Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние почвенной засухи на рекомбинацию и селективную элиминацию рекомбинантов у томата

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Влияние почвенной засухи на рекомбинацию и селективную элиминацию рекомбинантов у томата"

РГБ ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-: ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Е И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

ЛИСОВСКАЯ Татьяна Павловна

УДК 575.116.12:58.032.3: : 635.64

ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОЙ ЗАСУХИ НА РЕКОМБИНАЦИЮ И СЕЛЕКТИВНУЮ ЭЛИМИНАЦИЮ РЕКОМБИНАНГОВ У ТОМАТА

(03.00.15 - генетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Штербург - 1994

Работа выполнена в Институте генетики АН РМ, г. Кишинев.

Научный руководитель - академик РАСХ, член-корр. АН России проф. А. А. Жученко.

Официальные оппоненты - доктор биологических "наук, проф. Л. И. Орел.; кандидат Отологических наук Т. А. Гавриленко.

Ведущее учреждение - ВНИИ селекции и семеноводства овощныэ культур, Московская обл.

Защита состоится "ХЗ" (^КЛ^оЛ 1994 г. в час. на зг седании Специализированного совета Д. 020.18.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических нау] по специальности 03.00.15 - генетика при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. И И. Вавилов; (г. Санкт-Петербург, ул. Герцена, 44).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского НИИ растениеводства им. Е И. Вавилова.

Автореферат разослан " н 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного'совета

Э. А. Гончарова

. - I. -ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема поиска и создания новых re- . оисточников культурных растений, обладающих повышенной адап-ивностыо к неблагоприятным условиям среды, требует расширения пектра доступной генотипической изменчивости (Нученко,1980). сновную роль в накоплении, преобразовании и высвобождении ге-етической изменчивости играот сцепление генов и кроссинговер Жученко,Король,1985). Однако существует ряд ограничений, зна-ительно сужающих спектр потенциальной рекомбинационной измен-ивости. Основными из них являются генетическая детерминация ровня и распределения кроссоверных обменов з геноме, положи-ельная интерференция. Сужают спектр доступной для селекционной аботы изменчивости также избирательная элиминация генотипов'на тадиях после прохождения кроссинговера и мейоза (Жученко,1980; ulcahy,1984).

Известно, что генетически детерминированный процесс peicoM-инации может значительно модифицироваться внешними и внутренний факторами '(Дишлер, 1983; йученко,Король,1985). Имеются мно-очисленные доказательства влияния экстремальных с точки зрения кологии факторов на рекомбинационные процессы. Особенно широко редставлены исследования температурных воздействий на рекомби-ацию (Wilson,1959; Henderson,1979; Гавриленко,1985). Данных о лиянии почвенной засухи (осмотического стресса) на рекомбина-ионные параметры у растений крайне мало. Ыэжду тем, засуха, аряду с температурой, является одним из основных лиштируших >• акторов среды, влияющих на мейоз (Whyte,l975). Засуха оказыва-г сильнейшее стрессовое воздействие на растение, изменяя гор- ' энальный баланс и метаболизм растений как во время засухи, так после ее прекращения (Wright,1978; Уоринг,Филипс,1984). Ис-эдя из того, что засуха является .в основном не контролируемым актором, который необходимо учитывать в экспериментальной и iлекционной работе, представляется целесообразным изучение пиния почвенной засухи на рекомбинацию и селективную элишна-яо.рекомбинантных генотипов у растений.

Дель и задачи исследования. Пель настоящей работы заклззча-сся в определении влияния почвенной засухи на частоту и спектр ;комбинационных обменов и элиминацию ре комбинатов у томата

[.усорегзюоп евси1епЬит МИ1. В соответствии с поставлен» целлю в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Изучить влияние почвенной засухи в период предмейоза мейоза томата на частоту крсссинговера в маркированных зон, генома

2. Оценить эффект засухи на распределение обменов по гено: на основании цитологического анализа частоты хиазм в диакинез' в том числе в идентифицируемых 1-ом и 2-ом бивалентах.

3. Сравнить параметры распределения количественных призн; ков в потомстве растений Р^ подвергшихся засухе в период пре, мейоза и мейоза, и в норме.

4. Исследовать влияние засухи на селективную элиминацию р| комОинантных генотипов после завершения мейоза: ка стадиях со; ревания пыльцы, роста пыльцевых трубок в тканях пестиков, также во время прорастания семян.

Шумная новизна и практическая значимость. Впервые устано: лено, что почвенная засуха в период предмейоза и мейоза раст! ний томата влияет на рексмбинационные процессы, причем наибол чувствительной к засухе является стадия предмейоза. Покаэаш что засуха в период предмейоза изменяет частоту и распределен; обменов по геному. Анализ характера распределения количестве! ньк признаков свидетельствует о том, что действие засухи прив< дит к расширению спектра изменчивости в потомстве гетерозигот условиях, уменьшающих селективную элиминацию на постмейотиче< ких этапах. Эти результаты могут использоваться в целях увел! чения рексмбинационной изменчивости, их необходимо учитыва: при проведении гибридологического анализа, при воспроизведет' сортов и линий томата в полевых условиях.

