Содержание к диссертации
Введение
I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. Распространение спонтанной полиплоидии в растительном мире 7
1.2. Использование экспериментальной полиплоидии в селекции сельскохозяйственных культур 10
1.2.1. Получение и выделение индуцированных полиплоидов II
1.2.2. Селекция сельскохозяйственных растений на основе экспериментальной полиплоидии 17
II. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 24
2.1. Почвенногклиматические условия проведения полевых опытов 24
2.2. Материал и методика исследований . 28
III. ПОЛУЧЕНИЕ ИНДУЦИРОВАННЫХ АУТОПОЛИПЛОИДОВ ЛОМКОКОЛОСНИКА СИТНИКОВОГО 32
3.1. Получение полиплоидов путем проращивания семян на водных растворах колхицина 32
3.2. Обработка набухших семян колхицином 36
3.3. Получение индуцированных полипоидов на основе обработки проростков 40
ІV. ВЫДЕЛЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ ПОЛИПЛОИДОВ Со 48
4.1. Выделение полипоидов по косвенным признакам 48
4.2. Особенности индуцированных тетраплоидов Сопоколения 54
V. ЦИТОЛОГИЧЕСКАЯ, МОРФОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОТБОР СЕЛЕКЦИОННО-ЦЕННЫХ ТЕТРАЮЮИДНЫХ ФОРМ Cj. 61
5.1. Отбор тетраплоидов Cj по косвенным признакам уровня плоидности
5.2. Особенности прохождения микроспорогенеза у диплоидов и тетраплоидов 64
5.3. Исследование стабильности мейоза у индуцированных тетраплоидов 69
5.4. Фертильность пыльцы 84
5.5. Хозяйственно-биологические особенности тетраплоидов Cj 89
VI. СОЗДАЬШЕ И ИЗУЧЕНИЕ СИНТЕТРИЕСКИХ ТЕТРАШЮИДИЫХ ПОПУЛЯЦИЙ 109
ВЫВОДЫ 125
ПРЕДДОШШЯ ДЛЯ (ЖЕКЦИОННОй ПРАКТИКИ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЯ 149
- Распространение спонтанной полиплоидии в растительном мире
- Почвенногклиматические условия проведения полевых опытов
- Получение полиплоидов путем проращивания семян на водных растворах колхицина
- Выделение полипоидов по косвенным признакам
- Отбор тетраплоидов Cj по косвенным признакам уровня плоидности
Введение к работе
В системе мер по интенсификации сельскохозяйственного производства, предусмотренных решениями ХХУІ съезда КПСС и Продовольственной программой страны большое внимание уделяется усилению работ по селекции и семеноводству сельскохозяйственных культур, в том числе многолетних трав.
В структуре кормопроизводства Казахстана ведущее место занимают многолетние пастбищные травы. Площади пастбищных угодий в республике составляют более 180 млн.га, значительная часть их расположена в пустынной и полупустынной зонах и относится к малопродуктивным. В связи с этим создание высокопродуктивных сеяных долголетних суходольных пастбищ и сенокосов, является одним из главных направлений в укреплении и развитии лугопастбищного хозяйства.
К числу основных культур, предназначенных для этих целей, относится ломкоколосник ситниковый ( волоснец ситниковый, по-казахски "тарлау-кияк" ), он широко распространен в природе, обеспечивает получение ранневесеннего пастбищного корма и отличается высокой засухо - и солеустойчивостью, долголетием и хорошим качеством корма.
Как ценная пастбищная культура ломкоколосник ситниковый получает все большее распространение в нашей стране и за рубежом. В сухих прериях Канады и Америки площадь пастбищных посевов, занятых этой культурой, составляет более 3 млн.га. (М.И. Рубцов, 1981 ).
В нашей стране этот многолетний пастбищный злак введен в культуру сравнительно недавно. Первые два сорта были выведены учеными Казахстана и районированы с 1975 г. В настоящее время - 5 -в 16 областях Казахстана и Оренбургской области РСФСР районирован сорт Бозойский - селекции КазНИИ лугопастбищного хозяйства, в б областях республики - сорт Шортандинский, селекции ВНИИ зернового хозяйства. Эти сорта сохраняют свойственные дикорастущим формам признаки, к числу которых относится мелкосемянность, низкая полевая всхожесть, высокая самоосыпаемость семян, оказывающая влияние на валовой сбор и расширение площадей посевов.
