Введение к работе
Актуальность проблемы. Отдаленная гибридизация - фактор, увеличивающий формообразование в природе и в эксперименте . (КарпеченкоД9г7Д934Д935Д936: Вавилов,1935Д938; Цицин, 1957,1965,1967; Жуковский,1965). Используется она для создания новых форм растений с определенными хозяйственно ценными признаками и свойствами в практической селекции, для познания закономерностей эволюции, для изучения фундаментальных проблем совместимости отдаленных видов. Одна из этих проблем - взаимодействие чужеродных геномов и цитоплазм.
Известно, что гибридизация пшеницы с рожью привела к серьезным практическим и теоретическим результатам (Дорофеев, Зарубайло,1975; Ригин, Орлова,1977; Сечняк, Сулима,1904). Успехи гибридизации пшеницы с рожью стимулируют работу по гибридизации видов пшеницы между собой и пшеницы с видами "других родов с целью включения ценных генов.одного вида в генотип другого.
Результата гибридизации видов пшеницы с рожью, эгилопсом и ячменем обусловлены, прежде всего, степенью систематической . близости этих родов друг другу. Известно, что роды Trxticun L., Sacale L. и Aegilop» L. относятся к подтрибе Triticinae Trin. ex Griseb. трибы Triticeae Diuu. семейства Poaceae Barnh. (Gramineae Juan.), а род Hordeura L. принадлежит К подтрибе Hordeinae Bum., того же семейства (Цвелев, 1976).
Амфидиплоидный уровень должен, казалось бы, обеспечивать
(при объединении полных геномов, исходных видов) полную ста
бильность гибридов. Практика показала, однако, что этого не
происходит, и селекционная работа с амфидиплоидаыи связана'
с рядом серьезных проблем. Среди факторов, ограничивающих
введение амфидиплоидннх гибридов в культуру - цитологическая
нестабильность, свидетельствующая о недостаточной сбаланси
рованности их геномов, а также череззерница колосьев и щуп
лость зрелых зерновок. | .
Поиск причин частичной нестабильности и стерильности ам- . фидиплоидных гибридов до настоящего времени был сосредоточен на межгеномной несбалансированности. Вместе с тем, все амфидиплоидные гибриды являются аллоплазматическими растениями. Поэтому при определении метода интрогрессии чужерод-
ных генов в проиессе создания новых геномно-цитоплазматичес-ких комбинаций необходимо изучение'и межгеноыных и ядерно-цитоплаэматических взаимодействии клеточного уровня в процессе формирования генеративных структур гибридов (Левитс-кий, Ьенецкая,1931). Изучение гибридной несбалансированное-ти с точки зрения ядерно-цитоплаэматических взаимодействий у' амфидиплоидных гибридов ранее не проводилось. В нашей работе особое внимание уделено этому аспекту проблемы.
Согласно нашим представлениям, работа по отдаленной гибридизации должна проводиться на основе цитологических и эмбриологических данных о степени совместимости скрещиваемых видов. Для этого необходимо: создание более информативных и экономичных методов исследования гаметофитов и эндосперма колосовых злаков; сравнительное изучение развития генеративных структур у видов, включаемых в гибридизацию; изучение качественных и количественных.характеристик мужской и женской стерильности у амфигаплоидных гибридов с целью определения реальных возможностей интро-грессии чужеродного генетического материала; исследование частичной стерильности, зависящей от чужеродных ядерно-цитоплазматических взаимодействий (на модельных объектах -аллоплазматических линиях пшеницы и ржи); изучение стабильности эндоспермогенеза как фактора, определяющего жизнеспособность семян у амфигаплоидных и полноценность урожая у амфидиплоидных гибридов.
Цель и задачи исследования - изучить цитологические и эмбриологические механизмы межгеномной и. ядерно-цитоплаз-матической гибридной несбалансированности для разработки оптимальных приемов ее преодоления, тіє. определить влияние межгеномных и ядерно-цитоплазматических взаимодействий на стерильность гаметофитов, пронесе оплодотворения и эндос-пермогенез у амфидиплоидных гибридов пшеницы.
Для достижения'этой цели были поставлены следующие задачи:
- разработать наиболее информативную методику исследования женского гаметофита и раннего эндоспермогенеза колосовых 'злаков, основанну» га эмбриологической технике вычленения .целых женских гаметофитов и эндоспермов; 4
изучить особенности развития женского гаметофита и эндосперма в норме у видов пшеницы, ржи, ячменя и эгилопса;
исследовать степень полноценности развития женского гаметофита и эндосперма у амфигаплоидных, амфидиплоидных гибридов, аллоплазматичёских линий и сортов пшеницы с чужеродным замещением хромосом;
изучить проявления гибридной стерильности, критические для развития гибридной зерновки; .
исследовать процессы мейоза, михроспорогенеэа, микрога-метогенеза и степень фертильности пыльцы у амфигаплоидных, амфидиплоидных гибридов и аллоплазматичёских линий;
>- определить аномалии развития генеративных структур, зависящие от ядерно-цитоплазматической несбалансированности.
