Содержание к диссертации
Список сокращений 4
Введение 5
Глава 1. Интрогрессивная гибридизация и ее роль в эволюции
растений 12
Развитие представлений об интрогрессивной гибридизации 12
Роль интрогрессивной гибридизации в эволюции растений 17
Методы выявления и анализа интрогрессивной гибридизации 22
Общая характеристика и геномная конституция видов рода Elymus 26
Глава 2. Материалы и методы исследования 37
Растительный материал 37
Экстракция белков зерновки, гистона HI
Выделение изолированного эндосперма и экстракция запасных белков. 38
Экстракция гистона HI 39
Электрофорез запасных белков эндосперма и гистона HI 39
Статистический анализ 41
Половая гибридизация выборочных биотипов 42
Глава 3. Моделирование интрогессивных процессов между Elymus caninus
и Е. fibrosus и их регистрация с помощью одномерного
SDS-электрофореза 45
3.1. Общая и сравнительная характеристика Е. caninus и Е. fibrosus 45
Таксономическое положение, морфологические признаки и синонимика видов 45
Сравнительная характеристика видов по экспериментальным данным... 52
Растительный материал Е. fibrosus иЕ. caninus 55
Электрофоретический анализ запасных белков эндосперма природных образцов Е. fibrosus 57
Моделирование интрогрессивных процессов между Е. caninus
пЕ, fibrosus 67
Глава 4. Моделирование интрогрессивных процессов между Е. caninus и
Е. mutabilis и их регистрация с помощью одномерного
SDS-электрофореза 85
4.1. Общая характеристика Е. mutabilis 85
4.1.1. Таксономическое положение, морфологические признаки и синонимика
Е. mutabilis 85
4.1.2. Сравнительная характеристика is. mutabilis и E. caninus no
морфологическим признакам и экспериментальным данным 88
Растительный материал Е. mutabilis и Е. caninus 91
Электрофоретический и гибридологический анализы происхождения таксона Е. caninus var. muticus 93
Анализ гибридов между скандинавскими биотипами Е. caninus var. muticus, Е. caninus s. str. иЕ. mutabilis в поколениях 98
Электрофоретический и гибридологический анализ сибирских морфологически отклоняющихся форм Е. caninus и Е. mutabilis 103
Моделирование интрогрессивных процессов между Е. caninus и
Е. mutabilis 113
Глава 5. Свидетельства межвидовой интогрессии в смешанных
популяциях Е. komarovii, Е. transbaicalensis и морфологических
близких видов Е. sajanensis и Е. kronokensis 131
5.1. Общая и сравнительная характеристика Е. transbaicalensis, Е. komarovii,
Е. sajanensis и Е. kronokensis 131
Таксономическое положение, морфологические признаки и синонимика видов 131
Сравнительная характеристика видов по экспериментальным
данным 141
5.2. Растительный материал Е. komarovii, Е. transbaicalensis, Е. sajanensis и
Е. kronokensis 144
5.3. Изменчивость Е. komarovii, Е. transbaicalensis, Е. sajanensis и Е. "kronokensis"
в пределах Горного Алтая 147
Морфологическая изменчивость в популяциях 147
Электрофоретическая изменчивость по запасным белкам эндосперма... 151
5.4. Изменчивость Е. komarovii, Е. transbaicalensis, Е. sajanensis и Е. kronokensis в
пределах Бурятской части Восточного Саяна 161
5.4.1. Морфологическая изменчивость в популяциях Е. komarovii,
Е. transbaicalensis, Е. sajanensis и Е. "kronokensis" Восточного Саяна.... 162
5.4.2. Электрофоретическая изменчивость по запасным белкам эндосперма ... 165
5.5. Изменчивость Е. transbaicalensis, Е. komarovii, Е. sajanensis, Е. kronokensis и
некоторых МОФ по гистону HI 175
5.6. Репродуктивные свойства гибридов между Е. komarovii и
Е. transbaicalensis 188
Выводы 195
Список литературы 197
Приложение 218
Введение к работе
Актуальность проблемы
Дикорастущие виды трибы Triticeae Dum., являясь близкими сородичами основных хлебных культур, привлекают внимание исследователей, как богатый резерв для дальнейшей селекции культурных злаков, обогащения их сортов многими ценными качествами, в первую очередь генетически детерминированными признаками устойчивости к неблагоприятным условиям среды и многим грибковым, бактериальным и вирусным заболеваниям (Вавилов, (1938) 1960; Цицин, 1954; Гончаров, 2002; Harlan, de Wet, 1971; Bothmer et al., 1983; 1992; Pickering, 1988).
