Введение к работе
Актуальность проблемы Исследование механизмов формирова-ия рєкомбинационной изменчивости начатые в начале XX столетия іколой Т.Моргана, определили главное направление развития ;неіики на многие десятилетия вперед. Рекомбинация заняла одно з центральных мест в теории эволюции, селекции и методологии ібридологическсго анализа. У высших растений генетическая реком-/інация служит основным источником доступной искусственному гбору адаптивно значимой генотипической изменчивости и являет-1, по выражинию А Мюнтцинга(1967), "краеугольным камнем селек-іи". Однако данные, накопленные в этой области за последние де-ггилетия, нередко противоречивы. Не решена проблема объектной оценки частоты кроссоверных обменов (гї), что обусловлено зрьированием этого показателя а макро-и микроспорогенезе Itadler, 1926), разных секциях іьільника (Rees. Naylor. 1960), между ггонами одного соцветия (al-Rubeani, 1981), от соцветия к соцветию пределах растения (Griffing, tangndge, 1963), в популяции между иными генотипами (Ailard, 1963), Частота и спектр рекомбинаций у .ісших растений зависит от генетических особенностей айда tebbms, 1950) генотипа (Lamprecht, 1957), длины хромосом (Fogwitt, '58) и количества ядерной ДНК (Bennett, 1972, 1973), плоидности nnert, 1982), наличия инверсий (Mckinley, Goldman, 1979) и В-хро->сом (Pant, Raghuvanshi, 1982), места расположения изучаемого іркированного сегмента в соответсвующей хромосоме (Mock, 1971), также изменчивости внешних условий среды на всех этапах тогенеза F, (Жученко, 1980, Дишлер, 1983 и др.). Даже действие ного и того же стрессового фактора на разных стадиях мейоза огда приводит к разнонаправленным изменениям величины rf iwrence, 1961 a,b).
На основе традиционных методов оценки объединенных данных по маркерным классам расщепления (Фишер, 1958; Bailey, 1961) зктически не возможно учесть все источники гетерогенности тичины rf. Среди них могут быть нарушения в мейозе и событий на :тмейотических этапах (Эллиот, 1961), несинхронизированность івития мейотических клеток гетерозиготы во времени {Monti, Sac-do, 1974), физиологическая неоднородность материала и разный етр селективной элиминации гамет и зигот (Жученко, Король, 15), влияние опадения части репродуктивных органов на структуру
расщепляющегося потомства (Bertin, 1982 a,b; Bookman, 198< Нельзя исключать также и возможности случайных отклонен частоты кроссинговера для одних и тех же пар локусов под влияние экологических условий (Butler, 1977). В связи с этим важно развит новых подходов к анализу формирования рекомбинационн изменчивости.
Наука, считал В.И. Вернадский (1921), при решении сложні задач всегда вначале "разрешает более простые и тогда толь возвращается к оставленной сложной". Поэтому и в методолог гибридологического анализа, традиционно базирующегося на оцен расщепляющихся популяций F2 е целом, целесообразно оцен»' значения rf на уровне репродуктивных органов, соцветий и цел растений.
Дискретный подход к оценке рекомбинационной изменчивое отдельных репродуктивных органов и структур вполне обоснов; поскольку цветки у большинства покрытосеменных растеь развиваются в определенной последовательности (Тахтаджян, 191 Кине, Сакс, Бернье, 1991 и др.) и, следовательно, стадии предмейо мейоза и постмейоза у каждого из них проходят в сравнителі: разных условиях внешней и внутренней среды. Многочисленн данные указывают на специфическую адаптацию видов растен связанную с определенными потребностями прохождения мейоз« оптимальное время а жизненном цикле всего организма (Вепп 1977), что достигается за счет широкой пластичної репродуктивного развития. Поэтому динамика частоты кроссингов* в репродуктивных структурах одного и того же растения может 6t связана с возраст-зависимыми механизмами ( Навашин, 19С высвобождением рекомбинационной изменчивости в определенн период онтогенеза (Ghiselin, 1974), системой регуляї. генотипической изменчивости в популяции (Grant, 1975) и др.
Все вышесказанное указывает на сложность комплекси анализа рекомбинационной изменчивости, обусловленной действ!^ эволюционно сложившейся совокупности механизмов, создаюи баланс между стабильностью и изменчивостью, между он генетической и филогенетической приспособленностью (Stebbi 1950; Grant, 1958). Отсюда вытекает и практическая значимо разработки методов анализа рекомбинационной изменчивости целью смещения указанного баланса в пользу "настоящего", увеличения у высших растений числа доступных искусствен^
Зору новых генотипических вариантов на органном, оргаиизменном юлуляционном уровнях.
