Введение к работе
Актуальность темы. Широкое использование генофонда растений Н.И.Вавилов всегда рассматривал как основной раздел генетических основ селекции (Вавилов, 1935). Проблема мобилизации растительных ресурсов особенно остро стоит для неблагоприятных по почвенно-климатическим и погодным условиям земледельческих регионов (Жученко, 2001). Важной и сложной задачей в использовании растительных ресурсов является создание генетических коллекций идентифицированных доноров устойчивости растений к абиотическим и биотическим стрессорам. Однако до сих пор концепция и принципы организации таких коллекций остаются недостаточно разработанными. Более того, они недостаточно разработаны и в отношении мировых коллекций. Так, среди миллиона образцов мировых коллекций культурных растений меньше 1% имеет фенотипические характеристики (Жученко, 2004).
Создание и использование фенотипически идентифицируемых генных маркеров позволяет глубже познать феноменологию и методы управления наследственной изменчивостью важнейших сельскохозяйственных культур в процессе селекции.
В современных условиях возможности формообразовательных процессов в отдаленных скрещиваниях могут быть существенно изменены в результате использования новых методов индуцирования мутаций, хромосомной и генной инженерии, культуры клеток и тканей in vitro и др., позволяющих значительно ускорить формообразовательный процесс. Отдаленная гибридизация растений позволяет сочетать ценные свойства и признаки, создавать огромное, ни с каким другим скрещиванием не сравнимое, новое разнообразие гибридных потомков (Цицин, 1965). Значительным резервом увеличения спектра доступной генетической изменчивости является индуцирование рекомбинаций за счет перераспределения кроссоверных обменов в зоны хромосом, где они в норме ингибированы. Наличие такого резерва особенно вероятно у межвидовых гибридов, в силу генетически детерминированного ограничения рекомбинационного обмена между видами.
При межвидовой гибридизации, особенно в случае использования методов индуцированного рекомбиногенеза, важную роль играет предотвращение постмейотической элиминации интрогрессивных рекомбинантов, так как это обусловлено высоким давлением отбора против пыльцы с чужеродными дополненными хромосомами и, наоборот, селективным преимуществом гамет без чужеродных хромосом.
Благодаря достижениям молекулярной биологии и популяционной генетики, в настоящее время генетическая гетерогенность растений может быть оценена не только по агрономическим и биохимическим признакам, но и на молекулярных уровнях (анализ белков и нуклеиновых кислот), а также с помощью многофакторного анализа, индексов расстояния, индикаторов дивергенции. Наряду с генетическими белковыми маркерами (например, полиморфизм белков - изофермеитов, характеризует фенотипические последствия изменчивости ДНК) в настоящее время широко используются молекулярно-генетаческие маркеры для непосредственной оценки первичных последовательностей ДНК. Эти подходы могут быть использованы для выявления и инвентаризации генов, блоков генов, контролирующих хозяйственно ценные признаки, изучения генетического разнообразия на уровне рода, вида или популяции. Все это позволяет создавать коллекции идентифицированных геноносителей адаптивно значимых и хозяйственно ценных признаков и свойств, дифференцировать материнские и отцовские линии гибридов F|, а также оценивать инбредные линии и дикие виды согласно степени их генетической близости или отдаленности.
Цель и задачи исследований. Целью работы являлось исследование особенностей формирования генетического потенциала у представителей рода Lycopersicon Tourn. для получения исходного селекционного материала и пополнения генетической коллекции культуры томата.
В связи с этим в задачи исследований входило следующее:
- сбор и изучение коллекции маркерных форм томата по
морфологическим, физиологическим и репродуктивным признакам,
разработка методов их классификации с учетом взаимосвязей между
признаками;
установление возможности использования потенциала изменчивости диких видов посредством их гибридизации с маркерными формами томата;
конструирование многомаркерных линий с маркированными зонами как в пределах одной хромосомы, так и в разных хромосомах для более полной оценки рекомбинационных событий в геноме томата;
- цитологические исследования особенностей мейоза у межвидовых
гибридов;
- анализ рекомбинационной изменчивости в разных зонах генома у
межвидовых гибридов;
- оценка динамики рекомбинационной изменчивости в F, и в
популяциях F2;
- изучение половых различий по частоте и распределению
рекомбинационных событий в геноме;
- выявление возможности индуцированного изменения генетической
изменчивости рекомбиногенами;
- создание синтетической многовидовой популяции на основе
представителей рода Lycopersicon Tourn. для получения нового исходного
материала;
- оценка генетических эффектов действия чужеродной экзогенной ДНК
при межвидовой гибридизации;
- оценка генетической изменчивости в популяциях межвидовых
гибридов, изучение характера наследования морфологических признаков,
создание признаковой и пополнение генетической коллекции томата.
Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка рекомбинационного процесса в роде Lycopersicon Tourn. по результатам моногибридного расщепления маркеров и частоты кроссинговера в разных зонах генома. Установлены коррелятивные связи результатов маркерного анализа с цитологической оценкой поведения хромосом в мейозе. Показано изменение уровня обменов в старших поколениях по сравнению с уровнем F]. Получены данные о половых различиях в мужском и женском мейозе у томата по уровню кроссинговера.
Впервые показано, что создание синтетической популяции с интегрированным генофондом основных представителей рода Lycopersicon Tourn. способствует формированию сложных гибридных генотипов, сочетающих гены и блоки генов нескольких видов.
Показано, что чужеродная экзогенная ДНК, при использовании ее в межвидовой гибридизации, обладает как трансформирующим действием, так и эффектом увеличения спектра доступной генотипической изменчивости. Основные положения, выносимые на защиту.
Формообразовательный процесс при межвидовой гибридизации может быть ускорен при контроле перераспределения кроссоверных обменов в геноме и подборе желательных вариантов активности рекомбинационных процессов, что способствует высвобождению значительного резерва генетической изменчивости.
Реализация генетического потенциала диких видов, сформировавшегося в результате эволюции, возможна через интрогрессивные линии, которые являются ценным селекционным материалом, несущим гены адаптивно значимых признаков.
Создание признаковых и генетических коллекций представляет значительный интерес для теоретической и практической селекции и является необходимым этапом изучения наследственного потенциала культуры для полноценного его использования в селекционных программах и генетических исследованиях.
Практическая ценность результатов исследования. Собрана и проведена комплексная оценка коллекции мутантных форм томата, являющаяся уникальным инструментом для решения теоретических и практических задач селекции (расширение спектра доступной генетической изменчивости; разработан метод гаметного отбора на устойчивость к неблагоприятным факторам среды; введение в селекционные линии генов, контролирующих хозяйственно ценные признаки и т.д.).
Из межвидовых популяций выделены перспективные генетически разнокачественные селекционные линии, имеющие комплекс хозяйственно ценных признаков: раннеспелость в сочетании с холодоустойчивостью и продуктивностью, хорошей завязываемостью плодов в стрессовых условиях и высокими показателями биохимического состава плодов. Для ряда из них выполнено молекулярно-генетическое маркирование (с использованием разных типов молекулярно-генетических маркеров), что может быть непосредственно применено в селекционной работе с этими формами.
Для повышения эффективности селекционного процесса разработаны методы контроля рекомбинационного процесса. Это имеет особую практическую ценность, поскольку процесс рекомбинации при скрещивании с дикими видами во многих зонах генома ингибирован. При подборе пар для скрещивания необходимо учитывать, что частота рекомбинации в мужском мейозе значительно выше, чем в женском. Отбор селекционно - ценных генотипов томата может быть более эффективным в старших поколениях.
Апробация и публикации. Основные результаты исследований были доложены:
на симпозиумах: «Interspecific hybridization in plant», Sofia, 1988; «Biochemical Mechanisms involved in growth regulation», Milan, Italia, 1991; Seventeenth International Congress of Genetics, Birmingham, 1993; Proceedings of the XII Eucarpia Meeting on Tomato Genetics and Breeding, Plovdiv, Bulgaria, 1993; International Sym. «Plant Biotechnology and Genetic Engineering», Kiev, 1994; 7-th International Pollination Symposium, Canada, 1996; National symposium on «Emerging Scenario in Vegetable Research and Development», Indian, 1998; Molecular biology of tomato, York, UK, 1999; Tomato Breeders Round Table & Tomato Quality Workshop Tampa, Florida USA, 2006.
на съездах: V и VI съезд генетиков и селекционеров Молдавии, Кишинев, 1987, 1992; III съезд ВОФР, Санкт-Петербург, 1993; VII съезд Белорусского общества генетиков и селекционеров, 1997.
на методической комиссии по генетике, селекции и семеноводству пасленовых культур Майкоп, 1992; Волгоірад, 1996; Москва, 2000.
на Международных конференциях: Кишинев, 1987, 1994; Ташкент, 1990; Новосибирск, 1991, 1993; Москва, 1996, 2000, 2002, 2005; Черноголовка, 1996; Харьков, 1997; Киров, 1998; Астрахань, 2003; Краснодар, 2005.
По материалам докторской диссертации опубликовано 63 научные работы, в том числе 3 монографии (в соавторстве), методические указания и статьи, в международных и центральных журналах (Solanaceae Newsletter, Генетика, Физиология и биохимия культурных растений, Доклады РАСХН, Сельскохозяйственная биология), а так же в ряде сборников научных трудов, получено 3 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 287 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов, практических рекомендаций, включает 37 таблиц, 38 рисунков. Список цитированной литературы содержит 479 наименований, в том числе 326 на иностранных языках.
