Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ . . . . 6
ГЛАВА П МАТЕРИАЛ И МЕТОЛИ 34
ГЛАВА Ш ВЛИЯНИЕ ЩТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГЕНОМОВ НА РАЗВИТИЕ МУЖСКОГО ГАМЕТОШТА ЭУ- И АЛЛОПЛАЗМАТИ-
ЧЕСКИХ ЛИНИЙ ШІЕНИВД 42
3.1 Характеристика основных этапов развития мужского гаметофита у аллоплазматических линий пшеницы с ЩС и их фертильных аналогов . . 42 3.2 Эффекты стерилизующих цитоплазм на субклеточном уровне при развитии мужского гаметофита у аллоплазматических линий пшеницы ... 50
ГЛАВА ІУ ВЛИЯНИЕ ЩТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГЕНОМОВ НА РАЗВИТИЕ СПОРОШТНЫХ ТКАНЕЙ ПЫЛЬНИКОВ АЛЛОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ С РАЗЛИЧНОЙ ФЕРТИЛЬ-
ностью пыльцы , ; 66
-
Ультраструктурные особенности развития тканей пыльников у аллоплазматических линий . 66
-
Особенности симпластического транспорта в пыльниках аллоплазматических линий пшеницы . 93
ГЛАВА У ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНЫХ И ЩТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГЕНОМОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НЕКОТОРЫХ ПРИЗНАКОВ, ХАРАКТЕРИЗУЩИХ РАЗВИТИЕ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА У АЛЛОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПШЕНИЦЫ ... 97 ВЫВОДЫ ............... 117
ЛИТЕРАТУРА 120
ПРИЛОЖЕНИЕ 142
Введение к работе
Использование эффектов гетерозиса у ряда культур, в том числе и пшеницы, практически невозможно без применения цитоп-лазматической мужской стерильности (ЩС). Многолетний опыт исследований показал, что ЩС является наиболее удобным и эффективным способом кастрации материнских растений. Этот метод обеспечивает стопроцентную гетерозиготность гибридных семян. У пшеницы наиболее распространенным источником ЩС является вид т. timopheevi. Однако при его использовании возникает ряд трудностей, препятствующих внедрению гибридной пшеницы в производство. Главной из них является недостаточная эффективность генов Rf-восстановителей фертильности, что вызывает неполное завязывание семян и снижение урожайности. Кроме того, цитоплазма т. timopheevi оказывает ряд нежелательных эффектов: удлинение периода вегетации, снижение семенной фертильности и др. В связи с этим необходимо детальное изучение механизмов возникновения ЩС у пшеницы, исследование особенностей взаимодействия ядерных и цитоплазматических генов при формировании фертильной и стерильной пыльцы. Работы в этом направлении целесообразно вести на всех уровнях - генетическом, биохимическом, ультраструктурном и др.
Удобной моделью для решения этих вопросов являются ал-лоплазматические линии пшеницы с различными ядерными и цито-плазматическими геномами и имеющие различную фертильность пыльцы, включая ЩС. Такие линии были получены при длительном бэккроссировании геномов ряда сортов мягкой пшеницы в чужеродные цитоплазмы ВИДОВ Triticum И Aegilops (Tsunewaki, 1980). 1980). При их изучении выявлены эффекты чужеродных цитоплазм на экспрессию ядерных генов, и наоборот,,изменения плазмона под влиянием чужеродного генома на уровне фенотипических и некоторых биохимических признаков.
Вместе с тем имеется крайне мало сведений об особенностях ультраструктурной организации цитоплазмы репродуктивных клеток в присутствии различных стерилизующих цитоплазм. Сравнительное изучение аллоплазматических и эуплазматических линий в этом плане позволяет вычленить эффекты ядерных и цито-плазматических геномов на тонкую структуру органелл цитоплазмы в процессе микроспоро- и гаметогенеза и их роль в формировании фертильной и стерильной пыльцы.
Совмещение методов электронной и световой микроскопии с методом генетического анализа дает возможность наиболее полно отразить особенности экспрессии ядерных генов и плазмоге-нов на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях в онтогенезе пыльников у аллоплазматических линий пшеницы с ВДС. Это также позволит выявить цитоплазмы, более пригодные для гибридного семеноводства.
В связи с этим целью данной работы являлось исследование особенностей формирования мужской генеративной сферы у растений пшеницы с ЦМС, имеющей различные чужеродные цитоплазмы, и выявить общие закономерности изменчивости организации цитоплазмы клеток у этих форм на световом и электронно-микроскопическом уровнях при формировании фертильной и стерильной пыльцы.
Для исследования ставились следующие задачи:
I. Изучить влияние ядерного и цитошгазматического гено^-мов на ультраструктурные особенности цитоплазмы репродуктивных клеток эу- и аллоплазматических линий пшеницы, отличающихся по фертильности пыльцы на различных этапах микроспоро- генеза.
Выявить влияние плазмона на отдельные этапы формирования фертильной и стерильной пыльцы.
Проследить особенности онтогенеза стерильных пыльников на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях в сравнении с фертильними.
Выявить чужеродные цитоплазмы, в наименьшей степени нарушавэщие развитие мужской генеративной сферы растений с ЦМС. . ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Цитоплазматическая мужская стерильность у пшеницы относится к гибридизационному типу (Edwardson, 1972), Она возникает при объединении ядерных геномов пшениц с цитоплазмами других видов злаковых. Впервые ЩС получена при введении ядерных генов Т. aestivum, L. В цитоплазму Ае. caudata (Kihara,
1951). Стерилизующее действие цитоплазмы Ае. ovata показал Pukasawa (1953), Он преДЛОЖИЛ ИСПОЛЬЗОВаТЬ ЦИТОПЛаЗМЫ Ае. ovata И Ае. caudata В СЄЛЄКЦИИ МЯГКОЙ И твердой ГИбрИДНОЙ ПШЄНИ- цы (Pukasawa, 1959). Однако эти цитоплазмы оказывали отрицательное действие на развитие растений и их продуктивность. Более благоприятный для геномов мягкой пшеницы источник ЦМС был обнаружен у Т. timopheevi (Wilson, Ross, 1962). ІІ03ЖЄ были ОПИ-саны и другие источники ЩС. Они, как правило, выявлялись при бэккроссировании геномов твердой или мягкой пшеницы в цитоплазмы ВИДОВ Triticum И Aegilops. В роде Aegilops ЭТО были: Ае. umbellulata (Muramatsu, 1965); Ае. ventricosa (Ohler, Ingold, 1966); Ае. speltoides (Maan, Lucken, 1971a); Ae. bicornis, Ae. squarrosa (Maan, Lucken, I97I6); Ae. aucheri, Ae. triarista-ta, Ae. triuncialis (ПанаЙОТОВ И др., 1975); Ae. kotschyi, Ае. variabilis (Mukai, Tsunewaki, 1979). В роде Triticum ЩС вызывали т. zhukovskyi, т. timonovum (Неттевич, Федорова, 1966); Т. monococcum (Maan, Lucken, 1968); Т. boeoticum (Maan, Lucken, 1970); T, dicoccoides, var. nudiglumis (Maan, Lucken, 1970).
