Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ ЭНДОГЕННЫХ И ЭКЗОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ВОСПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ФУНКЦИИ МЕЙОЗА

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ЭНДОГЕННЫХ И ЭКЗОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ВОСПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ФУНКЦИИ МЕЙОЗА"



На правах рукописи

- - | .

ТОЛСТОВА Ольга Владимировна

ВЛИЯНИЕ ЭНДОГЕННЫХ И ЭКЗОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ВОСПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ФУНКЦИИ МЕЙОЗА

Специальность 06.01.05 — селекция и семеноводство 03.00,15 — генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена на кафедре генетики Московской сель скохозяйственной академии им К А. Тимирязева

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор, академик РАСХН А, А. Жученко.

Официальные оппоненты доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член кор АН РМ Н. Н. Балашова, кандидат сельскохозяйствелных наук, доцент Е. В. Мамонов

Ведущее учреждение кафедра генетики и селекции Рос-сийслого Университета Дружбы Народов

Защита состоится Я марта 2000 г в ч на заседа-

нии диссертационного совета Д 120 35 04 Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева по адресу 127550, Москва, ул Тимирязевская, 49*.

Ученый совет МСХА, корп 3

С диссертацией можно оз акомиться в Центральной научной библиотеке Московской сельскохозяйстве.ьий академии им К А Тимирязева

Автореферат разослан

31 января 2000 г

Ученый секретарь диссертационного совета^ Р. Р. Усманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Мейоз находится в центре внимания биологов со времени его открытия в 1884 году. Понимание происходящих в ходе мейоза процессов, обеспечивающих формирование доступной отбору генотипической изменчивости, особенно важно для генетиков и селекционеров.

Мейотическая рекомбинация (перераспределение генетического материала родителей в потомстве) и система её ограничений являются механизмами реализации баланса между . численностью ... гамет (воспроизводительная функция мейоза) и долей среди них генотипов с новыми сочетаниями генов (преобразующая функция мейоза)(Жученко А.А.,1980,1988). В процессе мейотической рекомбинации образуется и преобладающая часть хозяйственно ценных и адаптивно значимых генотипов. Поэтому гибриды первого поколения можно рассматривать в качестве цели селекции, если требуется проявление гибридного или гетерозисного эффекта, или средства селекции, когда' необходимо получить - как можно более разнообразное потомство э расщепляющихся поколениях. , .

Для изучения воспроизводительных и преобразующих функций мейоза в качестве модельного объекта нами использовалась генетическая коллекция томата, представленная основными видами рода Ьусоретсоп Тоит., а также - одно- и многомаркершЛш генотипами. Преобразующая функция мейоза оценивалась по частоте и спектру (распределению долей фенотипических классов) рекомбинации, а воспроизводительные функции - по количеству и качеству пыльцы и семян.

Цель и задачи: Цель данной работы, состоит в выявлении закономерностей воспроизводительных и преобразующих процессов в мейозе для увеличения частоты и спектра хозяйственно ценных и адаптивно значимых рекомбинантов в расщепляющихся поколениях. ■

Задачи исследования: ■ •' . . ,

- изучить генотипические особенности формирования пыльцевой и семенной продуктивности в гибридах р! и их родительских формах; > определить изменчивость количества пыльцы и ей признаков в цветках основных видов рода Ьусоретсоп Тоит. и маркерных форм; ; разработать методику отбора цветков для сравнения по пыльцеобразующей способности;

выяснить особенности влияния межвидовых и внутривидовых гибридов Р] на частоту и спектр кроссоверных обменов;

подобрать доступные и эффективные методы эндогенного изменения частоты и спектра рекомбинации в гибридах р1;

. ЦЕНТРАЛЬНАЯ Научная с _-/.• отека

Моск. соль; .о*.■ ,¡садами) им. К. А.Л11,-

щамии

проверить возможность изменения спектра рекомбинации с помощью экзогенных обр Зоток Научная новизна выполненных исследований заключается в системном подходе к изучению влияния эндогенных и жзогенных факторов на воифоиззодитечьные и преобразующие функции мейоза При этом в качестве критериев оценки использовались показатели пыльцевой и семенной продуктивности, а также частота и спектр рекомбинации в гибридах И) В резутьтате такого дискретно-системного подхода к чейозу выявлены особенности проявления взаимосвязи его воспроизводительных и преобразующих функций на разных генотипических фонах гибридов Г) и в разных условиях внешней среды Изучены также изменения фенотипичеокой структуры популяций под влиянием ядерно-цитоплазматических взаимодейстзий и обработок бутонов гибридов р| на ранних этапах мейоза Впервые получены данные о пыльцевой прод) ктивности диких видов и маркерных образцов 1 енетической коллекции томата, а также в гибридах между ними Установлено, что в неблагоприятных условиях внешней среды в гибридах Р) усиливается частота кроссоверных обменов, а за счет подбора компонентов скрещивания возможно увеличить долго отдельных рекомбинантных классов

Практическая значимость работы состоит в том, что предложены как эндогенные, так и экзогенные методы изменения воспроизводительной и преобразующей функции мейога гибридов Р], в том числе проявления гетерозисного эффекта по пыльцевой и семенной продуктивности, а также частоты и спектра рекомбинации, в частности, увеличения доли карликовых растений в гибридах Рг Разработаны методические рекомендации по отбору цветков для сравнения генотипов по их пыльцевой и семенной продуктивности Апробация: Основные результаты работы были апробированы на конференциях молодых ученых и специалистов МСХА им К А Тимирязева, а также на конференциях преподавателей и сотрудников МСХА в 1997 и 1998 годах По результатам исследований опубликовано 6 научных работ и 4 находятся в печати

Структура и объем работы: Диссертация состоит из 3 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 265 наименовании, в т ч 146 иностранных авторов Экспериментальная часть включает 3 раздела Работа изложена на 157 страницах, содержит 32 таблицы и 18 рисунков

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная работа выполнена в 1996-1998 годах в теплице селекционной станции МСХА им. П.И.Лисицына (г. Москва) и в открытом грунте лаборатории иммунитета и биотехнологии Приднестровского НИИСХ (г.Тирасполь). "

