Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. СИСТЕМАТИКА, ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ И
ЦИТОЭМБРИОЛОГИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ КОСТОЧКОВЫХ
РАСТЕНИЙ 13
1.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ СЕЛЕКЦИИ КОСТОЧКОВЫХ
РАСТЕНИЙ НА АЛТАЕ 13
1.2. ОСНОВНЫЕ ТАКСОНЫ КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ,
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В СЕЛЕКЦИОННОЙ РАБОТЕ НА АЛТАЕ.... 15
Глава 2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ, МАТЕРИАЛ
И МЕТОДИКА .....49
2.1. КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЛТАЙСКОГО
КРАЯ И РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ 49
2.2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 53
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПА РАСТЕНИЙ НА ОСОБЕННОСТИ
ФОРМИРОВАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГАМЕТ .56
-
ЗНАЧЕНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У РАСТЕНИЙ 56
-
ЗНАЧЕНИЕ ПОЛИПЛОИДИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ФИЛОГЕНЕЗЕ И В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ... 59
-
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИНДУЦИРОВАННЫХ АВТОПОЛИПЛОИДОВ КОСТОЧКОВЫХ КУЛЬТУР 61
-
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИНДУЦИРОВАННЫХ АМФИДИПЛОИДОВ КОСТОЧКОВЫХ КУЛЬТУР 66
-
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НЕРЕДУЦИРОВАННЫХ ГАМЕТ 69
-
СПОНТАННОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГАМЕТ У ВИДОВ И СОРТОВ КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ АЛТАЯ 75
-
РОЛЬ ОТДАЛЕННОЙ ГИБРИДИЗАЦИИ В СОЗДАНИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ 81
3.8. ИСТОРИЯ И ДОСТИЖЕНИЯ ОТДАЛЕННЫХ СКРЕЩИВАНИЙ
В СЕЛЕКЦИИ КОСТОЧКОВЫХ КУЛЬТУР 82
3.9. ВЛИЯНИЕ ОТДАЛЕННОЙ ГИБРИДИЗАЦИИ НА НЕРЕДУКЦИЮ
ГАМЕТ У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ НА АЛТАЕ 97
3.10. ЧАСТОТА ВЫЯВЛЕНИЯ СПОНТАННЫХ ПОЛИПЛОИДОВ
В ЛЕСОСТЕПИ И СРЕДНЕГОРЬЕ АЛТАЯ 105
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
СРЕДЫ НА СОСТАВ ГАМЕТ У РАСТЕНИЙ 111
-
ЗНАЧЕНИЕ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ, КАК ФАКТОРА ИЗМЕНЧИВОСТИ 111
-
ЗНАЧЕНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ У РАСТЕНИЙ 112
-
ВЛИЯНИЕ ШОКОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСПОР У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 115
-
СООТНОШЕНИЕ ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКИХ, ФЕНОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИХ СТАДИЙ РАЗВИТИЯ У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 118
-
ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЛЕСОСТЕПИ И СРЕДНЕГОРЬЯ АЛТАЯ НА VI - IX СТАДИИ МОРФОГЕНЕЗА У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 122
Глава 5. ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И
ХРОМОСОМНЫЙ СОСТАВ МУЖСКИХ ГАМЕТ 136
-
ЗНАЧЕНИЕ ГАМЕТНОГО ОТБОРА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ 136
-
ОСОБЕННОСТИ МЕИОЗА И ГАМЕТОГЕНЕЗА У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 137
-
ХРОМОСОМНЫЙ СОСТАВ МУЖСКИХ ГАМЕТ У ДИПЛОИДНЫХ ГИБРИДОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХСЯ ГЕТЕРОГЕННОЙ ПЫЛЬЦОЙ 143
-
ЦИТОМИКСИС ИЕГО РОЛЬ В ДЕСТАБИЛИЗАЦИИ МЕИОЗА... 148
-
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ НАРУШЕНИЯ МЕИОЗА В ПЫЛЬНИКАХ.... 152
5.6. РАСЧЕТЫ ВЕРОЯТНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ
НЕРЕДУЦИРОВАННЫХ ГАМЕТ У ДИПЛОИДОВ И
ПОЛИПЛОИДОВ 158
5.7. СОСТАВ ГАМЕТ У РАЗНЫХ ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ
ГРУПП КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 161
