Отдаленная гибридизация ячменя (генетические и биотехнологические аспекты) Першина, Лидия Александровна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Отдаленная гибридизация язляется одним из факторов формообразования в эволюции {Вавилов, I960) и инструментом для создания новых форм растений, используемых как исходный материал в селекции и в качестве моделей для фундаментальных исследований (Карпеченко. 1971: Цицин, 1978: Щапова, Кравцова, 1990; Гордей, 1992).

В этом отношении интерес представляет и род Hordeum L., насчитывающий более 30 видов (Лукьянова и др., 1990), полиморфных по разным признакам, в том числе и важным с практической точки зрения (Schooler et al.. 1982).

На основании изучения отдаленных гибридов детализируется классификация видов в роде Hordeum (Bothmer et al., 1991), выясняется характер взаимодействия геномов мехду видами ячменя (Jacobsen, Bothmer. 1992), устанавливается степень филогенетического родства Hordeum с другими родами Triticeae {Solomon et al., 1991; Fedak, 1982i. Sethi et al., 1986; Petersen, 1992). Межвидовые и межродовые гибриды ячменя включены в исследования по выявлению особенностей молекулярной организации ядерных и штоплазматических геномов (Soliman et al., 1987; Timmerman et al., 1993; Svitashev et al., 1995). Примеры успешного использования отдаленных гибридов - создание новой злаковой культуры Trltordeum (Cubero et al., 1986) и сортов ячменя с признаками, интрогрессированными от дикорастущих видов ячменя и элимуса (Schooler, Franckowiak, 1S81). Практическое применение нашел метод ускоренного получения гомозиготных рекомбинантных линий на основе гибридных комбинаций ячменя с элиминацией хромосом одного из родителей (Kasha, 1976; Лукьянкк, Игнатова, 1980; Devaux, 1986).

Вместе с тем, ряд направлений, связанных с отдаленной гибридизацией ячменя, не получил должного развития, что обусловлено, превде всего, проблемами сильно выраженной репродуктивной изоляции, характерной для всего рода. В связи с этим весьма актуальными представляются исследования особенностей проявления несовместимости на разных этапах отдаленных скрещиваний. Такие исследования способствуют поиску подходов к преодолению несовместимости и разрежению вопросов реконструкции геномов на основе межподтрибннх скрещиваний у

растений Культивируемых ВИДОВ Trltlceae.

Цель и задачи исследования. Основная цель исследования -изучить эффекты взаимодействия геномов и закономерности в проявлении несовместимости при отдаленной гибридизации ячменя и разработать методы ее преодоления для создания новых форм растений.

В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:

1. изучить факторы, влияющие на межвидовую и межродовую скрещиваемость, и оценить их роль при гибридизации растений с разным уровнем филогенетического родства;

2. разработать и усовершенствовать методы преодоления постгамной. несовместимости в зависимости от генотипа гибридных комбинаций;

3. исследовать закономерности образования гибридов Р₁ и выявить механизмы, обуславливапцие репродуктивную изоляцию на данном этапе гибридизации;

4. разработать биотехнологические методы вегетативного размножения, и восстановления фертильности гибридов; обосновать возможности этих методов для повышения эффективности отдаленной гибридизации.

5. изучить закономерности восстановления фертильности при межродовой гибридизации и выявить особенности ядерно-цитоплазматических взаимодействий на жизнеспособность и фертильность гибридных растений;

6. разработать метода и предложить схемы создания новых форм растений на основе межродовой гибридизации ячменя и методов in vitro.

Научная новизна результатов исследования. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование закономэрнос-тей несовместимости и эффекта взаимодействия геномов при отдаленной гибридизации на примере рода Hordeum. Это позволило показать увеличение эффективности традиционных методов отдаленной гибридизации при сочетании их с методами биотехнологии, продемонстрировать возможности повышения генетической изменчивости за счет межподтрибных скрещиваний ячменя; с использованием разработанных методов создать уникальные формы растений, представляющие интерес для генетических исследований.

