Введение к работе
Актуальность темы. У большинства высших организмов изменчивость возникает в результате совмещения последствий двух событий -мейотического рекомбиногенеэа и сингамии. У партеногенетических видов изменчивость гибридного характера отсутствует, поэтому геноти-пическая вариабельность (в виде автосегрегаций) обусловлена преимущественно мейотическим рекомбиногенезом (Gustafsson, 1946). Следовательно, апомиксис предоставляет уникальную возможность исследования потенциала генотипической изменчивости только одного родителя, а также изучения роли мейоза в формировании биоразнообразия.
Данные о наличии или отсутствии генотипической изменчивости при партеногенетическом развитии гамет раскрывают роль апомиксиса в формировании и функционировании генетической системы вида - совокупности механизмов, обеспечивающих баланс между наследственной константностью и изменчивостью (Darlington, 1939; Stebbins, 1963).
Принято считать, что при апомиксисе генетическая вариабельность крайне низка и потенциальная изменчивость реализуется весьма редко. Тем не менее, увеличивается количество данных о значительном запасе генотипической изменчивости (особенно у полиплоидов). Чем выше уровень плоидности апомиктического вида, тем выше уровень гетерози-готности и, следовательно, можно ожидать большего размаха изменчивости в апомиктическом потомстве. Результаты изучения апомиксиса у крупноплодной земляники (Fragaria х ananassa Duch. 2n=8x=56) важны не только для решения проблемы взаимосвязи апомиксиса и полиплоидии, но также и для выяснения механизмов высвобождения скрытой изменчивости у полиплоидов и возможностей ее практического использования.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение апомиктического способа семенной репродукции крупноплодной земляники и выявление его генетических последствий в апомиктическом потомстве.
Были поставлены следующие задачи:
- выяснить характер и потенциал апомиктической репродукции у исследуемых сортов;
разработать метод массового получения апомиктических сеянцев крупноплодной земляники и создать коллекции апомиктических аналогов исследуемых сортов (генотипов);
провести анализ изменчивости в апомиктических потомствах;
выяснить цитогенетические механизмы этой изменчивости;
изучить селекционно-генетические возможности индуцированного апомиксиса.
Научная новизна. В данной работе впервые:
показано, что апомиксис у крупноплодной земляники генетически обусловлен и сосуществует с амфимиксисом в пределах одного генотипа. Его реализация происходит при воздействии неблагоприятных факторов среды на ключевые стадии семенной репродукции - мегаспо-рогенез и сингамию;
установлена генетическая изменчивость в апомиктических потомствах в вида автосегрегации. Автосегрегации позволяют анализировать потенциал изменчивости исходных форм;
создана технология массового получения апомиктических сеянцев, позволяющая формировать генотипические коллекции;
- описана диплсспория Taraxacum-типа для земляники и под
тверждена ее функциональность данными анализа расщепления в апо-
миктическом потомстве;
описаны соматическая апоспория и аутомиксис и установлен их структурный характер;
показано, что при апомиксисе возможна смена систем размножения - переход аллогамии в автогамию;
выявлена роль апомиксиса как компенсаторного механизма семенной репродукции.
Научная и практическая значимость. Экспериментально доказана реальность направленного изменения баланса между амфимиксисом и апомиксисом в пределах одного генотипа. Изменчивость способов семенной репродукции (амфимиксиса и апомиксиса) в сочетании с вегетативным размножением является основой репродуктивной стратегии вида, направленной на увеличение и поддержание генетической вариабельности.
Показано, что асинхронное функционирование археспориального комплекса у крупноплодной земляники приводит к развитию в одной завязи меиотических (легитимных), диплоспорических, апоспорических мегагаметофитов, обладающих различным уровнем мейотического ре-комбиногенеза в генотипе яйцеклетки. Таким образом, полиморфизм апомиксиса обусловлен различной степенью супрессии мейоза при формировании материнской клетки зародышевого мешка. Преимущественное развитие гаметофитов определенного типа зависит от конкурентных взаимоотношений между редуцированными и нередуцированными зародышевыми мешками. Нарушения в прогамнои фазе прорастания пыльцы при гетероплоидном межвидовом и межродовом опылении вызывают задержку оплодотворения и создают преимущество для эмбриогенеза яйцеклетки диплоспорического (нередуцированного) зародышевого мешка. Это дает возможность получать легко идентифицируемые по морфологическим признакам апомикгичбекие сеянцы и позволяет манипулировать уровнем генетической изменчивости в потомстве.
Разработка метода индукции псевдогамного апомиксиса - быстрого, простого, технологически доступного, позволила сформировать ге-нотипические коллекции сортов крупноплодной земляники Фестивальная, Заря, Пурпуровая, Бердский рубин, Комсомолка, Red rich. Деснянка, Смена и др., пригодных для использования в генетических исследованиях, а также для применения в селекции. Генотипическая изменчивость апомиктического потомства дает возможность практического использования апомиксиса и формирования нового подхода к селекции вегетативно размножаемых культур.
Псевдогамный апомиксис как метод селекции может быть использован для сортоусовершенствования путем внесения отдельных адаптивных изменений в высокогетерозиготные полиплоидные вегетативно размножаемые культуры.
Полученные данные представляют интерес для исследователей, занимающихся регуляцией изменчивости у растений; а также биотехнологов и селекционеров.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Генотипическая изменчивость апомиктического потомства (автосегрегации) обусловлена мейотическим рекомбиногенезом.
2. Генетические последствия индуцированного апомиксиса могут быть использованы в генетико-селекционных исследованиях.
Публикации и апробация работы. Автором опубликовано 25 работ, из них 23 - по теме диссертации. Основные результаты исследований были представлены на Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1985), III Всесоюзной конференции по ээологичессой генетике растений и животных (Кишинев, 1987), V съезде ВОГиС им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987), IIl Всесоюзной конференции по генетике и цитологии мейоза (Новосибирск, 1990), XI Международном симпозиуме по эмбриологии и семенной репродукции (Ленинград, 1990), XVII Международном конгрессе по генетике (Бирмингем, Англия, 1993), IV Международном конгрессе по эволюции (Монпелье, Франция, 1993), I съезде ВОГиС (Саратов, 1994), Международном симпозиуме "Апомик-сис у растений: состояние проблемы и перспективы исследований" (Саратов, 1994), Международном симпозиуме "Проблемы репродуктивной биологии" (Пермь, 1996).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания исходного материала и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения в четырех главах, заключения, выводов, краткого словаря терминов и списка литературы (255 источников). Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 20 рисунков.