Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние мутации в пластоме на эффект гетерозиса и формирование признаков растений

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Влияние мутации в пластоме на эффект гетерозиса и формирование признаков растений"

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ГЕНЕТИКИ И ЦИТОЛОГИИ

На правах рукописи

ЗИНОВАТНАЯ(Дурнеаа ) Галина Николаевна УДК 575.24: 575.125

ВЛИЯНИЕ МУТАЦИИ В ПЛАСТОМЕ НА ЭФФЕКТ ГЕТЕРОЗИСА И ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ РАСТЕНИЙ

03.00.15-генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Минск 1996

Работа выполнена в отделе молекулярной генетики НИИ Биологии Ростовского орден? Трудового Красного Знамени государственного университета.

Научные руководители: кандидат биологических наук,

Ю.Д.Белецкий ; доктор биологических наук, профессор Е.П.Гуськов

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, О.Г. Давыденко; кандидат биологических наук, B.C. Анохина

Оппонирующая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет

Защита диссертации состоится "Лк" ЛЛЬЛ...... 199в года в

часов на заседании совета Д.01.31.01. по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических наук, по специальности 03.00.15 - генетика в Институте генетики и цитологии АН Беларуси по адресу: 220072, Минск, ул. Ф. Скорины, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной

библиотеке им. Я. Коласа.

»

Автореферат разослан д." 199(3 года

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, к.б.н.

Е.В.Лобанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Удобными моделями для выяснения влияния наследственных факторов пластид на экспрессию количественных признаков и реализацию эффекта гетерозиса могут служить маркированные на уровне фенотипа пластомные мутанты, имеющие идентичные геномы и различные пластомы, и созданные на их основе гибриды. В отделе генетики НИИ Биологии РГУ под руководством Ю.Д. Белецкого создана значительная коллекция хлорофилльных пластомных мутантов подсолнечника. индуцированных М-нитрозо-Ы-метилмочевиной. С помощью гибридологического анализа и других методов доказана плаотомная природа ;,;утпцнй ряда мутпнтиму линий подсолнечника, в том числе использованных нами в эксперимент* двойных мутанткых линий сЫоппа и зеленых ревертантов. Однако практически не изучено влияние мутации в пластоме на эффект гетерозиса у гибридов по морфофизиологи-ческим признакам, характеризующим рост и продуктивность растений. До сих пор остаются фрагментарными исследования по выяснению роли мутантного пластома в детерминации морфологических, физиологически* и биохимических признаков. Решение этих проблем актуально в теоретическом плачз для понимания механизмов участия генетического '.•эгериала пластид в эффекте гетерозиса и формирозамии количественных признаков, а в практическом - для более эффективного использования мутационной изменчивости пластома с сочетании с гибридизацией з гетерозисной селекции подсолнечника.

Связь работы с крупными научными программами и темами. Работа выполнена з соответствии с темой № 34.15/10 34.23/1.0 34.15.23 34.23.19 "Изучить молекулярные основы организации и функционирования генетического материала пластид и его взаимодействия с ядром в норме и при экстремальных состояниях"- по программе ГКНТ СССР ' 0.74.05.

Цель и задачи исследования. Целью исследования явилось изучение влияния мутации в пластоме на эффект гетерозиса и формирование

количественных признаков у гибридов подсолнечника.

В задачи исследования входило:

- изучить влияние мутантного лластома, ядра и их взаимодействия на формирование морфофизиологических признаков у межмутантных гибридов подсолнечника;

- установить типы наследования морфофизиологических признаков у гибридов первого, второго и третьего поколений;

-2- исследовать роль мутантного пластома в детерминации эффекта гетерозиса у гибридов по морфофизиологическим признакам, определить частоту и степень его проявления;

- провести оценку общей и специфической комбинационных способностей линий и гибридов по морфофизиологическим признакам;

- изучить взаимосвязь между ОКС и СКС и проявлением эффекта гетерозиса у гибридов;

- изучить влияние мутантного пластома на формирование и наследование параметров фотосинтетического аппарата у рецилрокных межмутантных гибридов подсолнечника;

- исследовать влияние мутантного пластома на эффект гетерозиса по параметрам фотосинтетического аппарата и определить его связь с гетерозисом по продуктивности;

- установить особенности наследования и проявления эффекта гетерозиса по содержанию запасных липидов и жирнокислотному составу семян у межмутантных гибридов.

Научная новизна полученных результатов. В результате исследований впервые установлены:

- эффект гетерозиса у гибридов по ряду морфофизиологических. физиологических и биохимических признаков, обусловленный главным образом мутационными различиями в пластомах при идентичных ядрах скрещиваемых мутантных линий;

- достоверное влияние мутантных пластомов на формирование признаков, связанных с семенной продуктивностью, функциональной характеристикой фотосинтетического аппарата, накоплением запасных липидов и жирных кислот семян подсолнечника;

- специфическое влияние мутантных пластомов на ОКС и СКС в зависимости от родительских линий, комбинаций скрещивания и изучаемого признака;

- некоторые физиологические предпосылки, закладывающиеся на уровне органелл (пластид) для реализации обусловленного влиянием пластома эффекта гетерозиса по продуктивности на организменном уровне.