Современная селекция сельскохозяйственных культур, предъявляя высокие требования к сорту, нуждается в интенсивных методах ее ведения. Это в большей мере относится к многолетним культурам, у которых селекционный процесс занимает в несколько раз больше времени, чем у однолетних.
Одним из направлений в селекции сельскохозяйственных культур, обеспечивающих получение качественно нового исходного материала, является метод экспериментальной полиплоидии. Анализ многолетних практических работ в этом направлении показывает, что наибольший эффект достигается у перекрестноопыляющихся растений с небольшим числом хромосом, используемых в основном в качестве кормовых культур, т.е. имеющие такие особенности, которые в полной мере свойственны и ломкоколоснику ситниковому.
Ломкоколосник ситниковый ( PsaJJvywsicLchys іилсга рі&с&. /Ycvsti.) относится к числу небольшого количества видов многолетних трав с диплоидным числом хромосом (2п=14), при этом внутривидовая изменчивость, имеющая комбинационный и мутационный характер, ограничена рамками базисной изменчивости на диплоидном уровне генома. Из этого следует, что ломкоколосник ситниковый является одним из наиболее подходящих объектов для получения экспериментальных полиплоидов и использования их в практической селекции.
Целью настоящей работы является получение экспериментальных - б - тетраплоидов ломкоколосника ситникового, патогенетическое и хозяйственно-биологическое исследование тетраплоидов, выделение и отбор селекционно-ценных форм, создание синтетических тетралло-идных популяций и использование их в селекционной работе. В задачу исследования входило: разработка методов получения, выделения и отбора индуцированных аутотетраплоидов (2п=4-х=28); цитогенетическое, биоморфологическое и хозяйственно-биологическое изучение тетраплоидов; размножение и вовлечение индуцированных тетраплоидов в селекционный процесс.
Работа выполнена в 1975-1983 гг. в отделе селекции злаковых культур Казахского НИИ лугопастбищного хозяйства, в соответствии с тематическим планом научных исследований и целевой комплексной программы 0.Ц.04-І, задания 01.01. "Разработать новые приемы изучения и создания генофонда кормовых культур с ценными хозяйственно-биологическими признаками".
Распространение спонтанной полиплоидии в растительном мире
Процесс умножения наборов хромосом у растений в природе происходит, как правило, под влиянием таких внешних факторов, как смена температур, химические и механические воздействия, ионизация, повреждения паразитами и др. Появлению спонтанных полиплоидов различного уровня способствует также вегетативное размножение и апомиксис ( С.Г. Машталлер, 1977 ).
Возникновение спонтанных аутотетраплоидных растений связывают прежде всего с цитогенетическими причинами, а также действием рецессивных генов. В связи с этим Л.П. Бреславец ( 1963 ), указывает на такие аномалии мейоза, которые приводят к нередукции числа хромосом в гаметах;
- отсутствие первого деления мейоза;
- ненормальных ход первого и второго деления мейоза;
- двукратное деление хромосом;
- образование двуядерных материнских клеток зародышевого мешка или пыльцы.
Возникновение полиплоидных форм связывают и с размерами хромосом. По данным П.А. Чуксановой ( 1974 ), пшеница и ячмень среди злаковых растений занимают среднее положение по размерам соматических хромосом ( 5-Ю мкМ ) и обладают полиплоидным рядом, не превышающем гексаплоидный уровень. Растения с мелкими хромосомами имеют более длинные полиплоидные ряды и, наоборот, отличающиеся наиболее крупными хромосомами, как, например, рожь ( II-13 мкм ), вообще не имеют полиплоидного ряда.
- 8 Процесс умножения наборов хромосом, или полиплоидия, в природе вызывает внезапное появление новых форм, в последующем в результате генных мутаций и хромосомных перестроек происходит их становление в качестве новых видов ( Л.П. Бреславец, 1963 ).