Цель и задачи исследований Целью настоящей работы явилось ;ледование совокупности механизмов, действующих на органном -анизменном и лопуляционном уровнях и определяющих ірмирование рекомбинационнои изменчивости у высших растений. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить эдующие залами:
1. Рассмотреть возможности дифференцированного подхода в тодологии оценки рекомбинационнои изменчивости на основе /чения особенностей изменчивости сегрегационных и рекомбина-энных параметров на органном уровне с учетом биологических зактеристик плодов Fi (местоположения на соцветии., осеменении, массы, всхожести семян и др.): частоты рекомбинации на анизменном уровне в зависимости от местоположения соцветия растениях. F, о различных условиях внешней среды
2,Показать качественно новую возможность выявления измене-1 моногенных соотношений рекомбинации сцепленных и ;цепленных генов- маркеров, селективной элиминации рекомби-нтон в их взаимосвязи на основе оценки рекомбинационных эаметров на органном, оргаиизменном и лопуляционном уровнях
3.Изучить влияние искусственно регулируемой репродуктивной рузки на растениях F, выращенных в условиях действия :омбиногенных факторов, на рекомбинационную изменчивость 4.Исследовать влияние абиотических факторов на варьирование отипического разнообразия в расщепляющихся популяциях. 5 Изучить изменения частоты кроссингоеера на органном, орга-менном и популяционном уровнях в зависимости от комбинации ещивания, конкурентоспособности и гетерозисности гибридов F,. 6.Разработать общие рекомендации для теории и практики ієкционного процесса высших растений.
Научная новизна В предлагаемой работе впервые для высших тений обоснована необходимость учета особенностей ьирования рекомбинационнои изменчивости на органном, анизменном и популяционных уровнях , которая может усилива-я или ослабляться под комплексным действием механизмов, еделяющих доступную отбору генотипическую изменчивость на вне каждого репродуктивного органа. Поэтому с методической щ зрения при проведении гибридологического анализа, в т.ч. для
оценки рекомбинационных параметров (межхромосомной рекомби нации, частоты и распределения кроссоверных обменов, квази сцепления и др.) выбор "единицы учета" (пыльник, бутон, соцветие растение или совокупность особей) должен осуществляться с учетоі\ особенностей архитектуры репродуктивной системы вида: характер* развития репродуктивных органов и структур во времени t пространстве, продолжительности и синхронности женского I мужского мейоза, количества пыльцевых зерен и семяпочек в цветке количества семян в одном соцветии и на растении, и др. Экспериментально установлено, что при оценке рекомбинационної изменчивости у растений томата наиболее объективной единице! учета являвся плод.
На основании дифференцированного поплодового подхода впер вые установлены: влияние дефицита минерального питани* пониженной температуры воздуха, почвенной засухи на характе квазисцепления и связь его с частотой кроссинговера; взаимосвяз показателя величины частоты кроссинговера и степени селективно элиминации рекомбинантов; канализирующее воздействие всег гибридного растения на особенности формировани рекомбинационной изменчивости.
Впервые показано, что искусственно регулируемая репрс дуктивная нагрузка на растениях F, и разные сроки посева гибридо F, в условиях стрессового действия факторов внешней среды могу существенно изменить частоту и распределение рекомбинационнь событий, в т.ч. привести к увеличению доступной отбор генотипической изменчивости.
На защиту и обсуждение выносятся следующие положения:
-анализ совокупности оценок генетических параметре отдельных плодов позволяет получать качественно новуї информацию о процессах рекомбинации (частота кроссинговері квазисцепление) и селективной элиминации в их взаимосвязи п сравнению с традиционными методами маркерного анализ суммарных данных по расщеплению признаков в F2 или ВС ;
-совместное действие на гибриды растений стрессовых факторе внешней среды и искусственно уменьшенной репродуктивне нагрузки приводит к увеличению разнообразия пыльцевых зерен в f (по морфологическим параметрам , общему и удельному содержаниі ДНК в генеративных и вегетативных ядрах ) и растений в F2( г .количественным показателям маркерных признаков), а также лучок
іу сохранению двойных кроссоверов по сравнению с вариантами энтроля и воздействия только одного рекомбиногенного фактора;
-важным фактором увеличения доступной отбору рекомби-эционней изменчивости является искусственное создание гтерогенных, в т.ч. стрессовых условий внешней среды на разных гапах репродуктивного развития гибридов F, за счет разину сроков < посева. При этом суммарный зФфехт угспичения свободной :нетичвской изменчивости, доступной отбору в F; и последующих ^колониях достигается за счет возможности разнонаправленное эйствия факторов внешней среды на отдельные репродуктивные эганы и структуры, что позволяет ускорить селекционный процесс;
-взаимосвязь гетерозиса по продуктивности и показателю часто-.1 кроссинговера (rf) может существенно варьировать в зависимости г местоположения бутона - плода в соцветии и соцветия на расте-іи F,. Изменение указанной корреляции, вплоть до изменения знака ірреляционной зависимости, связано с разным местоположением ^продуктивных органов б пределах соцветий л растения F,. а . іедовзтельно, и возможностью разнонаправленного влияния на часту кроссинговера и элиминацию рекомбинантов в каждом из них;
-разная густота стояния растений F, влияет на изменчивость ре-мбинации в пределах растения. Конкуренция за питательные зеще-ва, влагу, свет и углекислоту между растениями F, по мере их роста и разных схемах посадки приводит к значимому увеличению вариа-льности величины rf на органиэменном уровне, что выражается в вышении дисперсии и критерия гетерогенности ГІмл} И (Т^-с-
Теоретическое и практическое значение Результаты, обобщен-іе в диссертационной работе, развивают представления о центра-ной роли мейотической рекомбинации в эволюции и селекции сших растений. Они позволяют рассматривать высокую степень рьирования рекомбинационной изменчивости на органном , органи-енном и популяционном уровнях в зависимости от различных этических и абиотических факторов внешней среды в качестве од-"0 из важнейших механизмов эволюции покрытосеменных расте-л Это дает возможность, в свою очередь, более полно понять ачение механизмов взаимосвязи онтогенетической и филоге-гической адаптации растений, способствующих периодической оверке" новых генных сочетаний и защите коадалтированных жов генов адаптации от рекомбинационного разрушения. Отсюда гекают методологические, методические и прикладные аспекты
работы, связанные с использованием дискретных и синтетических подходов к анализу рекомбинационнои изменчивости, расширении познавательных возможностей гибридологического анализа, более эффективного использования в селекции доступной отбору генетической изменчивости.