Практическая значимость полученных результатов. Выделены доноры отдельных хозяйственно-ценных признаков и их комплекса. Получены гибриды Р^ Рз и Рз, обнаружившие высокую частоту и степень гетерозиса по морфофизиологическим признакам, обусловленного главным образом влиянием мутантного пластома. Доказанная сопряженность изменчивости содержания хлорофиллов с массой семянок корзинки мо-

жет быть использована для прогнозирования потенциальной продуктивности мутантных линий и гибридов подсолнечника. Работа расширяет представления о возможных механизмах участия пластома в реализации, гетерозиса у гибридов и формировании количественных признаков.-

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: Мутантный пластом оказывал достоверное модифицирующее влияние:

на экспрессию у межмутантных 'гибридов ряда признаков: диаметра корзинки, массы 1000 семянок, массы семянок корзинки, содержания хлорофилла в листьях, жирных кислот и запасных липидов семян;

на степень и частоту проявления гетерозиса у гибридов по количественным признакам;

на комбинационную способность (ОКС и СКС) родительских линий и гибридов по морфофизиолсгическим признакам.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертации получены самостоятельно, в разделе 3.4. диссертации приведены данные совместных исследований с И.И. Улитчевой, К.А. Фоменко, Н.З. Титовой, в разделе 3.6 - с B.C. Лысенко.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации доложены на Всесоюзном совещании "Химический мутагенез ь создании устойчивости к болезням у культурных растений" (Москва, 1988), на Всесоюзной научной конференции "О итоге нетика высших растений" (Кишинев, 1989), на Всесоюзном совещании "Создание новых сортов сельскохозяйственных культур на основе химического мутагенеза" (Москва, 1990), на IV Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений, животных, человека" Кишинев, 1991), на VI съезде ВОГиС (Минск, 1992), на 1 съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Саратов, 1994), на III Европейском симпозиуме по биотехнологии подсолнечника (Эбернбунг, Германия, 1995)

Опубликованность результатоз. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 219 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы. описания объектов и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, выводов и списка использованной литературы, включающего 442 наименования, из которых 284 - иностранных. Работа содержит 24 таблицы и 5 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Материалы и методы исследования. Объекты исследования - пря-

мые и обратные гибриды Fn , F2 и F3 подсолнечника (Helianthus annu-us L.), полученные при скрещивании по полной диаллельной схемз семи родительских линий из коллекции отдела генетики НИИ Биологии РГУ. Родительские линии представлены линиями двойных желто-зеленых пластомных мутантов chlorina - линии №2, №3, №4; зеленых ревертан-тов - линии №1, №5, зелеными инцухт-линиями №6 и №7, немутантной природы. Контролем служили исходные пластомные хлорофилльные мутанты en:chlorina-1 (1-24), en:chlorina-7 (2-43) и зеленая инбред-ная линия 3629. Линии en:chlorina-1 и en:chlorina-7 индуцированы от зеленой инбредной линии 3629 после обработки семянок 0,01% и 0,02% раствором М-нитроэо-С>(-метилмоче8Ины (НММ) соответственно (Разорителева и др., 1970). Линии двойных пластомных мутантов chlorina №2, Ns3, №4 индуцированы от пластомного мутанта en.cblori-па-7 (2-43) воздействием 0,02% НММ, зеленый ревертант №5 - 0,02% НММ и 5 х 10"3 М кофеина. Линия зеленого ревертанта №1 индуцирована 0,02% НММ от пластидного мутанта en:chlorina-1 (1-24) (Улитче-ва, 1987). Исходные мутантнЫе линии, двойные мутантные линии chlorina и зеленые ревертанты удовлетворяют общепринятым критериям пластидной наследственности, имеют идентичный с зеленой инбредной линией 3629 ядерный аппарат, а отличаются от нее и между собой му-тантными пластомами (Разорителева и др., 1970; Улитчева, 1987, Белецкий, 1989).

Родительские линии, прямые и обратные гибриды Ft , F2 и F3, инбредную линию и исходные мутанты выращивали в полевых условиях по типу селекционного питомника. Повторность опытов - трехкратная.

, В фазу бутонизации в листьях среднего яруса мутантных линий и гибридов подсолнечника спектрофотометрическим методом определяли содержание хлорофиллов а, Ь, их сумму и отношение (Гавриленко и др., 1975), содержание прочно связанных хлорофиллов а и b (Мениц-кая, 1983). Методом световой микроскопии и морфометрии определяли площадь поперечного 'сечения клеток в палисадной и губчатой тканях листа, количество, диаметр и • общую фотоактивную поверхность хло-ропластов в клетке (Мокроносов и др., 1974).

В фазу полного созревания определяли высоту стебля растений, диаметр корзинки, массу семянок корзинки, массу 1000 семянок.

Определение запасных липидов в семянках линий и гибридов подсолнечника проводили по методу обезжиренного остатка (Рушковский. 1957). Переэтерификацию липидов и разделение метиловых эфиров жирных кислот осуществляли методом колоночной газовой хроматографии

на хроматографе "Цвет-560" {Митрука, 1978),

У гибридов Р^, и определяли степень доминантности количе-

ственных признаков (Федин и др.. 1980). Учитывали степень гетерозиса истинного, гипотетического и по отношению к инбредной линии 3629. Определяли частоту проявления гетерозиса в % к числу комбинаций, в которых линии участвовали в качестве матери. Оценивали статистическую достоверность показателей гетерозиса (Омаров, 1975). Вычисляли коэффициенты линейной корреляции, детерминации (Доспехов, 1985), коэффициенты наследуемости количественных признаков а узком и широком смысле (Федии и др., 1980). Осуществляли оценку общей и специфической комбинационных способностей по морфо-физиологическиы признакам по грстьсг'у методу Гриффинга, модель первая (в^лд, 1956). Проводили дисперсионный анализ зсЬфектов комбинационной способности, определяли их стандартную ошибку, ва-риансы ОКС и СКС.