В работе ЕперБые применен новый подход к анализу изменен! распределения хиазм с учетом их интерференции в отдельных бив; лента:: хромосомного набора томата, предложенный Королем А.: Эго позволило установить, что засуха в предмейстический пери; у-жрсспорогекеза растений томата Р- (Коралл X Утро) иэменж распределение хиазм вдоль 1-го и 2-го бивалентов, идентифицир: емых цитологически, а также влияет ка интерференцию обыено)

Впервые изучено влияние засухи на селективную злиминащ генотипов после завершения мейоза у растений. Показано, ч^ действие засухи в период созревания пыльцы значительно снижи

- Э -

««неспособность пыльцы, не влияя на генотиг.ический состав по-гомствз (по исследованным генам). Установлено, что усиление таккуренции и засуха в период прорастания пыльцы в тканях пестика приводят к изменению генотипического состава полученного ютомства, увеличивая долю более жизнеспособных и засухоустойчивых генотипов.

В работе впервые использован ступенчатый отбс на адаптив-юсть к засухе на стадии прорастания семян. Ступенчатый отбор с гостепенным ослаблением интенсивности позволяет сравнить гекс-гилический состав устойчивой части популяции с полной выборкой.

Показано, что направление отбора на стадии роста пыльцевых 'РУбок и прорастания семян совпадает: отбор элиминирует е большей степени рекомбинантные генотипы, сужая спектр рекомОинаци-;нной изменчивости. Значительный вклад в засухсу: •ойчизость томата, по крайней мере ка стадиях роста пыльцевых трубок и се-1ян, вносит дистальная зона длинного плеча 2-ой хромосомы.

Полученные результату могут использоваться е целях отбора ¡асухоустойчивых генотипов на гаметсфитной стадии развития рас-■ений. их такте- необходимо учитывать в селекционной работе и в ^следованиях генетической рекомбинации.

Апробация работы. Материалы диссертации догладывались и об-;у?зались на республиканских конференциях молодых ученых (Киди-:эв,1934; Минск,1985;, всесоюзных конференциях: "Рекомбиногенез: то значение в .эволюции и селекци^"(К;'п:ннев,1935), "Экологичес-гя генетика растений и животкья'Ч Кишинев, 1087), республиканс-:сй конференции "Гаметная и зиготная селекция растений'Ч Киди-:ег,1085), У-ом съезде генетиков к селекционеров МэллавииС Еиеи-:ев,1537;,на заседании Ученого совета Института генетики АН РМ.

Пиликании. Основные материалы и положения диссертации из-:о.тэны в 4 статьях и Б тезисах.

Структура и сбьем работы. Диссертационная работа изложена a l?G страницах машинописного текста и состоит из следующих ■аггелов: введение, обзор литературы, материал и методы иссле-ованнй, две экспериментальные главы с описанием и обсуждением езультатов, выводы, практические рекомендации, Е.ключает 10 ри-унков, 25 таблиц, 17 микрофотографий. Список использованной итературы состоит из 304 источников, в том числе 227 на иност-акнкх языках.

- 4 -МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследований служили гибридные растения томата: Fj(УоЗЭЗ X ito504), гетерозиготные по маркерным генам aw, d (2-ая хромосома) и т-2, с (6-ця хр.), F^Mo 628 X Нистру), гетерозиготные по генам е, ful (4-ая хр.) и hl, а (11-ая хр.), а также межсортовой гибрид F1(Коралл X Утро).

' Растения Fj выращивали в вегетационных сосудах в контролируемых условиях при 80Z ППВ (полной почвенной влагоемкости). Перед .началом мейоэа в бутонах второй кисти влажность почвы в ■ опыте снижали до 40Х ППВ и поддерживали на этом уровне 6 суток, после чего возвращали к контрольному уровню влажности. У растений отмечали бутоны, которые подверглись действию засухи в период предмейоза, мейоза и после завершения мейоза. Часть бутонов фиксировали для цитологических исследований, другую оставляли до цветения. Пыльцу использовали в анализирующем скрещивании. Жизнеспособность пыльцы определяли по прорастанию на 202-ном растворе сахароза. Для снижения селективной элиминации гаыетофитов использовали опыление ограниченным количеством пыльцы. »Полученные популяции Fg и тесткроссов идентифицировали на стадии 3-4-ех настоящих листьев по маркерным признакам, одновременно измеряли количественные признаки: массу, высоту над-вемной части сеянцев, количество настоящих листьев.

