии энергетических органелл клетки -хлоропластов и митохондрий.

Список основных опубликованных работ по теме диссертации

1. Давыденко О.Г. Нехромосомные мутации (монография). Шнек, 1984. - 165 с.

2. Давыденко О. Г. Ультраструктура пластид альбинооных проростков кукурузы, индуцированных акридиновыми красителями //Весц1 АН БССР, сер. 61 ял. навук, 1973, N 1. - С. 37-40.

3. Давыденко О. Г. Индуцирование цитсплаэматической мужской стерильности у мягкой пшеницы //III съезд БелОГиС: Тез.докл. Минск, 1985.

4. Прогасевич Р. Т., Давыденко 0. Г. Изучение стерильных по пыльце мутантов пшеницы //III оъе8Д ВОГИО, Л., 1977. - Т. 1(2). 0. 61.

5. Давыденко О. Г. Наследственные факторы, детерминирующие пыльцевую стерильность //Закономерности развития органического мира: Штер. V конф. мол. уч. АН БССР, Минск, 1978. - С. 58-59.

6. Давыденко 0. Г. Индуцирование мужской стерильности у пшеницы акридинами //Весц1 A4 БССР, сер. 61 ял. навук, 1978, N 1. - С. 26-29.

7. Давыденко О. Г. Генетический анализ мужски стерильных мутантов пшеницы, индуцированных акридинами //Рук. деп. в ВИНИТИ оi 11 февр. 1977, N 3087-77.

Ö. Давыденко 0. Г. Цитоплаэматические мутации у высших растений //Еиол. основы рац. исп. гшвотн. и раст. мира: тез. дом. конф. мол. уч.-биологов, Рига, 1978. - С. 130-131.

9. Дзвыдонко 0. Г. Количественное электротгомикроскопическо! изучение действия акридинов на структуру и репликацию пластид : митохондрий //Цитологии и генетика, 1978. Т. 12, N 4. - С. 291 294. ■

го

10. Давыденко О. Г. , Палилова Д. Н. Индуцирование мужски оте-рильных мутантов пшеницы, идентификация их генетической природы и изучение возможности практического использования //Создание идент. генофондов с/х растений: тез. респ. конф., Кишинев, 1979. -С. 9.

11. Давыденко О. Г., Семенов О. Г. Сравнительный морфометри-ческий анализ ультраструктуры органелл аллоплаэматического гибрида на цитоплазме АегПорв оуаЬа и его исходных родительских форм //¡'енетика развития растений: сб. тез. всес. сов., Ташкент, 1980. -С. 74-75.

12. Давыденко О. Г., Палилова А. Е , Семенов 0. Г. Влияние генома и плазмона на количественные признаки ультраструктуры хло-ропластов //Цитология и генетика, 1981. Т. 15, N 2. - С. 8-13.

13. Давыденко 0. Г. Проявление действия генов мужской стерильности пшеницы, индуцированной акридинами, в зависимости от цитоплазмы //Там же, N 6. - С. 48-53.

14. Давыденко О. Г., Палилова А. К Возможная взаимосвязь ци-топлазматичесгага мутаций и длительных модификаций //Экол. генетика раст. и животных: тез. докл. всес. конф., Кишинев, 1981. - С. 22-23.

15. Давыденко О. I'. Перекрестно опыляющиеся популяции пшеницы, созданные на основе генной мужской стерильности //IV съевд БелОГиО, тез. докл., часть I, Минск, 1981. - С. 37.

16.' Давыденко О. Г. Структура хлоропластов и митохондрий ал-лоплазматических пшениц //IV съезд ВОГИС, тез. докл. , часть 5, Кишинев, 1982. - С. 50.

17. Палилова А. Н. , Давыденко О. Г.< Влияние генома и плазмона на структуру мчтохондрий //Цитология и генетика, 1983. Т. 17, I) 1. С. 3-6.

18. Давыденко 0. Г., Палилова А. Н. Использование морфометри-ческого анализа для.изучения влияния генома и плазмона на структуру органелл цитоплазмы //Там же, N 2. - С. 24-28.

19. Давыденко О. Г., Щетинина 11 И. Эволюционная изменчивость структуры хлоропластов и митохондрий аллоплазматических пшениц //Уль?растругстур?1аг организация растений: тез. докл. V всес. симп., Кишинев, 1983.

20. Давыденко 0. Г. Дивергенция структуры хлоропластов и митохондрий Aegtlops и Tritt cum Сообщение 1. Морфометрический анализ ультрасгруктуры митохондрий 11 аллоплазматических пгаениц //Генетика, 1984. Т. 20, N 2. — О. 291-297.

21. Давыденко 0. Г., Палилова А. Я Сообщение 2. Характеристика 22 цитоплазм по структуре митохондрий //Там же, N а С. 440-447.

22. Давыденко О. Г., Палилова А. а, Щетинина М. И. Сообщение 3. Морфометрический анализ ультраструктуры хлоропластов // Там же. -О. 448-456.

23. Даввденко О. Г., Палилова A. R , Щетинина М. И. Сообщение 4. Анализ связей признаков //Там же, N S. - С. 1519-1527.

24. Давыденко О. Г. Отклонения в расщеплении по признаку мужская стерильность, вызванные влиянием цитоплазм //Цитология и генетика, 1984. Т. 18. - С. 218-222.

