Введение к работе
Актуальность проблемы. Полиплоидия, особенно аллополиплоидия, объединение наследственного материала двух различных видов в одно генетическое целое с новыми признаками и свойствами – является одним из наиболее важных эволюционных процессов в растительном мире, в конечном счете, приводящим к формированию новых таксонов. Тритикале являются синтетическими аллополиплоидами, возникшими в результате удвоения хромосом у пшенично-ржаных гибридов. Эти синтетические амфидиплоиды объединяют в себе хромосомы различных видов пшеницы (чаще всего гексаплоидных или тетраплоидных) и ржи (как правило, Secale cereale L.). В этом случае два полных набора генов, выполняющих более или менее схожие функции у родителей должны найти пути кооперации друг с другом за короткий период. Тритикале, являясь успешной новой зерновой культурой, в тоже время могут быть модельным объектом для изучения эволюции полиплоидных видов (Lelley, 2006).
Далеко не всякое скрещивание между пшеницей (тетраплоидной или гексаплоидной) и рожью позволяет получить жизнеспособный гибрид. При получении пшенично-ржаных гибридов и первичных тритикале описаны многочисленные случаи несовместимости геномов родительских форм (Mntzing, 1979; Lelly, 1996, 2006; Oettler, 1998). Одним из первых, кто высказал предположение, что в основе несовместимости геномов разных видов лежит идея о различиях по единичным генам специфического действия, как причине постзиготической несовместимости, был Г. Д. Карпеченко (1935). В целом, процесс генной адаптации, возникающей в результате совмещения геномов разных видов в одно целое у отдаленного гибрида, реализуется как бесчисленные взаимодействия, и понимание механизмов, функций и их значимости находится еще в зачаточном состоянии (Wendel, 2000; Ozkan et al., 2001; Liu and Wendel, 2003; Feldman and Levy, 2005; Chen, 2007). Пшенично-ржаные гибриды и первичные тритикале дают уникальную возможность наиболее близко подойти к пониманию, что является необходимым для определения путей становления нового вида, возникшего в результате отдаленной гибридизации.
Пшеница (твердая и мягкая) - самоопыляющаяся культура и природный аллополиплоид, что предполагает аддитивное действие генов в формировании признаков. Рожь – строгий перекрестно опыляемый диплоидный вид с гаметофитной системой самонесовместимости, обеспечивающей высокую генетическую изменчивость и жизнеспособность отдельных особей сортовых популяций. Внутрипопуляционная изменчивость ржи может быть выявлена путем преодоления самонесовместимости и создания инбредных линий на основе мутаций автофертильности, позволяющих зафиксировать в гомозиготном состоянии широкий спектр доминантных, а также рецессивных аллелей, скрытых в гетерозиготном состоянии. Получение пшенично-ржаных гибридов и первичных тритикале на основе одного генотипа пшеницы и большой серии инбредных линий ржи позволяет выявлять и изучать особенности взаимодействия генов родительских видов, контролирующих широкий спектр хозяйственно ценных признаков, и генов, определяющих механизмы межвидовой репродуктивной изоляции.
Цель исследований – используя уникальную Петергофскую генетическую коллекцию инбредных автофертильных линий ржи и оригинальный вариант гибридологического анализа изучить особенности проявления и взаимодействия генов родительских форм у пшенично-ржаных гибридов и первичных тритикале, разработать новые подходы к решению научных и практических задач, возникающих при работе с аллополиплоидами.
Задачи:
1) изучить проявление и взаимодействие генов родительских форм, участвующих в формировании ряда качественных (устойчивость к патогенным грибам) и количественных (высота растения, фертильность) признаков, выявить признаки, специфически проявляющиеся у пшенично-ржаных гибридов и тритикале;
2) изучить генетический контроль эмбриональной летальности и гибридной карликовости, возникающих при скрещивании мягкой пшеницы с отдельными линиями ржи;
3) с помощью серии рекомбинантных инбредных линий (РИЛ) и серии нулли-тетрасомных линий установить хромосомную локализацию генов эмбриональной летальности;
4) разработать методы, позволяющие преодолеть эмбриональную летальность и получить пшенично-ржаные гибриды с «летальным» генотипом;
5) на основе собственных и литературных данных проследить параллелизм в формировании барьеров постзиготической репродуктивной изоляции у цветковых растений.
Научная новизна. Показано, что специальная генетическая модель, основанная на использовании двух генетических коллекций: инбредные автофертильные линии из Петергофской коллекции ржи и генетические линии мягкой пшеницы сорта Chinese Spring и сам сорт, с участием которых получали пшенично-ржаные гибриды и первичные тритикале, по оригинальной схеме скрещиваний (Voylokov, Tikhenko, 1998), является универсальной моделью, позволяющей выявлять, картировать и изучать взаимодействия генов родительских форм в геноме аллополиплоидов.
Впервые выявлены и проведена хромосомная локализация генов Eml-R1 ржи и Eml-A1 пшеницы, отвечающих за эмбриональную летальность пшенично-ржаных гибридов. Показано, что взаимодействие генов Eml-R1b ржи и Eml-A1 пшеницы приводит к остановке развития и последующей деградации апикальной меристемы у 16-дневных гибридных зародышей. Разработан эффективный метод культуры тканей незрелых зародышей для преодоления данной эмбриональной летальности у пшенично-ржаных гибридов, позволяющий получить растения с «летальным» генотипом. Впервые получены результаты, позволяющие оценить влияние мутаций автофертильности в локусах несовместимости ржи S, Z и T на фертильность первичных октоплоидных тритикале.