Результаты исследований и обсуждение. Эффект мутантного плас-тома, ядра и их взаимодействия на экспрессию морфофизиологических признаков проявлялся дифференцированно в различных комбинациях скрещивания и зависел от изучаемого признака. Достоверные различия по морфофизиологическим признакам у реципрокных гибридов и однотипная изменчивость признаков вне зависимости от ядерного генома свидетельствовали о преимущественно лластомном влиянии. Отсутствие достоверных реципрокных различий указывало на основную роль ядерных генов а формировании признаков. Неоднозначнее влияние, мутантного лластома в сочетании с различными ядерными геномами на выраженность признаков было обусловлено геном-лластомным взаимодействием.

У большинства межмутантных гибридов выраженность признака "высота стебля" не зависела от направления скрещивания и контролировалась в основном ядерными генами. У ряда гибридов установлены статистически значимые реципрокные различия по высоте стебля, обусловленные мутационным изменением п пластомах (№2х№4, №4х№2, ЫаЗхМгб, №5х№3). Неоднозначное влияние мутантного пластома некоторых линий на экспрессию высоты стебля а различных генотипических сре дах указывало на существенную роль геном-пластомного взаимодействия в формировании этого признака (№4х№6, №4х№7) (рис. 1).

Достоверные реципрокные различия по диаметру корзинки у гибридов, полученных от скрещивания пластомных мутантных линяй

1 2 1*31 41 51 61 7232*42*52*62*7343*53637454*6 4*7 5*65767 - прямые гибриды - обратные гибриды

Рис.1. Высота стебля рецилрокных гибридов Р, подсолнечника Цифры под столбцами - материнские линии гибридов. * • достоверные реципрокные различия при Р=0,95. сМоппа между собой (№2х№4, №4х№2. №3х№4, №4х№3) и зелеными ре-вертантами (№1х№2. №2х№1, №1х№4, №4х№1, №2х№5, №5х№2) были обусловлены главным образом дифференцированными эффектами мутантны* пластомов (рис.2). Существенный вклад в увеличение диаметра кор-

1*2 1*31*4 1 5 1 61 7 2 3 2*4 2*5 2*6 2*7 3*4 3*5 3*6 3*7 4*5 4*6 4*7 5*6 5 7 6*7

прямые гибриды - обратные гибриды

Рис.2 Диаметр корзинки реципрокных гибридов Р1 подсолнечника Цифры под столбцами - материнские линии гибридов. * - достоверные реципрокные различия при Р=0,95. зинки внесли пластогейы линий зеленых ревертантов №1, №5.

Существенные реципрокные различия по массе 1000 семянок и массе семянок корзинки у большинства гибридов, от скрещивания линий пластомных мутантов (№1х№2, №2х№1. №2х№4, №4х№2, №3х№4. №4х№3), определялись преимущественно мутантными пластомами (рис.3. рис.4). Обусловленные влиянием пластома достоверные различия по типу наследования морфофизиологических признаков, выявленные у реципрокных гибридов Р1 , сохранялись в ¥2 и Р3 .

При объяснении полученных результатов, мы учитывали полиген-

1*2 1*3 1*4 1*5 1 61 72 3 24 2*52*62*7 3*4 3*5 3*63*7 4*5 4*6 4*7 5*6 5*7 6*7

- прямые гибриды ЩЩ - обратные гибриды

Рис.3. Масса семянок корзинки реципрокных гибридов Р-, подсолнечника

Цифры под столбцами - материнские линии гибридов. * - достоверные реципрокные различия при Р=0,95,

1*2 1*3 1*4 1 5 1 61*7 2 3 2*л 2*5 2*6 2*7 3*4 3*5 3*6 3*7 4*5 4*6 4*7 5*6 5*7 6*7

- прямые гибриды

обратные гибриды

Рис.4. Масст 1000 семянок реципрокных гибридов Р-( подсолнечника Цифры под столбцами - материнские линии гибридов, * - достоверные реципрокные различия при Р=0,95. ный характер детерминации морфофизиологических признаков, определяемый генетическими системами ядра и цитоплазмы. Очевидно, внутренняя сбалансированность этой системы полигенов настолько велика, что мутационное изменение пластогеноа, оказывает влияние н<з только на фенотипическое проявление одного признака (окраску растений), но и на всю систему, затрагивая другие признаки. Исходя из этих представлений, мы полагаем, что, вероятно, возможен механизм прямого, двойного (геном-пластомного) кодирования признаков и модифицирующего влияния пластома на экспрессию ядерных генов, контролирующих их формирование.

В ?! преобладающим типом наследования морфофизиологических признаков явился гетерозис, а Р2 и Р3 • доминирование показателей

родительских линий. У одних гибридов он отмечен по единичным признакам, у других (в - 50% от общего числа) - по их комплексу.

Впервые установлен эффект гетерозиса, обусловленный главным образом только мутационными различиями в пластомах у гибридов, полученных при скрещивании линий, с идентичным ядерным геномом и различными пластомами (сЫоНпа х зеленый ревертант, зеленый ревертант х сЫоппа, сЫоппа к сЫоппа ). Высокое достоверное влияние мутантного пластома на эффект гетерозиса в Р1 по высоте стебля отмечено у 20% гибридов, по диаметру корзинки - у 45%, по массе семянок корзинки - у 70% и массе 1000 семянок - у 35% от общего числа указанных комбинаций скрещивания. Выделены гибриды Я-), полученные от скрещивания зеленых ревертантов с сЫоппа (№1х№3, №1х№4) и сЫоппа между собой (№2х№4, №3х№2), у которых пластогены материнских линий внесли существенный вклад в эффект гетерозиса по морфофизиологическим признакам и обеспечили высокую степень его проявления по семенной продуктивности (рис.5). Эти

Степень гетерозиса, % Степень гетерозиса, %

Рис.5. Проявление гетерозиса у гибридов Р-| по морфофизиологическим признакам

Примечание. Степень гетерозиса достоверна при Р=0,95

гибриды по массе семянок корзинки превысили зеленую инбредную линию 3629 соответственно на 525,8%, 458,1%, 120,6% и 34,8%. Высокий уровень гетерозиса по массе семянок корзинки, обусловленный влиянием мутантного пластома, отдельные гибриды сохранили в Р2 и Р3 (№2х№4, №3х№2).

