Введение к работе
Актуальность работы
Гречиха является важной продовольственной культурой: в России ее посевы занимают около 1 млн. га. Все возделываемые в России сорта представлены одним видом - Fagopyrum esculentum Moench. (гречиха обыкновенная). Этот вид обладает классической гетеростилией, обеспечивающей облигатное перекрестное опыление, которое считается одной из причин нестабильности урожая зерна (Campbell С, 2003) и обусловливает сложность селекционной работы с культурой. Попытки использования самофертильных форм в селекции гречихи не имели успеха из-за свойственной виду сильной инбредной депрессии. В Юго-Восточной Азии в качестве зерновой культуры возделывается также автогамный вид F. tataricum Gaertn. (гречиха татарская): в Китае его посевы занимают треть площадей под гречихой (Wang Y., Campbell С, 2004). В России этот вид не возделывается из-за его несоответствия местным условиям и потребительским традициям.
Объединение ценных качеств возделываемых видов в одном генотипе оказалось невозможным (Samimy С. et al, 1996).
Внимание к межвидовой гибридизации гречихи как способу создания самоопыляющихся сортов гречихи обыкновенной резко усилилось после открытия автогамного вида F. homotropicum Ohnishi, близкородственного F. esculentum (Ohnishi О., 1995). F. homotropicum, вместе с F. tataricum, F. cymosum Meisn. и F. esculentum, относится к крупносемянной группе рода Fagopyrum (Ohnishi О., 2009); другие виды, составляющие мелкосемянную группу, не имеют практического значения (Ohnishi О., 2010). В отличие от F. tataricum, вид F. homotropicum способен скрещиваться с F. esculentum с получением фертильных межвидовых гибридов. Тем не менее, для получения гибридов в этой комбинации используют методы культивирования незрелых зародышей (Wang Y, Campbell С, 1998).
Другим перспективным подходом к созданию форм гречихи с высокой инбредной жизнеспособностью является использование искусственного амфидиплоида F. giganteum Krotov, полученного скрещиванием тетраплоидных образцов F. tataricum и F. cymosum (Кротов А.С., Драненко Е.Т., 1973). Амфидиплоид самофертилен, но поддерживает гетерозис за счет межгеномных взаимодействий. F. giganteum перспективен для введения в культуру в России, однако для этого требуется преодоление ряда его недостатков, в первую очередь - сокращение продолжительности вегетационного периода и улучшение технологических качеств зерна. Это может быть сделано только посредством гибридизации F. giganteum с родительскими видами.
Для проведения эффективной работы по межвидовой гибридизации и использования полученных гибридов в селекционной работе необходимо: а) выяснение генетических механизмов, обусловливающих репродуктивные барьеры между видами; б) исследование особенностей генетического контроля признаков, ассоциированных с типом системы размножения в роде Fagopyrum;
в) экспериментальное определение возможности интрогрессии интересующих генов (и признаков) одного вида в другой. Немаловажное значение имеет выяснение закономерностей эволюции системы размножения видов крупносемянной группы рода Fagopyrum.
Цель работы
Изучить генетику репродуктивных барьеров и морфологических различий между видами крупносемянной группы рода Fagopyrum в связи с исследованиями процессов видообразования и возможностей обмена генами между видами.
Задачи исследований
-
Изучить генетику барьеров несовместимости между видами крупносемянной группы рода Fagopyrum, действующих на стадии роста пыльцевых трубок.
-
Изучить генетику различий (внутривидовых и межвидовых) по ряду признаков (форма семян, устойчивость к опадению семян, размер цветка, размер соцветия, число соцветий, тип цветка).
-
Разработать эффективную методику получения и использования в селекции межвидовых гибридов F. esculentum с F. homotropicum.
-
Исследовать формообразовательный процесс у гибридов амфидиплоида F. giganteum с родительскими формами F. tataricum и F. cymosum.
Научная новизна
-
Впервые для таксонов с гетероморфной системой несовместимости у видов крупносемянной группы рода Fagopyrum выявлены функциональные гены несовместимости гаметофитного типа, один из которых ассоциирован с доминантным аллелем супергена гетеростилии. Показано, что гетеростилия в роде Fagopyrum возникла взамен утраченной гаметофитной системы несовместимости. Получено прямое экспериментальное доказательство формулы Д. Льюиса (1954), объединившей известные компоненты супергена гетеростилии и З-локусов гомоморфных систем несовместимости.