Определение количества пыльцы в цветке проводили по методике, разработанной на кафедре генетики МСХА (Иванова C.B. и др.,1996). Фертильность пыльцы определялась ацетокарминовым методом • (Паушева З.И.,1988). Частота рекомбинации рассчитывалась методом максимального правдоподобия. Для сравнения выборок по распределению частот фенотипов использовался х2. •

Изучены линия сорта Марглоб (этот сорт использован как стандарт для описания генетической коллекции), шесть образцов маркерной генетической коллекции томата: Мо438 (aw), Мо305 (aw.wv), Мо938 (aw,wv,d), Мо509 (af,tf,wv,d), Мо504 (aw,bk,d,о.р,s. Wo *), Mo500 (aw,d, IVo *,c,m-2), а также гибриды сорта Марглоб с ними. Одновременно в исследование были вовлечены дикие и полукультурные формы томатов: L. hirsutum var. glabratum и L. peruvianum var. dentatiim, L. pimpinellifolium и L. esc. var. cerasiforme, а также гибриды Mo938 с ними. .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Раздел 1. Воспроизводительная функция мейоза 1.1 Изменчивость количества пыльцы Изменчивость количества пыльцы в цветке у томата изучалась впервые. Полученные данные позволяют считать, что наибольшее влияние высоких температур на количество пыльцы в цветке проявляется за 20 дней до его раскрытия. Было еще раз подтверждено, что максимальное количество пыльцы в цветке предопределяется во время закладки материнских клеток пыльцы. Количество пыльцы в цветке зависит как от номера кисти, так и от положения цветка на кисти. Как правило, оно уменьшается от первого к последнему цветку кисти. При этом количество функционально активной пыльцы в цветке может сократиться как за счет уменьшения eô количества, так и за счет снижения её качественных' характеристик - (выполненности пыльцевых зерен и фертильности). .

Среднее для кисти количество пыльцы в цветке можно рассчитать на основе данных по первому и последнему цветку кисти. Для этой цели мы рекомендуем отбирать средние цветки кистей, собранные в один день, поскольку такие цветки обычно развиваются в одних и тех же условиях.

1.2 Влияние особенностей генотипа 1.2 1 Дикорастущие формы

Генотипнческ е особенности образования пыльцы и семян обычно отражают адаптацию вида к определенной экологической нише В то же время указанные показатели являются индикаторами напряженности давления неблагоприятных факторов, так как могут быть значительно модифицированы ими

В 1996 и 1997 годах нами были изучены отдельные представители зеленоплодных (Lperuvtanum vor dentatum, L htrsutum var glahratum) и красноплодных томатов (L pimpinellifohum, L escul var cerasiforme, L esc сорт Марглоб, Mo938)

Как видно из данных таблицы 1, у преимущественно перекрестноопыляемых видов Lhirsutum \ ar glahratum и Lperuvtanum var dentatum по сравнению с остальными преимущественно самоопыляющимися видами количество пыльцы в цветке, как и отношение количества пыльцы б цветке к количеству семян в плоде (количество пыльцы на одно семя), в несколько раз больше

Таблица 1

Изменение некоторых характеристик репродуктивной сферы в связи с

различиями в типах опыления

Г О д Образец Кол-во пыльцы в цветке, тыс шт Кол-во семян в плоде, шт Кол-во пыльцы на ото семя, шт

L сvc* сорт Марглоб 274,2±13,5 190,0±21,9 1443.1

1 - t'vc Мо938 261,5±14,3 133,2±20,5 1963,2

у L est. var cerasiforme 125,5±5,6 76,5*15,7 1640,5

9 L pimpmellifoltum 74,1±1,9 56,3±2 4 1316,2

Lhirsutum var ftlabratum 349,8±7,9 - -

L peruvtanum var dentatum 529,1±3,9 - -

L esc сорт Марглоб 317,6±2,2 15 8,1 ±25,7 2008,9

1 L esc Mo938 235,1±2,4 110,4x12,7 2129,5

У Leic var cerasiforme 170,6*4,7 80,8± 11,6 2111.4

У L pimpinellifohum 104,1±3 4 44,8x3,3 2323,6

7 Lhirsutum var¡^labratum 491,5±2,7 88 0± 10,5 5585 2

L peruvtanum var dentatum 526,0±1,5 118 5±12,5 4438 8

Детальный анализ динамики репродуктивного развития позволяет сделать вывод о том, что разные виды рода /\copersicon /пит отличаются по темпам образования репродуктивных органов Их можно объединить в две группы у

сорта Марглоб и L. hirsutum var. glabratum формируется небольшое количество кистей (в среднем 5 и 5,5 соответственно) с большим количеством пыльцы и семян на них, а у Lpimpinellifolium и Lesc.var.cerasiforme успевает развиться намного большее количество кистей (7 и 10,5 соответственно).

Данные 1997 года свидетельствуют о том, что пыльцевая продуктивность растения (среднее количество пыльцевых 'зерен на растение за изучаемый период) в значительной степени связана с количеством пыльцы в цветке (г=0,97*)', числом дней до начала цветения (р=0,99**)2, накопленной массой надземных органов (г=0,97*), количеством листьев до первой кисти (i=0,99*), отношением массы листьев к массе стеблей в день начала цветения (г — 1 **).

Таким образом, дикие виды томата отличаются друг от друга по особенностям распределения ресурсов при образовании пыльцы и семян и динамике формирования репродуктивных. органов. При этом пыльцевая продуктивность в целом связана с уровнем вегетативного развития растения до цветения. *

• 1.2.2 Мутантные образцы генетической коллекции

В соответствии с данными, представленными в таблице 2, изученные нами генотипы можно разделить на три группы по особенностям формирования пыльцевой и семенной продуктивности. Под семенной ' продуктивностью подразумевается среднее количество семян 'на растение. Пыльцевая продуктивность мутантного образца может быть выше, чем у сорта в тех случаях, когда для него характерна сложная кисть (Мо438, Мо938, Мо504). Образцы Мо438, Мо938, Мо504 можно объединить в общую группу генотипов, образующих сложную кисть с большим количеством пыльцы в цветках. В результате у них обычно успевает сформироваться меньше кистей.