Показано, что фертильность пыльцы определяется конкретными ядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. В одном случае они могут быть благоприятными для фертильности пыльцы, в другом - неблагоприятными (Турбин, Палилова, 1975). Так, Например, Т. durum СТврИЛЬНа В ЦИТОПЛаЗМах Ае. boeoticum, Ае. speltoides, Т. tomopheevi, Т. araraticum. Но при совмещении С цитоплазмами Т. dicoccum, Ае. kotschyi, Ае. variabilis формируется Нормальная ферТИЛЬНая ПЫЛЬЦа (Sasakuma, Maan,
1978). Даже при совмещении с ядерными геномами одного вида фертильность пыльцы также может быть различна. Так, цитоплазмы Ае. kotschyi ИАе. variabilis ВЫЗЫВалИ ВДС ТОЛЬКО у трех ИЗ 12 ИССЛеДОВаННЫХ ЛИНИЙ И СОРТОВ Т. aestivum (Mukai, Tsu-newaki, 1979).
Гены-восстановители фертильности, необходимые для нормального развития пыльцы, были идентифицированы у многих видов Triticum и Aegiiops , некоторые из которых являются источником ЩС. Например, т. dicoccoides, var. kotschyanum восстанавливала мужскую фертильность у линий с цитоплазмой Ае. ovata (Pukasawa, 1959), а Т. timopheevi ИМЄЄТ ГЄНН Rf как для мужски стерильных форм пшеницы с собственной цитоплазмой, так И ДЛЯ МС-форм, имеющих цитоплазму Ае. caudata ИЛИАе. ovata Wilson, 1968). Maan И Lucken (1972) ИСследовали поведение нескольких систем восстановления пыльцевой фертильности, ВКЛЮЧающИХ ЦИТОПЛазму ОТ раЗЛИЧНЫХ ВИДОВ Triticum и Aegiiops . Авторы путем бэккроссирования переместили геномы т. aestivum разновидности Хрис и Селкирк в цитоплазмы ряда видов Triticum и Aegiiops и провели анализ потомств от первого до четвертого поколений по признаку восстановления фертильности пыльцы. Различные генотипы вели себя неодинаково в присутствии цитоплазмы другого вида. В одних скрещиваниях формировалась стерильная пыльца, в других - фертильная. Так, например, растения Т. timopheevi, Т. aestivum ИЛИ т. durum С цитоплазмой Ae. speltoides были мужски стерильными и имели нормальную МОЩНОСТЬ, а С ЦИТОПЛаЗМОЙ Т. boeoticum И Ae. squ- arrosa - мужски стерильными с редуцированной мощностью* Показано, ЧТО растения С ЦИТОПЛаЗМОЙ Т. durum ИЛИ Т. aestivum также являются фертильними, но т. durum и т. aestivum с цитоплазмой Т. timopheevi - стерильными. Эти данные, по мнению авторов, указывают на то, что виды т. timopheevi, т. boeoticum и Ae. speltoides различаются между собой по цитоплазмам
И ЦИТОПЛаЗМатИЧеСКИ неИДеНТИЧНЫ Т. durum И Т. aestivum (Maan, Lucken, 1972). Аналогичные исследования провели Sasakuma и Маап (1978). Они изучили восстановительную способность пяти линий-восстановителей фертильности, имеющих цитоплазмы Ае. speltoides ИЛИ Т. nudiglumis. ЭТИМИ ЛИНИЯМИ ОПЫЛИЛИ 14 МУЖСКИ стерильных аллоплазматических линий пшеницы с цитоплазмами видов Triticum и Aegiiops. Фертилъность восстановленных линий была достоверно выше эуплазматического контроля. Цитоплазмы Т. araraticum, Т. nudiglumis, Т. timopheevi, Т. zhukovs-kyi и Ae. speltoides имели сходную реакцию на Т. durum и R-линии, что свидетельствует о цитоплазматическом сходстве этих линий.
Сравнительное исследование различий по 15 морфологическим и физиологическим признакам между гибридами, имеющими цитоплазмы 23 видов Triticum и Aegiiops и ядро от каждого из 12 сортов мягкой пшеницы, обнаружило проявление цитоплазмати-ческих эффектов, явившихся следствием ядерно-цитоплазматиче-ских взаимодействий с генотипами-восстановителями фертильности. На основании анализа полученных результатов авторы выделили 8 отличающихся плазмотипов dsunewaki et ai, 1976а):
I. А-ТИП, ЦИТОПЛазма Т. boeoticum;
П. С-ТИП - Ае. caudata;
Ш. Си-ТИП - Ае. umbellulata, Ае. triuncialis, Ае. biun-cialis, Ае. columnaris, Ае. triaristata;
IV. D-ТИП - Ае. squarrosa, Ае. cylindrica, Ае. juvenalis, Ае. crassa, Ае. vavilovii; V. G -ТИП — Т. dicoccoides var. nudiglumis, Т. timopheevi; VI. М-ТИП - Ае. ovata;
УЛ. S-ТИП - Ае. speltoides, Ае. kotschyi, Ае. variabilis, Т. dicoccoides var. spontaneonigrum, Т. dicoccum, Т. aestivum; УШ. Б^ТИП - Ае. sharonensis.
Позже эти данные были дополнены. В целом Цуневаки с соавторами изучили генетические эффекты на морфологические признаки 75 ЦИТОПЛазм, представляющих 34 ВИДа Triticum И Aegilops (Tsunewaki, 1980, 1983). В качестве тестеров использовали 12 сортов восстановителей фертильности. Они классифицировали цитоплазмы на 12 основных и 5 неосновных плазмотипов. На основании классификации плазмотипов родственных ди- и полиплоидных видов была выведена родословная цитоплазмы большинства полиплоидных ВИДОВ (Tsunewaki, Mukai, 1978; Tsunewaki, 1980). Классификация плазмотипов была подтверждена при изучении изо-электрофоретических спектров белка Фракция I из хлоропластов аллоплазматических линий (нігаі, Tsunewaki, 1981), большая субъединица которого контролируется плазмогенами (Chen et al, 1975).
Новую информацию о цитоплазматических различиях удалось получить с помощью метода эндонуклеазной рестрикции. Уже в 1976 году появилось 4 сообщения о возможной идентификации видовых особенностей хлоропластной и митохондриальной ДВК высших растений с помощью электрофореза эндонуклеазных рест-РИКТОВ (Atchinson et al, 1976; Bedbrook, Bogorad; 1976; Le-vings, Pring, 1976; Vedel et al, 1976). Метод позволяет сравнивать органельную ДНК и выяснять различия в ее структуре на межвидовом и внутривидовом уровне (Atchinson et al, 1976). Например, на основе рестрикции хлороплаетной ДНК было изучено филогенетическое ДреВО более ЧЄМ 20 ВИДОВ Nicotiana (Kung et al, 1982). Обнаружены цитоплазматические различия у видов Brassica (Erickson et al, 1983) И Coffea (Berthou et al, 1983). Найдены различия по структуре ДНК митохондрий у растений кукурузы с различными типами стерильности (Pring, Le-vings, 1978).