-
На основе анализа морфологии и генетических механизмов системы несовместимости F. esculentum, F. homotropicum, F. cymosum и F. tataricum предложены вероятные последовательности событий на начальных стадиях их дивергенции.
-
Установлено, что окультуривание F. esculentum сопровождалось накоплением рецессивных генов, увеличивающих размер соцветия; переход к самоопылению дикого вида F. homotropicum сопровождался накоплением рецессивных генов, уменьшающих размер цветка.
-
Установлено, что ген S4, контролирующий гомостилию цветка морфологически различных образцов F. homotropicum, находится в группе сцепления №4. Выявлен мультиаллелизм по субгену Р.
-
Гомостилия цветка F. tataricum обусловлена рецессивными аллелями субгенов G и А, в сочетании с минус-аллелями модификаторов, влияющих на длину пестика. Аллель субгена Р в геноме F. tataricum отличается от аллелей этого субгена, характерных для F. cymosum.
-
Установлено наследование новых мутаций tepal-like bract (tlb), articulation (atl) и мутации, вызывающей замену 2-3 лепестков химерными структурами, сочетающими фрагменты лепестков и генеративных органов; определена локализация гена TLB, контролирующего базальную границу экспрессии генов В-класса.
-
Выявлены гены, контролирующие число соцветий у детерминантной формы гречихи (гомозигота по аллелю det).
Практическое значение работы
-
Амфидиплоид F. giganteum рассматривается как перспективная основа для создания материала с высокой инбредной жизнеспособностью, поддерживаемой за счет межгеномных взаимодействий. Созданы предпосылки для селекционной работы с F. giganteum: путем гибридизации с родительскими формами (F. tataricum и F. cymosum) получены межвидовые рекомбинанты с почти оптимальной продолжительностью вегетационного периода и улучшенными характеристиками зерна.
-
Разработаны методики массового получения межвидовых гибридов F. esculentum х F. homotropicum и их ускоренной селекционной проработки. Это позволило создать селекционный материал, на основе которого был выведен и передан в производство сорт Темп.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Прогамная несовместимость между видами крупносемянной группы рода Fagopyrum обусловлена действием механизмов двух типов.
-
Идентифицировано два гена несовместимости гаметофитного типа, проявляющихся в межвидовых скрещиваниях гречихи. Один из них ассоциирован с доминантными генами, контролирующими тип цветка.
3. Гетеростилия в роде Fagopyrum Mill, возникла взамен утраченной
гаметофитной системы несовместимости.
-
Формирование культивируемого вида F. esculentum сопровождалось накоплением рецессивных генов, увеличивающих размер соцветия.
-
Формирование F. homotropicum сопровождалось мутацией доминантного аллеля З-локуса, изменением его локализации, и накоплением рецессивных минус-аллелей генов, влияющих на размер цветка.
Апробация работы
Результаты работы доложены на следующих симпозиумах и конференциях: 7-м (Канада, 1998), 8-м (Корея, 2001), 9-м (Чехия, 2004), 10-м
(Китай, 2007) (публикации в сборниках трудов) и 11-м (Орел, Россия, 2010)(публикации и доклад) международных симпозиумах по гречихе; 3-м международном симпозиуме "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования" (Москва - Пущино, 1999); 2-м (С.-Петербург, 2000), 3-м (Москва, 2004)(доклад), 4-м (Москва, 2009) съездах ВОГиС; международной конференции "Генетические коллекции, изогенные и аллоплазматические линии" (Новосибирск, 2001); 2-й конференции московского общества генетиков и селекционеров им. Н.И.Вавилова (Москва, 2003); 1(1Х) международной конференции молодых ботаников (С.-Петербург, 2006); 2nd Meeting of the European Society for Evolutionary Developmental Biology, (Belgium, 2008); семинаре "Научные основы создания высокоэффективных технологий производства гречихи и проса" (Орел, 2009); региональной научно-практической конференции "Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской области" (Орел, 2010).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 67 печатных работ в международных и отечественных научных журналах, сборниках симпозиумов и конференций, в том числе 22 - в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, Методические рекомендации, Авторское свидетельство РФ №46923 на сорт Темп, Патент РФ на селекционное достижение №5456 на сорт Темп.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при участии автора с 1998 по 2012 год. Участие автора было определяющим при постановке проблемы диссертационной работы, при выполнении всех экспериментов, при оформлении научных публикаций. Сорт гречихи Темп создан совместно с сотрудниками лаборатории селекции крупяных культур ВНИИЗБК.
Структура и объем диссертации