Вторая, резко отличающаяся от первой, группа включает генотипы, формирующие соцветия с очень небольшим количеством цветков (Мо509 и Мо500). Для них характерны самая низкая завязываемость, осемененность плодов, склонность к партенокарпии, низкие показатели пыльцевой и семенной продуктивности. ,-••'"•".'

Промежуточное положение между первой и второй группой занимают сорт Марглоб и Мо305, имеющие самые высокие значения семенной продуктивности, - главного показателя онтогенетической и филогенетической адаптивности культурного вида растений.

1 • - рапичн* достоверны при 5%-ком ¡ровне значимости. 1 **- различи« достоверны при 1% -ном уровне значимости

Таблица 2

Влияние генотипа на особенности пыльцевой и семенной продуктивности томатов _

ч признак генотип (число мутаций)

U Марглоб Мо438(1) Мо305{2) Мо938(3) Мо509(4) Мо500(5) \(о504(7)

Кол во семян в плоде, шт 158,1*25,7 70,3i6,l 90,4*8,5 110,4^12,7 25 0*1,8 32 2± 53,3*17,6

Кол во пьмьцы в цветке, тыс шт 317,6*2,2 310,0±13,3 179,5*0,3 215, ¡±2,4 89,3*3,4 166 7±4 7 25' 1±6,0

Кол во цветков на 1 кист шт 5,5*1,5 8,»±0,0 5,0*0,0 7,0±1,0 2 5±0 5 2 5*0 5 9,5*1,5

Koi во кистей, шт 5,0*0,0 4,5 ±0,5 8,0*0,0 6,0*0,0 7,5 ±0,5 6,5±0 5 4,0±0,0

Кол во бутонов, шт 27,0*1,0 41,5±8,5 51,5*2,5 51,0±2,0 70 5*0,5 37,0*1 0 347,М8,0

Ко 1 во цветков (in 21,5*0,5 17,0 ±8,0 36,5*0,5 23 ,»±0,0 25 5±2 5 21,0*10 68,0±5,0

Кол во плодов, шт 14,0±2,0 12,0iJS,0 25,0*1,0 13,Ш,0 4 5t0 5 6 5*0 5 9,5*7,5

Пыльцевая продуктивность, nie 6828,4* 7750,0± 6551,7* 5407,3± 2321,8* 3500,7* 17278,8±

urr 1593 310,9 90,0 116,3 179 1 167,2 1274,3

Семенная продуктивность, шт 2213,4* 1406,0i 2260,0± 1435,2± 162,51 209,3± 506,3*

316,9 70,5 90,6 110,7 37,6 16,1 80,2

„ Koi во пыльцы на одно семя,пгг 2008,9 4409,7 1985,6 2129,5 3572,0 5185,0 4767,1

Пмльцева* продуктивность, тыс 4696,2* 4746,5* 6283,2± 1287,0± 2507,2* 2732,5±

<> I шт 495,9 - 259,7 261,8 508 5 157 2 548,1

Семенная продуктивность, urr 2755,0*285,9 _ 2451,0*57,2 1731,6±67,1 51 б±5 3 380 1*54 3 497,0±71,2

Кол во пыльцы на одно семя шг 1443,1 - 1513,6 1965,3 3023,3 2884 9 3079,2

Примечание в скобках указано количество мутации в обрате генетической коллекции в соответствии с аналогом Ьочарннковой Н И и Козловой В М «Мутантные формы томатов» (1992)

Различия по годам значений пыльцевой продуктивности Мо504 объясняются тем, что вследствие меньшего периода вегетации в 1996 году бутоны указанного образца не > спели сформироваться

Семенная продуктивность мутантиого образца генетической коллекции в одинаковой степени была связана как с количеством семян в плоде, так и с количеством плодов (для пар признаков коэффициенты корреляции были одинаковы и равнялись п=0,93?» в 1996 и г=0,87» в 1997 году). При этом она уменьшалась с ростом количества пыльцы на одно семя (г=-0,99** в 1996 и г=-0,79* в 1997 году) и с увеличением числа мутаций,в образце генетической коллекции (г=-0,84* в1996 году и п=-0,80* в 1997 году).

Таким образом, мутантные образцы генетической коллекции томатов значительно отличаются друг от друга и от сорта-стандарта Марглоб как по пыльцевой и семенной продуктивности, так и по особенностям их формирования в течение вегетации. При этом семенная продуктивность образцов генетической коллекции" не превышает значимо таковую у сорта Марглоб. С увеличением числа мутаций в образце количество пыльцы на одно семя увеличивается, что, возможно, способствует сохранению такого образца в общем генофонде вида.

1.2.3 Гибриды с дикорастущими формами томата

Нами были изучены три гибрида: МоЭШйехсуаг.сегаяг/огте, Мо938/ Ь.р1тртеШ/о1шт, Мо938Я,.Л/геи/ит уаг^1аЬгашт.

'■«Л , • Таблица3

Пыльцевая и семенная продуктивность у гибридов томата от скрещиваний

Количество • . * ' Мо938/ Мо938/ Мо938/

*Мо938 ' ¿.«С.УОГ. Ь.ртр1- Л. Ыгтшт

сегазфгте пёШ/оНит ' \>аг^!а/>га(ит

пыльцы в цветке,тыс.шт. 235,1*2,4 224,8±1,2 174,8±1,5 311,8*6,0

семян в плоде, шт. • М0,4±12,7 7б,0±8,3 75,9±5,4 Зб,0±5,7

цветков на первой кисти,шт. 8,5±1,0 5,0±0,0 4,5±0,5 7,5±0,5

плодов на кисти, шт. 7,0±1,0 4,0±1,0 4,5±0,5 14,0*2,0

кистей, шт. 6,0±0,0 9,5±0,5 9,5±0,5 3,0±0,0

бутонов, шт. ' 51,0±2,0 64,5±9,5 63,5±5,5 58,0±0,0

цветков, шт. 23,0±0,0 50,0±5,0 49,5±4,5 41,0±7,0 ■

плодов, шт 13,0±1,0 34,5±1,5 37,0±4,0 19,0±1,0 .