25. Давыденко 0. Г., Бекшин С. Р. Наследванне пракметы мужчьм-ская стэрылнасць у двух нввалелсна атрыманых мутантау пшан1 цы // Веоц1 АН БССР, сер. 61 ял. навук, 1984, N 6. - С. 46-50.

26. Давыденко О. Г. Передача признака мужская стерильность сортам пшениц, саратовской селекции //Там та, 1985, N 1. - С. 105-107.

27. Давыденко О. Г. Пестролистность растений сои, индуцированная действием эритромицина //Цитология и генетика, 1985. Т.19, К 4. - С. 277-281.

28. Давыденко О. Г. Экспрессия и трансмиссия признака мужская стерильность в цитоплазмах Aegt 1 ops и Tri ti cum //Сб. тр. Мироновского НИИ сслек. и Семенов, пшеницы, Мироновка, 1985. - С. 45-48.

29. фвыденко О. Г., Дылвшж Л. А., Яцевич А. П. Цитогенетичес-кий анализ причин аномального расщопления по признаку муликая стерильность //V съеэд БелОГиС, тев.докл., Горки, 1986. С. 38-39.

30. Давыденко 0. Г. , Сычева И.М. Иэрфометрический анализ хлоропластов у мутантов пшеницы, различающихся по продуктивности // Цитология и генетика, 1986. Т. 20, N 6. С. 421-428.

31. давыденко О. Г., Аношенко R IOL Отклонения в расщеплении маркерных признаков, обусловленные влиянием чужеродных цитоплазм у пшеницы //Гадатная и зиготная селекция растений: мат. респ. конф.. Кишинев, 1987. - С. 21-23.

.. 32. Крулева М., Дааыдекко О. Г., Данков Т. Ультраструктуряыэ изменения хлоропластов .и ипохондрий стерильных линий кукурувы при ИИС //Проблемы цитоплавматической муж кой стерильности расте-

'■■"•: 32

ний, Минск, 1988. - О. 65-71.

33. Лугкнш' Е В. , Дагадонко 0. Г. , Векшин С. Р. Эйвкт цитоплазм на частоту сестринских хроматидных обменов у пшеницы //Цитология и генетика, 1987. Т. 21, N 6. - С. 428-433.

34. Давидекко 0. Г. , Крулева М. , Данков Т. Влияние на ядрото и цитоплазмата върху ултраструктурата на митохондрии от листен мезсфил на царевиип //Генетика и селекция (НРБ), 1087. Год 20, N

3. - С. 187-195.

35. КрулэЕа М. , Давыденко 0. Г. Влияние на ядрото и цитоплаэ-мата върху ултраструктурата ра хлоропласти от листен мезофил на царегица //Там хй. Год 19, N б. - С. 463-471.

36. Данков Т. , Давыденко О. Г. , Крулева М., Аноиенко Б. Ю. Изменения на морфологични признаци на растения царевица под влияние на ядро, цитоплазма и среда //Там ж. Год 21, N 3. - С. 191-199.

37. Давыденко 0. Г. , Крулева М. , Данков Т. , Аноиенко Б. Ю. Вр-ъвка мезду приснаците на ултраструктурата на хлоропласти и митохондрии и метау морфологичните признаци на фертилны и мъжкасте-рилни линии царевица //Там же. Год 21, N 3. - С. 200-214.

38. Давыденко 0. Г. , Червякова Т.О. Внутривидовая цитоплазма-тическая изменчивость у пшеницы мягкой //Доклады АН ЕССР, 1988. Т. 32, H 11. - С. 1032-1036.

39. Давыденко О. Г. , Комарницкий И. К. , Самойлов А. М. , Глеба Ю. Ю. Внутривидовая цитоплаэматическая изменчивость митохондриаль-яого гвнсма у Tri ti cun aestlvum //Доклады АН УССР, сер. Б, 1988, N

4. - С. 58-61.

40. Давыденко 0. Г. Роль цитоплазматической изменчивости в эволюции и селекции растений //Цитология и генетика, 1989. Т. 23, H 4. - С. 66-76.

41. Батуро í. Н. , Давыденко 0. Г. , Кадыров М. А., Аношенко Б. КХ Замещение цитоплазм у ячменя и их селекционный эффект //Доклады АН БССР, 1389. Т. 33, N 7. - С. 657-659.

42. Аноиенко Б. Ю. , Давыденко 0. Г. Корреляционный анализ элементов продуктивности и ультраструктуры срганелл цитоплазмы у алло плазматических линий пшеницы //Цитология и генетика, 1989. Т. 23, N 5. - С. 59-63.

43. Давыденко 0. Г., Комарницкий И. К., Самойлов А. М. Сравнительный рсстриктный анализ ДНК хлоропластов у образцов мягкой яровой пшеницы //Еесц! АН БССР, сер. 61 ял. навук, 1989, N 4. - С.

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ И ГЕНЕТИКИ

На правах рукописи

ДАВДШНКО ОЛЕГ ГЕОРГИЕВИЧ

УДК 575.13: 575. £24

ПЖОГШАЗМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ • • РАСТЕНИЙ

03.00.15 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук.

Подписано в печать 25.11.89. АТ № 13493. Формат 60x84,1/16.

Бумага типографская К! I. Печать офсотная.

Усл.поч.л. 1,86. Учет.и?п.л. 2,0.

Тираж 100 Зак. 427 Бесплатно.