Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема физиолого-биохимического обеспечения продукционного процесса растений достаточно давно привлекает внимание исследователей. В комплексной теории продукционного процесса изучалась количественная связь фотосинтеза с продуктивностью (Gifford, 1974; Быков, 1980; Ничипорович,1982; Zelitch, 1982; Гуляев, 1996; Андрианова, Тарчевский, 2000); зависимость скорости дыхания от урожая (Куперман, Хитрово, 1977; Тооминг,1984; Кумаков,1985; Amtor,1989; Головко, 1999); донорно-акцепторные отношения между фотосинтезирующими и потребляющими ассимиляты органами (Курсанов, 1976; Мокроносов, 1983; Чиков, 1987); наследование изменчивости физиологических признаков (Уоллес, 1981; Насыров, 1982; Austin et al, 1989; Молчан и др., 1996); соотношение фотосинтеза и дыхания (Ried, 1970; Семихатова, Заленский, 1982; Голик, 1990; Мамушина, Зубкова,1995). В ходе этих исследований выяснилось, что, во-первых, между интенсивностью фотосинтеза и продуктивностью корреляция часто отсутствует, и ни фотосинтез, ни дыхание не лимитируют урожай; во-вторых, очень трудно найти четкие количественные соотношения между интенсивностью этих процессов и продуктивностью потому, что их наследование носит полигенный характер, а сами они зависят от условий окружающей среды; в-третьих, стало очевидным, что потери ассимилятов в ходе дыхания - это необходимая "плата" клетки за синтез вторичных метаболитов; в-четвертых, показано, что ведущим фактором продукционного процесса является регуляция донорно-акцепторных отношений на уровне клетки, органа и целого растения.
Продукционный процесс как наиболее интегрированную функцию зеленого растения удобно изучать на модели высокогетерозисных гибридов. Проблема продуктивности тесно связана с феноменом гибридной силы, фи-зиолого-биохимический аспект которого исследовался на кукурузе (Duvick, Cassman, 1999; Hinze, Гашкеу, 2003; Reif et al, 2003); пшенице (Austin et al., 1989; Кершанская, 2001; Asins, 2002); рисе (Xiao et al, 1995; Kwon et al, 2002); люцерне (Riday, Brurnmer, 2002); фасоли (Johnson, Gepts, 2002), льне, томатах и люпине (Titok, 2001); горохе (Соколов, 1989; Рыбцов, Гостимский, 1996; Vaishlya, 1998). Несмотря на успехи в изучении процессов регуляции экспрессии генов, до сих пор не разработана общая концепция, объясняющая физиолого-генетические механизмы гибридной мощности (Mac Key, 1976; Гетерозис, 1987; Филатов, 1988; Шахбазов и др., 1990; Конарев, 1991).
В литературе приняты несколько гипотез, объясняющих генетические причины гетерозиса: 1) гипотеза сверхдоминирования (East, 1936; Crow, 1948); 2) гипотеза неполного доминирования (Hallauer et al.,1988; Stuber, 1992; Crow, 1999); 3) гипотеза эпистатического взаимодействия генов (Cockerham, Zeng,1996; Johnson, Gepts, 2002); 4) гипотеза о роли компенсационного комплекса генов (Струнников, 19й4).именно этахенетическая
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ,
о БИБЛИОТЕКА }
СПетерфгрг О» МО
причина гетерозиса была установлена на объектах, использованных в данной работе (Соколов, 1990). Считается, что полулеталъные хлорофильные мутации являются вполне адекватной модельной системой для интеграции генов, жизнеспособности в виде компенсационного комплекса генов (ККГ) в одном -генотипе, который дает при гибридизации гетерозисный эффект (Horton, 2000). Теория Струнникова постулирует, но не объясняет превосходства гибридов, поэтому важно знать, какие физиолого-биохимические системы, задействованы в формировании ККГ.
В физиологии продукционного процесса до сих пор остается открытым вопрос о механизмах взаимосвязи фотосинтеза и дыхания в ассимилирующей клетке, гормональной регуляции их соотношения и вкладе этих фундаментальных процессов в формирование зерновой продуктивности растений. Множественность взаимосвязей фотосинтеза, дыхания и ростовых процессов в значительной степени затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным использование отдельных физиолого-биохимических показателей для оценки потенциальной продуктивности растений. В связи с этим необходим комплексный анализ причин как низкой урожайности хлорофильных мутантов, так и высокой продуктивности гетерозисных гибридов, у которых формируется более совершенный обмен веществ, оптимально сбалансированный за счет комплементации не по отдельным показателям, а по системам более высокого порядка, включающим высокоинтегрированную сеть сигнальных, энергетических, метаболических, транспортных путей и определяющим базу донорно-акцепторных отношений растения.
Цель и задачи исследования. Цель исследования состояла в разработке системного физиолого-биохимического принципа для оценки потенциала продуктивности гетерозисных гибридов и родительских форм Pisum sativum L. Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
1. Выявить структурно-функциональные особенности фотосинтетиче
ского аппарата гетерозисных гибридов и их родительских форм.
-
Исследовать взаимосвязь фотосинтеза и дыхания в листьях нормальных, мутантных и гибридных растений гороха.
-
Изучить ростовые параметры и гормональную регуляцию продукционного процесса гибридов, мутантов и исходного сорта гороха Торсдаг.
-
Провести сравнительную оценку показателей фотосинтеза, дыхания, роста и продуктивности изученных генотипов гороха с помощью факторного и сравнительного анализа.