У Triticura И Aegilops Vedel et al (1978) первыми ИС- следовали различия между полиплоидными пшеницами и их диплоидными сородичами методом эндонуклеазной рестрикции. Изучив хлоропластную ДНК, авторы пришли к выводу, что Ае. speitoi-des является донором цитоплазмы для 4 х и 6 х пшениц. Однако ПРОДУКТЫ рестрикции МИТОХОНДриалЬНОЙ ДНК У Ае. speltoi- des и полиплоидных пшениц отличались, что дало авторам основание ПреДПОЛОЖИТЬ, ЧТО Современный ВИД Ае. speltoides НЄ мог быть единственным донором цитоплазмы. Наиболее четко цитоплазматические различия в родах Triticum и Aegolops продемонстрировали Ogihara И Tsunewaki (1982). Методом ЭНДОНУК-леазной рестрикции хлороплаетной ДНК они исследовали 34 ал-лоплазматических и 4 эуплазматические линии, подбирая ядерные геномы так, чтобы источники ЩС были восстановлены. В некоторых случаях для характеристики цитоплазмы авторы использовали эуплазматические линии. Было выделено 10 типов хло-ропластных геномов. За двумя исключениями каждый из этих типов соответствовал одному из плазмотипов (или подтипов), установленных Цуневаки с соавторами (1976а). Исключениями были хлоропластный тип I, который включал 5 различных плазмотипов: A, Dz, sbt sj- sv и хлоропластные геномы, которые соответствовали плазмотипу s.
На основании различий по числу фрагментов хлоропластной ДНК Ogihara, Tsunewaki (1982) ПОСТРОИЛИ филогенетическое дерево для 14 плазмотипов. Некоторые генетические особенности плазмотипов, такие как контролирование большой субъединицы белка Фракция I, индукция слабой мощности, пестролистность, мужская стерильность были локализованы в определенных ветвях этого дерева. Но ни одно из свойств не было связано с каким-либо определенным изменением рестрикционных фрагментов. По характеру спектров рестрикции предполагается следующее происхождение ЦИТОПЛазм: Ае. longissima 4х И 6х, Т. timophe-evi, Т. zhukovskyi, Т. dicoccoides, Т. araraticum — ОТ Ае. aucheri і Ае. triuncialis, Ае. "biuncialis, Ае. coluranaris, Ае. triaristata 4х И 6х - ОТ Ае. urabellulataj одна ВвТВЬ Ае. triuncialis - ОТ Ае. caudataj Ае. cylindrica И Ае. ventrico-sa - ОТ Ае. squarrosa (Ogihara, Tsunewaki, 1982). Это ПОЛНОСТЬЮ совпало с выводами, сделанными ранее при изучении морфологических признаков и кариотипов этих форм и их аллоплаз-матических гибридов (Ногі, Tsunewaki, 1967; Suemoto, 1968; Maan, Lucken, 1971a; Tsunewaki et al, 1976a; Tsunewaki, Mu-kai, 1978; Maan, 1976, 1977, 1978).
Генетические различия ЦИТОПЛазм ВИДОВ Triticum И Aegi- lops, описанные выше, дают возможность идентифицировать, изолировать и изучать определенные ядерные гены, присутствие которых становится очевидным только в специфических ядерно- цитоплазматических взаимодействиях (гены, определяющие совместно с цитоплазмой восстановление фертильности, мощность растений, характер роста И другие) (Sasakuma, Maan, 1978), Для успешного использования ЦМС в гибридном семеноводстве пшеницы необходимы такие источники мужской стерильности, цитопла-зматические геномы которых наиболее соответствовали бы ядерным геномам фертилышх сортов, т. е. чтобы цитоплазма, индуцирующая мужскую стерильность, не ухудшала хозяйственно-ценные признаки. Первые попытки использования ЩС в гибридном семеноводстве показали, что чужеродные цитоплазмы вызывают нежелательные побочные эффекты на ряд признаков. Pukasawa Ц959) отметил, что цитоплазма Ае. ovata задерживает вегетативный рост растений и дату колошения, уменьшает высоту растений, приводит к появлению пестролистности. У пестролистных растений нарушается структура устьиц. Пестролистность найдена Ног і И Tsunewaki (1967) у ЛИНИЙ Т. turgidum И Т. die ос cum С ЦИТОПЛазмОЙ Т. boeoticum И Suemoto (1968, 1973) для цито-ПЛазм Т. boeoticum, Ае. bicornis, Ае. longissima И Ае. sha-ronensis При совмещении ИХ С ЯДРОМ Т. turgidum. Mukai И Tsunewaki (19766) исследовали большую коллекцию аллоплазматиче-ских линий 12 мягких пшениц т. aestivum, ядерные геномы которых были помещены В цитоплазмы 23 ВИДОВ Triticum И Aegi-lops. Только 6 сильно стерилизующих цитоплазм вызывали в той
ИЛИ ИНОЙ Степени ПестрОЛИСТНОСТЬ - Т. boeoticum, Ае. umbellu-lata, Ае. triuncialis, Ае. biuncialis, Ае. columnaris И Ае. triaristata 6х. Степень пестролистности у цитоплазматиче-gkh замещенных линий изменялась в зависимости от генотипа.
У трех ЛИНИЙ - Jones Five, Т. compactum И Т. macha НИ ОДНОЙ из цитоплазм этот признак не индуцировался. По-видимому пест- ролистность вызывается особыми комбинациями ядра пшеницы и чужеродной цитоплазмы, а три выше названные линии мягкой пшеницы имеют ген-восстановитель нормального синтеза хлорофилла (Mukai, Tsunewaki, 1976), Tsunewaki et al (1976a) показали, что все цитоплазмы, индуцирующие пестролистность, кроме т. Ъоео-Ысшп, принадлежат к Си плазмотипу. Можно предположить, что они имеют общие плазмогены, контролирующие пестролистность,
КОТОрые, ВерОЯТНО, Переданы ОТ ДИПЛОИДНОГО ВИДа Ае. umbellu-lata трем тетраплоидам (Ае. triuneialis, Ае. biuncialis, Ае. coiumnaris ) и одному гексаплоиду (Ае. triaristata 6х) в процессе амфИДИПЛОИДИЗаЦИИ (Mukai, Tsunewaki, 1976).
Пестролистность коррелирует с уменьшением В ЛИСТЬЯХ COf держания хлорофилла. Так у стерильных линий с цитоплазмой Ае. ovata содержание хлорофилла в листьях пестролистных растений уменьшается до 70$ по сравнению с нормальными зелеными (Puka-sawa, 1959). По данным Mukai И Tsunewaki (1976) стерилизующие цитоплазмы уменьшали содержание хлорофиллов "а" и "б" в листьях пестролистных аллоплазматических линий. Так, цитоплазмы
Ае. umbellulata и Ае. biuncialis снижали содержание ХЛОро- филлов "а" и иб" соответственно до 45 и 53$ от нормы. Отношение хлорофилл "а"/хлорофилл "б" при этом существенно не менялось. Аналогичные данные получены и для других цитоплазм,
ИНДУЦИРУЮЩИХ пестроЛИСТНОСТЬ (Mukai, Tsunewaki, 1976; Iwana-ga et al, 1978).
