Интрогрессивная гибридизация генов рода Triticum L. Козловская, Вера Фроловна

Введение к работе

Актуальность проблем. Известно, что во всем мире в селекции урожайных сортов пшеницы районированные сорта и лучшие селекционные линии используются в качестве обязательного компонента для скрещиваний (Неттевич, 1982; Лукьяненко,.1990). Оправданность такого подхода подтверждается его результативностью, а приемлемость сохранится до тех пор, пока будет наблюдаться рост зерновой продуктивности. ( Driscoll , 1981).

Относительно генетической гетерогенности этот подход консервативен. Небольшой набор родительских форм является постоянным компонентом для гибридизации, что сужает наследственное разнообразие вновь лицензируемых сортов и обостряет проблему их устойчивости к неблагоприятным факторам среды (Неттевич, 1982; Кравченко, 1989; Неттевич и др., 1993).

Межвидовая гибридизация твердой пшеницы с T.turgidum Ь., T.diooccim ( Schrank ) Schuebl., T.aestivum Ь» сыграла в последние 30-40 лет немаловажную роль в селекционном улучшении этого культгёна (Дайнеко, Подсочная, 1980; Савицкая и др., 1980; Морозов, Шевченко, 1982; Psndey, Еао , 1987). Путем скрещивания озимых мягких с яровыми твердыми пшеницами на Украине созданы сорта озимой твердой пшеницы (Кириченко, Паламарчук, 1987).

Однако вышеприведенные межвидовые гибриды относят к отдаленным весьма условно { Shebeski , 1983). Несовместимость родительских видов отсутствует, или выражена весьма умеренно, а гибридыE-j обладают достаточно высокой самофертильностью, чтобы обеспечить получение большого объема материала щ и последующих поколений (Козловская, Шатилова, 1987; Лукьяненко, 1990; Гетман, 1991).

Возможности улучшения возделываемых видов шаениц, особенно по устойчивости к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам среды, значительно бы расширились путем использования генетического материала репродуктивно изолированных видов рода Triticum L. : однозернянок и T.timopheevii . Известно, что они обладают комплексом хозяйственно ценных признаков: групповой иммунитет к вредителям и болез-

кяы,. холодостойкость, устойчивость и избыточному увлашаднию, высокие эффективность фотосинтеза и содержание белка в зерне (Dhaliwal, Gill , 1982; Gill et al. , 1983; Кривченко и др., 1984; Топаг et al. , 1988; Ямалеев и др., 1990).

Репродуктивная изоляция обусловливает целый ряд проблем, затрудняющих межвидовую интрогрессию: несовместимость, высокая или полная самостерильность гибридов F_1t низкий результат первого беккросса, череззерница, длящаяся в ряду последовательных поколений. Многоэтапность интрогрессии, проявление барьеров генетической изоляции на каждом из этапов приводят к постепенному сокращению объема гибридного материала. При завершении интрогрессии он обычно представлен потомствами немногих из числа возможных межвидовых рекомбинантов. Поэтому реальными перспективами располагает отбор по просто наследуемы» признакам.

Имеющиеся сведения о возможности экспериментального вмешательства в межвидовой перенос наследственного материала весьма ограничены и противоречивы. Они служат лишь предосте-режзниями о разнообразных и серьезных трудностях, но не позволяют определить направление поиска в решении стоящих проблем.

Цель и задачи исследований. Основная цель настоящего исследования состояла в познании особенностей рекомбиногенеза и путей переноса генетического материала репродуктивно изолированных в культурные виды рода Triticum . а также возможностей экспериментальной коррекции межвидовой несовместимости и воспроизводительных свойств гибридов первых поколений.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. исследовать изменчивость и предложить пути преодоления межвидовой несовместимости;

2. установить особенности и изменчивость яоныогации хромосом в Mj ыейоза, частоту, спектр и хромосомную конституцию функционально способных яйцеклеток гибридов ?₁ в зависимости от генотипа и среды;

3. разработать подходы к повышению эффективности интрогрессии на этапе первого беккросса; определить возможности взаимной интрогрессии между родительскими видами, а также ис-

пользования Fj межвидовых гибридов с T.durum в качестве моста для переноса генетического материала донорных видов в т. aestivua ; оценить целесообразность второго беккросса для восстановления репродуктивных свойств межвидовых гибридов;

4. изучить сопряженность цитологической стабильности и фертильности Fj-Bt, озеркєнность FgBj- и FjBg и ее взаимосвязь с плодовитостью PjBp

5. предложить стратегию отбора рекомбинантов, сочетающих устойчивость к заболеваниям с типом колоса культурных видов.