Для цитологического анализа бутоны фиксировали в смеси этилового спирта и ледяной уксусной кислоты в соотношении 3:1, хранили в 7QX-HOM спирте. Частоту и распределение хиазм определяли в раннем диакинезе на давленых ацетокармкновых препаратах. Первый бивалент идентифицировали как самый длинный в наборе, на стадии диакинеза примерно 3/5 его длины составляет слабоокра-шенный эухроматин длинного плеча, эухроматиновая часть короткого плеча.практически неразличима, 2/5 длины всего бивалента составляет прицентромерный гетерохроматин. Второй бивалент несет в коротком плече ядрышковый организатор, в диакинезе связав с ядрышком. Таким образом, идентифицируются не только биваленты, но и их полярность относительно центромеры.

Оценку селективной элиминации на стадии прорастания сешу проводили по схеме "ступенчатого" отбора на засухоустойчивость. Засуху имитировали проращиванием семян на 0,2М растворе маннитЕ

- Б -

Математическую обработку данных проводили на ЭВМ СМ-4 по программам, разработанным в Институте генетики АН PH. Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием критериев Стыодента, Фишера и^ - квадрат (Доспехов, 1973).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Влияние засухи на частоту и распределение хиазм.

В качестве одного из рекомбинационных критериев использовали частоту хиазм на мейоцит. Данные цитологического анализа частоты хиазм у гибридных растений F^(í£> 393 X Ito 504) свиде-ствуют, что действие засухи в период мейоза и, в большей степени," предмейоза приводит к возрастанию средней частоты хиазм на мейоцит (соответственно, 18,88+0,27 и 19,79+0,32 по сравнению с 16,77+0,19 в контроле). Действие засухи в период предмейоза приводит к возрастанию доли мейоцктов с одним бивалентом типа "8" и появлению мейоцитов с двумя бивалентами типа "8"(рис. 1). Анализ распределения бивалентов с одной, двумя и тремя хиазмами показал достоверное отличие распределений в контроле и вариантах опнга.

Оценка влияния почвенной засухи в период предмейоза и мейоза растений Коралл X Утро) на частоту хиазм показала отсутствие значжых различий по средней частоте хиазм на мейоцит (17,89+0,39 И 17,45+0,45, соответственно при влиянии засухи на предмейоз и кейоз, 18,50+0,22 в контроле), однако действие засухи в период предмейоза привело к достоверному увеличению межклеточной дисперсии по частоте хиазм на мейоцит, что мояет привести к появлению как более, так и менее рекомбинантных генотипов з опыте по сравнению с контролем.

Внутри;- и медхромосомное распределение хиазм.

Возрастание среднего уровня и/или дисперсии частоты хиазм з целом на геном свидетельствует об увеличении доли более рекомбинантных особей в потомстве, однако особый интерес в целях точной оценки рекомбинационной изменчивости представляет анализ распределения обменов как меладу бивалентами набора, так и вдоль отдельных бивалентов. • •

У гибридных растений F1(Коралл X Утро) одновременно с оцен-

- о —

20 Ю

15 17 19 21 23 25 частота хиазм на мейоцит

р

Рис. 1. Распределение мейоцитов по частоте хиазм у гибридных растений томата ^ (Ш 393 X Мо 504): 1 - общая частота мейоцитов, 2 - частота с одним бивалентом типа "8", 3 - частота с двумя бивалентами типа "8". Здесь и на рис. 3: а - контроль, б -действие засухи в период мзйоза, в - действие засухи в период предмейоза.

сегменты хромосомы

I

• 2 3

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2. Типы бивалентов первой хромосомы в диакинезе. Окраской выделена гетерохроматиновая часть хромосомы.

кой общей частоты хиазм на мейоцит определяли частоту и распределение хиазм в идентифицируемых 1-ом и 2-ом бивалентах в норме и при действии засухи в период премейоза Средняя частота хиазм на бивалент в опыте (1,87+0,08 для первого бивалента, 1,38+0,06 для второго бивалента) была близка к контролю (соответственно, 1,90+0,07 и 1,36+0,05). Однако в контроле выявлена достоверная отрицательная корреляция между частотой хиазм в 1-ом биваленте и в остальных 11-ти бивалентах набора (г—0.39+0,10), во 2-ом биваленте и в остальных бивалентах набора (г- -0,23+р,11). В опыте коррелятивные связи ослабевают и становятся статистически незначимыми (г- -0.07+0,11 и -0,20+0,11, соответственно), что при>почти одинаковой средней частоте хиазм свидетельствует о перераспределении хиазм между бивалентами - в сторону более случайного распределения. Наличие отрицательной корреляции между частотой хиазм в первом, втором бивалентах и остальными бивалентами согласуется с гипотезой компенсаторного поддержания частоты хиазм Мазера (Mather,1936). Если межхромосомный эффект обменов контролируется генетически так же, как и обший уровень обменов в геноме, то, по-видимому, экзогенные воздействия могут нарушать эту закономерность.