Кроме содержания хлорофилла представляет интерес изучение интенсивности фотосинтеза и дыхания, так как уровень этих процессов характеризует взаимодействие между ядерным геномом и цитоплазматическими органеллами - митохондриями и хлоропластами, iwanaga et al (1978) исследовали эти показатели у 7 дитоплазматически замещенных линий пшеницы с ядром т. aesti- vura Сорта Chinese Spring. Три ИЗ НИХ (с цитоплазмами Ае. Ш1-bellulata, Ае. biuncialis, Ае. ovata ) вызывают ЦИТОПЛазматИ- ческуго мужскую стерильность, а линии с цитоплазмами Ае. Ш1- bellulata И Ае. biuncialis ИМЄЛИ 60ЛЄЄ ВЫСОКИЙ уровень фОТО- синтеза на единицу сырого веса и площади листа, чем донор
ЯДерНОГО Генома Chinese Spring, По МНЄНИЮ авторов ЭТО МОЖЄТ быть связано с меньшим размером клеток мезофилла и, следовательно, с большим числом клеток на единицу площади листа. Jost, Giadki-Jost (1974) провели сравнительное исследование II ЩО ЛИНИЙ ПШенИЦ, ИМеюЩИХ ЦИТОПЛазму Т. timopheevi, и их фертильныхс? аналогов по признакам, характеризующим фото-синтетический аппарат растений: площадь флагового листа, частота устьиц, длина устьичной поры, содержание хлорофиллов "а" и "б" на единицу сухого веса в период налива зерна и др. По всем признакам, кроме числа устьиц на площадь листа и отношения хлорофилл "а"/хлорофилл "б", были обнаружены достоверные различия между стерильными линиями и фертильными аналогами.
Таким образом, замещение собственной цитоплазмы некоторых видов на чужеродную приводит не только к изменению экспрессии ядерных генов, контролирующих ряд морфологических признаков, но и изменяет функционирование цитоплазматических органелл. Связано ли это с изменением функции хлоропластных плазмогенов или с изменением экспрессии ядерных генов пока не ясно.
В настоящее время накопилось много фактов, свидетельствующих и о других эффектах чужеродных цитоплазм, проявляющихся В ОНТОГенезе аллоплазматических растений. Kihara, Tsune- waki (1962) первыми сообщили О ТОМ, ЧТО цитоплазма Ае. caudata наряду с мужской стерильностью индуцирует гаплоидию у мягкой пшеницы. Tsunewaki (1964) обнаружил, что частота образования гаплоидов различается в зависимости от генотипа используемого сорта пшеницы. Мягкая пшеница Salmon, производное от 8х Triticale, проявила очень высокую частоту гаплоидов (около 30$) В ПРИСУТСТВИИ ЦИТОПЛазмы Ае. caudata. Сорта Т. aesti-vum var. erythrospermum, Т. macha var. subletschuminum И некоторые другие вызывали незначительное увеличение частоты гаплоидов (несколько процентов). С другой стороны частота га-плоидии менялась и в зависимости от видовой специфичности цитоплазмы. Так, при исследовании ЦМС-линий с ядерным геномом Salmon и цитоплазмами Ае. caudata, Т. timopheevi гаплоиды обнаружены ТОЛЬКО В ПРИСУТСТВИИ ЦИТОПЛазмы Ае. caudata (Tsune-waki et al, 1968). По МНЄНИЮ авторов,цитоплазма Ае. caudata содержит плазмогены, взаимодействие которых с ядерным геномом Salmon приводит к образованию гаплоидных проростков. В 1974 году Tsunewaki et al описали еще 5 цитоплазм - Ае. tri-uncialis, Ае. umbellulata, Ае. columnaris, Ае. kotschyi, Ае. variabilis, индуцирующих образование гаплоидов (11-56$) и близнецовых проростков (0,5-15$) у мягкой пшеницы сорта Salmon. Доноры всех пяти цитоплазм, индуцирующих гаплоидный партеногенез, имеют в геномной формуле группу CUCU. В 1976 году Tsunewaki et al сообщили результаты изучения аллоплазма-тических линий мягкой пшеницы сорта Salmon с цитоплазмами 19 видов Triticum и Aegiiops. По их данным гаплоиды индуцировались ЦИТОПЛазмамИ Си ПЛаЗМОТИПа (Ае. umbellulata, Ае. biun-cialis, Ае. columnaris, Ае. triaristata 6х, Ае. triuncialis),
С плазмотипа (ає. caudata) и 2 цитоплазмы sплазмотипа (Ае. kotschyi, Ae. variabilis). Все эти цитоплазмы вызывают ЩС у большого числа сортов и линий мягкой и твердой пшеницы (Tsu-newaki, 1980), Цитоплазмы Ае. kotschyi и Ае. variabilis также вызывают ЩС у некоторых линий мягкой пшеницы (Mukai, Tsu-newai, 1979). Большинство цитоплазм, не индуцировавших гаплоидный партеногенез, являются "фертильними" и относятся к плазмотипам D и s (Tsunewaki et ai, 1976a) По-видимому, в процессе эволюции плазмогены, определяющие индукцию гаплоидов и ЩС, селектировались сцепленно.
Некоторые исследователи обнаружили изменения таких признаков, как период покоя и жизнеспособность семян под влиянием цитоплазм, индуцирующих ЩС. Так, было показано, что цитоплазма т. timopheevi снижала всхожесть семян у ЩС-линий (Неттевич, 1971) и приводила к прорастанию семян на корню (jost et ai, 1976). При исследовании жизнеспособности семян у 240 аллоплазматических линий мягкой пшеницы с ядерными геномами 12 сортов и цитоплазмами 20 ВИДОВ Triticum И Aegi-lops Tsunewaki et ai (1983) обнаружили специфическое взаимодействие цитоплазм некоторых типов с ядерными геномами мягких пшениц. В частности, цитоплазмы g плазмотипа (т. timopheevi И Т. dicoccoides var. nudiglumis) Снижали прорастание семян до 34,9-48,9$ в присутствии ядерных геномов т. aesti-vum var. erythrosperraura» Сортов P 168, Salmon, S 615. В присутствии ядерных геномов сортов Chinese Spring, Норин 26, Jones Five, Селкирк жизнеспособность семян почти не снижалась. В целом плазмотипы, объединяющие стерилизующие пыльцу цитоплазмы»(С, Cu, g, М), снижали жизнеспособность семян по сравнению с плазмотипами, объединяющими цитоплазмы, слабо индуцирующие или не индуцирующие ЩС (плазмотипы d, s, s1), на 5-14,6$ (Tsunewaki et al, 1983). По мнению авторов снижение жизнеспособности семян может быть вызвано их предуборочным прорастанием за счет нарушения некоторых метаболических процессов в связи с изменением ядерно-цитоплазматических взаимоотношений у аллоплазматических гибридов.