Научная новизна. Впервые в одном эксперименте дана оценка стагистической значимости и доли влияния генотипа и среда в изменчивость межвидовой несовместимости. Показано, что мо-дификационная изменчивость имеет равный с генотипической (получение AABD гибридов),"либо преобладающий вклад в изменчивость результатов гибридизации. Непрерывная и средово-зависи-мая вариабельность совместимости послужила основанием для предположения о ее мультигенном генетическом контроле. Использование разнообразия отцовских и материнских форм позволило установить барьерные механизмы, изолирующие виды. В случае их доступности экспериментальному вмешательству возможно преодоление ( T.aestivum х T.timopheevii ) или существенное снижение ( T.aestivum х диплоидные виды) несовместимости. Установлено, что виды r.durun Deaf. и T.timopheevii совместимы. Сформулирована концепция о том, что генетическая система размножения, осуществляет воспроизведение вида и распознавание "чужого" мужского гаметофита.

Установлено, что плоидность реципиентного культурного вида не оказывает значимого влияния на конъюгацию хромосом у гибридов ї^ с T.timopheevii . Триплоидные гибриды имеют ожидаемое и сходное число бивалентов в Мт мейоза; существенное снижение конъюгации хромосом у. гибридов AABD обусловлено эффектом генетического материала однозернянок. Впервые показано, что по частоте существенного влияния и доле вклада в фенотипическую вариабельность синапсиса хромосом у интро-грессивных гибридов в роде Тритикум модификационная изменчивость имеет преимущества перед генотипической; в конкретных условиях произрастания изменчивость коныогации хромосом у

гибридов культурных видов с T.timopheevii определяется разнообразием сортов, у триплоидных - взаимодействием родительских форм.

Полученные оригинальные данные свидетельствуют, что ыо-дификационная изменчивость превосходит генотипическув по доле вклада в вариабельность результата Вт интрогрессивных гибридов. Влияние условий опосредованно, в частности, через динамику цветения. Использование разнообразия сортов, как рекуррентных родителей, не способствует повышению межвидовой инт-рогрессии на этапе. Вт. Опосредованный перенос генетического материала T.timopheevii в мягкую пшеницу через ее гибриды с Т.durum без эмбриокультуры невозможен; триплоидные гибриды могут служить мостом для передачи наследственного материала однозернянок в T.aestivum .Исходя из результата Вт, обратная от мягкой в Тимофеева пшеницу интрогрессия затруднена существенно более, чем прямая, либо невозможна (от т.durum в диплоидные виды).

Цитологический анализ показал, что гаметофитный отбор ограничивает разнообразие гамет триплоидных и т.durum х т. timopheevii гибридов по числу хромосом; их спектр и относительная частота не зависят от условий выращивания гибридов F_T и не определяют иодификационную изменчивость результата Вт. Растения Fg гибридов твердой и Тимофеева пшениц не имеют преимуществ перед F-jB-i по разнообразию хромосомной конституции. Сходный результат первого беккросса Зп гибридов на т. durum и T.aestivum обусловлен одинаковым спектром функционально способшх гамет, реализуемым рекуррентными родителями разного уровня плоидности.