Процесс возникновения и стабилизации спонтанных полиплоидов протекает на протяжении длительных геологических периодов. Именно с возникновением в природе полиплоидных форм связана высокая приспособленность растений к эксгпирнм-—сальным условиям существования, так как они часто располагаются на границе ареала родственной группы.
Наибольшее количество полиплоидных видов выявлено среди травянистых растений. Среди кормовых злаковых культур полиплоидия особенно распространена у мятлика, проса, овсяницы, пырея, полевицы, бородача, костреца и др. ( Н.И. Вавилов, 1935, 1938; Л.П. Бреславец, 1963; П.М. Жуковский , 1964, 1965; С/А W / , 1958 ).
По оценкеW.M.Mytiі ( 1947 ), среди покрытосеменных растений доля полиплоидных форм составляет 30-35%. Такого же мнения придерживается .LMdicns ( 1950 ).
Важно отметить, что количество полиплоидных видов растений в северных районах земного шара больше, чем в южных ( Н.Л. Дубинин, В.А. Панин, 1967 ). Так, в Северной Сахаре количество полиплоидных видов составляет 37,8% к общему числу видов флоры, в странах Средней Европы - около 50%, в северных районах Европы - более 70%. В высокогорных районах количество полиплоидных видов также заметно выше, чем в равнинных.
Почвенногклиматические условия проведения полевых опытов
Полевые исследования проведены на территории опорного пункта института - Дала-Кайнар, расположенного в 40 км к северо-востоку от г.Алма-Аты, в предгорно-степной зоне.
Климат зоны характеризуется резкой континентальностью и засушливостью. Согласно многолетним данным метеостанции "Алма-Атинский аэропорт", минимум температуры приходится на февраль и достигает - 48С, а максимум на июль - до + 42С. Переход среднесуточной температуры воздуха через 0С приходится на март и ноябрь. Снежный покров устанавливается в конце ноября - начале декабря. Высота снега к концу зимы часто не превышает 8-12см. Продолжительность безморозного периода колеблется в пределах от 176 до 242 дней. Сумма эффективных температур в среднем составляет 2800-ЗЮОС, а количество осадков - от 350 до 510 мм, из которых 40-45% выпадает весной, а остальные - летом и осенью. Зимой осадков выпадает мало.
Климатические условия в годы проведения полевых исследований ( 1976-1983 ) отличались от средних многолетних показателей ( приложения I и 2 ). Погодные условия 1976, 1978, 1980 и 1983 гг. были более характерными для зоны. Весенний период отличался умеренным увлажнением, летние месяцы (особенно июль и август )-засушливостью и высоким дефицитом влажности. Из них весенне-летний период 1980 и 1983 гг. характеризовался наиболее высокой температурой. Средняя температура воздуха в 1980 г. имела наибольшее значение и составила 9,8С.
Высоким дефицитом влаги характеризовался период роста и развития растений в 1977 и 1982 гг. В эти годы при температуре воздуха выше средних показателей осадков выпало в два раза меньше. Осень была холодной с резким снижением температуры в октябре. Температура летних месяцев 1982 г. была выше средних многолетних данных на 0,8-2,9С, при этом период с апреля по июнь характеризовался почти полным отсутствием осадков.
Весна 1979 г. была холодной, среднемесячная температура воздуха марта составила - 0,7С. Лето было особенно дождливым, а в июне имели место обильные ливневые дожди. Из общего количества осадков в летний период ( 144,8 мм ) около 120 мм (82,9%) выпало за два дня июня и только 22,3 мм приходится на июль и август.
1981 г. характеризовался умеренным температурным режимом и высокой увлажненностью, с более равномерным распределением осадков по сезонам. Средняя температура за год составила + 9,1С при наибольшей сумме осадков, равной 571, бмм.
Погодные условия в зимний период не отличались значительными изменениями от средних многолетних данных. Наиболее суровой была зима 1976,1977 гг., менее суровой - в 1977-1979 гг. и мягкой в 1979-1980 и I98I-I982 гг.
Несмотря на резкие перепады температуры воздуха, недостатки общего количества влаги, а также неравномерность их распре -деления по сезонам года, климат зоны в общем для ломкоколосника ситникового является благоприятным. Он здесь хорошо произрастает, формирует высокий урожай как семян, так и кормовой пастбищной массы.