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ГАМЕТОФИТОВ, ОПЫЛЕНИЯ
И ОПЛОДОТВОРЕНИЯ У ВИДОВ, ПОЛИПЛОИДОВ И ГИБРИДОВ
КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ 184
6.1.ОСОБЕННОСТИ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА 184
-
ОСОБЕННОСТИ ЖЕНСКОГО ГАМЕТОФИТА И ОПЫЛЕНИЯ... 186
-
ГЕТЕРОГЕННОСТЬ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА У КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ НА АЛТАЕ 190
-
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МИКРОСПОРОГЕНЕЗА И МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЫЛЬЦЫ
В СВЯЗИ СО СПОНТАННОЙ НЕРЕДУКЦИЕЙ ГАМЕТ 202
Глава 7. БИОЛОГО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФОРМ-ПРОДУЦЕНТОВ НЕРЕДУЦИРОВАННЫХ
ГАМЕТ, ОТДАЛЕННЫХ ГИБРИДОВ И ПОЛИПЛОИДОВ ДЛЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЕКЦИИ 207
-
ИСТОЧНИКИ НЕРЕДУЦИРОВАННЫХ ГАМЕТ 207
-
АВТОПОЛИПЛОИДЫ И АЛЛОПОЛИПЛОДНЫЕ СЛОЖНЫЕ ГИБРИДЫ КОСТОЧКОВЫХ РАСТЕНИЙ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ГЕНОМОВ СЛИВЫ И МИКРОВИШНИ 218
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 224
ВЫВОДЫ 230
ЛИТЕРАТУРА 233
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 253
Введение к работе
Актуальность научно-технической проблемы.
Рекомбинация, как основа полового процесса, является наиважнейшим механизмом, обеспечивающим генетическую изменчивость в природе. Познание закономерностей передачи генетических признаков через гаметы в потомство, реконструирование геномов и получение новых форм растений с заданными ценными для человека признаками является актуальной проблемой биологии и научной селекции.
Косточковые растения являются прекрасным объектом для разработки и применения принципов гаметного отбора в теории и практической селекции в силу своих генетических и биологических особенностей.
Косточковые культуры занимают особое место в современном садоводстве. Наряду с семечковыми и ягодными культурами они составляют отдельное сообщество растений, имеющее свою нишу в любительских и промышленных садах, специфическое биологическое и хозяйственное предназначение и давнюю историю введения в культуру уже на заре человеческой цивилизации (Жуковский, 1964; Еремин, Витковский, 1980).
Плоды косточковых растений богаты сахарами, витаминами, биологически активными, пектиновыми и минеральными веществами, особенно железом и марганцем. Так, присутствующий в больших количествах в плодах сливы (особенно северных видов и сортов) витамин Р может быть использован для профилактики заболеваний, связанных с нарушением проницаемости капилляров, при гипертонической болезни, воспалении легких, туберкулезе, ревматизме. Рибофлавин, весьма дефицитный в питании человека, встречается в плодах редко и помимо слив, отмечен только для алычи, абрикосов и гранатов. Оксикумарин, ценное лечебное соединение, в достаточно больших количествах накапливается в плодах у гибридов сливы с микровишней песчаной (бессеей). В ядрах семян сливы, терносливы и алычи содержится до
43-52 % масла, которое используется в парфюмерной и медицинской промышленности (Вигоров, 1974; Шишкина, 1974; Еремин, Витковский, 1980).
Конкретная специфика современных социальных условий жизни общества и требований рынка накладывает свой отпечаток на селекционные программы и промышленное плодоводство. В садоводстве России резко вырос удельный вес любительского и мелкотоварного сектора производства плодов. Меняется климат и экологическая обстановка. В результате в селекции косточковых, наряду с традиционными программами создания сортов промышленного типа, актуальным стало выведение сортов с отдельными уникальными признаками (Еремин, 1998; Жуков, 2000).