Чтобы установить распределение хиазм вдоль хромосомы, мы условно разделили идентифицируемые биваленты по длине на три части (сегмента) и при просмотре цитологических препаратов определяли локализацию хиазм по сегментам. Поскольку число хиазм не превышает трех для первого бивалента и двух для второго (хиазмы в коротком плече, несущем ядрышковый организатор, как правило, отсутствуют [Moens,Batler,l962]), число различных конфигураций (сочетаний хиазм) для первого бивалента равно семи, для второго - трем (типы 1,3,5)(рис.2).

Частоту бивалентов с обменами в данном сегменте (р^ ,р2 ,р3) определяли на основании фактически полученных данных (табл.1) как отношение суммы бивалентов с обменами в данном сегменте к общему числу бивалентов. Расчет частоты бивалентов с обменами для трех сегментов показывает неравномерное распределение обменов вдоль хромосом, а различие частот обменов для одинаковых сегментов в вариантах контроля и опыта свидетельствует о перераспределении обменов между сегментами хромосом под воздействием стрессовых условий (табл.2).

Таблица 1

Влияние васухи на распределение бивалентов с различными сочетаниями обменов (хромосома 1)

Тип Контроль 1 Опыт '

бивалентаа |

$ 0 1 ф 0

1 4 10,1 12 9,8

. 2 1 3,0 0 2,3

3 15 8,4 15 10,4

4 19 8.5 9 6,3

5 25 24,0 23 28,4

6 5 7,0 7 6,7

7 1.2 20,0 16 18,1

Всего 81 81,0 . 82 82,0

X2 24,9* 6,8 1

а - Типы бивалентов, см. рис.2.

* - Отличие фактически полученного (Ф) распределения от теоретически ожидаемого (О) достоверно при Р<0,01.

Таблица 2

Частота образования хиазм в равных сегментах первого и второго бивалентов в контроле и при действии засухи в период предме-

йоза

Частота обменов Первый бивалент Второй бивалент

Контроль .Опыт Контроль Опыт

0,457 0,390

0,741 0,732 . 0,716 0,902 |

0,704 0,744 0,617 0,462 |

При отсутствии интерференции частота встречаемости бивалентов различных типов (см.рис.2) для конкретного варианта будет зависеть от .частоты обменов в каждом сегменте. Так, например, теоретически ожидаемое число бивалентов 1-го типа (один обмен

-9 -

во втором сегменте) рассчитывали по формуле:

N(l-pi)p2(l-p3) ......'

где q - теоретическая вероятность отсутствия обменов во всех трех сегментах, равная. (1-р1)(1-р2)(1-р3). Нормировку на 1-q производили, исходя из предположения облигатности одной хиазмы.

В табл. 1 приведены фактические и. ожидаемые (при условии отсутствия интерференции) распределения бивалентов различных типов. В контроле наблюдается достоверное отклонение фактического распределения бивалентов по типам от ожидаемого, что опровергает принятое нами допущение об отсутствии интерференции хиазм. Влияние засухи в период предмейоза гибридных растений томата приводит к более случайному распределению бивалентов по типам.

Для первого бивалента мы провели аналогичные расчеты для пар сегментов (1-го и 2-го, 2-го и 3-го', 1-го и 3-го), что позволило определить коэффициент коинциденции обменов в парах сегментов как отношение фактически имеющихся двойных обменов к теоретически ожидаемым. Соответствующие оценки свидетельствуют, что обмены в 1-м и 2-м сегментах (через центромеру) не интерферируют, во 2-м и 3-м (Два сегмента длинного плеча первой хромосомы) обмены проявляют определенную положительную интерференцию' в контроле и опыте. Для обменов в 1-м и 3-м сегментах выявлены различия между вариантами - в контроле обмены в этих зонах проявляют наиболее значительную положительную интерференцию, отсутствующую в опыте (ci3 - 0,65 в контроле и 0,97 в опыте). По литературным данным известны ссылки на отсутствие интерференции хиазм через центромеру (Barton,1950), хотя механизмы самого явления интерференции обменов, как и влияния центромеры на интерференцию остаются невыясненными до настоящего времени. Из наших данных следует, что интерференция хиазм вдоль хромосомы неоднородна и экзогенные воздействия могут ее изменять.

Влияние почвенной засухи на частоту кроссинговера в маркированных зонах генома.

Наиболее.точную локальную оценку частоты кроссинговера можно получить на основании анализа расщепления маркерных генор в потомстве гетерозигот. Было изучено действие засухи в период предмейоза, мейоза и после завершения мейоза гибридных растений

F1CMo 393 X Ыо 504) и F1(üd 628 X Нистру) на частоту рекомбинации (rf) в четырех маркированных зонах генома. Расщепление маркерных генов оценивали в популяциях, полученных от анализирующего скрещивания. Результаты маркерного анализа показали, что действие засухи в период предмейоза вызывает достоверное увеличение частоты рекомбинации в двух из четырех изученных зон генома - aw - d (2-я хр.) и hl - а (11-я хр. )(табл. 3). Необходимо отметить, что моногибридные соотношения по восьми проанализированным генам во всех вариантах тесткроссов, кроме одного, не отличались значительно от 1:1 и, следовательно, не могли повлиять на оценки величин rf. В одном варианте - действие засухи в период предмейоза - наблюдали нехватку рецессивов по гену ful, однако величина rf в атом варианте по зоне е - ful не отличалась от контрольного уровня.