У ряда гибридов, полученных при скрещивании линий, с различ-

ными геномами и пластомами (зеленый ревертант х зеленая инцухт-линия - №1х№6, №6х№1, №1х№7, №7xNa1), основная роль в проявлении эффекта гетерозиса принадлежала ядерным генам. У других гибридов (chlorina х зеленая инцухт-линия и обратные - №2х№7, №7х№2) отмечен гетерозис, обусловленный геном-пластомным взаимодействием.

Исходя из точки зрения общей концепции генетического баланса (Турбин, 1961), мы учитывали сложнь1й характер явления гетерозиса, включающего в себя взаимодействия между геномом и плаэмоном а также в пределах генетических систем цитоплазмы. Мы полагаем, что у гибридов, полученных на основа пластомных мутантов, возможно опосредованное участие пластома в реализации эффекта гетерозиса на межгеномном уровне через систему генов-модификаторов. Генетичэская информация ядра, преадаптированная к одному типу пластома, при гибридизации, очевидно, иначе реализуется в другой цитоплаэматичес кой среде. Вероятно, под влиянием "чужеродного" мутантного пластома изменяется экспрессия ядерных генов. Полученные результаты позволяют высказать предположение, что гетерозис, обусловленный введением ядра в "чужеродный" пластом, по своему механизму может быть обусловлен теми же причинами, что и длительные модификации, цито-плазматическая природа которых была показана на широком круге объектов (Давыденко, 1989; Полянский, 1991).

Эффекты ОКС и СКС были в основном высокодостоверны и принимали как положительные, так и отрицательные значения (табл.1, табл.2). Высокие значения высоты стебля устойчиво передавали большинству гибридов мутантные линии №1, №2; диаметра корзинки - линик №5; массы 1000 семянок - линии №1, №2, №5; массы семянок корзинки - линии №1, №5, №7. Линии зеленых ревертантов №1 и №5, имеющие высокие положительные оценки ОКС по комплексу хозяйственно-ценных признаков, могут использоваться в качестве исходных форм при селекции урожайных гибридов. Перспективны комбинации скрещивания характеризующиеся высокими значениями СКС по высоте стебля-№5х№2, №7х№3; по диаметру корзинки - №4х№1, №4х№3, №5xNa1; по массе 1000 семянок - №4х№1, №7х№2; по массе сэмянок корзинки - №3xNal, №4х№1, №5х№1.

Отмечено как положительное, так и отрицательное влияние пла-стомов на ОКС н СКС в зависимости от родительской пинии, комбикз-ции скрещивания и изучаемого признакз. Специфическое влияние му-тантных пластомов на комбинациенную способность родительских линий обусловило реципрокные различия по проявлению эффекта гетерозиса

Оценка эффектов общей (д/), констант специфической (¡»ф. вариачс общей (сд() и

Л2 г г

специфической (03,) комбинационных способностей, коэффициентов наследуемости (Н

по морфофизиологическим признакам

А А А2 а2 2 2

Ли- в/у 9/ С9/ Н

нии линии

' 1 и 2 3 | 4 _ 5 _ ■ 6 7

высота стебля

1 - 6,07** 4,96 26,76 0,74 0,19

2 -8,42** - 11,92** 141,06 91,96 0,97 0,73

3 0,65 0,41 1,95 2,70 29,23 0,73 0,11

4 6,13** -14,65** 5,02* - 5,75** 31,95 64,32 0,91 0,45

5 0,53 13,06** 7.08** -5,32** - - 6,37** 39,51 120,83 0,94 0,37

6 6,72* 2,62 - 2,36 8,23** -19.70** - - 9,88** 96,59 96,28 0,96 0,64

7 -5,61** 6,98** 10,60** 0,59 4,35* 4,49* - 2,05 3,10 36,86 0,77 0,11

диаметр корзинки

1 - 0,03 - 0,10 0,82 0,34 -0,11

2 -1,72"* - 0,37 0,03 1.18 0,50 0,02

3 -0,12 - 0,93 - - 1,64** 2,57 0,68 0,83 0,73

4 1,63* - 0,76 2,01** - 1,81** 3,17 1,70 0,87 0,68

5 1,53* 1,02 • 0,47 -2,43** - 2,82** 7,87 2,70 0,94 0,80

6 -0,93 2,31** 0,31 -0,03 - 2,39** - 0,12 - 0,09 1,52 0,52 -0,07

7 0,40 0,09 - 1,74** -0,41 1,77** 0,69 - 0,84** 0,60 0,42 0,57 0,42

*НСРс.05 Э/у = 4,13

*НСР,

0,01

Э;; = 5,53

'НСР

0,05 0,01

б;/ - 1.27

еысота стебля *НСР0 05 (§,у-%) = 6,43 *НСР0,05 9/ = 2. *НСР0 о, = 8,59 **НСР0 01 = 2,