В настоящее время в России созданы сорта для нетрадиционных регионов возделывания, получили широкое распространение гибридная алыча, войлочная вишня, дальневосточный абрикос, нектарины. Имеются эффективно работающие селекционные центры в различных зонах России. Выведены сорта с очень крупными плодами у вишни, черешни, войлочной вишни, алычи, сливы, нектаринов, пригодные для производства сухофруктов и замораживания у сливы, алычи, нектаринов, а также зимостойкие, слаборослые и адаптивные подвои для разных регионов. Практически вся территория России находится в зоне риска возделывания косточковых культур (Ганзен, 1937; Лисавенко, 1940, 1950; Мичурин, 1948; Саламатов, 1962; Казьмин, 1966; Путов, 1970; Еремин, 1983).
Регионы Сибири и Дальнего Востока характеризуются особенно суровыми климатическими условиями для выращивания косточковых растений. Морозы на уровне -35С наблюдаются там почти ежегодно. Вероятность наступления морозов - 40С в Западной Сибири и в Северном Казахстане составляет 30-50%, в Тюменской, Омской, Новосибирской областях 50-70%. Вероятность морозов -45С южнее 62-й параллели не превышает 20-30%, а ниже -50С равно около 5% (Шульгин, 1968).
В селекции косточковых культур на устойчивость к экстремальным факторам среды отдаленная гибридизация и полиплоидия являются основными
7 селекционными методами получения растений с высокой степенью адаптивности. (Витковский, 1982; Еремин, 1994, 1998а). Задачей является в максимальной степени использовать преимущества, которые имеют естественные отдаленные гибриды, как правило, полиплоиды, в природе. Необходимо научиться синтезировать новые формы растений косточковых на тетраплоидном и гексаплоидном уровнях, для этого использовать коллекции доноров и источников ценных уникальных признаков. В них надо собрать фертильные и оригинальные отдаленные гибриды, полиплоиды и мутанты. В новом веке актуальна задача получения сибирской тетраплоидной и гексаплоидной сливы, а также гексаплоидной вишни и церападусов в результате комбинирования геномов отдаленных сибирских, американских и европейских видов Primus Mill., Cerasus Mill., Padus Mill, и других косточковых растений. Отбор родительских форм, продуцирующих гаметы определенного геномного состава (нередуцированные, апомиктические, гибридные), очень важен для научного прогнозирования результатов селекции. Необходима разработка методологических основ гаметного отбора для совершенствования методов селекции косточковых культур.
Идея синтезировать новые зимостойкие и пластичные гексаплоиды путем замены в геноме сливы домашней одного или двух геномов терна или же генома алычи геномами других видов косточковых растений уже давно привлекает внимание селекционеров. Именно эта идея лежит в основе всех проводимых в Европе и в Сибири скрещиваний полиплоидных видов с диплоидными сливами. Во многом успехам таких скрещиваний благоприятствует способность многих диплоидных и тетраплоидных видов Prunus давать нередуцированные гаметы.
Уникальность сибирского и дальневосточного генофондов косточковых растений определяется использованием в селекции диплоидных, часто филогенетически более древних, видов сливы, абрикоса, микровишен, луизеании, вишни и в гораздо меньшем количестве тетраплоидных видов вишни и черемухи.
8 В настоящее время в отделе горного садоводства НИИСС имени М.А.Лисавенко (пос. Чемал, Республика Алтай) в наиболее оптимальных для сливы условиях среднегорья собрана коллекции видов, сортов, отдаленных гибридов и полиплоидов косточковых растений. По договору с ВНИИ растениеводства имени Н.И.Вавилова она является базовой коллекцией диплоидных видов косточковых культур в России. В Чемале проводится селекционная работа по отдаленной гибридизации и полиплоидии культур сливы и микровишни с привлечением традиционных, уже апробированных в селекции, и новых нетрадиционных видов косточковых.