Предложена математическая модель анализа рекомбинации и селективной элиминации генотипов по плодам томата, с помощью которой удается сделать определенные качественные выводы об отличиях сравниваемых вариантов по величине частоты кроссинго-вера и степени селективной элиминации рекомбинантных генотипов.
Исходя из различий в частоте мейотического кроссинговера v постмейотической элиминации рекомбинантных гамет и зигот в зависимости от месторасположения плода в пределах соцветия и на рас тении предлагается ввести в методику гибридологического анализе оценку коэффициента варьирования величины rf в пределах расте ния с целью определения достоверной выборки, а в селекционнук практику кистевой и даже поплодовый отбор на растениях F^
Данные о разноналравленности действия различных абиоти ческих и биотических факторов на мейотическую рекомбинацию t элиминацию рекомбинантных гамет подтверждают целесообразності использования эколого-географической селекционной сети или посе ва гибридов Fi в разные сроки для увеличения суммарной гетеро генности расщепляющихся поколений, в т.ч. доступной искусствен ному отбору фенотипической изменчивости.
С учетом генетической детерминированности рекомбинационнои потенциала каждого из компонентов гибридизации, рекомендуете использование в комбинационной селекции сортов и форм с относу тельно высокой рекомбинационнои способностью.
Показаны особенности формирования рекомбинационнои измеь чивости растений на популяционном уровне в зависимости от хара* тера действия факторов внешней среды и возможности их исполь зования для ускорения селекционного процесса. Так, использовани в гибридных селекционных питомниках стрессового воздействия not венной засухи (40% ПВ) на ранних стадиях онтогенеза растений F (от проростков до цветения первого цветка ) способствует увеличь нию рекомбинационнои изменчивости у томата и выходу трансгре< сивных форм у льна. Показано, что отбор низкоконкурентных гене
ТИПОВ В УСЛОВИЯХ Чрезмерно ЗагуЩеННЫХ ПОСеВОВ F, ПОЭВОЛЯет ПОЛ)
чить' более широкий спектр генотипической изменчивости в посл<
їующих поколениях При этом конкуренция в селекционном процессе иожет быть использована как в качестве эффективного рвкомбиногенного фактора, так и фактора отбора селекционно ценных комбинаций скрещивания Установлено, что важным условием увеличения (оступной отбору генотипической изменчивости в расщепляющихся юпуляциях является сочетание действия рвкомбиногенного фактора і искусственного снижения репродуктивной нагрузки на растениях Ft . Апробация работы. Основные положения диссертации были до-южены на II Всесоюзной конференции "Экологическая генетика рас-ений и животных" (Кишинев, 1984), Всесоюзной конференции "Реко-ібиногенез: его значение в эволюции и селекции" (Кишинев, 1985), Республиканском семинаре молодых ученых, селекционеров и гене-иков (Минск, 1986), Всесоюзной конференции "Теоретическая и приладная карпология" (Кишинев, 1989), Всесоюзной конференции "Ме-:аниэмы адаптации" (Ростов-на-Дону;1990), Республиканской конфе-іенции "Современные методы и подходы в селекции растений" (Кишинев. 1991), ХІІ Международной конференции EUCARPIA (Пловдив, 993), II Европейском симпозиуме по техническим культурам (Пиза, 993), I совещании рабочей группы по селекции и генресурсам льна ри ФАО (Познань, 1993), III совещании рабочей группы по селекции і генресурсам льна при ФАО (Сент Валери, 1995), XIV Междуна-одном конгрессе EUCARPIA 'Адаптация в селекции растений" Яваскила. 1995).
Публикации результатов исследований, По результатам иссле-ований и теме диссертации за 1980-1995 гг. опубликовано 41 работа з т.ч. 24 в соавторстве) объемом около 30 п.л , издано 2 монографии получено 2 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав (39 азделов), 5 заключений, выводов и рекомендаций, списка итературы, включающего 930 наименований, в т ч. 570 иностранных второв. Работа изложена на 439 страницах машинописного текста, эдержит 87 таблиц, 46 рисунков и 5 схем