Введение к работе
Актуальность проблемы. У кукурузы локализованы четыре доминантные гетерсхронные мутации Cgl 3S-35, Tpl 7L-46. Тр2 10L-48 и ТрЗ 3S /Poethlg 1988с; Weatherwax. 1929; Peterson, 1959/, которые прежде назывались макромутациями /Goldschmldt 1951/. В то время предполагали, что основное структурное изменение происходит во время короткой макроэволюционной фазы за которой следует длительный период сравнительно незначительного изменения, и гетерсхронные мутации интерпретировались как мгновенная морфологическая революция /Goldschmldt 1951/. Теперь гетерсхронные фенотипы рассматриваются как резерв первоначальных несжиданных морфологических возможностей, интегрирующих вид за счет вариации необходимой для обеспечения макроэволюции без утверждения (как это сделал Гольдшмидт) каких-либо спецдальныч мас-ромутационных механизмов /Freellng at al.. 1992/. Трудности в изучении гетерохронии связаны с отсутствием точных критериев сдвигов мор-фогенетических процессов во времени, слабой разработанности причинного механизма гетерохронии и отсутствии знаний о действительной распространенности гетерохронии в эволюции /Gould, 1988/.
Все гетерохронные мутации чувствительны к генетическому фону, а Гр1 и к дозе гена. Тр2 в отличии от Tpl не реагирует на варьирование дозы гена /Poethig 1988а/. Хроническая обработка гиббереллином (GA3) 1риводит к частичной нормализации мутантного фена у Cg 3S-35 /Tracy і Rltchlngs 1986; Rltchlngs & Tracy 1989/. Однако до сих пор не опизано ни одного случая реверсии от гетерохронного фенотипа к феноти-гически нормальной кукурузе, которая обычно обозначается wild type, їли мутирования от wild type к гетерохроннону фенотипу у кукурузы. 'ем более ничего не известно о генетическом контроле таких ссбитий у
гетерохронных мутаций т.е. о причинных механизмах гетерохронии. Отсутствует также информация о том, что в потомствах гетерохронных мутаций Cgl, Tpl, Тр2 и ТрЗ спонтанно возникают какие-либо мутации.
Таким образом, изучение мутационных процессов, затрагивающих Cg2 локус, а также другие мутантные локусы, возникающие спонтанно с высокой частотой в линиях носителях аллелей Cg2 и в потомстве фено-типически нормальной кукурузы (wild type), несущей аллели Cg2+, является актуальной проблемой, так как позволит точнее определить причины и факторы естественного мутационного процесса, их роль в эволюции и происхождении Zea mays L. Особенно актуальной является проблема генетического контроля нестабильного состояния Cg2 гена. Отмеченное взаимодействие аллелей Cg2 и Cg2+ с геномом цитоплазмы представляет чисто научный интерес в плане проверки эндосимЗиотической гипотезы происхождения клеток эукариот, которая подразумевает обмен генетической информацией между ядрами, митохондриями и хлоропластами /Kemblе et al., 1983/ и как вектор для переноса генетической информации, если, конечно, такое взаимодействие связано с перемещением зписомоподобного генетического элемента.
Цель и задачи исследований. Настоящая работа преследовала три основных цели. Во-первых, элементарный генетический анализ, который позволит определить количество, генов контролирующих мутантный признак, а также влияние на экспрессию и пенетрантность гетерохронной мутации Cg2 дозы гена и чужеродных генетических фонов. Во-вторых, выявление закономерностей в мутационных процессах, наблюдаемых в потомстве гетерохронной мутации Cg2 и вскрытие причинного механизма т.е. генетических факторов, контролирующих эти процессы. В-третьих, предложить новые оригинальные пути использования гетерохронной мутации Cg2 и генетической системы контроля поведения нестабильных аллелей Cg2 и Cg2+ в селекционно-генетической работе.
В соответствии с намеченными целями решались следующие задачи:
Оценить характер проявления Cg2 гена у гомо- и гетерозигот, а также влияние дозы гена на экспрессию гетерохронной мутации Cg2.
Изучить влияние чужеродных генетических фонов на проявление и выражение гетерохронного фенотипа C?2.
Охарактеризовать поведение нестабильных аллелей Cg2 и Cg2+ в потомстве самоопыленных гомо- и гетерозигот.
Определить частоту мутирования аллелей Cg2 и Cg2+ в генотипах Cg2/Cg2, Cg2/Cg2+ и Cg2+/Cg2+ и дать объяснение систематическому появлению соматических и генеративных мозаиков по гену Cg2.
Экспериментально выявить генетический Фактор или факторы, контролирующие нестабильность гетерохронной мутации Cg2 и провести генетический анализ взаимодействия аллелей Cg2 и Cg2+ с различными типами цитоплазмы.
Выделить в потомстве гетерохронной мутации Cg2 максимальио возможное количество других мутантных локусов, возникающих спонтанно с высокой частотой или индуцировать их путем гибридизации с маркерными линиями кукурузы.
Выяснить причастность гетерохронной мутации Cg2 к мутационным событиям в других локусах генома кукурузы.
