Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Род Triticum L. занимаем )бое место в семействе Роасеае (Gramineae) благодаря своему ічению для человечества. Пшеница является уникальным объектом [ научных исследований. Этот род характеризуется широким шморфизмом полиплоидного ряда, генетическую основу которого ггавило объединение хромосом доноров исходных геномов в [етании с плазмагенами разного происхождения. Биохимические и эфологические последствия преобразования генетической ірода рода хорошо известны и широко используются в тематике, филогении и селекции. В то же время изменчивость комического строения стебля в полиплоидном ряду пшеницы яется малоизученной, но актуальной и перспективной областью ледований.
Во-первых, комплексное сравнительное исследование атомической структуры стебля у видов полиплоидного ряда еницы позволяет развить представление об основных тенденциях люции побега.
Во-вторых, изучение численных и линейных признаков ітомических структур стебля с учетом роли генетических и довых факторов создает основу для формирования нового -толого-анатомического направления генетических исследований. В-третьих, детальный анализ количественных признаков треннего строения стебля пшеницы в значительной мере вивает сравнительную анатомию целого таксона. В-четвертых, формирование продуктивных и адаптивных можностей пшеницы в ходе эволюции обеспечивается іершенствованием строения растений. Поэтому изучение имосвязи анатомических структур разновозрастных метамеров >ега в системе целостного растения открывает новые возможности
разработки и использования критериев идентификации генотипов
целей систематики и селекции.
Создание высокопродуктивных, устойчивых к полеганию сортов еницы предполагает совершенствование габитуса растений и их треннего строения. В связи с этим знание закономерностей томического строения стебля и тенденций его изменения в чительной мере будет способствовать совершенствованию екционных программ в Республике Беларусь. Связь работы с крупными научными программами, темами, їледования по анатомии пшеницы проводились в 1987 - 1998 г.г. кафедре генетики и ботаники Белорусской сельскохозяйственной демии (БСХА) и в 1994 - 1997 г.г. - в Лаборатории биотехнологии
и селекции Высшей национальной агрономической школы в г.Тулузе (ВАР INP-ENSAT, Франция). Влияние регуляторов роста на анатомию стебля изучалось в Лаборатории агрономии и окружающей среды Высшей национальной школы агрономии и индустрии продуктов питания в г.Нанси (ENSAIA, Франция).
Исследования проводились на инициативной основе в соответствии с республиканской научно-технической программой 01,02 "Создать и внедрить среднеспелые сорта озимой пшеницы интенсивного типа продовольственного направления с потенциальной урожайностью 75-80 ц/га, зернофуражного - 80-85 ц/га, вегетационным периодом 320-330 дней, высотой растений не более 100 см, зимостойкие, устойчивые к болезням и вредителям; разработать экономически обоснованную и экологически сбалансированную сортовую агротехнику новых сортов озимой пшеницы, обеспечивающую в условиях опытного производства получение 70-75 ц с га". Проведенные исследования соответствуют также государственной программе фундаментальных исследований на 1996-2000 г.г. "Структурна-функцыянальны стан і навуковыя асновы зберажэння і выкарыстання біялагічнай разнастайнасці расліннага і жывельнага свету на тэрыторьн Беларусі (Біялагічная разнастайнасць)"; теме - "Анатомія вегетатыуных органау раслін"; шифр - "Біялагічная разнастайнасць И".
Цель и задачи исследования. Целью исследований являлось выявление особенностей изменчивости и основных закономерностей структурных преобразований анатомического строения стебля в полиплоидном ряду рода Triticum L. в ходе эволюции. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;
-
Выявить закономерности анатомического строения стебля у видов полиплоидного ряда рода Triticum L. и анатомической феноменологии важнейших общебиологических особенностей строения побега пшеницы - метамерности, полярности и симметрии.
-
Изучить изменчивость анатомических признаков стебля в зависимости от онтогенетического возраста метамеров.
3. Проанализировать взаимосвязь параметров анатомических
структур стебля и разработать систему оценки их корреляционных
связей.