диаметр корзинки *НСР0 05 = 1,96 *НСР0 05 д/ = О,

"НСР0 01 = 2,63 **НСР00, д, О

10 *НСРд о5 (Э/'-ду) = 5,07

81 **НСР0.01 Шр = 6.78

65 *НСР0 05 (д/-ду) = 0,99

86 **НСР0,01 (д/-ду) - 1,31

Оценка эффектов общей (д/). констант специфической (Б,у), варианс общей (од() и

2 2

специфической (о3() комбинационных способностей, коэффициентов наследуемости (Н

по показателям семенной продуктивности

Ли- л2 л2 2 2

а,у 9/ Од/ Н И

нии линии

... > 2 3 4 5 6 7

масса 1000 семянок

1 - 11,43** 130,53 39,05 0,99 0.86

2 - 5,75** - 6,30** 39,57 14.54 0,98 0,83

3 4,31** - 2,75" - 5,19** 26,76 20,79 0,98 0,71

4 7,90** - 1,18 -6,14** - 8,74** 76,29 23,14 0,99 0,66

5 - 1,49* 1,65* 4,15** 1,50* 6,00** 35,86 7,93 0,98 0,88

6 3,54** 3,12** -3,57** -3,84** -1,43* - 0,13 - 0.11 10,12 0,87 0,00

7 - 8,51** 4,92** 4,01** 1,76* -4,38** 2,19** - 2,67** 7,01 26.75 0,96 0,33

масса семянок корзинки

1 - 13,22** 173.38 152,42 0,96 0,67

2 - 4,83* - - 7,45** 53,95 ' 127,79 0,93 0,42

3 8,18* -13,06** - •14,27* 201,38 56,20 0,96 0,85

4 12,08* - 2,04 1,98 - -19,33*" 372,22 26,90 . 0,98 0.94

5 10,53**' 7,30** -5,73* -5,33* - 10,85*" 116.23 44,89 0,94 0,79

6 4,37 7,01** 0,72** -3,36 -0,49 - 3.94*' 17,54 16 97 0,75 0,50

7 -21,60 20,22** 1,91 -3,34 8,33** -5,52 - 13,03" 168.17 183,91 0,97 0,62

*НСР0 05 Бу :

5/Г

1.41

•*ИСР001 8,7= 1 88

*НСР0 05 5(у=4.83 "НСР001 §,у=6.43

масса 1000 семянок

•НСР0>05 (ёу-ён) = 2,18 'НСРо.оя Ш - о.72 °*НСРоо1 {йу-ё1к) = 2,Э1 **НСР001 д/ = 0.65 масса "семянок корзинки

Л Л Л

*НСР0 05 (5,г3/к) = 7,47 *НСР0 об 9,- = 2,45 "НСР001 = 9.99 **НСР0.с1 9/ = 3.26

*НСР0 05 (д,-д,) = 1.09 *нсРо.о1 (д.-ау) ---1,46

*НСР0.о$ (Ш-9;) = 3.74

"НСРо.о, (дгд/; = 4,9Ь

у гибридов. Эффект гетерозиса отмечен у 'Гибридов, характеризующихся высокой положительной ОКС одной или обеих родительских линий, либо высокой СКС, либо их сочетанием. Гетерозис по морфофизиологи-ческим признакам в комбинациях скрещивания линий сЫоппа, отличающихся мутантными пластомами, определялся главным образом высокими положительными константами СКС. У гибридов зеленый ревертант х сЫоппа гетерозис был обусловлен преимущественно высокими положительными эффектами ОКС материнских лииий.

У большинства рвципрокных гибридов, от скрещивания линий, отличающихся только мутантными пластомами (зеленый ревертант х сЫоппа, разные сЫоппа между собой), установлены достоверные эффекты ппастомов на содержание хлорофилла а+Ь в 1 дм2 листа (табл.3). Отрицательное влияние на характер наследования содержания хлорофилла оказывал мутантный пластом линии сЫоппа №4. Положительное влияние мутантного пластома материнских линий на экспрессию признака "содержание хлорофилла а+Ь в 1 дм2 листа" отмечено у гибридов №1х№2, №2х№г4, №3х№4, показавших эффект гетерозиса. У отдельных родительских линий и гибридов установлен сдвиг соотношения хлоро-филлов а/Ь. вызванный снижением (№3, №3х№1, №4х№2) или увеличением содержания хлорофилла Ь (№2х№3, №3х№2).

Предположительно, мутантный пластом оказывал регуляторное влияние на функциональную активность ядерных генов, детерминирующих синтез ключевых ферментов биосинтеза хлорофилла а и контролирующих образование ферментов синтеза хлорофилла Ь. Хотя, не исключена возможность прямого кодирования пластомом ферментов промежуточных и заключительной стадий биосинтеза хлорофилла а.

Выявленная у родительских линий и гибридов высокая положительная корреляционная связь между содержанием хлорофилла а+Ь в 1дм2 листа и' массой семянок корзинки свидетельствует о значительном вкладе генетической информации пластид в продуктивность (табл.4). Высокие значения коэффициента наследуемости в широком смысле, корреляции и детерминации изученных признаков указывают на возможность использования содержания суммарного хлорофилла в качестве критерия для раннего прогнозирования (начало бутонизации) потенциальной семенной продуктивности линий и гибридов.