Сформулировано представление о роли факторов, влиявших на

скрещиваемость растений с разным уровнем филогенетического родства. При отдаленной гибридизации ячменя на скрещиваемость. оцененную по общей завязываемости зерновок и зерновок с зародышами, наряду с родительскими генотипами, существенное влияние оказывают экзогенные фитогормоны. Показано, что в разных гибридных комбинациях доля влияния таких факторов, как генотипическое разнообразие родительских форм, условий вегетации и экзогенных фитогормонов может быть неодинаковой, что приводит к заключению о наличии разных механизмов, контролирующих скрещиваемость, и о независимости таких признаков скрещиваемости, как общая завязываемость зерновок и завязываемость зерновок с зародышами.

Разработаны и усовершенствованы методы культивирования изолированных гибридных и гаплоидных зародышей, получивщих развитие в разных гибридных комбинациях. Экспериментально обоснована возможность значительного повышения репродукции растений, независимо от гибридных комбинаций, за счет трансплантации зародышей на незрелые эндоспермы культурного ячменя. Оптимизирован состав сред для культивирования слабо дифференцированных зародышей.

Получены новые экспериментальные модели, демонстрирующие существование иерархической зависимости между видами ячменя по проявлению признака элиминации хромосом, роль лозового эффекта геномов и условий выращивания гибридных растений. Впервые сформулировано заключение о значении элиминации хромосом у отдаленных гибридов как механизма, контролирующего репродуктивную изоляцию.

На основании изучения особенностей несовместимости выявлены критические периоды при получении гибридных растений в результате скрещивания видов ячменя с рожью и пшеницей. Впервые выявлены генетические механизмы контроля репродуктивной изоляции между культурным ячменем и посевной рожью,

Ограничивающие широкое использование ГИбриДОВ H.vulgare X

s.cereaie. Установлено, что массовую летальность и стерильность гибридных растений вызывает действие генов гибридного некроза. Предложена гипотеза об образовании такого механизма межродовой несовместимости в процессе эволюции культурного ячменя и ржи. Показано, что сильно выраженный барьер несовместимости при скрещивании видов ячменя и пшеницы не лимитирует по-

лучение ячменно-пшеничных гибридов, способных к образованию жизнеспособных гамет.

Разработан эффективный метод вегетативного размножения гибридных растений злаков по циклу: молодые соцветия -каллусная ткань - растения - регенеранти.

Впервые для межродовых гибридов ячменя показана возможность использования метода культивирования in vitro для восстановления их фертильности. Выявлено, что среди регенераятов ячменно-пшеничных гибридов могут формироваться самофертилыше растения и растения с более высокой, чем у растений-доноров, частотой завязывания семян при беккроссировании. Предложен метод колхицинирования регенерирующих в каллусных культурах гибридных "растений для восстановления самофертильности на ослове амфиплоидизации.

Существенным результатом является получение межвидовых и межродовых . гибридных растений, при изучении которых продемонстрированы: эффект гетерозиса по признаку регенерационной способности в культуре каллусов и наследование этого признака.

Разработаны и предложены схемы получения новых форм растений с использованием межродовой (межподтрибной), гибридизации ячменя и методов in vitro.

Впервые созданы серии аллоплазматических линий мягкой пшеницы на основе цитоплазмы культурного ячменя и дикорастущего H.genlси latum, изучение которых позволило выявить новые закономерности ядерно-цитогагазматических взаимодействий при восстановлении фертильности у гибридов и доказать возможность реконструкции ловых форм растений на основе мекподтрибшх скрещиваний.

Предложена гипотеза, позволяющая объяснить механизм восстановления фертильности у мягкой пшеницы при наличии цитоплазмы культурного ячменя результатом реконструирования ядерного генома межсортовыми и межродовым замещениями в процессе беккроссирования.

Научно-практическая ценность работы. Разработан комплекс методов^ основанный на сочетаний методов биотехнологии и отдаленной гибридизации, которые могут быть использованы для получения новых форм растений.

Разработан и защищен авторским свидетельством способ соз-

дания самофертильных аллоплазматических линий мягкой пшеницы, которые характеризуются комплексом ценных признаков: раннеспелостью, низкорослостью, хорошими технологическими качествами, высокой регенерационной способностью при андрогенезе и при культивировании соматических тканей в условиях in vitro.