4. Разработать индексы анатомических структур, удобные для
анализа растений и пригодные для идентификации генотипов для
целей систематики и селекции.
5. Исследовать связь анатомического отроения стебля с
физиологическими особенностями пшеничного растения - (
упругостью стебля и флюоресценцией хлорофиллов флагового листа.
-
Изучить влияния условий произрастания и синтетических регуляторов роста на анатомическое строение стебля пшеницы.
-
Определить влияние набора хромосом и происхождения исходных геномов на изменчивость анатомических признаков стебля в полиплоидном ряду рода Triticum L.
8. Изучить особенности наследования параметров анатомических
структур стебля у мягкой пшеницы.
9. Выявить особенности структурных анатомических
преобразований стебля в роде Triticum L. в ходе эволюции.
Объект и предмет исследования. Объектом исследований служили виды полиплоидного ряда рода Triticum L., а также 3 вида эгилопса, предковые формы которых явились источниками геномов В, G и D в филогенезе пшеницы (табл.1). В исследованиях были также использованы андрогенные гаплоиды 4 видов пшеницы, созданные нами в Лаборатории ВАР INP-ENSAT, а также гибриды . озимой мягкой пшеницы, полученные на кафедре генетики и ботаники БСХА и их исходные родительские сорта. Их перечень представлен в главах 8 и 9 диссертации. Влияние синтетических регуляторов роста на анатомические структуры стебля было изучено на сортах Louvre и Eole французской селекции.
Предметом исследований явилось 39 гистолого-анатомических признаков проводящей системы, механической, ассимиляционной и других тканей стебля главного побега пшеницы, а также 6 морфологических признаков стебля, листа и колоса.
Гипотеза. Основным путем эволюции рода Triticum L. является
полиплоидия, реализуемая в результате полифилетического
объединения хромосом различных исходных геномов и цитоплазмы
разного происхождения. Амфидиплоидия в роде Triticum L. в
сочетании с другими факторами эволюции привела к дивергентным
идиоадаптационным изменениям побега, обеспечившим
оптимизацию структуры и функций составляющих его метамеров в соответствии с условиями произрастания видов. Изменения габитуса пшеничных растений были непосредственно связаны с анатомическими преобразованиями стебля. Особо важное значение имели изменения анатомических признаков, обеспечивающих выполнение стеблем опорной, транспортной и ассимиляционной функций. Эти признаки в онтогенетически более молодых метамерах -вегетативной зоны побега могут быть использованы для идентификации видов и сортов для целей систематики и селекции.
Таблица 1
Перечень изученных видов пшеницы и эгилопса
Методология и методы проведения исследования.
Сравнительная анатомия, а также генетика тканей и анатоми ческих структур стебля пшеницы являются неоформленными и слаб< развитыми разделами биологии растений. С учетом полиплоидно! природы большинства видов пшеницы и их разногеномности, анали: анатомических особенностей рода Triticum L. может был
результативным лишь на основе изучения роли исходных геномов и их взаимодействий. Однако использование современных диплоидных форм для интерпретации результатов анализа полиплоидов возможно при весьма важных допущениях. Во-первых, следует предположить, что потомки доноров геномов пшеницы в ходе эволюции не претерпели морфофизиологических преобразований или крупных идиоадаптационных изменений по сравнению с предковыми формами. Во-вторых, надо допустить, что темпы и направления мутирования, а также эффективность отбора против возникающих мутаций у пшениц с разным набором хромосом примерно одинаковы. Реальность таких допущений подтверждается электрофоретическим и иммунохимическим анализом запасных белков зерна, выполненным в ВИР при установлении филоген-^тических связей у пшеницы.
Для выяснения роли генома и дозы генов в формировании анатомических признаков стебля пшеницы была использована серия гаплоидов, созданных методом культуры пыльников in vitro.
Для анализа связи анатомических и физиологических признаков была изучена флюоресценция хлорофиллов флагового листа, характеризующая строение и работу фотосистемы П, а также упругость стеблей, влияющая на устойчивость растений к полеганию и к пониканию колос-ъев.