Экспериментально обосновано представление о путях интро-грессии генетического материала репродуктивно изолированных видов в культгены Triticum . Показано, что хромосома диплоидных видов, не гомологичная а геному Т.durum .присутствует у 63,5% гамет г-) в виде моносомного замещения или дополнения. Явление частичной или полной реституции у триплоидных гибридов, наблюдае_мое с частотой 8,7. оценивается как благоприятствующее рекомбиногенезу между однозернянками и т.durum . Результатом моно-... тетра-замещения по негомологичкым

хромосомам родительских видов является 85,1 яйцеклеток Fj(T. durum X Т. timopheevii ).

Получено экспериментальное свидетельство того, что для l^B-i гибридов мягкой и Тимофеева пшениц характерна эмбриональная несовместимость. Использование условий, способствующих семягенезу и выживанию проростков, а также культивирование незрелых зародышей рассматриваются как пути повышения выхода растений этого поколения. Действенность метода экбрио-культуры определяется условиями выращивания донорных растений и отзывчивостью генотипов на культивирование in vitro.

Установлено, что нерегулярность мейоза f-,3^ интрогрес-сивных гибридов не может рассматриваться в качестве основной причины снижения плодовитости. Роль изученных факторов в вариабельности озернєнности этого поколения зависит от исходных родительских видов. В качестве главных выступают: условия среды (гибриды ш,durum х T*timophoevii ), генотипическое разнообразие - T.aestivum х T.timopheevii ,либо оба фактора,а также их взаимодействие не обеспечивают существенной коррекции фертильности За гибриды, беккросс на т.durum . Использование второго возвратного скрещивания, как способа повышения плодовитости р^в^ триплоидкых гибридов, беккросс на твердую и мягкую пшеницы, нецелесообразно, и оправдано многократным снижением частоты стерильных растений у гибридов Т. aestivum с однозернянками и пшеницей Тимофеева.

Анализ сопряженности фертильности последовательных поколений межвидовых гибридов показал, что частота существенных корреляций озернєнности к^в^ - FgB^ , вероятно, отражает степень различий родительских видов по генетическим системам, контролирующим их воспроизводительные свойства. В соответствии с ней и в порядке ее снижения гибриды ранжируются следующим образом: триплоидные, беккросс на т.durum , твердой и мягкой пшеницы с T.timopheevii . Опосредованная через три-плоидный мост интрогрессия генетического материала однозернянок в T.aestivum и т.durum , начиная с F₁B₁, не требует экспериментального вмешательства;' р в,, и ?<.В_? гибридов культурных видов с T.timopheevii , как правило, самоферти-льны.

Сравнительное изучение фенотипического полиморфизма свидетельствует, чтор₁в₁ гибридов тетраплоидного культурного вида с репродуктивно изолированными видами рода Ttitieum отличается большим разнообразием морфотипов, чем гексаплоидного. Морфологические признаки колоса растений f,.b,, не определяют уровень их фертильности; названные особенности, вероятно, контролируются независимо.

Испытание гибридного материала на искусственном по стеблевой ржавчине инфекционном фоне позволило установить, что отбор иммунных межвидовых рекоыбинантов целесообразно начинать в, svb,, триплоидных, беккросс на твердую и мягкую пшеницу и T.durum х s.timopheevii , а также в относительно фертильних, f,b^ и FgBp поколениях, гибридов мягкой и Тимофеева пшениц. Частота иммунных,форм составляет не .менее 1x10 во всех гибридах,кроме Т.durum х T^timopbeevil^ В последнем случае частота желаемого фенотипа снижена до 3x10 , вероятно, в результате активности нескольких генов - модификаторов.

Практическая значимость работы. На основании максимального и наиболее постоянного вклада среды в вариабельность совместимости, коньюгации хромосом в Мт мейоза и результата Ъ-\ предложены общие подходы к повышению эффективности межвидового переноса генетического материала репродуктивно изолированных в культурные виды рода Triticum Предполагается их при-емлимость к любым интрогрессивным гибридам. Эти подходы позволили многократно повысить эффективность использования генофонда T.tiiaopheevii и однозернянок для создания генетической гетерогенности в селекционной работе с т.durum и T.aes-

tivum *

Показана информативность циклических межвидовых скрещиваний, выполненных с участием разнообразия материнских и отцовских форм, для выявления барьерных свойств и преодоления несовместимости. Существенное в разных условиях влияние только материнского компонента, или его, в сочетании с другими факторами, свидетельствует о проявлении барьерных свойств на рыльце. Несовместимость в таких случаях преодолевается или существенно снижается путем раннего многократного опыления.