Интересным фактом является изменение устойчивости к некоторым заболеваниям у растений под влиянием цитоплазм, индуцирующих ЩС. Например, устойчивость мягких пшениц к стеблевой ржавчине (puccinia graminig) повышалась при введении цитоплазм Ае. caudata, Ае. ovata, Т. timopheevi (Sanchez-Mange et al, 1973), Washington, Maan (1974) ИССЛбДОВали Чувствительность аллоплазматических линий с 9 стерилизующими пыльцу цитоплазмами и 3 ядерными геномами к трем физиологическим расам ржавЧИННЫХ ГрибОВ Puccinia recondita Rob. Линии С цитоплазмами Ае. caudata, Ае. speltoides, Т. boeoticura были устойчивы ко всем трем расам грибов. Линии с цитоплазмами Ае. ovata, Т. araraticum, Т. timopheevi были ЧУВСТВЙ-тёльны к двум из трех рас. Остальные цитоплазмы показали промежуточную устойчивость. Спектры чувствительности у различных линий изменялись при замене ядерного генома. На основании полученных результатов авторы сделали вывод, что чужеродные цитоплазмы могут влиять на экспрессию ядерных генов устойчивости к определенным расам листовой ржавчины и что взаимоотношения хозяин-паразит находятся под контролем цитоплаз-матических факторов хозяина и ядерных генов хозяина и гриба (Washington, Maan, 1974),
Цитоплазмы, индуцирующие ІЩС, оказывают сильное влияние на ряд морфологических признаков. Панайотов (1979, 1980) исследовал 60 аллоплазматических линий пшеницы с ядерными ге-
НОМами Т. aestivum сортов Penjamo 62 И Siete Cerros 66 И ЦИ-ТОПЛазмаМЙ 30 ВИДОВ Triticum И Aegilops, ІЗ ИЗ КОТОРЫХ ИНДу- цировали ЩС у этих сортов. По характеру действия на морфологические признаки растений стерилизующие цитоплазмы были разбиты на три группы. Первая группа соответствует Си плазмотипу (Tsunewaki et al, 1976а) И ВКЛЮЧает ЦИТОПЛаЗМЫ Ае. columna-ris, Ае. hiuncialis, Ае. macrochaeta, Ае. triaristata 6х, Ае. recta. Они показали сильное угнетающее действие на рост растений - уменьшали длину соломины, длину колоса, число колосков и длину флагового листа. Причем это происходило у сорта Penjато 62 сильнее, ЧЄМ у Siete Cerros 66, ЭТИ ЦИТОПЛаЗМЫ также задерживали выколашивание и увеличивали число колосьев (Panayotov, 1980} Панайотов, 1979).
Вторая группа включала цитоплазмы Ае. heidreichii, Ае. comosa и Ае. mutica, которые слабо влияли на эти признаки и почти не угнетали рост растений. Аллоплазматические линии имели более длинный колос и большее число колосьев. Значительно угнеталось развитие тычинок и пыльников, У линий с цитоплазмой Ае. heidreichii пыльники не развивались, при искусственном опылении семена завязывались нормально и обладали хорошей жизнеспособностью. Третья группа включала цитоплазмы
Ае. aucheri, Ае. triuncialis И Т. dicoccoides var. sponta- neoviiiosum. Аллоплазматические линии развивались без отклонений. На ранних этапах они проявляли даже некоторый гетерозис, что выражалось в увеличении числа побегов, длины колоса, числа колосков на колос. Длина соломины при этом, однако, резко уменьшалась. Особо выделялась цитоплазма Ае. triuncialis* Линии с цитоплазмой этого вида лучше росли до выкола-шивания, чем контрольные. Несмотря на пестиллоидность, жене- кая фертильность была нормальной. Цитоплазма т. dicoccoides var. spontaneovillosum При ПОЛНОЙ МУЖСКОЙ СТврИЛЬНОСТИ также не оказывала значительных эффектов на вегетативные признаки и развитие женских генеративных органов. Пыльники выбрасывались из цветков, но не раскрывались. При опылении семена образовывались выполненные, с хорошей жизнеспособностью.
Аналогичные результаты получены Stehno, Apltauerova (1981) при исследовании коллекции аллоплазматических линий, созданных Панайотовым, в условиях ЧССР. По степени влияния стерилизующих цитоплазм на морфологические признаки авторы также выделили три группы, совпадающие по характеристикам с группами, выделенными Панайотовым (1979, 1980). Авторы выделили цитоплазму Ае. aucheri , которая в условиях ЧССР оказывала минимальное влияние на исследуемые морфологические признаки. В то же время в условиях Болгарии эта цитоплазма снижала женскую фертильность (Панайотов и др., 1975).
Цуневаки с соавторами исследовали коллекцию аллоплазматических пшениц с ядерными геномами 12 сортов и цитоплазмами 23 видов Triticum и Aegiiops. По влиянию на морфологические признаки они разделили источники цитоплазм на 8 плазмо-типов (Tsunewaki et al, 1976а; Tsunewaki, 1978). Пять из них (А, С, 6х, G, М) включали цитоплазмы, индуцирующие цитоплаз-матическую мужскую стерильность.
А-плазмотип - цитоплазма Ае. "boeoticum. Вызывала депрессию роста, гибель растений при перезимовке, пониженную жизнеспособность семян, пестролистность, задерживала колошение на 25 дней.
С-плазмотип - цитоплазма Ае. caudata. Давала почти нормальные растения, за исключением веса сухого вещества. При- водила к пестиллоидности и образованию гаплоидов,
Си-ПлазМ0ТИП - Ае. umbellulata, Ае. triuncialis, Ае. biuncialis, Ае. columnaris, Ае. triaristata. ЭТИ цитоплазмы угнетали рост растений, задерживали колошение, вызывали пест-ролистность, G-ПЛазмотип - Т. timopheevi, Т. dicoccoides var. nudi-glumis, He оказывали сильного действия на морфологические признаки растений, но приводили к некоторым уродствам пыльников,
М- плазмотип - Ае. ovata. Вызывала сильную задержку колошения при мощном развитии растений.
Обнаруженные изменения многих признаков пшениц при замене исходной цитоплазмы на чужеродную, вызывающую ВДС, свидетельствует о наличии определенной плейотропии цитоплазматиче-ских и ядерішх генов на изученные признаки пшениц. Молекулярно- генетические механизмы возникновения ІЩС у аллоплазмати-ческих линий пшениц и других культур практически неизвестны несмотря на большое число публикаций (Крупнов, 1973; Данилова, 1969, 1981; Турбин, Данилова, 1975; Дротасевич, 1984; Дмитриева и др., 1983; Давыденко, 1984; Duvick, 1965; Edwards on, 1970; Grun, 1976; Данков, 1984).
Додавляющее большинство случаев ІЩС у пшеницы относится к гибридному типу (Edwardson, 1970). Додобный тип мужской стерильности описан и у многих других культур, например картофеля (Grun, 1970), хлопка (Meyer, Meyer, 1965), табака (Clayton, 1950).
Для объяснения гибридной ЩС Kihara (1968) предположил существование изоплазматических и гетероплазматических видов. По era1 мнению каждой разновидности или виду соответст- вуют различные факторы как ядерные, так и цитоплазматичес-кие, определяющие фертильность пыльцы. В ядре это гены Rf , а в цитоплазме факторы ms . У изоплазматических видов данные факторы комплементарны. Объединение при гибридизации некомплементарных факторов фертильности от гетероплазматических видов ведет к стерилизации пыльцы. Малообоснованным положением в гипотезе Кихары является обязательное присутствие детерминантов стерильности в цитоплазме любого вида или разновидности. Из этого положения следует, что цитоплазма каждого вида дефектна, поскольку содержит детерминанты стерильности, и этот дефект не проявляется только потому, что любой из детерминантов стерильности подавляется соответствующим ядерным доминантным геном (Турбин, Палилова, 1975). Любая мутация этого гена должна была бы приводить к мужской стерильности. Это не соответствует действительное!!, поскольку встречаемость в природе спонтанной ЩС крайне редка (Крупнов, 1973).