Получение полиплоидов путем проращивания семян на водных растворах колхицина
Проращиванием семян на фильтрованной бумаге, пропитанной водным раствором колхицина, впервые были получены аутотетра-плоидные растения каучуконоса - кок-сагыз ( Д. Костов, Е.Тибер, 1939 ), полиплоидные формы гороха ( П.А. Дъячук, B.C. Чередеева, 1974 ), табака, перца, капусты, шелковицы и других культур ( Н.Д. Тарасенко, 1974 ).
В наших экспериментах по получению индуцированных полиплоидов ломкоколосника ситникового были применены следующие концентрации водного раствора колхицина: 0,005; 0,03; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 и 0,25% при экспозициях 72, 84, 96, 108 и 120 ч в каждой.
Через две недели после обработки подсчитывали число жизнеспособных проростков. Для дальнейшего изучения оставляли только миксоплоидные формы, которые характеризовались различными фено-типическими изменениями признаков ( рис. 3.1.I ). Возникающие при этом изменения довольно четко проявляются, они в основном характеризуются задержкой ростовых процессов, утолщением колеоптиле и листа, их деформаций, изменением окраски и другими признаками.
В качестве контроля брали семена и проростки, проращиваемые на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге.
Было установлено, что при проращивании семян на водных раствора колхицина параметры обработки ( концентрация и экспозиция ) оказывают существенное влияние на жизнеспособность проростков и эффективность полиплоидизации. У большинства обрабатываемых семян отмечается гибель зародышевых корней, часть из них в последующем формирует новые корни.
При проращивании семян в 0,005% концентрации колхицина его полиплоидизирующее действие начинает проявляться с экспозиции обработки 60 ч и более. Продолжительность колхицинирования в течение 120 ч и более оказалась летальной, при этом почти весь обработанный материал в последующем терял жизнеспособность. В вариантах обработки 0,005 и 0,03% растворами колхицина максимальный выход измененных проростков получен при экспозициях 96 ч -10,6% и 84 ч - 11,9% ( приложение I ).
Более оптимальной по выходу фенотипически измененных проростков оказалась концентрация колхицина 0,05% при экспозиции обработки 72 ч, а также обработка при концентрации 0,10% в течение 60 ч. Выход измененных жизнеспособных проростков составил соответственно 13,5 и 12,0% (табл. 3.1.2).
Выделение полипоидов по косвенным признакам
Отбор полиплоидных форм является наиболее трудоемким звеном в исследованиях по экспериментальной полиплоидии. Многие исследователи указывают на необходимость более жест—кой браковки неизмененных растений еще на ранних этапах работы по индуцированной полиплоидии ( I/. [iethck, , 1959; Н.П. Дубинин, В.А. Панин, 1967 и др. ).
Первоначальных этап выделения полиплоидных растений ломко-колосника ситникового в наших опытах состоял из визуальной оценки колхицинированного материала. При этом после двух недель их роста отбирали растения с внешними проявлениями признаков изменения плоидности клеток и тканей. В результате такой оценки из 79,5 тыс. колхицинированных семян и проростков выделено около 7,5 тыс. проростков имеющих на первоначальных стадиях роста определенные изменения внешних морфологических признаков.
lied e-blancL (1925) впервые высказал мнение о том, что замыкающие клетки устьиц, являясь сложными клетками листа, должны реагировать на различные изменения, происходящие в растениях. По данным Г.Д. Карпеченко ( 1935 ), с ростом числа соматических хромосом устьица, волоски, сосуды, клетки паренхимы, а также пыльцевые зерна растений увеличиваются в размерах.
Наиболее распространенными критериями, используемыми при диагностике полиплоидности растений, являются увеличения размеров пыльцевых зерен и устьичных клеток. Исследованиями по получению индуцированных полиплоидов у ряда культур установлено, что величина устьичных клеток и пыльцевых зерен аутотетраплоидов на 20-35% больше, чем у исходных диплоидных растений ( Л.П. Брес - 49 -лавец, 1963; Е.Б. Панина, 1965; Н.П. Дубинин, В.А. Панин, 1967; К.И. Йонушите, 1969; В.К. К.га.т і , 6./,. fiu o. , 1970; М.Н. По-лишвайко, А.И. Коненко, 1974 ).