; У большинства гибридов выраженность признаков "площадь ассимилирующих клеток", "количество хлоропластов в клетке", "диаметр хлоропластов" в значительной степени определялась ядром. Однако у отдельных гибридов отмечено существенное влияние мутантного плас-

Таблица 3

Содержание хлорофилла в листьях мутантных линий и гибридов Р-| подсолнечника

Назва- От- Степень до-

ние Тип Содержание хлорофилла но- минантности

линии, ше- содержания

гибри- окраски в 1 дм* листа, мг ние хлорофилла

да а Ь а+Ь а\Ь а+Ь

1 зеленый 3,11+0,05 1.50 + 0.04 4,61:0,03 2,07

1x2 зеленый 3,9710,26 1,67:0.05 5,64:0.25 2.38 1,78

1x3 зеленый 2,41:0,03 1.2810,00 3,69:0,03 1.88 0,34

1x7 зеленый 3,72±0,09 1,80±0,02 5,52:0,11 2.07 7,28

2 сМоппа 0.78:0,04 1,18 + 0.02 1,96 + 0,04 0,66

2x1 сЫоппа 1,29^0,02 0,80:0,01 2,09*0.01 1,61 0.90

2x3 сЫоппа 1,43:0,05 1,87;0,01 3,30:0,02 0.76 17,7о

2x4 сЫоппа 1,70±0,01 1,77:0,03 3,4710,04 0.96 16,89

2x7 сЫоппа 0,97±0,03 0.67:0,04 1,64:0,06 1,45 - 1,27

3 сЫоппа 1,55±0,03 0,25:0,02 1,80:0,01 6.20

3x1 сЫоппа 2,09 + 0,08 0,49:0,04 2,58:0,09 4,28 - 0.44

3x2 сЫоппа 0,92±0,01 1,44 + 0,02 2,36±0,03 0,64 6,00

3x4 сЫоппа 1,28+0,04 0,81+0,02 2,09:0,02 1,58 20,33

4 сЫоппа 1,01+0,02 0,76 + 0,01 1,77:0,01 1,33

4x1 сЫоппа 1.21 ±0,09 0.84±0,04 2,05:0,12 1,44 - 0,80

4x2 сЫоппа 1,45:0,03 0.32:0.02 1,77-0.01 4.53 - 1,00

4x3 сЫоппа 0.96±0.08 0.3810.03 1.3410,09 2.53 - 2.96

4x6 сЫоппа 1,01:0.02 0 65-0.05 1.67:0.03 1.53 -1,10

5 зеленый 3.05:0.08 1.55:0.0Р 4.60:0.14 1.97 !

5x1 зеленый 3.22:0.15 1.80:0.22 5.02:0.38 1.79 83.00 !

5x4 зеленый 3.22:0.09 1.53:0.07 4.75:0.02 2.10 1.ц !

6 зеленый 3.10:0.04 1.32:0.00 4.42:0.04 2.35 1 1

6x1 зеленый 2.99:0.20 1,52:0.05 4.51:0.26 1.97 с,со |

6x2 зеленый 3.66:0.07 1.58:0 07 5.24:0,04 2.32 1.67 |

7 зеленый 2,54:0.09 1.79:0.01 4.33\0,09 1.42 I

7x1 зеленый 3,26:0,04 1,63:0,06 4,89:0,05 2 00 эхо !

7x2 зеленый 2.24:0.05 1.33 = 0.02 3,57:0,05 1,68 0,36 I

тома на формирование признаков "площадь ассимилирующих клеток листа" (№1х№3, №3х№1, №2х№3, №3х№2) и "количество хлоролластоа в клетке" (№2х№4, №4х№2).

Выделены гибриды, показавшие высокий уровень обусловленного эффектами мутантных пластомов гетерозиса по содержанию хлорофилла а+Ь в 1 хлоропласте - №1х№2 (80,45%), №2х№3 (119,41%); в 1 дм2 л;--ста - №2х№4 (86 56%). №2х№3 (75,53%); по нетто-продуктивности хлоропласта - №1х№3 (115,90%). Для большинства гибридов установлено совпадение гетерозиса на уровне органелл (пластид) по содержанию хлорофилла а+Ь с гетерозисом на организменном уровне по семенной

Таблица 4

Сопряженность изменчивости содержания хлорофилла в 1 дм2 листа и массы семянок корзинки у мутантных линий и гибридов ^ подсолнечника

Показатели Линии ? Линии с?1

1 2 3 4

Коэффициент 1 0,7?±0,19 0,71+0,20 0,87 + 0,14 0,99+0,04

корреляции 2 0,87±0,14 0,42±0,25 0,75+0,18 0,96±0,07

г±зг 3 0,94 + 0,09 0,96+0,07 0,92 + 0,11 0,98±0,20

4 0,95+0,09 0,86 + 0,14 0,96+0,28 0,87±0,14

Коэффициент 1 51,68 49,70 74,99 98,01

детермина- 2 75,00 17,64 57,14 93,26

ции, с1уХ, % 3 88,36 92,83 84,64 96,00

4 90,25 74,65 92,16 74,99

продуктивности. Потенциальной основой для проявления обусловленного влиянием пластома эффекта гетерозиса по продуктивности у гибридов явилось наследование содержания хлорофилла а+Ь в 1 хлоропласте и в 1 дм2 листа, нетто-продуктивности хлоропласта по типу положительного доминирования и сверхдоминирования.

Мутантный пластом оказывал существенное влияние на суммарное • накопление запасных липидов семян и количественное соотношение ненасыщенных жирных кислот. Подтверждением этому служит увеличение общего содержания липидов семян и олеиновой кислоты вследствие повторной мутации в пластоме у линий сЫоппа и зеленых ревертантов и достоверные реципрокные различия по характеру наследования этих показателей у созданных на их основе гибридов (рис.6, рис.7). Вы-ё?б0|----

< 144оч к.-] куа Е» (§».1Е.^;^ геяк^а и^щ^и^аЯ^Ш^1 36291-242-43 1 1x2 1x41x51x7 2 2x1 2x32x4 3 3x23x53x7 4 4x1 4x2 5 5x1 5x4 6 6x3 7 7x3 НСР0|5=1,1 % прип=10-12 линии и гибриды

Рис.6. Содержание запасных липидов в ядре семянок мутантных линий и гибридов подсолнечника делены гибриды, проявившие обусловленный пластомом эффект гетеро-.зиса по содержанию липидов семян - №2х№4, №3х№2, №5х№4 и олеиновой

100

80

60 40 20; 0,

Жирные кислоты. % от их суммы

1

гт

Л.