Научная новизна и практическая ценность работы. Проведено комплексное цитологическое и эмбриологическое исследова--ние развития генеративных структур у межвидовых и межродовых гибридов пшеницы с видами родов Secale, Aesilops И Horedeum ' на амфигаплоидном и аыфидиплоиднсм уровнях и дан системный анализ структурно-функциональной сбалансированности генера-тивных процессов при отдаленных скрещиваниях пшеницы.
Впервые проведено исоледование совместимости чужеродных ядра и цитоплазмы при гибридизации мягкой пшеницы с диплоидной и тетраплоидной рожью на основе цитоэмбриологического исследования эффекта ядерно-цитоплаэматических замещений у аллоплазматичёских линий пшеницы и ряи. Определена роль чужеродной цитоплазмы, как фактора цитологической несбалансированности у амфидиплоидных гибридов пшеницы.
Для осуществления этого исследования разработана методика анализа женских гаметофитов и эндосперма, основанная на технике вычленения целых структур без предварительной ферментативной мацерации тканей1 семяпочек, с подбором оптимальных цитохимических способов окрашивания объектов и заключения их в водную среду, не требующую длительного обезвоживания.
. Определены особенности развития нормального женского гаметофита и раннего эндосперма у представителей родов Triti-cum, Secale, Hordeum и Aegilops, не известные ранее.
Проведено комплексное" исследование закономерностей развития женского гаметофита и раннего эндосперма у амфигаплоид-
ных, амфидиплоидных гибридов, аллоплазматических линий и -сортов мягкой пшеницы с замещением хромосом. Экспериментально аргументирована зависимость щуплости эндосперма зерновки амфидиплоидных гибридов от цитологических нарушений эндос-пермогенеза нуклеарной фазы. Проведенное исследование позволило разработать метод раннего прогнозирования развития зерновки и полноценного эндосперма хлебных злаков, успешно применяемый в ряде научных и селекционных учреждений.
Впервые проведено комплексное цитологическое и эмбриологическое изучение' эффекта ядерно-цитоплазматических замещений на примере аллоплазматических линий пшеницы и ржи; впервые исследован эффект совмещения факторов аллоплазыии и автополиплоидии на развитие мужского и женского гаметофитов и на эндоспермогенеэ.
Изучение зависимости ендоспермогенеэа гибридов от ядерно-цитоплазматических взаимодействий ранее не проводилось и представляет собой новое направление исследований.
Экспериментально обоснован способ отбора амфигаплоидных гибридов по способности продуцировать диплоидные гаметы.
На основе исследований археспориальных митозов, а также мейоза, микроспоро- и микрогаметогенеза определены причини анеуплоидии гамет и потенциал анеуплоидии, а также причины частичной и полной мужской стерильности у различных реком-бинантов пшеницы.
Впервые экспериментально доказана зависимость частичной женской и мужской стерильности амфидиплоидных гибридов пшеницы от аллоплаэмии.
Апробания работы. Результаты исследований докладывались-
и обсуждались на Всесоюзных и Международных съездах, конфе
ренциях и совещаниях, в том числе: на Международном симпо
зиуме. ЭУКАРПИЯ в Ленинграде (1973), ХІУ Международном гене
тическом Конгрессе в Москве (1978), У, УП, ИІі, IX Всесоюзных
совещаниях по эмбриологии растений в Кишиневе (1971), Киеве
, (1978), Ташкенте (1983)', Кишеневе (1936), на П, Щ, ІУ и У
Всесоюзных Съездах ВОГиС им.Н.И.Вавилова в Москве (1972),
Ленинграде (1977), Кишиневе (1982), Москве (1987), на Все
союзных совещаниях по отдаленной гибридизации растений в
vМоскве (1961,1985,1986), на Всесоюзных совещаниях по проб-
6 . .
.лемам размножения цветковых растений в Ленинграде (1983) и Перми (,1987), на Всесоюзном совещании "Тритикале. Проблемы и перспективы" в Воронеже (1979), на Всесоюзном совещании "Генетические основы селекции растений" в Алма-Ате (1979), на Всесоюзном совещании "Клеточная репродукция: сравнительные аспекты и механизмы регуляции" в Ленинграде (І9ВІ), на Всесоюзном совещании по селекции тритикале в Дербенте (1984), на Всесоюзном симпозиуме "Морфо-функциональше аспекты развития женских генеративных структур семенных растений" в Телави (1984), на Всесоюзном совещании "Роль отдаленной гибридизации в эволюции и селекции пшеницы" в Тбилиси (1985), на Всесоюзном съезде ботанического общества в Алма-Ате (1968), на Всесоюзном симпозиуме "Актуальные проблемы цитогенетики зерновых культур" в Таллинне (І9В9) и др..
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ, в том числе монография "Пшенично-ржаные амфидиплоиды" в соавторстве с Б.В.Ригиным, за которую авторы удостоены Первой премии Ленинградского отделения ВОГиС за 1978 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и списка цитированной литературы (619 наименований). Работа изложена на 407 страницах машинописного текста, содержит 37 таблиц и 77 рисунков (в их числе 277 микрофотографий).