Использование модификационной изменчивости для повышения результата в₁ при совместимости родительских видов возможно путем двукратного опыления, начиная с момента цветения. В отсутствии таковой оно предполагает коррекцию режима опыления в соответствии с динамикой цветения, а такае наступлением и сохранением рецептивности рылец гибридов f к пыльце рекуррентного родителя.

Существенное влияние условий среды на конъюгацию хромосом в М-г мейоза необходимо учитывать при выполнении цитогене-тических исследований - геномного и моносомного анализа, а также изучении закономерностей формирования миксогеномов в потомстве гибридов отдаленных скрещиваний.

Изменчивость рекомбиногенеза в конкретных условиях у гибридов культурных пшениц с T.timopheevii можно повысить путем использования разнообразия сортов, у триплоидных - разнообразия обоих родительских форм.

Полиморфизм растений f^b^ интрогрессивных гибридов по хромосомной конституции позволяет рассматривать наиболее несбалансированные цитотипы - 35-хромосомные растения триплоидных и тетра-замещенше формы гибридов T.durum х T.tinopheevil как источники геногипического разнообразия последующего поколения. Моно- замещенные формы, целесообразно использовать для выделения и сравнительного исследования дисомно замещенных линий твердой пшеницы по хромосомам T.timopheevii и однозернянок, негомологичным т.durum.

Впервые в мировой селекционной практике с использованием генетического материала T.boeoticum Boiss. и T.timopheevii созданы иммунные к стеблевой ржавчине формы твердой пшеницы. Показана результативность интрогрессивной гибридизации для получения комплексно иммунного материала. Невосприимчивый к грибным заболеваниям, фенотипически однородный материал T.durum передан во Всесоюзный институт растениеводства им.Н.И.Вавилова.

Выделены оригинальные рекомбинанты, сочетающие устойчивость к бурой и стеблевой ржавчине пщеницы Тимофеева с типом колоса T.aestivum . Создан и передан для селекционного изучения большой объем материала интрогрессиь..^ скрещиваний:

9 тысяч потомств F^B.") CF2B₂) - FfcBiCFcBg) гибридов мягкой и Тимофеева пшениц. Линии гибридов Т.durum с однозернянками и T.timopheevii проходят испытание на разных этапах селекционного процесса: от гибридных популяций до питомника конкурсного сортоиспытания.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены или представлены на региональных, Всесоюзных и Международг ных съездах, конференциях и совещаниях, в том числе на Всесоюзном совещании "Роль отдаленной гибридизации в эволюции и селекции пшеницы", г.Тбилиси,1985; Республиканской конферен-цииТаметная и зиготная селекция растений",г.Кишинев, 1987;УШ и IX Всесоюзных совещаниях по иммунитету растений (г.Рига, 1986; г.Минск,І99І); на У и УІ съездах ВОГиС им.Н.И.Вавилова (г.Москва,1987; г.Минск,1992); Всесоюзном симпозиуме "Цитогенетика зерновых культур"(г.Таллинн,1989), Ш-ей Всесоюзной конференции по генетике и цитологии мейоза (г.Новосибирск, 1990),ХП конгрессе Еукарпиа (Геттинген,РГ,І989); ІУ Всесоюзной научной конференции "Экологическая генетика растений,животных, человека" (г. Кишинев, 1991); Сибирско-шведском симпозиуме (г.Новосибирск,1992); П Российском симпозиуме "Новые методы биотехнологии растений"(г.Дущино,1993); зональных и региональных научно-методических совещаниях селекционеров Сибири и Дальнего Востока.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 586 страницах машинописного текста,состоит из девяти частей, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 44 рисунками, 62 и 88 таблицами в тексте и приложении. Указатель цитированной литературы содержит 750 ссылок, в том числе 278 на русском языке.