Геномная конституция видов рода Elymas L. большей частью образована простыми (базисными) гапломами, филогенетически достаточно отдаленными от основных ran ломов пшеницы и ячменя. Именно поэтому прямые скрещивания с участием видов Elymus к настоящему время не принесли сколько-нибудь значимых результатов в освоении генофонда этого крупного рода. Основные проблемы в рамках фундаментальных исследований рода лежат в области идентификации и филогенетических взаимоотношений доноров базисных гапломов, а также вопросы, связаные с видообразованием, внутривидовой и межвидовой дифференциацией.
Наибольшее видовое разнообразие Elymus отмечено в центральной Азии, где, по всей видимости, и находится центр происхождения большинства гапломных комбинаций, образующих геномную основу рода. На территории России и бывших республик СССР произрастает 72 вида рода Elymus (Черепанов, 1995). Ряд биологических особенностей затрудняют понимание таксономических и эволюционных взаимоотношений внутри рода. К таким особенностям относятся: естественная морфологическая изменчивость и фенотипическая пластичность под влиянием условий среды, различные уровни и типы плоидности, а также весьма распространенная спонтанная межвидовая и межродовая гибридизация.
В гербариях и живых коллекциях ботанических учреждений часто обнаруживаются природные образцы, которые могут быть идентифицированы, как морфологически отклоняющиеся или промежуточные формы, и только небольшая часть из них легко идентифицируются как межвидовые гибриды первого поколения. Некоторые из таких форм, или морфотипов являются самофертильными и составляют основу стабильных микропопуляций.
Проблема естественной гибридизации у растений и животных всегда привлекала внимание ученых. Воспроизведение природных межвидовых гибридов часто следует по определенному пути, известному под названием интрогрессивной гибридизации, или интрогрессии.
В литературных источниках прослеживаются две точки зрения на эволюционную значимость природной гибридизации. Некоторые исследователи (Бобров, 1970, 1972, 1980) считают, что интрогрессивная гибридизация не создает новых устойчивых линий развития, а, следовательно, эволюционно неперспективна. Однако, М.Г. Попов (1927,1928, 1956), Н.И. Вавилов (1938), В.Л. Комаров (1940), В. Грант (1980) и другие рассматривали гибридизацию как важный фактор эволюции растений. М.А. Розанова (1946) признавала определенную роль гибридизации при возникновении и изменении видов, отмечала необходимость изучения переходных межвидовых популяций с целью выяснения взаимоотношений близких видов.
При скрещивании особей разных видов второе гибридое поколение обладает большой изменчивостью, но одновременно резко сниженной пыльцевой и семенной фертильностью, или даже полной стерильностью. Это может вызываться различными причинами на хромосомном уровне и нарушениями в мейозе, вызванными, хромосомными перестройками (инверсии, транслокации, делеции, дупликации), а также анеуплоидией, гаплоидией, системными мутациями.
Считается что преобладающее большинство полиплоидных видов в природе — аллополиплоиды (амфиплоиды), т. е. их возникновение связано с гибридизацией, что влечет за собой объединение геномов разных видов (Arnold,
7 1997). Амфидиплоиды в большей или меньшей степени репродуктивно изолированы от родительских форм и воспроизводят в чистоте свою конституцию. Межвидовые скрещивания, если они оказываются возможными, способны дать огромную изменчивость в гибридном потомстве. При этом происходит разрушение прежних коадаптированных видовых генных комплексов. Однако отдельные генотипы могут в подходящих условиях оказаться пригодными и стать родоначальниками новых видовых форм.
Таким образом, в природе возможно гибридное видообразование — возникновение нового вида непосредственно из какого-либо естественного гибрида. Амфиплоидия, а также апомиксис, способствуют преодолению стерильности гибридов и создают тем самым предпосылки для внезапного видообразования.