Впервые продемонстрированные в работе результаты восстановления фертильносте у ячменно-пшеничных гибридов H.vulgare х T.aestivvm опровергли сушествувдее представление о стерилизующем действии цитоплазмы культурного ячменя на гексаплоиднуго пшеницу.

Теоретическую и практическую ценность представляют новые экспериментальные модели, созданные на основе отдаленных скрещиваний. Эти модели использованы в исследованиях по выявлению особенностей молекулярной реорганизации геномов при отдаленной гибридизации (Вершинин, 1991; Свиташев и др, 1990, 1992; Svitashev et al., 1991, 1995), могут быть использованы для выяснения механизмов элиминации хромосом при отдаленной гибридизации, изучения ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, особенностей кнтрогрессии генетического материала меншу подтрибами Triticeae, изучения генотипических особенностей регенерации высших растений в условиях in vitro.

Документально подтверждена передача образцов семян линий, созданных на основе отдаленных скрещиваний между ячменем и пшеницей, ячменем и рожью, в другие научные учреждения, в тем числе и для-селекционного изучения.

Результаты диссертационной работы используются при чтении курса по биотехнологии растений в университетах: Новосибирском государственном и Новосибирском государственном аграрном, а также при проведении практических занятий (Методические указания к практическим занятиям по биотехнологии растений, Л.А.Першина, Новосибирск, НГУ. 1993, 26 с). Разработанные методы и способы получения новых форм растений находят применение в Биотехнологическом, институте Хэйлудзянской сельскохозяйственной академии, Китай.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 3 Всесоюзной конференции по культуре клеток растений (Абовян, 1979), Сибирской региональной конференции "Актуальные вопросы генетики и селекции растений" (Барнаул, 1980); Первом Всесоюзном совещании "Генетика развития растений" (Ташкент, 1980);

Всесоюзном совещании по отдаленной гибридизации растений и животных (Москва, I981); 4 Всесоюзной конференции "Культура клеток и биотехнология" (Кишинев, 1983); 5 Всесоюзном симпозиуме "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1983); Всесоюзном совещании "Роль отдаленной гибридизации в эволюции и селекции пшеницы" (Тбилиси, 1985); Первой Национальной конференции с международным участием по клеточным и тканевым культурам (София, Болгария, 1985); 3 Всесоюзном совещании по генетике соматических клеток (Звенигород, 1986); 5 съезде ВОГИС (Москва, 1987); Всесоюзной конференции по биотехнологии злаковых культур (Алма-Ата, 1988); Первой Международной конференции по биотехнологии "Биология культивируемых клеток и биотехнология" (Новосибирск, 1988); Международном симпозиуме " Генные и клеточные биотехнологии для злаковых культур" (Алма-Ата, 1989); Всесоюзной конференции "Цитогенетика зерновых культур" (Таллинн, 1989); Совещаниях по изогенным линиям в селекционных экспериментах (Новосибирск, 1990: 1993); 6 Международном симпозиуме по генетике ячменя (Хельсинборг, Швеция, 1991); Первом Международном симпозиуме по тписеае (Хельсиборг, Швеция, 1991): Международном семинаре по применению методов биотехнологии в генетике и селекции (Харбин, Китай, 1993); 2 Международной конференции "Биология культивируемых клеток и биотехнология растений" (Алматы, 1993); Международной конференции "Биотехнология растений и генная инженерия'' (Киев, 1994); Генетико- селекционной школе "Генетические ресурсы и эффективные методы создания нового селекционного материала сельскохозяйственных растеши" (Новосибирск, 1994); I Российском съезде генетиков и селекционеров (Саратов, 1994).

Публикации. Материалы диссертации опубликоЕаш в виде 52 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Объем и структура работы. Работа изложена на 470 страницах. Работа состоит из введения, общего обзора литературы, экспериментальной части (четыре главы), общего заключения, выводов. Работа иллюстрирована 66 таблицами и 58 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 691 ссылку, в том числе 172 на русском языке.