Таблица а

Влияние засухи в период мейоза гибридов Fj (Мэ393 X Ш504) и F^ (Мэб28 X Нистру) на частоту рекомбинации (rf) в зонах генома.

Вариант rf fz в зонах

ш-2 - о а* - d hl -а е - ful

I Контроль 22,59+1,26 8,73+0,94 15,75+1,05 31,41+1,621

|Засуха в период: I

(предмейоза 26,53+1,70 13,16+1,15* 20,09+0,98* 32,82+1,06|

|мейоза 24,33+1,43 9,28+1,12 17,45+0,83 31,08+1,32|

Iпосле заверше- |

|ния мейоза 22,81+1,50 7,52+0,98 16,70+0,94 30,78+0,881

а - Приведена средневзвешенная величина ^ по трем повторностям.

* - Отличие от контроля достоверно при Р<0,05.

Полученные данные маркерного и цитологического анализа свидетельствуют, что наиболее выраженный рекомбиногенный эффект оказывает действие засухи в период предмейоза материнских клеток пыльцы гетерозиготных растений. Этот эффект может являться результатом модифицирующего влияния засухи на синапсис гомологичных хромосом.или условий, ведущих к синапсису и кроссингове-

>y (Henderson,1970). В литературе имеются данные о рекомбино-•енном влиянии температуры в период предыейотической интерфазы г дрозофилы (Grel1,1978) и саранчи (Henderson,1989). Кроме - то-'о, профаза в бутонах этого варианта проходит вскоре после возвращения растений в оптимальные условия влажности, что также зопровождается резким изменением метаболизма, в частности, уровня фитогормонов (Wright,1978) и, возмозшо, оказывает реком-Зиногенный эффект.

Индуцированное засухой изменение распределения количественных признаков.

Наблюдаемое увеличение частоты рекомбинации в отдельных зонах генома, изменение числа и распределения обменов по геному в целом может привести к расширению спектра изменчивости в потомстве гетерозигот. Мутагенные и рекомбиногенные воздействия на гетерозиготные растения способны изменять состав популяций F2 и ВС по количественным признакам (Король,йученко,1980; ?,тченко, Король,1985). Это выражается в изменении параметров распределения хозяйственно-ценных или модельных признаков.

В популяциях ВС, расщепляющихся по генам e,ful,hl,a одновременно с маркерными признаками оценивали количественные признаки: массу, высоту надземной части стебля, количество настоящих листьев. Ни в одном из вариантов опыта средние значения признаков не отличались значительно от контроля, однако в вариантах действия засухи на предмейоз и мейоз достозерно возраста- . ла дисперсия признаков. Возрастание дисперсии при неизменных средних значениях южно объяснить увеличением рекомбинации в пределах полигенных локусов, находящихся в гетерозиготе в трая-сположении при аддитивном действии этих локусов (Король,аучен-ко,1980). Увеличение частоты сеянцев крайних классов и появление новых классов, отсутствующих в контроле (рис.3), подтверждает наше объяснение. Анализ распределения количественных признаков внутри маркерных классов подтверждает результаты, полученные для популяции ВС в целом. Так как действие засухи после завершения мейоза не изменяет параметры распределения количественных признаков, следует исключить модифицирующее влияние эа-сухи на измеряемые признаки. На основании подученных результатов можно сделать вывод о том, что действие почвенной засухи в

период мейоза и, в большей степени, предмейоза гетерозиготны растений томата приводит к расширению спектра генотипическо изменчивости в потомстве.

Элиминация генотипов в период микроспорогенеза и прораста

ния пыльцы.

Селективная элиминация генотипов на постмейотических ста днях жизненного цикла растений может значительно сужать спект; доступной генотипической изменчивости расщепляющихся поколений в том числе и за счет элиминации рекомбинантных сочетаний (Ку-ченко,1980). Известно, что засуха в период мйкроспорогенез; приводит к высокой стерильности пыльцы и снижению урожая сел^ скохозяйственных культур. Ыы изучили влияние засухи в различны! периоды микроспорогенеза (предмейоз, мейоз, созревание пыльш после завершения ыейоза) на жизнеспособность пыльцы и осеменен-ность плодов у гибридов томата Р^ШЗЭЗ X Мо504) и F1(Mo628 : Нистру). Данные свидетельствуют, что засуха приводит к значительному снижению жизнеспособности пыльцы, причем наиболее чувствительной к действию засухи является стадия созревания пыльщ после завершения мейоза (рис.4). Оценки жизнеспособности пыльш по прорастанию in vitro согласуются с данными по осемененност! плодов в контроле и вариантах опыта. Применение опыления ограниченным количеством пыльцы в анализирующих скрещиваниях привело к снижению завязываемости семян на плод и отсутствию существенных различий по этому показателю между контролем и опыто» (сы. рис. 4). На основании сопоставления этих данных с результатами оценки моногибридных соотношений маркерных генов мы прияш к выводу, что значительная гибель пыльцевых верен при действш засухи на микроспорогенез не является селективной, по крайне]; мере в отношении восьми изученных нами генов.