В отношении достоверности этих признаков имеются и другие мнения. Так, Л.Н. Балышев и К.А. Балышева ( 1969 ) считают, что наиболее достоверным признаком оценки уровня полиплоидности растений является только величина пыльцевых зерен. Е.И. Терасе-вич ( 1963 ) вообще отрицает значение пыльцы для этих целей. Отмечаемое в отдельных случаях различие реакции растительного организма на увеличение геномного уровня, по-видимому, связано с особенностями культуры, привлекаемой в эксперимент. Эффект полиплоидии зависит не только от количественного взаимоотношения геномов и качественных особенностей хромосом, при этом большое значение имеют также систематические ( видовые, сортовые и др. ) различия ( В.В. Сахаров, 1944; В.И. йонушите, 1969 ).
Нами установлено, что отбор полиплоидов ломкоколосника ситникового по размерам замыкающих клеток устьиц возможен даже на ранних этапах роста и развития растений. Уже на стадии образования второго листа у фенотипически измененных проростков наблюдается аначительное увеличение размеров устьичных клеток. Длина и ширина их на этой стадии у диплоидов составляет 34,г и 15,Z мкм, а у полиплоидных растений - соответственно 37,6 и 17,3 мкм.
Отбор тетраплоидов Cj по косвенным признакам уровня плоидности
Исследования в популяции Су показали, что величина клеток - признак, варьирующий в довольно широких пределах. Параметры изменчивости величины устьиц у диплоидов составляют 37,5 - 50,0 мкм, а у аутотетраплоидов - 47,5 - 70,0 мкм. Максимальное число первых (30%) имеет средние данные по размерам устьичных клеток с колебаниями от 47,5 до 50,7 мкм, а у вторых (26$) характеризуется вариацией этих размеров от 57,5 до 60,0 мкм (приложение II).
Из рис. 5.I.I видно, что показатели этого признака охватывают значительный интервал, при этом максимальные их значения у диплоидов и минимальные у тетраплоидов соприкасаются и даже несколько перекрывают друг друга. На границах соприкосновения признака возможны ошибки при отборах индуцированных тетраплоидов по этому показателю.
Между диплоидами и аутотетраплоидами наблюдаются более четкие различия по величине пыльцевых зерен. Изменчивость величины пыльцы у диплоидов колеблется от 37,5 до 45,0 мкм, а у тетраплоидов - от 47,5 до 57,5 мкм. Преобладающее большинство растений диплоидных форм (64%) имеет средние параметры размеров пыльцы
Этот признак является более достоверным, их крайние значения у диплоидов и тетраплоидов не соприкасаются и имеют определенный интервал.
Таким образом, полученные нами данные показали, что наиболее надежным критерием косвенной диагностики аутотетраплоидов ломкоколосника ситникового является величина пыльцевых зерен.
Общее число аутотетраплоидов BCJ поколении, полиплоидность которых подтверждена подсчетом числа хромосом в мейозе материнских клеток пыльцы ( МКП ), составило 434 растения. Только в потомстве 25 семей из 55, составляющих потомство индуцированных полиплоидов Со поколения, было обнаружено наличие аутотетра-плоидных форм. Количество их в пределах различных семей варьирует от 2 до 78.
Явление увеличения размеров пыльцы у индуцированных ауто-полиплоидов ломкоколосника ситникового нами было использовано для оценки уровня химерности миксоплоидных форм.
В результате изучения получены данные, показывающие, что количество аутотетраплоидов в популяции Ст зависит от уровня химерности исходных растений Со поколения. Отмечено существенное различие между миксоплоидами по общему числу как генеративных побегов, так и в частности полиплоидных. Изменчивость по первому показателю колеблется в пределах 23-64 шт., а по второму -от 4 до 37 шт. Уровень химерности Со поколения индуцированных тетраплоидов варьирует от 11,1 до 90,0% ( приложение 12 ).