-
На основании полученных факторов — систем связи показателей метаболизма предложить статистическую модель, описывающую параметры высокопродуктивного генотипа гороха.
-
Идентифицировать физиолого-биохимические маркеры компенсационного комплекса генов мутанта 2004.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Гибридная мощность по зерновой продуктивности возникает в гетеро-
зиготном состоянии за счет комплементарного взаимодействия не отдельных физиолога-биохимических показателей родительских форм, а систем взаимосвязанных метаболических маркеров, обеспечивающих формирование продуктивности, поддержание гомеостаза и регуляцию основных процессов жизнедеятельности растений.
2. Низкопродуктивные мутанты гороха chlorotica сохраняют дефицит
хлорофилла на всех стадиях онтогенеза, на этом фоне все физиологические
системы растения проходят отбор, в результате чего формируется компенса
ционный комплекс генов (ККГ). Первичной причиной интеграции генов
жизнеспособности в виде ККГ у мутанта 2004 является мутация chi, нару
шившая синтез одного из белков реакционных центров фотосистемы I.
-
Различия в урожайности и комбинационной способности мутантов 2004 и 2014 связаны с формированием разных ККГ. В целом компенсация мутации chi на физиологическом уровне выражается в увеличении числа хлоропластов в клетке, скорости нециклического фотофосфорилирования и реакции Хилла, активации ферментов альтернативных путей фотосинтеза, цикла Кальвина, цикла Кребса, гликолиза и пентозофосфатного пути окисления углеводов. Отсутствие эффекта сверхдоминирования по активности большинства ферментов, а также переключение потока углерода в менее энергозатратные пути свидетельствует об оптимизации метаболических связей между фотосинтезом, дыханием и ростом у гибридов гороха.
-
Использованный в работе системный многотестовый физиолого-биохимический анализ позволил предложить статистическую модель показателей для объективной оценки биологической продуктивности линий гороха и сокращения сроков селекционного процесса.
Научная новизна работы. Экспериментально обоснован принципиально новый системный физиолого-биохимический подход оценки селекционного материала Pisum sativum L. на комбинационную способность. Установлены причинно-следственные связи между показателями фотосинтеза, дыхания, роста и продуктивности у высокогетерозисных Fj - гибридов и хлоро-фильных мутантов гороха. Показано, что в течение всего онтогенеза мутантов, на фоне хлорофильной недостаточности, формируется ККГ, физиологические маркеры которого идентифицированы у мутанта 2004 впервые. Выявлена физиологическая реализация универсального принципа получения эффекта гетерозиса по зерновой продуктивности: гибрид наследует от исходной формы Торсдаг нормальную структуру фотосинтетического аппарата и значения показателей из фактора "Продуктивность11, а от мутанта 2004 -значения показателей ККГ из фактора "Гомеостаз".
Научная и практическая ценность работы. Предложенный интегра-тивный принцип взаимосвязи генетических, биохимических и физиологических процессов позволяет разработать новый подход к управлению процессами формирования гетерозиса у гибридов гороха и созданию системы критериев раннего прогнозирования гетерозисного преимущества.
Статистическая модель физиолога-биохимических параметров высокопродуктивного генотипа гороха служит основой для объективной оценки исходного материала в практической селекции на гетерозис. Метаболические маркеры компенсационного комплекса генов мутанта 2004 могут быть применены в генно-инженерных технологиях при конструировании высоко-гетерозисных форм Pisum sativum L Результаты работы используются в курсах лекций по теории продукционного процесса растений.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 45 работ. Результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (Уфа, 1987; Петрозаводск, 1988; Минск, 1990); на I и II Всесоюзных совещаниях "Использование изогенных линий в селекционно-генетических экспериментах" (Новосибирск, 1990 и 1993), HaV Международной конференции "Plant metabolism Regulation" (Varna, 1990); на II, III и V съездах Всероссийского общества физиологов растений (Минск, 1990; С-Петербург, 1993; Пенза, 2003); Международных конференциях "Photosynthesis and Photobiotechnology" и "Physical-chemical Basis of Plant Physiology" (Пушино, 1991 и 1996); на III симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология" (Москва, 1997); IV и V Международных конференциях "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1997 и 1999). Международном совещании "Физиолого-биохимические аспекты изучения лекарственных растений" (Новосибирск, 1998); Keystone Symposium (USA, 1998); Всероссийском совещании "Физиология и биотехнология растений" (Томск, 1998); Международном симпозиуме "Cytokinis and Auxins in Pant Development" (Prague, 1999); "Международной конференции IPGSA "Plant Growth Substances" (Brno, 2001); II Международной конференции "Регуляция роста, развития и продуктивности растений" (Минск, 2001); Международной конференции "Photosynthesis and Crop Production"(KneB, 2002); II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (С-Петербург, 2002); XI Съезде Русского ботанического общества (Новосибирск-Барнаул, 2003); научных семинарах отдела молекулярной биологии НИИ биологии и биофизики Томского госуниверситета, отдела фотобиотехнологии Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино); заседаниях кафедры физиологии растений Томского, С-Петербургского и Массачусеттского госуниверситетов; лаборатории гетерозиса Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск); отдела эволюционной биологии Принстонского университета (Princeton, USA); научном семинаре Сибирского Института физиологии и биохимии растений СО РАН (Иркутск).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической части, изложения экспериментального материала и его обсуждения, заключения, выводов и библиографии, включающей 440 наименований, из них 163
на русском языке. Работа изложена на 275 страницах текста, содержит 54 рисунка и 74 таблицы.