Считают, что наиболее интенсивная селективная злиминацш генотипов происходит у растений на этапе прорастания пыльцы \ роста пыльцевых трубок в тканях пестика - вследствии значительной конкуренции между микрогаметофитами (Mulcahy.1084). С целью изучения влияния засухи на селективную элиминацию генотипов на этом этапе мы провели реципрокные скрещивания между растениями Р^МэЗЭЗ X Мэ504), находящимися в условиях засухи и оптимальной влажности. Эти опыления проводили избыточным количес-

Рис.3. Характер распределения сеянцев контрольной и опытных лопуля-

1

ций ВС| Мо 628 х Р £(Мо 628 х Ннстру) по количественным признакам

л н о о X о о о о с о 22-со я к

20

Ю

е<

а

а о с: с:

ей X

о о

-20

Р^МоЗЭЗ X Мз504 Рт'.'о623 X Нистру Рис.4. Влияние засухи в период мейоза гибридных растений томата на жизнеспособность пыльцы (незаш^рихованная часть циа- . граммы) и осемененность плодов: (^М - при самоопылении.

-при опылении ограниченным количеством пнльцы. Варианты: I - контроль, 2- влияние засухи на препл'ей'з, 3 -на кейоз, 4 - па спорогенез после заверения меиола. к, хх, - отличия от контроля достоверны при Р<0,05;0,01; 0,001, соответственно.

твом пыльцы. В популяциях Р2, полученных от искусственного опыления, наблюдали достоверные отклонения моногибридных соотношений по генам ап и с1 в сторону нехватки рецессивов. Наиболее значительными отклонениями характеризовалась популяция ?

засуха К ^ а4,контроль), полученная в результате опыления контрольной пыльцой цветков растений в условиях засухи (табл. 4).

Таблица 4.

Влияние гаметного отбора в (Мз 393 X Мо 504) на моногибридные соотношения и частоту кроссинговера (гГ,%) в Р2-

т-1

I Аж ау* | . гДа* - <1)

Вариант

| п Р2 | Б: й

Самоопыление

1314 3,09 3,17 10,40+0,90

822 3,64* 4,01** 10,24+1,13 Искусственное опыление

Контроль Засуха

Р^ засуха X контроль контроль X засуха

793 534

6,84** 6,54** ' 6,89+1,45+ 4,29** 4,45** 10,98+1,50

*,** Ыоногибридные соотношения достоверно отличаются от 3:1

(Р<0,05;Р<0,01, соответственно).

+ Величина гГ достоверно (Р<0,05) отличается от варианта

?2 контроль, самоопыление. «

Так как при самоопылении растений в условиях нормальной вла-гообеспеченности и при опылении ограниченным количеством пыльцы смецения моногибридных соотношений не наблюдали, был сделан вывод, что отбор пыльцы, несущей гены а* и с1, прошел на стадии прорастания и роста пыльцевых трубок вследствии усиления конкуренции между микрогаметофитами. Искусственное опыление избыточном количеством пыльцы, которая попадает в одинаковые "стартовые" условия, создает жесткую конкуренцию между микрогаметофитами. Искусственное опыление ограниченным количеством пыльцы или самоопыление в условиях климокамеры, при котором пыльца попадает на рыльце пестика небольшими порциями по мере созревания, значительно снижает конкуренцию между прораставшими труб-

- 1Б -

'ками и приводит к нормализации моногибридных соотношений по генам, обусловливающим низкую конкурентоспособность их носителей.

Засуха, вероятно, усиливает генотипспецифичные различия в скорости роста пыльцевых трубок, о чем свидетельствуют наблюдаемые в варианте Fg засуха, самоопыление (слабая конкуренция) отклонения моногибридных соотношений от теоретически ожидаемых. Популяции F2, полученные от искусственного опыления, оказались более засухоустойчивыми (оценка по скорости прорастания на растворе оснотиса), что можно объяснить значительным изменением их генотипического состава, связанного с уменьшением доли гомозиготных по генам aw и d генотипов.

Анализ дигибридного расщепления сцепленных генов d и ак в ?2 показал, что нехватка рецессивов по генам d и aw связана скорее с элиминацией рекомбинантов awD, Awd, чем с элиминацией двойных рецессивов aw d, что выражается в снижении оценки частоты рекомбинации между генами d и aw в варианте FgtF^ о засуха X F1 drконтроль) (засуха + высокая конкуренция) по сравнению с вариантами самоопыления(см. табл. 4).