Существует предположение, что стерильность при гибридизации возникает при объединении определенных ядерных плаз-
МОН-ЧуВСТВИТеЛЫШХ ГеНОВ С ЧужерОДНЫМ ПЛаЗМОНОМ (Grun, 1976).
Для объяснения мужской стерильности у пшеницы может быть использована разработанная Турбиным и Палиловои (1970, 1972) модель взаимодействия ядерных генов и плазмогенов при ЩС. В основе модели лежит принцип репрессии-индукции, предложенный для микроорганизмов (Jacob, Monod, 1961). Предполагается, что на уровне цитоплазмы существует собственная генетическая система регуляции функции цитоплазматических факторов (плазмогенов) , действующая по принципу репрессии и депрессии. Эта система включает плазмоген-регулятор, вырабатывающий ре-прессор и структурный плазмоген, ответственный за синтез митохондриального белка. Ядерный ген-восстановитель фертиль-ности играет роль эффектора, контролирующего синтез вещества индуктора, связывающего репрессор. В случае ЦМС предполагается, возникновение мутации плазмогена-регулятора, ведущей к его повышенной биохимической активности. При гибридизации у пшеницы определенное несоответствие ядерных генов и плазмо-генов может оказывать эффект аналогичный мутации митохондри-альных генов (Турбин, Палилова, 1975). Однако вопрос о роли нехромосомных мутаций в возникновении мужской стерильности гибридизационного типа еще не решен. Существует лишь гипотеза о мутационном происхождении ЩО у ряда культур. Она по сути дела предполагает возможность мутационного изменения в генетической системе органелл цитоплазмы - спонтанного или искусственно вызванного. Изменение генетических свойств цитоплазмы происходит одновременно с эволюцией ядерного генома. Об этом говорит существование цитоплазматического разнообразия у родственных видов и разновидностей пшениц и эгилопсов (Маап, 1979; Tsunewaki, 1980), Plantago lanceolata ("Van Damme, Van Delden, 1982), coffea (Berthou et al, 1983), табака (Циков, Никова, 1980), картофеля (Grun, 1976) и других растений. Об этом также свидетельствует встречаемость спонтанной ЦМС в популяциях и сортах ряда растений: кукурузы (Duvick,
1965), сахарной свеклы (Owen, 1945), сорго (Stephens, Holland, 1954), ржи (Кобылянский, 1962; Здрилько, 1966) и др. У пшеницы спонтанная ЩС описана Савченко и Жастович (1964, 1968) в популяциях сортов Мироновская 264, Мироновская 808, Безостая I и др. другим исследователям спонтанную ЩС у пшеницы обнаружить не удалось (Крупнов, 1973). 0 возможности мутационного изменения плазмона свидетельствуют факты индуци- рования ЦМС с помощью мутагенов у таких культур как сорго (Erichsen, Ross, 1963), сахарной свеклы (Kinoshita, Takaha-shi, 1969), кукурузы (Петров и др., 1969) и некоторых других. У пшеницы ЦМС индуцировали Савченко с соавторами (1969). Другим исследователям этого сделать не удалось (Крупнов, 1973; Латыпов, 1974).
Сложнее выяснить, в каких именно цитоплазматических генетических системах происходит изменение при формировании ЩСву различных культур. У некоторых растений изменяется, по-видимому, генетическая система хлоропласюв или пластид. Так Edwardson (1970) описал эксперимент Михаэлиса, в котором тот обнаружил связь между наследованием типа хлоропластов и ци-топлазматической мужской стерильностью у кипрея. Реверсия мутантних белых хлоропласт в типа Essen І в зеленые хлоропласти ТИПа Essen П у ЛИНИЙ Epibolium hirsutum коррелировала с потерей цитоплазмой этой линии стерилизующих пыльцу свойств
У ЛИНИИ Epibolium parviflorum Remy, Ambard-Brettiville (1983) при изучении белков хлоропластов у ЦМС линий капусты (Brassica napus) и их фертильних аналогов методом изоэлект-рофокусирования выявили различия в составе в -субъединиц сопрягающего фактора с^ из АТФ-азного комплекса, а также в составе отдельных полипептидов тилакоидов гран. Chen, Meyer (1979) исследовали белок Фракция І у межвидового аллоплазма-тического гибрида хлопка Gossypium arboreum с цитоплазмой G. anomaium, характеризующегося ЦМС. По сравнению с исходными линиями у стерильного аналога обнаружено изменение большой субъединицы рибулозодифосфаткарбоксилазы. Ранее Chen et ai (19756) сообщили о различиях в полипептидном составе белка Фракция I между фертильними и мужскистерилышми линиями табака Описано также изменение структуры хлоропластов у ЩС-линий ячменя в клетках пыльников (Ahokas, 1978). Хлоропласти у стерильных линий вздувались, дегенерировали, трансформировались в желтые или розовые пластиды. Этого не наблюдалось у фертильних линий, vedei, Mathieu (1983) исследовали структуру хлоропластной ДНК нормальной и цитоплазматически мужски стерильной линий капусты методом эндонуклеазной рестрикции. Авторы показали, что хлоропластные геномы исследованных линий различались точковой мутацией в РНК-локусе. Различались спектры рестрикции хлоропластной ДНК фертильних линий и линий с ЩС и у сорго (pring et ai, 1982). Существенных изменений в структуре хлоропластной ДНК у стерильных аналогов по сравнению с фертильними растениями не выявлено у кукурузы (Pring, Levings, 1978), петунии (Кооі et al, 1982). Новую информацию о возможном участии пластома в формировании ЩС дало изучение регенерантов, полученных при слиянии протопластов из фертильних и мужски стерильных растений. Так Menczei et al (1983) исследовали возможность передачи цитоплазматической' мутации - устойчивости к стрептомицину -от ЩС-линии табака к фертильному аналогу методом слияния протопластов. Маркерный признак передавался только совместно с признаком ВДС. Однако в других исследованиях, проведенных методом слияния протопластов, связи между пластомом и ВДС не Обнаружено (Bonnet, Glimelius, 1983; Glimelius et al, 1981; Galun et al, 1982; Kool et al, 1982; Глеба, Сытник, 1982).
Рольїхлоропластов в формировании ВДС у пшеницы почти не освещена. Имеются единичные работы по индуцированию пестро-листности, уменьшению содержания хлорофилла в листьях. Они рассмотрены нами ранее. Особого внимания заслуживает работа Ogihara, Tsunewaki (1982) ПО исследованию структуры ХЛОроплас-тной ДНК методом эндонуклеазной рестрикции у обширной коллекции аллоплазматических линий пшениц. Авторы обнаружили, в ча-стностш$ что цитоплазмы, индуцирующие ЩС, локализуются в определенных ветвях филогенетического древа, построенного на основе рестрикционного анализа хлоропластной ДНК. Каких-либо характерных изменений структуры ДНК, связанных с мужской стерильностью, они не выявили. Li, Liu (1983) этим же методом обнаружили различия в структуре хлоропластной ДНК между растениями с цитоплазмой т. timopheevi и их фертильними аналогами. У стерильных растений была также выше активность РДФ-карбокси-лазы, изменялись заряд большой субъединицы этого белка и ультраструктура органелл. У стерильных растений хлоропласти имели редуцированную ламеллярную систему (Li, 1983). Таким образом, вопрос об участии пластома в формировании ЩС у пшеницы окончательно не решен.