1.Условия выращивания растений. Коллекция яровых видов пшеницы, а также сорта и гибриды озимой мягкой пшеницы выращивались в 1994-1997 гг. на опытном поле кафедр генетики и ботаники, селекции и семеноводства БСХА, расположенном на территории Центральной теплой умеренно влажной агроклиматической зоны Беларуси. Почва опытного участка дерновоподзолистая, среднеоподзоленная, развивающаяся на лессовидном суглинке. Глубина пахотного горизонта составляет 20-22см; содержание гумуса - 1,4-1,6 %, подвижных форм фосфора -18,1-19 мг, калия 15,2-16,2 мг на 100г почвы. Реакция почвенной среды слабокислая (рН 5,6-5,8).
Посевы размещались после люпина на зерно в трех рендомизованных повторениях о площадью питания растений 45 см 2.
В 1994-1995 г.г. виды и гаплоиды пшеницы выращивались в теплице с регулируемым климатом в Лаборатории ВАР ШР-ENSAT (г. Тулуза) в горшочках емкостью 3000 см на субстрате, состоящем из трех объемных частей садового грунта фирмы FISONS и одной части песка. В каждом горшочке выращивалось по три растения.
Семена озимых форм (Т. boeoticum, Т. urartu, Т. macha, Ае. speltoides, Ае. longissima) были предварительно прояровизированы в течение 45 дней при 2С.
Вегетация растений проходила при 16-часовом световом дне. Дневная температура бьша равна 25±2С и ночная -15±2С. Начиная с появления третьего листа и до образования семян, растения один раз в неделю подкармливались питательным раствором, подготовленным на базе концентрата "Algospeed". Концентрат содержал 18% N(11% N03, 7% NH,), 7% Р205, 18% К20, 5% MgO, 200 мг/кг В, 60 мг/кг Си, 480 мг/кг Fe, 600 мг/кг Мп, 60 мг/кг Мо, 160 мг/кг Zn. Концентрация рабочего раствора составляла 2.5г/1л НгО. Коллекция выращивалась в трех повторениях. Два раза в неделю горшочки с растениями перемещались на стеллаже по определенной схеме для снятия эффектов неравномерного освещения.
2.0тбор и фиксация растительного материала. Во всех сериях опытов для фиксации использовали только главные побеги растений. В полевых условиях отбирали по 10 растений, не испытывавших влияния краевых эффектов; в теплице - по 9 растений. Отбор проб проводился в начале цветения растений. Перед фиксацией измерялась длина междоузлий, длина и ширина листьев, длина колоса; определялось число колосков в колосе и цветков в колоске. Фиксацию проводили в смеси Зч. 96%-ного этилового спирта + 1ч. ледяной уксусной кислоты. Через сутки зафиксированный материал переносили в 70%-ный спирт и хранили в темной посуде при 4С.
3.Изготовление препаратов и их изучение. Препараты изготавливали из 4 - 5 срезов стебля, выполненных вручную в средней части междоузлия. Толщина среза составляла около 100 мкм. На более тонких срезах окрашивание анатомических структур было менее контрастным, а при увеличении толщины труднее было измерять размеры клеток.
Срезы окрашивали в течение 25-30 минут комбинированным красителем по E.Gurr (1956), состоящим из алунированного кармина и йодного зеленого. При этом целлюлозные клеточные стенки окрашивались в розовый цвет, а лигнифицированные - в зеленый.
Препараты изучались с помощью компьютерного анализатора изображений. Измерения выполнялись с точностью до 0,01 мкм.
Анатомическое строение стебля изучалось в каждом надземном междоузлии главного побега. Подколосовые междоузлия обозначались как EN1, вторые сверху - EN2, третьи - EN3, четвертые - EN4 и пятые сверху междоузлия - EN5.
Методические особенности создания андрогенных гаплоидов, измерения флюоресценции хлорофиллов, изучения упругих свойств
ггебля, а также анализа влияния регуляторов роста на анатомию >тебля изложены в диссертации.