Элиминация генотипов на стадии прорастания семян.

Для изучения влияния засухи на элиминацию генотипов на стадии прорастания семян была предложена схема "ступенчатого" отбора на засухоустойчивость с постепенным снижением интенсивности отбора. Засуху имитировали проращиванием семян на 0,2 М растворе маннита в течение 6 и 10 суток (1-я и П-я ступени отбора), затем на воде (Ш-я ступень отбора) и непроросшие стимулировали 12-яым раствором HCl. Семена по мере прорастания высаживали в лизиметр, идентификацию каждой части популяции проводили отдельно, при математической обработке данные каждой ступени складывались по нарастающей.

Дифференциальное прорастание семян различных маркерных ; классов Fgdto 393 X Mo 504) особенно ярко выражено в условиях жесткого отбора на адаптивность к засухе (табл. 5). Анализ ди-гибридных расщеплений сцепленных генов показывает, что наиболее сильное влияние на адаптивность и жизнеспособность семян оказывают гены d и aw (или сцепленные с ними), снижая скорость прорастания рекомбинантных классов и деойных гомозигот aw d, Это приводит к значительным отклонениям моногибридных соотношений по генам aw и d на начальных ступенях отбора от теоретически ожидаемых 3:1 и от итоговых соотношений (табл.6), р ряошепдешга

Таблица Б.

Дифференциальное прорастание семян по классам в ходе ступенчатого отбора на засухоустойчивость.

. ' Вариант, Р1 + Шр, % к итогу

АV Б А* с1 I 1 1 а* 0 „ | | 1 ая с1 М-2 С М-2 о т-2 С т-2 с

I . 1+11 1+П+Ш- 33,5+1,0 68,8+1,0 90,3+0,6 18,6+3,1 50,0+4,0 80,1+3,2 « 15,0+2,9 37,4+3,9 73,5+3,5 12,2+2,9 35,9+1,9 71,7+1,8 28,5+1,0 60,7+1,1 85,2+1,8 21,5+2,1 56,9+2,6 86,2+1,8 28,2+2,3 61,0+2,5 85,5+1,8 31,0+2,2 61,5+2,4 86,9+1,6

г

н»

О»

Таблица 6.

• Шногибридные соотношения в ^ и оценка частоты кроссинговера(гГД) в ходе отбора.

Вариант п 1 | Сто • • ! .........Г | М-2: т-2 1 » < гГ(с - т-2) 1 | йс! » Ак: аV гГ(ая - <3)

I 902 3,10 2,64 23,26+1,65 7,93* 8,60* 8,58+0,98

1+11 1947 2,97 2,80 26,22+1,19 5,71* 6,29* 9,00+0,69

1+П+П1 2759 2,86 2,83 26,92+1,02 4,03* 4,19* 9,79+0,60

1+11+111+14 3223 2,91 2,86 26,97+0,94 3,31 3,37 10,23+0,57

* - Мэногибридныв соотношения достоверно (Р<0,01) отличаются от итоговых.

—. — —АМмА ЛПАШЛИГ гУУ Р

• - 17 -

по генам с и т-2 отмечается снижение скорости прорастания семян только рекомбинантного класса М-2 с, между тем нерекомбинантный класс т-2 с обладает наиболее высокой скоростью прорастания.

Отбор, направленный только против рекомбинантных классов, не приводит к значимым отклонениям моногибридных соотношений, но проявляется в заниженной сценке г Г в зоне с - п>-2 так же, как и в случае оценки гГ а* - <1 на ранних с--тенях отбора (см. табл.6). Результаты свидетельствуют, что дистальная зона 2-ой хромосомы, содержащая гены А* и Б, вносит существенный вклад в устойчивость томата к засухе, по крайней мере, на стадии прорастания семян. Сравнение результатов отбора на стадии прорастания семян и прорастания пыльцы (см. табл. 4 и 6) показывает, что направление отбора на этих этапах совпадает. Популяции семян, полученные при прорастании пьглыш в условиях интенсивной конкуренции и засухи, быстрее прорастают в условиях осмотического стресса, так как отбор неадаптивных генотипов поо-шел на гаметофиткой стадии развития. Следовательно, гаметный отбор на повкпение засухоустойчивости и конкурентоспособности адекватно изменяет спорофитное поколение и может использоваться в селекционных схемах. Напротив, в целях сохранения полного спектра рекомбинаиионной изменчивости, также как ь работах по исследованию генетической рекомбинации в&г::' поддерживать оптимальный уровень влажности для избежания избирательной гибели рекомбинантов и смещения оценок величины рекомбинации.

ВЫВОДЫ

1. Действие почвенной засухи в период предмейоза и мейоза гибридных растений томата вызывает возрастание средней частоты и/или дисперсии частоты хиазм на мейоцит, причем наиболее выраженный рекомбиногенный эффект оказывает действие засухи на предмейоз.