Разработка методов гаметного отбора косточковых растений для суровых климатических условий путем подбора родительских пар, создания и сбора коллекции источников гамет разного геномного состава, как целостного направления в селекции очень важна для ускорения и прогнозирования результатов скрещиваний.
Настоящая диссертация, выполненная на материале 1977 - 2001 гг., посвящена в основном работе цитолога по гаметному отбору видов, сортов, отдаленных гибридов и полиплоидов косточковых растений на Алтае.
Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований было цитологическое изучение сибирского генофонда косточковых культур (родов Primus Mill., Microcerasus Webb emend. Spach, Louiseania Carr.) для выявления спектра продуцирования и степени участия гамет разного уровня плоидности в формообразовательном процессе при отдаленной гибридизации и спонтанной полиплоидии в условиях лесостепи и среднегорья Алтая.
В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило: - выявить генетические (геномные) и климатические закономерности в функционировании нередуцированных гамет, ведущие к появлению спонтанных полиплоидов в семенном потомстве у диплоидных и тетраплоидных видов при свободном опылении и направленных скрещиваниях в различных климатических зонах Алтая; изучить особенности микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза для выявления спектра изменчивости продуцирования мужских гамет у видов, сортов и отдаленных гибридов косточковых растений; выявить закономерности между особенностями микроспорогенеза и цитоморфологическими характеристиками зрелой пыльцы для ускоренного отбора стабильных форм-продуцентов гамет разного уровня плоидности; - модифицировать методики отбора продуцентов диплоидных гамет; - выделить сортообразцы для подбора родительских пар в практической селекции для создания тетраплоидной и гексаплоидной сибирской сливы.
Научная новизна. Впервые в условиях лесостепи и среднегорья Алтая проведены цитологические исследования по выявлению закономерностей формирования и фукционирования гамет у представителей подсемейства Prunoideae в зависимости от генотипа и некоторых факторов внешней среды, оказавших влияние на появление спонтанных полиплоидных сеянцев у диплоидных видов Primus Mill, и Microcerasus Webb emend. Spach.
В результате анализа многолетних данных выделены группы сортообразцов по происхождению, способные продуцировать нередуцированные гаметы и формировать спонтанные полиплоиды в поколениях Fi - F3 от свободного опыления и при направленных скрещиваниях. Определена частота выявления полиплоидов в селекционном фонде в критические годы для опыления. Установлено, что условия лесостепи Алтая показали себя как более экстремальные, по сравнению со среднегорьем, по выходу полиплоидных сеянцев - в среднем 0,36 и 0,17% соответственно.
В результате изучения особенностей микроспоро- и микрогаметогенеза впервые доказано преимущественное функционирование нередуцированных яйцеклеток при формировании спонтанных полиплоидов в генофонде косточковых. Выявлены цитологические механизмы и частоты формирования эуплоидных и анеуплоидных мужских гамет в процессе мейоза у 20 сортообразцов различного генетического происхождения и разного уровня плоидности. Показана преобладающая роль цитомиксиса, вероятно
10 являющегося генетическим механизмом для дестабилизации мейоза и уничтожения несбалансированных гамет, для дестабилизации мейоза у диплоидных видов, сортов и отдельных гибридных генотипов косточковых растений.
Выявлены закономерности соотношения основных цитоморфологических характеристик зрелых пыльцевых зерен и прямых показателей микроспоро- и микрогаметогенеза, положенные в основу методики отбора генетически стабильных форм-продуцентов гамет разного уровня плоидности.
Впервые установлено соматическое число хромосом для вида Louiseania pedunculata (Pall.) Erem. et Yushev, составляющее 2n=80.
Практическая значимость работы. Лично автором проведен подсчет числа хромосом у 312 сортообразцов в селекционном фонде НИИ садоводства Сибири имени М.А.Лисавенко, выделено 164 спонтанных полиплоидов.
Проведена подробная цитологическая оценка формирования микроспор и мужского гаметофита у 20 сортообразцов в коллекциях Чемальского и Барнаульского генофондов косточковых культур и выделены наиболее стабильные и перпективные для дальнейшей селекции формы.