Статистический анализ первичной информации проведен по сомпыотерным программам STATITCF и STATGRAPHICS.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Іаучная новизна состоит в том, что впервые проведены комплексные ісследования анатомического строения стебля в полиплоидном ряду )ода Triticum L., которые отличаются от работ других авторов >истемностью анализа, количеством изученных анатомических іризнаков, полнотой охвата видового многообразия пшениц. В результате исследований впервые:
дана анатомическая интерпретация полярности и симметричности ;тебля пшеницы, а также анатомическое обоснование функциональных различий метамеров; систематизированы тслонения в строении проводящих пучков;
изучены закономерности макро- и микроструктуры междоузлий; іьіявлена анатомическая неоднородность стеблевых частей гетамеров пшеницы, а также анатомическая неоднородность стебля в іределах одного метамера;
дано обоснование целесообразности использования анатомических [ризнаков подколосового междоузлия для целей систематики и «лекции;
изучена взаимосвязь комплекса анатомических признаков стебля и ^становлена иерархическая соподчиненность их корреляционных ;вязей; разработана ранговая оценка анатомических признаков по ;оэффициентам корреляции;
установлена связь анатомических признаков стебля с
эизиологическими особенностями пшеничного растения;
азработана оценка упругих свойств стебля по анатомическому індексу упругости;
показана роль генома и набора хромосом в формировании інатомических структур стебля; установлена зависимость проявления етерозиса по анатомическим признакам стебля у мягкой пшеницы от ейтинга их корреляционных связей;
выявлена первостепенная значимость начального этапа [олиплоидизации при возникновении рода Triticum L. для формиро-іания анатомических признаков стебля у полиплоидных форм;
проанализированы тенденции структурных преобразований яатомических признаков стебля в полиплоидном ряду пшеницы;
По результатам исследований предложены индексные оценки інатомических признаков для тестирования генотипов пшеницы.
Научная значимость результатов исследований состоит в развитии анатомии пшеницы и создании основ генетических исследований на гистолого-анатомическом уровне организации растительного организма.
Практическая значимость полученных результатов состоит в разработке методологии анатомических исследований для целей систематики и селекции пшеницы.
Индексная анатомическая оценка стебля для отбора ценных генотипов шпеницы используется на кафедре генетики и ботаники БСХА и на Опытной станции БСХА (получен акт о внедрении результатов исследований).
Детальная характеристика анатомического строения стебля пшеницы, положения об анатомической неоднородности метамеров, анатомической феноменологии полярности и симметричности побегов, о взаимосвязи и соподчиненности анатомических структур, а также об их преобразованиях в ходе эволюции используются в учебном процессе в БСХА и Брянской государственной сельскохозяйственной академии (получен акт о внедрении результатов исследований). Методика использования признаков анатомического строения стебля при изучении пшеницы передана в Белорусский НИИ земледелия и кормов, а также в Витебский государственный университет.
Результаты исследований, опубликованные в монографии "Эволюция анатомического строения стебля пшеницы" и в других научных изданиях, могут быть использованы для учебных целей в ВУЗах биологического профиля, а также для совершенствования программ селекционно-генетических исследований в научных учреждениях Республики Беларусь. На использование анатомического индекса упругости для оценки генотипов пшеницы подана заявка на изобретение (приоритет от 5.01.1999).
Основные положения диссертации, выносимые па защиту:
-
Изменчивость анатомического строения стебля имеет идиоадаптационное значение для реализации основных функций пшеничного растения. Важнейшим конструктивным анатомическим элементом стебля является проводящая система. В ее организации выделяются диспозитивный, ассоциативный и конструктивный уровни. Отклонения от ее типичного строения у видов полиплоидного ряда рода Triticum L. являются отражением преобразований побега в ходе филогенеза;
-
Взаимосвязь признаков стебля по происхождению и выполняемым функциям предопределяет иерархическую систему соподчиненности анатомических структур. Теснота связи
гомологичных анатомических признаков разных междоузлий зависит от близости расположения и онтогенетического возраста метамеров. Степень влияния одних признаков на совокупность других может быть оценена по рейтингу их корреляционных связей. Высокорейтинговые анатомические признаки подколосового междоузлия и их индексы могут быть использованы для идентификации генотипов.