пыльцы на растение,тыс.тт 5407,3*116,3 11240,0*1127,3 8652,6*788,9 12783,8*2189,1

семян на растение, шт 1435,2*110,7 2622,0*114,3 2998,0*114,2 684,0*36,1

Установлено, что у всех изученных гибридов Р) пыльцевая продуктивность выше, чем у родительских форм (таб. 1,3). Степень

доминирования по пыльцеобразующей способности у гибридов Fi от скрещиваний Мо938 на L esc var cerasiforme, L ptmpmelhfolmm и L hirsutum var glabratum колеблет от положительного неполного доминирования для Мо938/ L esc var cerasiforme до отрицательного неполного доминирования для Мо938/ L hirsutum var glabratum

Семенная продуктивность гибридов F| Мо938!L esc var cerasiforme и Мо938/L pimpinellifahum больше, чем у лучшего из родителей почти в два раза, так как они закладывают в 1,5 раза больше кистей, хотя и с меньшим количеством семян в плодах Гибрид Fi Mo93S/L hirsutum var glabratum, наоборот, формирует по сравнению с ними в 3 раза меньше кистей, но количество плодов на кисти у него соответственно в 3 раза больше (14 у Мо938/£ hirsutum var glabratum против 4,5 у Мо938/У, pimpinellifohum и 4 у Mo938/L esc var cerasiforme)

Таким образом, межвидовые гибриды воспроизводят особенности репродуктивной системы дикорастущих форм, проявляя в большинстве случаев гетерозисный эффект по пыльцевой и семенной продуктивности

1.2.4 Внутривидовые гибриды Ft Количество се 1ян в плоде у гибридов F] сорта Марглоб с мутантными образцами генетической коллекции меньше, чем у лучшего из родителей (таб 4) При этом гибриды Fi сорта Марглоб с образцами генетической коллекции имеют сходные темпы образования элементов репродуктивной системы Вполне возможно, что у них, как и у межвидовых гибридов, часть зародышей рекомбннантного происхождения гибнет из-за низкой жизнеспособности, поскольку снижение их количества наблюдается, прежде всего, у гибридов Fi с многомаркерными образцами (с?Мо509, Мо500,Мо504)

Для изученных гибридов было установлено увеличение семенной продуктивности с ростом количества пыльцы в цветке (г =0,88* в 1996 и г=0,93** в 1997 году) Количество пыльцы на одно семя было больше у тех гибридов, где образовывалось меньше пыльцы в цветке (г = -0,85* в 1996 и г = -0,99** в 1997 году) Пропорционально росту количества пыльцы на одно семя семенная продуктивность гибридных растений снижалась (г = -0,81 * в 1996 и г= -0,95** в 1997 году)

Таким образом, гибриды Fj сорта Марглоб с мутантными образцами генетической коллекции имеют сходные темпы образования репродуктивных органов

Таблица 4

Особенности пыльцевой и семенной продуктивности у внутривидовых гибридов томата

5 Признак , генотип • -

£ Марглоб(М) М/Мо305 • М/Мо938 М/Мо509 М/Мо500 М/Мо504

Кол-во семян в плоде, шт. • 158,1*25,7 154,2*40,8 131,6*15,7 ' 91,0*5,7 И2,4±22,8 80,9*10,9

Кол-во пыльцы в цветке, тыс. шт. 317,6*2,2 288,9±0,б 349,5*13,7 332,0*15,3 363,2*2,8 322,0*1,7

Кол-во цветков на I кисти, шт. 5,5*1,5 6,5*0,5 5,0*0,0 5,5*0,5 • 5,5*2,5 • - 7,5*0,5

Кол-во кистей, шт. 5,0*0,0 " 7,0*0,0 7,0*0,0 : б,о±1,о 6,0*0,0 5,0*0,0

1997 Кол-во бутонов, шт. 27,0±1,0 41,0*0,0 41,5±6,5 38,0*8,0 ' 35,0*2,0 37,5*1,5

Кол-во цветков, шт. 21,5*0,5 - 29,5*3,5 24,5*1,5 21,0*5,0 20,0*2,0 22,0*0,0

Кол-во плодов, шт. 14,0*2,0 18,5*0,5 16,0*3,0 11,0*1,0 15,0±3,0 14,0*2,0

Кол-во пыльцы на одно семя, шт. 2008,9 1873,4 2655,8 3648,4 2550,6 3980,2

Пыльцевая продуктивность, тыс. шт. 6828,4*159,3 8522,5±Ю14,2 8562,7±525,8 6972,0*1665,0 7264,0*728,6 7084,0*322,0

Семенная продуктивность, шт 2213,4*316,9 2852,7±77,3 2105,6±396,0 1001,0*91,3 2136,0*428,5 1132,6*162,3

Кол-во семян в плоде, шт. 190,0*21,9 102,9*14,6 129,3*18,9 77,9*8,7 88,1*15,2 91,4*11,2

Я Кол-во пыльцы в цветке, тыс. шт. 242,5*18,3 228,9*25,5 269,7*33,6 211,5±9,3 245,5*15,0 311,1*36,2

2 Кол-во цветков на I кисти, пгг. 6,0*0,0 6,5*0,5 4,0*1,0 5,5*0,5 5,5*2,5 7,5*0,5

Кол-во пыльцы на одно семя, шт. 1443,1 ' 2225,7 2085,5 : 2715,0 2786,6 3404,5

Пыльцевая продуктивность, тыс. шт. . 4696,2*495,9 5264,7*229,6 6607,7*405,7 4124,3*318,2 4419,0*738,7 6377,5*156,0

Семенная продуктивность, шт 2755,0±285,9 2255,0*102,8 :. 2133,5*64,8 973,8±39,1 1277,5*220,9 1508,1*45,8