2. Установлено, что в норме у растений томата наблюдается неслучайное распределение хиазм как между хромосомами набора, так и вдоль отдельных идентифицируемых хромосом.

3. Влияние засухи в период предмейоза гибридных растений томата Р., (Коралл X Утро) приводит к достоверному перераспределению обменов между- и внутри бивалентов в сторону более случайного распределения, что проявляется в изменении частот раз-

личных типов бивалентов, частот хиазм в отдельных сегментах бивалентов, в изменении интерференции хиазм в парах сегментов.

.4. Нарушение контроля распределения хиазм, вызванное засухой, проявляется на уровне межклеточной, межбивале^гной и внут-рибивалентной изменчивости по частоте хиазм, что свидетельствует о наличии единого механизма контроля распределения обменов по геному.

5. Почвенная засуха в период предмейоза гибридов Г^, гетерозиготных по маркерным генам, значимо повышает частоту рекомбинации в двух из четырех изученных маркированных зон генома.

6. Засуха в период предмейоза и мейоза гетерозиготных растений томата изменяет параметры распределения количественных признаков в потомстве.

7. 1&кроспоро- и гаметофитогенез в условиях засухи сопровождается резким снижением жизнеспособности пыльцы и осеменен-ности плодов, однако наблюдаемая элиминация микрогаметофитов, по-видимому, не является генотипспецифичной.

8. Прорастание пыльцевых трубок в условиях засухи и интенсивной конкуренции между микрогаметофитами приводит к значительному- изменению генотипического состава потомства, элиминируя генотипы, несуще рецессивные гены ак к (1, причем рекомби-нантные генотипы элиминируют в большей степени.

9. Анализ генотипического состава популяции Гс семян, прорастающих в ходе ступенчатого отбора на засухоустойчивость, показал, что отбор направлен против генотипов, несуют гены а* и д., причем в большей степени против рекомбинантных генотипов.

10. Отбор, прошедший на гаметофитной стадии, повышает засухоустойчивость спорофиткого поколения, что свидетельствует об эффективности гаметного отбора на засухоустойчивость.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Воздействие засухи (осмотического стресса.) в период предмейоза растений томата может быть предложено в целях расширения спектра рекомбинационной изменчивости.

2. Примененный в работе подход к анализу изменения распределения хиазм в идентифицируемых бивалентах томата может успешно использоваться в исследованиях генетической рекомбинации.

3. Показана эффективность гаметного отбора на васухоустой-

чивость в период роста пыльцевых трубок в условиях засухи и интенсивной конкуренции, что может использоваться в селекционных схемах. •

4. Прорастание и рост патьцевых трубок и семян томата в условиях засухи может привести к сужению спектра рекомбинационной изменчивости, что следует учитывать в экспериментальной и .селекционной работе.

Список публикаций по теме диссертации.

1. Лисовская Т. П. Рекомбиногенное действие засухи. -В га.: Молодежь, наука, производство: Тез. докл. конф. мол. учен. АН ШЗР. 1934,с. 30-81.

2. Лисовская Т. IL , Прейгель К. А. Измерение коадаптации генов в схеме ступенчатого отбора. -В кн.: Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции: Мат. Всес. конф. .Кишинев, 1986,с. 275-278.

3. Лисовская Т. П. Влияние искусственного опыления на гамет-ннй отбор у томатов. -В кн.: Методы управления наследственностью и перспективы их внедрения в практику: Тез. докл. конф. мол. учен. АН БССР. .Минск, 1986, с. 16.

4. Лисовская Т. П. Влияние почвенной.засухи на микроспороге-нез у томатов.-В кн.: Гаметогенез. оплодотворение и эмбриогенез семенных растений, папоротников и мхов: Тез. докл. IX Всес. сов. по эмбриол. раст., Кишинев, 1986, с. 59-60.

5. Лисовская Т. П. Гаметный и зиготный отбор генотипов в расщепляющейся популяции томатов в условиях засухи. -В кн.: Га-метная и зиготная селекция растений: Мат. Респ. конф., Кишинев, 1987. с. 36-41.

6. Лисовская Т. П. Влияние засухи в период мейоза F1 на изменчивость потомства. -В кн: V съезд генетиков и селекционеров Молдавии: Тез. докл., Кишинев, 1987, с.

7. Лисовская Т. П. Влияние засухи на рекомбинационную изменчивость у томатов. -3 кн.: Экологическая генетика растений и животных: Тез. докл. III Всес.конф., Кишинев, 1987, с.70-71.

8. Лисовская Т. П. , Король А. Б. Внутри- и межхромосомное распределение хиазм у томата- Цитология и генетика, 1990, N3, с. 15-21.

9. Лисовская Т.П. Влияние почвенной засухи в период мейоза яа рекомбинацию у томата - Известия АН РМ, сер. биол. и хим. науки. 1993, N1, с. 26-29.

СРС al DSS al RM.O.///7 »t•too,