3. Гетерохронность образования метамеров предопределяет
неоднородность междоузлий на морфологическом, анатомическом и
гистологическом уровне. Степень развития анатомических признаков
стебля зависит от генетической природы изучаемого образца,
близости расположения места среза к генеративной зоне побега и к
стеблевому узлу. Анатомические различия междоузлий, а также
разных зон каждого из них создают конструктивную основу
полярности побега и его метамеров;
4. Стеблевые узлы побега пшеницы имеют общий план строения,
но различаются между собой по размерам и числу проводящих
пучков, проходящих в подушку листа и стеблевую часть узла. С
учетом многофункциональности узлов предлагается выделение в них
зоны реорганизации, зоны меристематической активности а зоны
реконструкции. Заложение и степень развития пазушных почек
зависит от генома растения и места нахождения узла на стебле;
5. Побег пшеницы характеризуется продольной и радиальной
симметрией, проявляющейся в закономерных изменениях
морфологии метамеров, параметров и топографии анатомических
структур. Основу радиальной симметрии составляет ритмичность
чередования проводящих пучков, которая возрастает от нижнего к
верхнему междоузлию и связана с генотипическими особенностями
растений;
6. Анатомическое строение побега сопряжено о
физиологическими особенностями растений: флюоресценцией
хлорофиллов флагового листа, устойчивостью к упругим
деформациям, реакцией на применение синтетических регуляторов
роста. Для оценки генотипов пшеницы по упругости стебля
предлагается анатомический индекс упругости, учитывающий
плотность расположения проводящих пучков в стебле и степень
развития периферического кольца склеренхимы;
7. Изменчивость анатомического строения стебля в роде Triticum
L. предопределяется многоступенчатым объединением хромосом
^донорских геномов в сочетании с плазмагенами эгилопсов при возникновении полиплоидных видов. Анатомические эффекты первичного увеличения набора хромосом превышают по ряду
признаков эффекты последующих этапов полиплоидизации. Гаплоидия у пшеницы приводит к миниатюризации растений, изменению систематических видовых признаков, а также к преобразованиям анатомии стебля;
8. Строение стебля мягкой пшеницы обусловлено влиянием
хромосом геномов А, В и D и цитоплазмы, полученной от источника
генома В. При скрещивании сортов мягкой пшеницы в Fi
наблюдается гетерозис по анатомическим признакам стебля. С
наибольшей силой и частотой гетерозис проявляется по признакам,
обладающим высоким рейтингом корреляционных связей;
9. Изменчивость анатомических признаков стебля в полиплоидном
ряду пшеницы связана с идиоадалтационными структурными
преобразованиями, обеспечивающими повышение надежности
онтогенеза. Формирование признаков стебля в онтогенезе
сопровождается олигомеризациеи и полимеризацией составных
частей, интенсификацией, компенсацией, сменой и иммобилизацией
функций.
Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработана тема и методология исследований, проведен анатомический анализ растений во всех вариантах опытов, изучена флюоресценция хлорофиллов флагового листа и упругость стебля у пшеницы, выполнен статистический анализ полученных результатов.