Научная новизна. Впервые обосновано представление о гетерохронии как об особой генетической системе со своими многообразными закономерностями. Прежде всего следует отметить, что на выражение гетерохронного фенотипа Cg2 влияет доза гена и генетический фон линии, на котором зкспрессируются аллели Cg2. Впервые показано, что проявление и выражение гетерохронного фенотипа Cg2 зависит от генотипа цитоплазмы. Более того цитоплазматический геном некоторых линий полностью подавляет экспрессию аллелей Cg2.
Впервые, на примере Cg2 гена, установлено, что гэтерохронкые
мутации пролонгирующие фазу ювенильного развития у кукурузы могут Оыть нестабильными, как и другие локусы. отвечающие за синтез пигментов или биохимический состав эндосперма. Впервые представлены доказательства генетического контроля нестабильности Cg2 локуса у кукурузы.
Выделено шестнадцать мутаций в линиях носителях аллелей Cg2 и Cg2+, как аллельных ухе известным мутациям, так и не аллельных, что является показателем размеров спектра генетической изменчивости у этих линий.
Установлено, что генетический фон линий содержит регуляторные элементы пяти наиболее хорошо известных мутаторных систем (Dt. Ас, En. Uq и Mrh) и транспозиционный элемент, расположенный в непосредственной близости от Wx локуса.
Теоретически проанализированы и обобщены данные о путях и перспективах научного и прикладного использования гетерохронной мутации Cg2, генетической системы контроля нестабильности Cg2 локуса и выделенных в потомстве гетерохронной мутации Cg2 других мутантов.
Практическая ценность. Созданный в процессе.проведения исследований ценный генофонд самоопыленных линий носителей аллелей Cg2 и Cg2+. в том числе и носители других мутаций, представляют собой ценный селекционный материал в создании гибридов кукурузы для возделывания в средней полосе России. Наиболее простой путь использования гетерохронной мутации Cg2 - это создание многостебельных силосных гибридов. Для этого необходимо будет интродуцировать аллели Cg2 в линии районированных гибридов т.е. создать аналоги отцовских форм. геном цитоплазмы которых полностью супрессировал бы гетерохронный фенотш1 Cg2. Соответственно геном цитоплазмы материнских линий при гибридизации должен быть способен индуцировать экспрессию гетерохронного фенотипа. Такая генетическая система семеноводства многосте-
белышх силосных гибридов может быть наиболее эффективна, так как вписывается в уже существующую.
Разработанная мутаторная система генетического контроля нестабильности гетерохронной мутации Cg2 имеет не только большое теоретическое значение, но и прикладное, так как реверсии от Cg2 к Cg2+, а затем мутирование от Cg2+ к Cg2 сокращают фазу ювенильного развития настолько, что она может стать намного короче, чем у исходного родителя. Это явление может быть использовано для сокращения длины вегетационного периода т.е. возможно позволит адаптировать уже существующие зысокопродуктивгые гибрвды и, тем самым несколько отодвинуть на север ареал возделывания кукуррзы на силос или даже на зерно.
Некоторые из выделенных мутаятоъ переданы в генетический фонд Всероссийского института растениеводства км. Н.И. Вавилова /г.Санкт-Петербург/ и могут использоваться для изучения разных аспектов генетики кукурузы.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Республиканской конференции.- "Создание и использован!е идентифицированных генетических коллекций основных с/х культур", (Кишинев, 1979); I Всесоюзном совещании по генетики развития растений, (Таикент, 1980); Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных", (Кишинев. 1931); IV съезде МОГиС. (Кишинев, 1981); IV съезде ВОГиС им. Н.И. Вавилова. (Кишинев, 1981); 1 Всесоюзной конференции по прикладной радиобиологии, (Кишинев, 1981); Всесоюзной конференции "Адаптация и рекомбиногенез у культурных растений", (Кишинев, 1982); Научной конференции "Геном растений", (Черновцы, 1983); На Всесоюзном совещании "Экспер1ментальный мутагенез в интродукции, акклиматизации и селекции растений", (Саранск. 1983); Научной конференции "Чувствительность организмов к мутагенным факторам и возникновение мутаций-новые направления в мутагенезе растений"
(Вильнюс, 1986); Всесоюзной конференции "Рекомбкногепез его значение в эволюции и селекции", (Кишинев, 1986); V съезде МОГиС, (Кишинев, 1987), I Всесоюзном совещании по применению физического и химического мутагенеза в с/х, (Кишинев, 1987); III Всесоюзной конференции по экологической генетики растений и животных, (Кишинев, 1S87); V съезде ВОГиС, (Москва, 1987); Всесоюзном совещании "Генетические основы интродукции и селекции растений", (Саранск, 1987); Научной конференции "Состояние и перспективы развития генетики и селекции в Литве", (Вильнюс, 1989); Научной конференции "Частная генетика растений", (Киев, 1989); Всесоюзной конференции "Генетика развития растений и дивотных", (Ташкент, 1990); Научной конференции "Проблемы теоретической и прикладной генетики в Казахстане", (Алма-Ата, 1990).
Структура и объем диссертации. Диссертация имеет объем 249 страниц машинописного текста, в том числе 52 таблицы, 21 рисунок, 11 схем и список литературы /22 стр./. Обзор литературы содержит одну главу. Экспериментальная часть состоит из 9-ти глав, разделенных на подглавы.