3629 2-43 1 1x2 1x4 1\5 2 2x1 2x3 2x4 3 3x2 4 4x1 4x2 5 5x1

ЛИНИИ II гибриды

,—- пальмитиновая стеариновая олеиновая линолевая

- кислота «ь25» кислота —^ кислота кислота

НСР0.5=3.0% при п= 10-12

Рис.7. Жирнокислотный состав запасных липидов семян пластом-ных мутантных линий и гибридов подсолнечника

кислоты - №2х№1, №2х№4.

Мы полагаем, что влияние пластома на биосинтез жирных кислот и запасных липидов семян заключается в регуляции активности структурных ядерных генов, ответственных за их синтез. Вследствие такого опосредованного влияния мутантного пластома, по-аидимому, произошло частичное ингибирование олеил-коА-десатуразы, катализирующей превращение олеиновой кислоты в линолевую.

Таким образом, мутзнтный пластом оказывал существенное влияние на формирование ряда морфологических и физиологических призна; ков и проявление по ним эффекта гетерозиса у гибридов.

ВЫВОДЫ

1. В результате скрещивания линий подсолнечника, несущих мутацию в лластоме. показано, что генетический контроль признаков характеризующих общий габитус растений и структурные особенности фотосинтетического аппарата, осуществлялся в основном ядром. Формирование признаков "диаметр корзинки", "масса 1000 семянок" и "масса семянок корзинки" определялось преимущественно пластомом.

2. В первом гибридном поколении по отдельным морфофизиологи-ческим признакам и их комплексу установлены высокая степень и частота гетерозиса, обусловленного главным образом мутзнтным пластомом. У ряда гибридов, полученных от скрещивания линий с идентичным ядерным геномом и различными мутантными пластомами (зеленый ревер-

тант х chlorina, chlorina x chlorina) в F2 и F3 сохранялся высокий уровень обусловленного влиянием мутантного лластома гетерозиса по семенной продуктивности.

3. Мутантный пластом оказывал как положительное, так и отрицательное влияние на ОКС и СКС в зависимости от родительских линий, комбинации скрещивания и изучаемого признака. Выделены родительские линии, обладающие высокой положительной ОКС, перспективные для использования в качестве доноров отдельных или комплекса хозяйственно-полезных признаков. Эффект гетерозиса по морфофизио-логическим признакам у гибридов F.) зеленый ревертант х chlorina обусловлен преимущественно высокими положительными эффектами ОКС материнских линий. В комбинациях скрещивания линий chlorina, отличающихся мутантными пластомами, гетерозис определялся в основном высокими положительными константами СКС.

4. Выявлены специфические эффекты мутантных плаетомов на экспрессию содержания хлорофилла а+Ь в 1 дм2 листа в различных комбинациях скрещивания. Высокие положительные значения коэффициента корреляции признаков "содержание хлорофилла а+Ь в 1 дм2 листа" и "масса семянок корзинки" позволяют использовать первый параметр как критерий для раннего прогнозирования потенциальной семенной продуктивности линий и гибридов подсолнечника.

5. У ряда гибридов F.) отмечено существенное влияние мутантного лластома на проявление гетерозиса по параметрам фотосинтетического аппарата. Физиологической предпосылкой для проявления обусловленного пластомом эффекта гетерозиса по семенной продуктивности явилось наследование содержания хлорофилла а+Ь в 1 хлоропласте и в 1 дм2 листа, нетто-продуктивности хлоропласта по типу положительного доминирования и сверхдоминирования.

6. Установлены достоверные реципрокные эффекты, связанные главным образом с влиянием мутантных пластомов на характер наследования общего содержания липидов и олеиновой кислоты в семянках межмутантных гибридов подсолнечника. Выделены гибриды, проявившие по указанным признакам, обусловленный пластомом эффект гетерозиса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

t Дурнева (Зиноватная) Г.Н., Улитчева И.И., Титова Н.З., Ба-чанцева C.B. О генетической природе адаптивных реакций мутантных линий подсолнечника к биотическим факторам // Всесоюз. науч. конф. " Онтогенетика высших растений" - Кишинев.-1989.-С.21-22.

2. Титова Н.З., Улитчева И.И., Бачанцева C.B., Дурнева (Зино-ватная) Г.Н. Изменение физиологических параметров повторных плас-томных мутантов // 6 Ростовская областная научно-практическая школа-семинар "Механизмы адаптации животных и растений к экстремальным факторам среды" - Ростов-на-Дону.-1990.-С.225.

3. Дурнева (Зиноватная) Г.Н., Улитчева И.И.. Титова Н.З., Бачанцева C.B.. Фоменко К.А., Кураева Н.Х. Хозяйственно ценные му-тантные линии подсолнечника, индуцированные химическими мутагенами у пластидных мутантов // Извест. СКНЦ ВШ. Серия "Естественные науки". - 1990.-№3.-С.35-40.

4. Дурнева (Зиноватная) Г.Н., Улитчева И.И.. Бачанцева C.B.. Титова Н.Э. Влияние мутантного пластома на экспрессию признака за-разихоустойчивости у подсолнечника // 4 Ьсес. науч. • конф. "Экологическая генетика растений, животных, челозека" - Кишинев.-1991 -С.110.