Раздел 2. Преобразующая функция veiioja 2.1 Влияние генотипического фона гибридов Fi 2.1.1 Скрещивания с дикорастущими формами Показано, что у некоторых межвидовых гибридов на стадиях гаметогенеза, сингамии, эмбриогенеза обычно гибнет свыше 90% рекомбинантных гамет и зигот (Жученко А А, Кравченко АН,1986) При таком уровне элиминации задача увеличения доступных отбору рекомбинантных форм в потомстве за счёт увеличения частоты рекомбинации, а также изменения распределения долей фенотипических классов становится особенно актуальной

В наших опытах был проведен анализ потомства гибридов F», полученных при скрещивании Мо938 (wvd) с дикорастущими формами томата и сортом Марглоб (IVvD) Установлено, что частота рекомбинации между аллелями wv и d в скрещиваниях Мо938 (9,wie/) с L esc (сорт Марглоб), Lesc.cerasiforme, Lpimpmellifotium, Lhirsutum varglabralum уменьшается с увеличением таксономической отдаленности родительских форм (таб 5) Причём, у гибрида F| Mo938/Z hirsutum vargfabrafum частота рекомбинации уменьшается даже по не сцепленным локусам

Популяции Fj от скрещиваний Мо938 с дикорастущими формами томата отличались друг от друга по распределению частот фенотипических классов, в • том числе и рекомбинантных (таб 5,6) В поколении F2 от самоопыления гибридов F) Мо938/L esc \ar cerasiforme было обнаружено увеличение доли рекомбинантных карликовых растений (Wvd)

Таблица 5

Частота рекомбинации и фенотипическая структура популяцич Fi

в скрещиваниях Мо938 с дикорастущими формами и с сортом Марглоб

Комбинация Год Всхо- Кол-во rfwv^ Доля фенотипа в Fj

скрещивания жесть, % растений шт WvD Wvd wvD wvd

Мо938/ Марглоб 1997 67,9 1380 30,56*1,95 67,3 9r8 13,9 9,0

1998 72,6 1460 27,72*1,76 67,3 7,9 ¡4,4 10,4

Мо938/ 1997 72,7 1283 26,84*1,99 69,4 12,6 8.4 9,6

Lese var cerasiforme 1998 87,5 ' 1293 26,14±1,76 64,0 10,1 12,5 13.4

Мо938/ 1997 70,9 934 24,00±2,13 67,1 9.6 10,6 12,6

L pimpmelUJoUum 1998 66,7 819 23,48±2.12 63,0 9,5 U.7 15,8

Мо938/ Lhirsutum 1997 34,0 72 19,80±6.95 65,3 6.9 U.l 16,7

vor glabratum 1998 66 6 719 13,86±4,09 86,1 4,9 4,7 4.3

Таблица 6

Достоверность различий по частоте рекомбинашш и фенотипической структуре популяций полученных в потомстве самоонылениых гибридов И)

Комбипацня скрещивания Год Мо938/ Марглоб Мо938/ L esc var cera siforme Мо938/ L pimpinellifo-hum Mo938/ L hirsutum var glabratum npiiî нак

Мо938/ Марглоб 1997 + + тл д ï; ш

1998 + + + m

Мо938/ 1997 1,33 + 5 • 4 Я2"

L.esc var cerasiforme 1998 0.63 - + S £ 5 2 Grjj

Мо938/ 1997 2,27* 0,97 efc

L.pimpmeIhfohum 1998 1,53 0,97 + 4> C1.C ne.: СУ H GSJ

Мо938/ LhirsutoM 1997 1,49 0,97 0,57

var glabratiim 1998 3,11** 2,76** 2,08* «C-e

признак для сравнения частота рекомбинации

Условные обозначения здесь и далее для аналогичных таблиц *- различия по частоте рекомбинации достоверны при 5%-ном уровне

значимости Критические значения t-критерия. tos -1,96, toi -2,58, tooi -3,29 «+» -достоверность различий по распределению частот фенотипических

классов популяций доказана при 5%-ном уровне значимости «-*» -различия не доказаны из-за малой выборки одной из популяций

2.1.2 Внутривидовые скрещивания В генетике и селекции особое значение имеет оценка влияния генотипических особенностей гибридов на преобразующие и, в первую очередь, кроссоверные функции мейоза.

Данные, представленные в таблице 7, свидетельствуют о зависимости частоты рекомбинации между исследуемыми аллелями (rf «-м) от изменений условий внешней среды по годам При этом взаимодействия «генотип х среда» по частоте рекомбинации становятся значимыми в наиболее неблагоприятные годы выращивания (рис 1) В близких к оптимальным условиях выращивания, например, в 1998 году частота рекомбинации почти соответствует ожидаемой

С помощью метода %2 было также установлено, что во все годы испытания гибриды Fi Марглоб/Мо938 и Марглоб/Мо509 достоверно отличались по распределению долей фенотипических классов в потомстве (таб 7, рис 3) Из числа рекомбинантных классов в потомстве гибрида F, Марглоб/ Мо509, выращенного в наиболее неблагоприятный год была больше доля растений с геном d QVxd до 25% в 1996 году), а в наиболее благоприятный

и

для выращивания гибрида ?! 1998 год - доля растений с геном уп/(м/\0) (рис.3).

Таблица 7

Частота рекомбинации и фенотипическая структура популяций Ра, полученных в потомстве самоопыленных гибридов р! Марглоб/Мо 938 и • ' Марглоб/Мо509' ' ' - .....

Комбинация скрещивания Год Всхо- . жесть, •/. Кол-во растений rfw»4< Доля фенотипа в Fa

WvD Wvd wvD wvd

Марглоб/Мо938 1996 44,3 529 21,18±2,55*- 62,4 10,6 9,3 17,8

1997 72,3 2280 29,39±1,30» 58,2 14,2 12,6 15,0

1998 84,9 1098 28,19*2,05 65,9 11,7 11,3 11,0

Марглоб/Мо509 1996 62,7 385 34,77±2,7* 60,0 25,2 8,3 14,3

1997 83,9 736 34,86±2,16* 59,2 19,9 9,6 U.4

1998 67,8 377 30,56±3,22 58,6 И.9 15,4 14,1

•-различия достоверны при 5%-ном уровне значимости для сравниваемых пар скрещиваний одного года. .