При комплектовании коллекции исходного материала виды эгилопса и некоторые редкие виды пшеницы были получены от профессоров А.Суврэ и А.Саррафи (ENSAT). А.Саррафи и А.Ментваб (ENSAT) оказали методическую помощь в создании андрогенных гаплоидов видов пшеницы. Сорта и гибриды мягкой пшеницы были получены от профессора А.З.Латыпова (БСХА, Беларусь). При проведении совместных опытов с регуляторами роста в г.Нанси, выращивание растений и обработку их препаратами, отбор проб и фиксацию материала по согласованным с соискателем методикам выполнили А.Блуэ и П.Санвисент (ENSAIA, Франция). Ценные консультации и практические советы по изучению флюоресценции хлорофиллов у пшеницы были получены у профессора К.Планшона и его сотрудников М.Берже и П.Мори (ENSAT). Профессор Ж.Дюррио (UPST, Франция) выделил реактивы для гистохимического окрашивания препаратов. Теплица с регулируемым климатом для выращивания растений, лабораторное оборудование для проведения анатомических исследований и компьютерная техника были любезно предоставлены профессорами А.Суврэ, Ж.Алибером, М.Петипрэ (ENSAT). Проведение исследований по теме диссертации оказалось возможным благодаря финансовой поддержке Посольства Франции в
Минске и INP-ENSAT (Франция). Соискатель выражает глубокую признательность вышеуказанным лицам и организациям за содействие в выполнении исследований по теме диссертации.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты
исследований, включенных в диссертацию докладывались на
международной научной конференции, посвященной 150-летию со
дня рождения М.В.Рытова (февраль 1996 г., БСХА, Горки), на
Региональной научно-практической конференции "Сохранение
биологического разнообразия Белорусского Поозерья"(апрель 1996
г., ВГУ, Витебск), на Международной конференции "Современные
проблемы анатомии растений"(октябрь 1996 г., БрГУ, Брест), на
четвертой Международной конференции "Регуляторы роста и
развития растений"(июнь 1997 г., ТСХА, Москва), на VII съезде
Белорусского общества генетиков и селекционеров (июль 1997 г.,
БСХА, Горки), на Международной научно-практической
конференции "Современные проблемы биологии", посвященной 110-
летию со дня рождения Н.И.Вавилова (ноябрь 1997 г., БрГУ, Брест),
на Международной научной конференции по проблемам адаптивной
интенсификации земледелия (февраль 1998 г., БелНИИЗК, Жодино),
на Международной конференции "Молекулярная генетика и
биотехнология"(апрель 1998 г., ИГиЦ НАН РБ, Минск), на второй
Международной научно-практической конференции "Наука-
производству"(ноябрь 1998 г., ГСХИ, Гродно), на Международной
научно-практической конференции "Сельскохозяйственная
биотехнология"(декабрь 1998 г., БСХА, Горки), на Международной научной конференции "Актуальные проблемы экологии на пороге третьего тысячелетия"(июнь 1999 г., БрГСХА, Кокино); на научном совете Лаборатории биотехнологии и селекции растений ENSAT (май 1995 г., Тулуза), на заседании методического совета по селекции пшеницы опытной станции INRA в г.Ренне (ноябрь 1996 г., Франция), на научном совете Лаборатории "Агрономия и окружающая среда" ENSAIA (ноябрь 1997 г., Нанси, Франция); в сентябре 1995 г. на ученом совете ассоциации ВУЗов г.Тулуза (ШРТ) защищена работа "Etude histogenetique du genre Triticum L." на право получения диплома DRU по специальности "Клеточная и молекулярная биология растений".
Опубпикованность результатов. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 31 работе: в монографии "Эволюция анатомического строения стебля пшеницы"(296 стр.) и в DRU "Etude histogenetique du genre Triticum L", опубликованном на правах рукописи (66 стр.); в международных журналах "Journal of Genetics and Breeding" и "European Journal of Agronomy" - 2 статьи
12 (10 стр.), в журнале "Весні Акадзміі навук Беларусі" - 2 статьи (10 стр.), в журнале "Весні Акадзміі аграрных навук Рзспублікі Беларусь" - 3 статьи (11 стр.), в журнале "Международный аграрный журнал" - 2 статьи (7 стр.), в сборниках научных трудов - 7 статей (41 стр.), в материалах научных съездов и конференций -б статей (21 стр.), тезисов докладов и выступлений на конференциях - 7 (8 стр.). Общее количество страниц опубликованных материалов - 470.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, основной части, представленной 10 главами, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 319 страниц, в т.ч. 17 страниц занято 19 иллюстрациями, 82 страницы - 96 таблицами, 31 - списком использованных источников, 34 - двумя приложениями. Список использованных источников включает 457 наименований, в т.ч. 207 -иностранных.