Однако видообразование путем гибридизации не обязательно идет через амфиплоидизацию. Иногда межвидовые гибриды у растений могут стабилизироваться без умножения числа хромосом. В этом случае происходит перенос генов с одного вида на другой, и тогда мы говорим об интрогрессии. В настоящее время известны уже довольно многочисленные примеры интрогрессии у растений.
К настоящему времени литературные данные о механизмах протекания интрогрессивной гибридизации в роде Elymus носят фрагментарный характер (см. главу 1). Сведений об интрогрессии между азиатскими видами рода обнаружить не удалось. Поскольку процессы репродукции являются одним из основных факторов существования таксона во времени, представляется целесообразным изучить особенности интрогрессии на примере бореальной StH-геномной группы видов рода Elymus. Кроме теоретического значения в общебиологическом смысле, имеет место прикладное значение, так как экспериментально доказанная возможность генетической интрогрессии между видами Elymus дает ближайшую возможность использовать генофонд видов для переноса требуемых качеств в селекционные формы кормового назначения. Более отдаленная перспектива заключается в изучении возможности переноса
8 генетического материала видов рода в ценнейшие хлебные культуры — пшеницу, ячмень, рожь, собственный генетический потенциал которых в целях селекции практически исчерпан.
Цель и задачи исследования
Целью исследований являлось изучение возможности межвидовой интрогрессии между некоторыми StH-геномными видами Elymus в эксперименте с контролем всех этапов половой репродукции гибридов путем морфологического и электрофоретического анализа поколений. Для достижения цели необходимо было поставить и решить следующие задачи:
Провести анализ морфологических признаков гербарного и живого коллекционного материала Е. caninus (L.) L., E.fibrosus (Schrenk) Tzvel., E. mutabilis (Drob.) Tzvel., E. transbaicalensis (Nevski) Tzvel., E. komarovii (Nevski) Tzvel., E. sajanensis (Nevski) Tzvel. и E. kronokensis (Kom.) Tzvel.; выявить типичные и морфологически отклоняющиеся формы, в большей или меньшей степени не соответствующие описаниям видов.
Изучить изменчивость и специфичность полипептидных спектров белков эндосперма и субфракционного состава гистона HI среди выборочных биотипов Е. transbaicalensis, Е. komarovii, Е. sajanensis и Е. kronokensis и серии МОФ.
Провести серию скрещиваний и отобрать ранее полученные половые гибриды для изучения нисходящих поколений в условиях культуры.
Вырастить и проанализировать гибридные выборки растений в поколениях F2-F5. в комбинациях скрещивания Е. caninus х Е. fibrosus, Е. caninus х Е. mutabilis, Е. transbaicalensis х Е. komarovii, в том числе с участием морфологически отклоняющихся форм (МОФ).
Провести исследование электрофоретических спектров запасных белков эндосперма исходных родительских форм и их межвидовых гибридов в поколениях в SDS гелево-буферной системе.
Изучить особенности протекания интрогрессивных процессов между видами Elymus в вышеназванных комбинациях скрещивания в эксперименте, оценить возможность протекания интрогрессии между видами в природных популяциях.
По результатам проведенных исследований внести уточнения в существующую модель рекомбинационных и интрогрессивных генпулов.
Защищаемые положения
Одномерный SDS-электрофорез запасных белков эндосперма является более эффективным способом регистрации интрогрессивных процессов у видов рода Elymus, в сравнении с традиционными методами гибридного индекса и многомерных диаграмм.
Результаты моделирования интрогрессивных процессов в эксперименте через межвидовую гибридизацию в целом согласуются с данными о характере изменчивости по морфологическим признакам у исследуемых
видов в природе и позволяют прогнозировать прохождение аналогичных
і
процессов в популяциях. \
Научная новизна работы
Впервые показана возможность регистрации интрогрессивной гибридизации в природных популяциях рода Elymus с помощью одномерного SDS-электрофореза запасных белков эндосперма.