Наряду с гибридами. Ft Марглоб/Мо938 и Марглоб/Мо509 нами изучалось потомство и гибридов Fi Марглоб/Мо504 и Марглоб/Мо500, которые имеют общую пару маркированных генов aw и d . Сегмент aw-d является составной частью сегмента wv-d. Судя по генетической карте, частота рекомбинации между генами aw и d составляет 11% (Stevens, Rick,1985).

Таблица 8

Частота рекомбинации и фенотипическая структура популяций Fj, полученных в потомстве самоопылённых гибридов F) Марглоб/Мо S04 и

Марглоб/Мо500

- Комбинация скрещивания Год Всхожесть, •/. Кол-во растений rfawsrf Доля фенотипа в Fj

AwD Awd awD. awd

Марглоб/Мо500 1996 81,4 256 17,66±3,58 64,06 8,20 8,59 19,14

1997 82,6 497 25,25±2,65* 57,34 10,87 13,48 18,31

1998 87,7 771 21,65±1,99 56,94 6,87 14,92 21,27

Марглоб/Мо504" 1996 79,0 267 16,91 ±3,2 64,12 14,12 2,67 19,08

1997 93,7 414 17,08±2,87» 63,5 15,9 3,9 16,67

1998 80,2 580 20,39±2,41 62,24 10,52 8,79 18,45

Рис 1 Изменение частоты рекомбинации между генами \уу и ГО Марглоб/ Мо93 8*Д Марглоб/ Моу)9|

Рис 2 Изменений частоты рекомбинации между генами ачу н

[пМарглой/ Мо500 ДМаришЛ/МпЯМ |

300

в

S »о

1 200 ...

5 юо i so 00

íffi^

1998

1997

1998

Рис 3 Процентное соотношение фенотипичеекцх классов в К2 а зависимости от комбинации скрещивания

SWvD ■Wvd □ wvD flewd

60%

100%

Рис 4 Процентное соотношение фенсттических классов в Р2 в зависимости от комбинации сирещиванп»

хлхххххххх;- - ДИН

• 9ЭТ Мгргло&МоЗОО

0AwD ■ Awd .OawD [В awil

20% «0« , ММ ЯН4

соотношение фенотипическнх классов

■ Из данных таблицы 8 следует^ что частота рекомбинации в потомстве от самоопыления обоих сравниваемых гибридов значительно (в 1,5-2 раза) превышала ожидаемую. Наименьшее повышение частоты рекомбинации для гибридов Марглоб/Мо504 и Марглоо/Мо500 наблюдалось в 1996; году. Различия между гибридами по частоте рекомбинации были достоверны только в 1997 году, а по распределению долей фепотипических классов во все годы испытания (таб.8; рис.2,4). • - ^ , " < • '

. Таким образом, и для этих комбинаций скрещиваний: установлены генотипические отличия изменения частоты и спектра (распределение долей фепотипических классов) рекомбинации, в зависимости отгенетической структуры гибрида Ть а также от условий внешней 'среды. При. этом направленность изменений частоты и спектрарекомбинации • по годам . определяются взаимодействием «генотип х среда». В. годы с • близкими к оптимальным условиями выращивания генотипические отличия по " частоте рекомбинации сглаживаются и перестают быть статистически значимыми, тогда как достоверность различий по феногипической " структуре популяций сохраняется. Так, гибриды Марглоб,'Мо504 и^ Марглоб/Мо500 достоверно* отличаются по выходу отдельных рекомбинантных классов. В потомстве самоопылённого гибрида Марглоб/Мо504 из числа рекомбинантных классов во все годы испытаний была больше доля карликов^ а у гибрида Марглоб/Мо500 больше доля растений'без антоциана (аюГ)). Их доля в "1996 и 1997 годах в 3" раза, превышала таковую у гибрида Марглоб/Мо504. Следовательно, генотипические отличия гибридов Р| можно использовать для изменения частоты - рекомбинации и целенаправленного - увеличения в расщепляющихся поколениях доли отдельных рекомбинантных классов.

2.2 Влияние пола и ядерно-цитоплазматических взаимодействий Различия по частоте рекомбинации в материнских клетках микро- и макроспор наиболее доступны для использования,- Однако имеющиеся данные о различиях между полами по частоте рекомбинации - у томатов весьма противоречивы. Связано это с тем, что в числе причин указанных различий могут быть особенности генотипов, разные условия внешней* среды, ядерно-цитоплазматические взаимодействия, разное физиологическое состояние растений, селективная элиминация гамет и зигот на постмейотических этапах. В конечном счете, доступная гибридологическому анализу частота кроссоверных обменов в макро- и мккроспорогенезе формируется под комплексным влиянием многих факторов , ' * . - ; *

Нами были проведены следующие анализирующие скрещивания: (Марглоб/ Мо938)/Мо938;.Мо938/(Марглоб/Мо938); (Мо938/Марглоб)/Мо938; Мо938/ (Мо938/Марглоб). Одновременно анализировали частоту рекомбинации в потомстве самоопыленных гибридов Марглоб/Мо938 и Мо938/Марглоб.