Значительно больше накоплено фактов, свидетельствующих об участии в детерминации ЩО митохондриальных генов. Впервые это было показано в лаборатории нехромосомной наследственности Института генетики и цитологии АН БССР. При электронно-микроскопическом изучении ультраструктуры цитоплазмы и ее органелл в клетках нуцеллярного слоя семяпочек, микроспороци-тов, микроспор и пыльцы у линий кукурузы с молдавским и техасским типами стерильности наблюдалось нарушение структуры митохондрий по сравнению с восстановителями фертильности. Митохондрии линий-закрепителей занимали промежуточное положение по форме, размеру и внутренней структуре между линиями-восстановителями фертильности и стерильными аналогами (Пали- лова и др., 1969; Турбин, Палилова, 1975; Турбин и др., 1970). Позже аналогичные данные были получены и за рубежом (warmke, Lee, 1977).
Биохимические исследования подтвердили нарушение функционирования митохондрий у растений с ВДС. Это проявлялось в изменении синтеза и активности митохондриальных ферментов (Палилова, Деева и др., 1969; Галеев, Цветкова, 1969; Лосева, 1974; Дмитриева, Хавжинская, 1968, 1970; Палилова, Лосева, 1971; Палилова и др., 1966), изменении качественного и количественного состава белков - продуктов трансляции митохондриаль-ного генома (Forde et ai, 1978, 1980). Прямые доказательства участия митохондрий в определении 1ЭДС получены с использованием метода эндонуклеазной рестрикции. Сравнение спектров рестрикции митохондриальной ДНК у линий с ЩС и их фертильних аналогов выявило достоверные различия в структуре ДНК таких растений как кукуруза (Levings, Pring, 1977; Koncz et al, 1980; Pring, Levings, 1978), КОНСКИе бобы (Boutry, Briquet,
1982), брюква (vedei et al, 1982), сахарная свекла (powiing, 1982), сорго (conde et al, 1982), петуния (кооі et al, 1982). Убедительно доказывает участие митохондрий в определении ЩС изучение природы особой чувствительности митохондрий Т-типа
К ТОКСИНам патогенных грибков Helmintosporium maydis, Phylos-thricta maydis, Описанной Miller И Коерре (1971). ПОПЫТКИ ОТ- селектировать методом культуры ткани растения, устойчивые к Т-токсину, не увенчались успехом, так как все устойчивые регенеранти Оказались МУЖСКИ фертИЛЬНЫМИ (Gengenbach et al, 1977; Bret tie et al, 1980).
Данных о возможной роли митохондрий в детерминации ЦМС у пшеницы получено немного. Они касаются главным образом экспрес- сии мужской стерильности, вызываемой цитоплазмой т. tomophee-vi. Так, описано уменьшение числа митохондрий в тканях пыльника, микроспороцитах и микроспорах стерильных растений по сравнению с фертильними (Палилова и др., 1974; Турбин, Палило-ва, 1975; De Vries, ie, 1970), Обнаружены изменения в рестри-кционных спектрах митохрндриальной ДНК ЩС линий по сравнению с фертильными аналогами (Quetier, Vedei, 1977), Изменяется активность митохондриальных ферментов (Erickson, 1967; Srivastava, Sarkissian, 1970; Дмитриева и др., 1983).
Некоторые исследователи связывают механизмы ЦМС с участием вирусной инфекции. Это подтверждали эксперименты по удачной передаче мужской стерильности через прививку, выполненные на петунии (Edwardson, Corbett, 1961; Corbett, Edward-son, 1964), люцерне (Thompson, Axteii, 1978), сахарной свекле (Curtis, 1967), подсолнечнике (Пимахин, Агашев, 1977) и некоторых других. Однако попытки передать ЩС с прививкой у пшеницы (Lacadena, 1967, 1968; Zeven, 1967; Крупнов, 1973), кукурузы (Shumway, Bauman, 1966; Данков, Карапанова, 1970), лука (меег, Bennekom; 1970) и ряда других культур успехом не увенчались. Воздействия высокими температурами и другими факторами на семена или проростки форм с ЩС у кукурузы, пшеницы, сахарной свеклы и перца также не дают оснований, чтобы говорить о вирусной природе мужской стерильности у этих растений (Крупнов, 1973). Однако нельзя исключить возможность того, что внешне нормальные растения несут вирусы в латентном состоянии и что в определенных условиях их присутствие проявится в виде внехромосомных эффектов в скрещиваниях (Harvey et al, 1972; Pearson, 1981).
Представляет также интерес гипотеза об эписомальной при- роде ЦМС. Она была предложена Frankei (1971) для объяснения фактов возникновения генной мужской стерильности в нормальных побегах, привитых на растения с ЦМС. В потомстве от реципрок-ных скрещиваний между привоем с индуцированной ЩС и привоем с индуцированной ГМС преобладала последняя. Автор предположил, что за мужскую стерильность ответственны эписомные элементы, которые, находясь в "автономном" состоянии в цитоплазме, обуславливают ЦМС, а при переходе в "интегрированное" состояние, то есть при включении в хромосому, - ГМС. Автор предположил также возможность перевода эписомы из "интегрированного" состояния в "автономное" - на основе ГМС индуцировать ЩС. По данным Simmonds (1971) у Chenopodium quinoa ЭТО событие может происходить спонтанно. Представляют также интерес факты обнаружения реверсии ЩС к фертильности. Очевидно они являются результатом изменений в генетической системе ядра и цитоплазмы, так как обнаружены ядерные и цитоплазматические ревертанТЫ. Такие реверСИИ ОПИСаНЫ у ПОДСОЛНеЧНИКа (Lecklercq, 1971), pearl millet (Burton, 1977), КОНСКИХ бобов (Thille-ment, 1982). Их природа наиболее подробно изучена у кукурузы (Jones, 1956; Laughnan, Gabay, 1973; Singh, Laughnan, 1972; Laughnan, Gabay-Laughnan, 1983). ПлазМИДОПОДОбные молекулы
ДНК были действительно обнаружены в митохондриях ЩС-s линий
КУКУРУЗЫ (Leaver, Gray, 1982), у ЩС ЛИНИЙ ТЄОСИНТЄ (Timothy et al, 1983) И сорго (Pring et al, 1982; Dixon, Leaver, 1982). Присутствие этих молекул было связано с синтезом ряда характерных высокомолекулярных полипептидов изолированными
МИТОХОНДРИЯМИ (Forde, Leaver, 1980; Dixon, Leaver, 1982). Leaver с сотрудниками попытались проверить синтезируют ли изолированные митохондрии растений s-типа ЩС спонтанно ре- вертированные к фертильному фенотипу специфические полипептиды, описанные выше, В тех случаях, когда реверсия по генетическим данным была цитоплазматическим событием (цитоплазмати-ческие ревертанты), "свободные плазмиды"больше не обнаруживались в митохондриях и не синтезировались s-специфические полипептиды. В тех случаях, когда реверсия к фертильности по генетическим данным была ядерным событием, свободные плазмиды присутствовали в митохондриях и синтезировались специфические s -полипептиды. Кроме того, в тех случаях, козща присутствовал Rf-ген, свободные плазмиды также обнаруживались в митохондриях И синтезировался Специфический белОК (Leaver et al al, 1983).