В эксперименте впервые показана возможность протекания интрогрессии между Е. caninus и Е. fibrosus, а также характер репродуктивных взаимоотношений (одноступенчатая рекомбинация или интрогрессия) у видовых пар Е. caninus — Е. mutabilis и Е. transbaicalensis — Е. komarovii в зависимости от географического происхождения родительских биотипов.
Впервые изучена изменчивость по гистону НІ у близких видов Е. trans baicalensis, Е. komarovii, Е. sajanensis и Е. kronokensis в связи с географической дифференциацией. Показано, что центр происхождения и генетического разнообразия Е. komarovii находится на территории Алтайской горной страны.
10 Теоретическое и практическое значение работы
Данные о характере изменчивости по морфологическим и биохимическим признакам видов у Е. fibrosus, Е. transbaicalensis, Е. komarovii, Е. sajanensis, Е. kronokensis и усовершенствованная модель генпулов названных видов, имеют теоретическое значение для углубленного понимания объема и структуры вида и могут быть использованы в эйдологии, систематике и таксономии.
Экспериментально доказанная возможность протекания рекомбинации и интрогрессии между выборочными биотипами разных видов Elymus проясняет особенности современного видообразования в природных популяциях и позволяет использовать генофонд разных видов для переноса требуемых качеств в селекционные формы кормового назначения.
Полученные данные могут быть использованы при отборе генотипов для сохранения в генбанках для целей интродукции, селекции и охраны природного генофонда.
Апробация работы
Результаты исследований были представлены на Второй международной научно-практической конференции "Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии" (Барнаул, 2003); Второй молодежной конференции "Исследования молодых ботаников Сибири". (Новосибирск, 2004); VIII Молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2004); Всероссийской научной конференции с международным участием "Проблемы сохранения разнообразия растительного покрова Внутренней Азии" (Улан-Удэ, 2004); Пятом международном симпозиуме по Пшеницевым (5th International Triticeae Symposium, Чехия, Прага, 2005); Третьей интеграционной междисциплинарной конференции молодых ученых СО РАН и высшей школы (Иркутск, 2005); I (IX) Международной конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2006); I (III) Всероссийской молодежной научно-практической конференции ботаников в Новосибирске "Перспективы развития и проблемы современной ботаники" (Новосибирск, 2007); Шестой международной научно-практической
конференции "Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии" (Барнаул, 2007).
Публикации. Автором опубликовано 17 печатных работ по теме диссертации (из них 2 зарубежные).
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, первая из которых обзор литературы, вторая описывает материалы и методы исследования, третья - шестая содержат результаты исследований и их обсуждение, а также выводов, списка литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 224 страницах печатного текста, включая 31 таблицу и 71 рисунок. Список цитированной литературы содержит 244 источника, из них 153 на иностранных языках.
Благодарности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (номера проектов №01-04-49236, №04-04-48720, 04-04-63117-к, 05-04-58652-3 07-04-10130-к).
Считаю своим долгом выразить благодарность моим учителям, коллегам и друзьям за помощь, поддержку, и критическое обсуждение работы. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю д.б.н. А.В. Агафонову (ЦСБС СО РАН). Автор благодарен д.б.н. О.В. Дорогиной (ЦСБС СО РАН), к.б.н. Н.К. Бадмаевой (ИОЭБ СО РАН, Улан-Удэ), к.п.н. М.А. Азаркиной, к.б.н. JB.B. Никитину] (БИН РАН), Б. Саломону (Dr. В. Salomon, Swedish University of Agricultural Sciences, Departament of Crop Science, AInarp, Sweden) за помощь в проведении экспедиционных работ и ценные замечания, полученные в ходе написания работы. Особую благодарность выражаю проф. В.Ф. Семихову (ГБС РАН, Москва), к.б.н. О.А. Новожиловой (ГБС РАН, Москва), к.б.н. Л.П. Арефьевой (ГБС РАН, Москва), Е.В. Мишановой (ГБС РАН, Москва), и отдельно к.б.н. В.Н. Воилоковой за содействие и помощь в освоении методики молекулярно-генетических исследований. Автор признателен СВ. Лукьянчикову (ЦСБС СО РАН) за оказание технической помощи в ходе выполнения работы.