Таблица 9

Изменение частоты рекомбинации и фенотипической структуры

Вариант обработки Кол 80 растении Всхожесть % if WV-»i Доля фенотипа в р\или в

WvD Wvd wvD j wvd

(Марглоб/Мо938)/Мо938 661 67.86 34 80±1,93 33 6 17 7 17 1 316

Мо938/(Маргтоб/МоЧ38) 418 71 45 29 90±2 40 33 0 17 2 127 37 1

(Мо93 8/МарглобУМ1>А} 8 1088 81,25 35 57±1.68 49 6 7 1 28 5 14 8

Мо93 8/ (Мо93 8Л1арглоб) 173 76,21 43,35-ь3 05 42 2 75 35 8 14 5

Р2 Марглоб/Мо938 2809 64,62 28,88±1,17 58 9 14 2 12 0 14,9

?г Мо938/Марглоб 2S45 70,35 31,72±1,32 66.1 93 If Ь 9.1

Таблица 10

Достоверность различий по частоте рекомбинации и структуре популяций в

(Марглоб Мо938 / (Мо938 / М0938 / F2 приз-

вариант скрещивания /Мо938)/ (Марглоб Марпоб) (Мо938/ Марпоб нак

Мо938 /\1о938) /Мо938 Марг~об) /Мо938

(Марглоб / Мо938) / Мо938 . + +

Мо938 / (Марглоб / Мо938) 1 59 + о2 СО *>

(Мо938 / Марпоб) / Мо938 0 30 1 93 -

Мо938 / (Мо938 / Марглоб) 2 37» 3 47*** 2 23* si 1 •в-

р2 Марглоб/Мо938 2 62" 041 4 89*** 4 48***

Г2 Мо938/Марглоб 1.32 0 66 1.8 3.5*** 1 61

признак для сравнения частота рекомбинации

Данные таблиц 9 и 10 свидетельствуют о том, что частота рекомбинации между генами т> и с! в обратном скрещивании Мо938/Марглоб в микроспорогенезе достоверно выше, чем в макроспорогенезе (рис 5) В прямом скрещивании Марглоб/Мо938 таких различий не обнаружено По распределению частот фенотипических классов различия между полами не выявлены В реципрокных скрещиваниях частота рекомбинации по сегменту \vv-d в макроспорогенезе почти одинакова, а в микроспорогенезе значительно отличается (таб 9,10, рис 6)

Достоверны различия по фенотипическим структурам популяций в реципрокных скрещиваниях Так из числа рекомбинантных классов в потомстве от скрещиваний Мо938/(Мо938/Марглоб) и (Мо938/Марглоб)/Мо<Ж больше доля растений с проявлением мутации »V (и IР), а в потомстве от скрещиваний Мо938/(Марглоб/Мо<>38) и (Марглоб/Мо938)'Мо938 бошие растений с мутацией с/ (\Vvcl) (таб 9,10, рис 6)

Рис 5 Частота рекомбинации между генами \уу и (1 в потомстве р^ципрокных и анализирующих скрещиваний

50.00 ■ 45,00 -40.00 • 5 35.00 ■

■3 30,00 -2 3

¡¿25.00 -

5 20,00 ■ 1

15.00 • 10,00 ■ 5.00 -0,00 -

43.35

3547

- 2»,!>0 -

■ :ялч -

.31,72

<М»ргл€1б/Мо93»У Мо93Я/ (Ш93«/М«рглобУ Мо938/ Р2 П

МоУЗВ (М«рг;м£/Мо938) Мо»3» (КЬ93«ЛГ-рГлУ1) М.рглоб-'МоОЗв МоЭЗ&Марпюб

Рис б Процентное соотношение фенотипических классов

■Wvd ОтО . Вуач)

Р2 Мо938/ Марглоб

П Марглоб/ Мо938

Мо938/(Мо938/ Марглоб)

(Мо938/ Марглоб)/ Мо938

Мо938/ (Марглоб/ Мо938)

(Марглоб/Мо938У Мо938

0% 20% 40% 60% 80% 100%

содержание фенотилического класса,*/«

Таким образом, для изменения частота рекомбинации и целенаправленного увеличения выхода опредетенных рекомбинантиых форм целесообразно проводить возвратные скрещивания реципрокных гибридов с рецессивными гомозиготами

2 3 Влияние обработок регуляторами роста в компле! се со стрессовыми условиями развития семян Анализы, проведенные в лаборатории «Регуляторов роста и развита г растений» при кафедре биотехнологии МСХА, показали, что сорт Марглоб, Мо938 и гибрид р1 Марглоб/Мо938 значительно отличаются по содержанию отдельных групп гормонов в верхних частях растений в период появлеиит первых бутонов (~2-Чмм ), что соответствует началу мейоза При этом гибрид Р] отличался повышенным сод . канием АБК, ауксинов и цитокишшов

Было испытано четыре варианта обработок всо'сушек и прежде всего бутонов гибридных растении томата Марглоб/Мо938 1) чистой водой (контроль) по три мл на растение, 2)ССС (по три мт на растение 15% раствора), 3) Эпином (по три мл на растение, концентрация 0,25 мг д в в I мл раствора), 4) Митомишшом С (по одному мл на растение, концентрация раствора 50 мкг/мл ) В первых бутонах этих растений в момент обработки начинался или уже шёл процесс мейоза В каждом варианте использовалось по десять растений для анализирующих скрещиваний с Мо938

ССС (хлорхолинхлорнд) был выбран как фактор, призванныи сместить гормональный баланс гибридного растения в сторону уменьшения гиббереллинов по аналогии о <? Мо938 - гиббереллинзависимым карликом Ожидалось, что в потомстве увеличится доля растений с геном <1

Таблица 11

Изменение частоты рекомбинации гГи фенотипической структуры

популяции под влиянием экзогенных обработок

Фактор Кол-во растений Ид Доля фенотипнческого класса в поколении [\

\\ЧО \vvct

Контроль 312 30 45±2,86 041 0,17 0 14 0 29 0,46

Митомицин С 1419 30,94±1,33 0 40 0 17 0 13 0 29 0 46

Эпин 1014 31,09±1,69 0,39 0,19 0 12 0 30 0,49

ССС 846 29,78±1,55 0 35 0 15 0,15 0 35 0 50

Судя по результатам расщепления (таб И), нам действительно удалось увеличить долю растений с геном с1, но доля рекомбинантного класса с этим геном (Игус1) была меньше, чем в других вариантах Между тем при обработке ССС выживаемость рекомбинантиых классов и была одинаковой

так как, по-видимому, снизилась селективная элиминация рекомбинантиых растений (таб 11, рис 7)

Рис 7 Соотношение фенотипических классов в потомстве от. анализирующих скрещиваний по генам луу и с!

Эпин

£ ССС

Л

£ Мнтомицин С

о«

8 ..