5. Улитчева И.И., Титова Н.З., Бачанцева C.B., Дурнева (Зиноватная) Г.Н. Адаптивные реакции повторных мутантов подсолнечника при многократном воздействии солей II 4 Всес. науч. конф. "Экологическая генетика растений, животных, человека" - Кишинев.-1991,-

С.196 '_

6. Дурнева (Зиноватная) Г.Н., Улитчева И.И., I Белецкий Ю.д! Гуськов Е П. Влияние мутантного пластома на экспрессию морфофизио-логических признаков у гибридов подсолнечника // Г енетика.-1994,-Т.30. №4.-С.495-501.

7. Зиноватная (Дурнева) Г.Н. Влияние мутантного пластома на формирование морфофизиологических признаков и проявление эффекта гетерозиса у гибридов подсолнечника // Генетика. - 1994. - Т.30 Прил..- С.56.

8. Дурнева (Зиноватная) Г.Н., Улитчева И.И.. Титова Н.З., Бачанцева C.B.. Лысенко B.C. Характеристика перспективных по селекционно-ценным признакам мутантных линий подсолнечника // Генетика и селекция растений на Дону, Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ.- 1995.-

С. 123-130

9. Зиноватная (Дурнева) Г.Н., Улитчева И.И.. Гуськов Е.Г). Комбинационная способность пластомных мутантных линий подсолнечника и проявление эффекта гетерозиса по количественным признакам у межмутантных гибридов >/ Генетика.-1995.-Т.31, №12.-С.1671-1678.

-18 -РЭЗЮМЭ

Зжаватная (Дурнева) ГалЫа Мкалаеуна Уплыу мутаци у пластоме на эфект гетэрозюа \ фарм1раванне прыкмет раслЫ.

Ключавыя словы: мутацн, пластом, гетэрозю, пбрыды, ревер-танты, камбжацыйная здольнасць, хлорапласт, хларофш.

Паказан дакладны уплыу мутантных пластомау на выяуленне мар-фалапчных, ф1з1ялапчных I бшхшчных прыкмет сланечнжа. Выпучены пбрыды, яюя праявш1 па колькасным прыкметам гетэрозю, абумоу-лёны галоуным чынам мутацыйным1 адрозненням1 у пластомах пры элэнтычных ядрах. Адзначан як станоучы, так 1 адмойны уплыу мутантных пластомау на агульную камбжацыйную здольнасць (АКЗ) I спщыфЫную камбЫацыйную здольнасць (СКЗ), 9 залежнасц! ад баць-коусюх лжм на камбшацьн скрыжавання I анапЬуемага прыкмета. Вывучана уза1масувязь пам1ж АКЗ 1 СКЗ праяуленням эфекта гетэро-З)са. Выказана меркаванне аб ¡снавання мадыфщыруюшчага уплыва му-тантнага пластома на эксперэЫю ядзерных генау. Марюраваныя на-узроуж фенатыпа пластомныя мутанты I межмутантные пбрыды сланеч-жка могуць служыць у якасц'| мадэл1 для вывучэння структуры ! функцьн пластыднай ДНК, для даследавання удзела пластома у дэт'эр-мжачьн эфекта гетэрозюа, межгеномнага узаемадзеяння пры фарм!ра-ванн1 прыкмет \ уласцшасцей раслин.

РЕЗЮМЕ

Зиноватная(Дурнева)Галина Николаевна Влияние мутации в пластоме на эффект гетерозиса и формирование признаков растений.

Ключевые, слова: мутации, пластом, гетерозис, гибриды, ревер-танты, комбинационная способность, хлоропласт, хлорофилл.

Показано достоверное влияние мутантных пластомов на проявление морфологических, физиологических и биохимических признаков подсолнечника. Выделены гибриды, проявившие по количественным признакам гетерозис, обусловленный главным образом мутационными различиями в пластомах при идентичных ядрах. Отмечено как положительное; так и отрицательное влияние мутантных пластомов на общую комбинационную способность (ОКС) и специфическую комбинационную способность (СКС) в зависимости от родительских линий, комбинации

скрещивания и анализируемого признака. Изучена взаимосвязь между ОКС и СКС и проявлением эффекта гетерозиса. Высказано предположение о существовании модифицирующего влияния мутантного пластома на экспрессию ядерных генов. Маркированные на уровне фенотипа плас-томные мутанты и межмутантные гибриды подсолнечника могут служить моделями для изучения структуры и функции пластидной ДНК, для исследования -механизмов участия пластома в детерминации эффекта гетерозиса, межгеномных взаимодействий при формировании признаков и свойств растений.

Keywords: mutations, plastome, heterosis, hybrids, revertants combining ability, chloroplast, chlorophyll.

Significant effects of mutant plastomes on morphological, physiological and biochemical traits of sunflower were shown. Hybrids with identical nuclei exhibiting heterosis caused by mutation differences in . plastomes were selected. Both positive and negative effects of mutant plastomes on general combining ability (GCA) and specific combining ability (SCA), depending on parental lines, cross combination, and the trait analyzed, were demonstrated. The relationship between GCA and SCA anc the manifestation of heterosis was studed. A modifying effect of mutant plastome on the expression of nuclear genes is hypothesised. Plastome mutants marked at a phenotype level and intermutant sunflower hybrids may be used as the models fcr studing the structure and function of plastid DNA, for research the mechanisms of plastome involment in control of heterosis, intergenome interactions under formation of plants traits and properties.

Summary

Zinovatnaya ( Durneva } Galina Nikolaevna Influence of plastom mutation on effect of heterosis and formation of plants traits