Путем анализа многолетних данных по спорадному анализу и качеству зрелой пыльцы выделены лучшие формы-опылители и формы-носители гамет разного уровня плоидности для подбора родительских пар в селекции косточковых на тетра- и гексаплоидном уровнях плоидности. Показано, что признаки наличия количества диад микроспор выше 10%, триад микроспор выше 15% и многоаппертурной пыльцы выше 10% можно использовать для предварительного выявления полиплоидов косточковых растений в селекционном генофонде. Отбор сортообразцов для гаметной селекции возможен на всех уровнях плоидности, включая триплоидный.
Предложено отказаться от метода количественного анализа размеров пыльцевых зерен для отбора форм-продуцентов нередуцированных гамет, так как доказано, что этот показатель характеризует только уровень стабильности протекания процессов мейоза и микрогаметофитогенеза, но не дает различения количества эуплоидных и анеуплоидных пыльцевых зерен.
Положения, выносимые на защиту. 1. Спонтанное функционирование нередуцированных гамет (в основном яйцеклеток) является важной частью формообразовательного процесса при отдаленной гибридизации у определенных представителей подсемейства Pnmoideae Focke в условиях лесостепи и среднегорья Алтая и может быть с успехом использовано в селекционной практике. 2. Цитоэмбриологические механизмы нередукции гамет реализуют себя лишь в критических условиях воздействия внешних эколого-климатических факторов, имеющих разную временную направленность на морфогенетические стадии развития геномов в условиях лесостепи и среднегорья и определяющих разную частоту выявления спонтанных полиплоидов в генофонде этих зон. 3. Отбор стабильных форм-продуцентов разнохромосомных гамет возможен на всех уровнях плоидности, включая триплоидный, для чего наиболее оптимальным является комбинирование прямых и косвенных цитологических методов изучения особенностей пыльцы, спорадного анализа и прямого подсчета числа хромосом.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях Ученого совета НИИСС им. М.А.Лисавенко в 1985-2002 гг. и заседаниях отдела плодовых культур ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова в 1998-2001 гг., на научно - методических конференциях и заседании Проблемного Совета СО РАСХН по растениеводству и селекции сельскохозяйственных культур (г. Омск, 1995; г. Абакан, 1998, г.Красноярск, 2001, г.Новосибирск, 2002), на научно-методической конференции, посвященной памяти B.C. Путова (г. Барнаул, 1998) и на научно-методической конференции ВНИИСПК (г. Орел, 1998), на генетико-селекционной школе (г. Новосибирск, 1999, 2001), на международной конференции, посвященной 70-летию Белорусского НИИП (г. Самохваловичи, 1995) и на международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика М.А.Лисавенко (г. Барнаул, 1997), на международной научно-практической конференции г. Санкт-Петербург, 2001), на XXI Мичуринских чтениях (г. Мичуринск, 2002), на международном симпозиуме IUFRO Cytogenetic Working Party в Хорватии (1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ. Наиболее полно результаты диссертации изложены в совместной с М.Н.Матюниным книге "Цитоэмбриология и селекция отдаленных гибридов и полиплоидов косточковых растений на Алтае" (Новосибирск, 2002).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и выводов. Списка литературы включает 404 наименования, из которых 41 зарубежных авторов. Работа изложена на 253 страницах текста, содержит 33 таблицы, 12 рисунков и 8 таблиц с микрофотографиями.
Автор выражает глубокую благодарность коллегам в НИИСС им. М.А. Лисавенко, оказавшим помощь в сборе и обработке первичной документации, в компьютерном представлении полученных данных. Прежде всего, B.C. Путову (к сожалению, посмертно), И.А. Пучкину, М.А. Матюнину, А.С. Санкиной, Ю.А.Зубареву, Н.В. Крыловой.
Выражаю также глубокую признательность научному руководителю НИР академику РАСХН И.П.Калининой (НИИСС имени М.А.Лисавенко), научному консультанту этой работы, доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.Л.Витковскому (ВНИИР имени Н.И. Вавилова).