Контроль

0% 104 20% 30% 40% 50% 60% • 70% «0% 90% 100% ! ' содержание фснотнпнчсского класса.%

I ВУУуР ПотР Е3\уу<)

1 1 I 1 1 -1 1 1 1 ххкх^хххяе»™ .2% I

1 1 •"

КХХ^ХХХИ)»« 1 15",. ^

! 1

1 1,1

^^ 1 Тч - 1 I • 1 1 1

Таким образом, обработка бутонов гибридов томата Митомицином С И Зпином позволяет увеличивать долю рекомбинантных карликовых растений, причём за счёт Эпина в несколько большей степени, чем за счёт Митомицина С. Наибольшие и статистически достоверные отличия по распределению долей фенотипических классов были между обработками Митомицином С и ССС, а также между обработками Эпином и ССС. Из данных таблицы 11 следует, что обработки бутонов томата, вступающих, в мейоз, препаратами Эпин, ССС й Митомицин С-не приводят к статистически достоверным изменениям частоть! рекомбинации. Однако с помощью обработок регуляторами роста гибридов р! можно изменить спектр рекомбинации (распределение долей фенотипических классов) (таб.И,рис.7).-Обработку препаратом ССС бутонов гибридов томата, содержащих ген с/, можно рекомендовать для увеличения выхода доли растений с этим геном в потомстве, • а также для "■ уменьшения элиминации рекомбинантных растений.

ВЫВОДЫ:

. Подтверждено, что максимальное количество пыльцы в цветке предопределяется условиями температуры во время закладки материнских клеток пыльцы. Количество функционально активной пыльцы , может сократиться как за счёт уменьшения её. количества, так и за счёт снижения качества (фертильности и выполненности).

2. Количество пыльцы в цветке варьирует в зависимости как от номера кисти, так и положения цветка на кисти. С увеличением порядкового номера цветка на кисти, количество пыльцы в нем, как правило, уменьшается.

3 Межвидовые гибриды воспроизводят особенности репроду ктивнпи системы дикорастущих форм, проявляя в большинстве случаев гетерозисньш эффект по пыльцевой и семенной продуктивности

4 Как в межвидовых, так и во внутривидовых скрещиваниях i ¡зависимо от достоверности различий по частоте рекомбинации выявлены генотипические отличия гибридов F), имеющих сбщую материнскую форму, по распредетению долей фенотипических классов в F;, в том числе и рекомбинантных

5 Отмечено уветичение выхода одного из рекомбинантных кпссов -карликовых растений в скрещивании Мо9^8/Л с se var ctrasifnrnie по (.равнению с Мо938/Марглоб в зависимости от устовий внешней среды

6 Показано изменение частоты кроссинговера у чежв< левых и внутривидовых гибридов в зависимости от изменений устовий внешней среды по годам При этом гснотипические отличия i ибридов Fi по частоте рекомбинации и распределению долей фенотипических классов в F; усиливались в годы с наименее благоприятными условиям.! выращивания В годы с близкими к оптимальным условиями выращивания генотипические отличия по частоте рекомбинации сглаживаются и перестают Сыт статистически значимыми Отаако различия по фенотипическим структурам популяций при этом сохраняются

7 За счет подбора компонентов скрешиванш1 можно целенаправленно увеличивать в потомстве внутривидовых и межвидовых гибридов дочи отдельных рекомбинантных классов

8 Установлены существенные различия по фепотипической структуре популяций н частоте кроссинговера в микроспорогенезе в реципрокных скрещиваниях Различий между полами по распределению частот фенотипических классов не обнаружено

9 Возможно изменение спектра рекомбинации (распредетения долей фенотипических классов) с помошыо обработок бутонов гибридов Fi регучяторами роста Эпшюм и ССС (хлерхо-.инхлеридом) Обработка бутонов гибрида F| ССС повышает жизнеспособность форм с геном d в F.

РЕКОМЕНДАЦИИ:

1 Среднее для кисти количество пыльцы в цветке мо кно рассчитать на основе данных по первому и последнему цветку кисти Для этой цечи мы рекомендуем использовать средние по расположению на кисти цветки, собранные в один день

2 Для изменения частоты рекомбинации и целенаправленного уветечения в потомстве доли отдельных рекомбинантных классов предлагается использовать генотипические отличия как межвидовых, так и внутривидовых гибридов, имеющих общую материнскую форму

3. Для изменения частоты рекомбинации и целенаправленного увеличения выхода определённых рекомбинантных форм целесообразно проводить возвратные скрещивания рецнпрокных гибридов с рецессивными гомозиготами. ,

4. Для увеличения выхода доли растений с геном карликовости d в потомстве и для уменьшения элиминации рекомбинантных генотипов предлагается проводить обработку бутонов соответствующих гибридов препаратом ССС. •

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

.1. Генетические маркеры в модели гетерозиготности томата / Кирцова М.В., Иванова C.B., Долгодворова Л.И., Толстова О.В. //Тез. докл. междунар. конф. «Молекулярно-генетические маркеры растений».-Киев,1996.-С.22-23.

2. Смиряев A.B., Мартынов С.П., Толстова О.В. Прогноз гетерозиса и сравнение гетерозиготности гибридов Fj с помощью евклидова расстояния. // Изв. ТСХА.-1999,-Вып.З.-С.51-57.

3. Толстова О.В. Изменение показателей репродуктивной -системы гибридного растения//Докл. ТСХА.-1999.-Вып.270.-С.165-170.

4. Толстова О.В. Системы скрещиваний и возможности влияния на них путём гибридизации //Тез. докл. науч. сессии «Новые методы селекции и создание адаптивных сортов сельскохозяйственных культур: результаты и перспективы».-Киров, 1998.-С.76-78.

5. Толстова О.В. Характеристика некоторых признаков репродуктивной сферы межвидовых гибридов томата // Тез. докл. Междунар. конф. «Проблемы интродукции растений и отдалённой гибридизации».-М.,1998, -С.471-472.

6. Характеристика гормональной системы гибрида томатов и его родительских форм в связи с морфологическими особенностями / Карсуккина Н.П., Скорсбогатова И.В., Захарова Е.В., Толстова О.В., Карлов Г.И.// Тез. докл. V междунар.конф. «Регуляторы роста и развития растений».-М.,1999,-С.32-33. "

Объем 1 25 п л

Заказ 31

Ттаж 100

Типография Издатечьсгва ЧСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул, д 44