Таким образом, приведенные выше исследования подтверждают г возможность переноса фактора фертильности в виде эписомы из цитоплазматической генетической системы в ядерную и наоборот.
Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время нет единой гипотезы, объясняющей ЩС у пшеницы. Полученные экспериментальные данные во многом противоречивы. Большой интерес в этом плане представляют результаты об особенностях репрессии ядерных и цитоплазматических геномов у аллоплазма-тических линий пшеницы при развитии мужской генеративной сферы. Исследования проведены в основном с растениями на основе цитоплазмы т. timopheevi. Это выше названные работы Турбина и др. (1970), Турбина и Палиловой (1975), De Vries. ie (1970), авторы которых изучили на ультраструктурном уровне развитие микроспороцитов, микроспор и пыльцы у растений с ЩС и их фертильных аналогов и пришли к выводу, что стерилизующая цитоплазма уменьшает количество митохондрий в цито- плазме репродуктивных тканей. Повторив эти исследования Ни et al (1977) не обнаружили значительных различий в структуре клеточных органелл (митохондрий, пластид и др.) между фертильними и стерильными растениями. По их данным причиной стерилизации является аномальное развитие мембранной системы вакуолей в микроспорах* Данных о развитии тканей стенки пыльника у аллоплазматических линий пшеницы с ЩС также мало. Так Ря-бинина (1975) методом световой микроскопии изучила развитие микроспор и тапетума у растений пшеницы с цитоплазмами г. timopheevi иАе. ovata. По ее мнению дегенерация пыльцевых зерен не связана с нарушением функции тапетума. К противоположному ВЫВОДУ ПРИШЛИ Chauhan, Singh (1966) при Исследовании СТерИЛЬНЫХ растений С ЦИТОПЛазмамИ Ае. caudata, Т. timopheevi и Ае. ovata. Они считают, что аномальное поведение тапетума нарушает развитие спорогенних клеток и является причиной ЩС.
В целом вопрос о развитии тканей пыльника у аллоплазматических линий пшеницы с различной фертильностью пыльцы практически не исследован и требует детальной разработки, так как несоответствие ядерного и цитоплазматического генома может, по-видимому, влиять именно на это звено интегрированной системы, каковой является пыльник покрытосеменных растений (Константинов, 1972).
ЩС у мягких и твердых пшениц является результатом объединения их геномов с чужеродными цитоплазмами видов Triticum И Aegilops (Tsunewaki, 1980) ИЛИ ржи (Маап, Lucken, I97I6), достигаемого длительным бэккроссированием. Изучение аллоплазматических линий, которые получаются при этом, позволило выявить влияние стерилизующих цитоплазм на формирование мно- гих хозяйственно-ценных признаков:-длина вегетационного периода, интенсивность роста растений, элементы урожайности и др. (Панайотов и др., 1975; Панайотов, 1979). Выяснилось, в частности, что цитоплазмы, индуцирующие ЩС, могут вызывать пест- рОЛИСТНОСТЬ (Mukai, Tsunewaki, 19766), гаплОИДИЮ (Tsunewaki et al, 1968), снижать жизнеспособность семян (Tsunewaki et ai, 1983). На основании этих и других результатов источники чужеродных цитоплазм были классифицированы на 12 основных и 5 неосновных плазмотипов (Tsunewaki, 1983). Генетическое разнообразие цитоплазм подтвердилось при исследованиях методами эндонуклеазной рестрикции хлоропластной и митохондриальной ДНК (Vedel et al, 1978; Ogihara, Tsunewaki, 1982). Однако молекулярно-генетические механизмы ЩС у пшеницы не известны. Это затрудняет поиск источников ЩС, пригодных для гетерози-сной селекции. Цитоплазма т. tomopheevi, с которой до настоящего времени работают большинство исследователей не оправдала надежд, главным образом из-за отсутствия надежных восстановителей фертильности пыльцы для линий с ЩС, полученных на основе этой цитоплазмы. Показано, что степень восстановления фертильности зависит от ядерных генов Rf, взаимодействия этих генов с цитоплазмой, присутствия генов-модификаторов, условий внешней среды и других факторов. В целом она может колебаться от 20 до 90$ (Неттевич, 1966; Сорокина, Федин, 1973; Палилова, Ралько, Ї983). По мнению некоторых исследователей более подходящими источниками ЩС являются Ае. kots-chyi И Ае. variabilis (Mukai, Tsunewaki, 1979), Ае. speltoi-des И Т. nudiglumis (Sasakuma, Maan, 1978), Ае. mutica (Pa-nayotov, 1980). Поиски в этом направлении продолжаются. Надежду на успех дает тот факт, что на сегодняшний день известны аллоплазматические линии, которые сильно угнетают рост растений, но показывают нормальную фертильность пыльцы, в то время как другие имеют нормальный рост и полную мужскую стерильность. При опылении восстановителями, некоторые линии проявляют высокий уровень восстановления фертильности и только частичное восстановление мощности роста. Это дает основание полагать, что цитоплазматические факторы, определяющие рост и мужскую стерильность, отличаются друг от друга (Panayotov, 1980), В то же время механизмы формирования фертильной и стерильной пыльцы у пшеницы в настоящее время мало изучены. Не ясен характер взаимодействия ядерных и цитоплазматических генетических систем в ходе микроспорогенеза у фертильных растений и растений с ЩС.
Как известно, по характеру взаимодействия факторов фертильности с цитоплазмой ЩС у пшеницы относится к спорофит-ному типу (Fukasawa, 1959). Это значит, что гетерозиготные по генам восстановления пыльцы растения имеют полностью фертильную пыльцу и, следовательно, фертильность определяется в спорофите, в отличие от гаметофитной системы восстановления фертильности (Крупнов, 1973). Поэтому нам представляется интересным изучнеие роли взаимодействия ядерной и цитоплазма-тической генетических систем в развитии не только мужского гаметофита, но и всего комплекса гаметофит-спорофит в ходе его онтогенетического развития. Так как вопрос о локализации цитоплазматических детерминантов фертильности пыльцы у щеницы окончательно не выяснен, мы исследовали основные ДНК-содержа-щие цитоплазматические органеллы - митохондрии, хлоропласти, пластиды. Анализировались также некоторые элементы симплас-тического транспорта в пыльниках исследуемых форм. Особое внимание обращалось на возможность нарушения межклеточных и межтканевых взаимодействий, метаболизма отдельных клеток и их оргвнелл как возможные механизмы стерилизации пыльцы при нарушении нормального взаимодействия генетических систем ядра и цитоплазмы у аллоплазматических линий пшеницы с различными стерилизующими цитоплазмами»