При оценке устойчивости линий тритикале к патогенным грибам выявлены различные эффекты взаимодействия геномов родительских форм: фенотипическое проявление или подавление устойчивости, проявление устойчивости в результате взаимодействия геномов восприимчивых форм. Впервые проведена оценка устойчивости инбредных линий ржи к темно-бурой листовой пятнистости и корневой гнили, вызываемых патогенным грибом Bipolaris sorokiniana. Изучен генетический контроль устойчивости к темно-бурой листовой пятнистости у инбредных линий ржи и показано, что устойчивость определяется рецессивными аллелями двух генов.
Систематизированы данные, позволяющие утверждать о наличии параллелизма в формировании барьеров постзиготической репродуктивной изоляции у цветковых растений.
Теоретическое и практическое значение работы. Результаты работы содержат новые знания по генетике пшеницы, ржи и тритикале и имеют значение для частной и сравнительной генетики злаков, селекции пшеницы и тритикале.
В работе реализован подход по обнаружению и картированию генов, специфически проявляющихся у пшенично-ржаных гибридов и тритикале, что позволило идентифицировать новые гены у ржи и пшеницы. Установлено, что аллели генов Eml-R1b, Eml-A1, Hdwb отвечают за несовместимость геномов при отдаленной гибридизации пшеницы и ржи. Показано, что хромосомы 1B, 1D и 6B мягкой пшеницы несут гены, присутствие которых необходимо для развития гибридного зародыша, т.е. обеспечивают стабилизацию структуры и функций генома в ходе эволюции на основе отдаленной гибридизации. Показана возможность преодоления гибридной эмбриональной летальности методом индукции первичного каллуса из аномальных зародышей с последующей индукцией регенерации и получением пшенично-ржаных гибридов с «летальным» генотипом. Предложена модельная система для изучения дифференциальной экспрессии генов постзиготической несовместимости родительских видов на одинаковом генотипическом фоне.
Создана коллекция первичных октоплоидных тритикале из 55 линий и проведена ее комплексная оценка по хозяйственно значимым признакам. Первичные октоплоидные тритикале Ad7a, Ad7b, Ad17 выделенные как устойчивые к бурой ржавчине пшеницы, рекомендуются в качестве новых источников устойчивости к этой болезни. Линии Ad76 и Ad39 обладают устойчивостью к обыкновенной корневой гнили и рекомендуются в качестве новых источников для использования в селекционных программах тритикале. Автофертильные линии ржи Л6, 478, 410 рекомендованы как новые источники короткостебельности для получения тритикале с высотой соломины 60-90см. Линия Л6 содержит в своем генотипе как новый ген короткостебельности, так и ген(ы) устойчивости к обыкновенной корневой гнили, проявляющиеся у первичных тритикале.
Результаты работы расширяют теоретическую и практическую базу для проведения исследовательских работ студентами и аспирантами кафедры генетики и селекции СПбГУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
оригинальная схема генетического анализа позволяет выявлять, картировать и определять характер взаимодействия генов не только у пшенично-ржаных гибридов и первичных октоплоидных тритикале, она также может быть использована в качестве универсальной генетической модели, для изучения генетики любых отдаленных видов, у которых есть генетические коллекции;
-
выявлены сходные ряды изменчивости систем постзиготической изоляции у растений согласующиеся с законом гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.
-
эмбриональная летальность, возникающая при скрещивании мягкой пшеницы с отдельными инбредными линиями ржи является результатом комплементарного взаимодействия аллели Eml-R1b ржи и Eml-A1 пшеницы; каллусогенез в культуре in vitro незрелых аномальных пшенично-ржаных зародышей позволяет преодолеть данный тип летальности и получить растения-регенеранты с «летальным» генотипом;
-
использование отдельных инбредных линий ржи с мутациями автофертильности в локусе T в качестве отцовского компонента позволяет значительно повысить фертильность первичных тритикале;
-
устойчивость к темно-бурой листовой пятнистости (возбудитель Bipolaris sorokiniana) у ржи определяется рецессивными аллелями двух генов, устойчивость к корневой гнили у первичных тритикале может быть результатом взаимодействия генов восприимчивых форм.
Апробация работы: Материалы диссертации были представлены на следующих отечественных и международных совещаниях, конференциях и симпозиумах: Всесоюзном совещании по цветению, опылению и семенной продуктивности растений (Пермь, 1987); Конференциях молодых ученых и студентов ЛСХИ (Ленинград, 1988, 1990); на V и VI Всесоюзных съездах ВОГиС им. Н.И. Вавилова (Москва, 1987; Минск, 1992); Всероссийской научно-производственной конференции «Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растений» (Пенза, 1998); 4-ом и 5-ом Международных симпозиумах по Тритикале (Канада, 1998; Польша, 2002); Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.В.Цицина (Москва, 1998); 3-ем, 4-ом, 5-ом Международных симпозиумах «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», (Пущино, 1999, 2001; Москва, 2003); 2-ом и 3-ем Всероссийских съездах ВОГиС (Санкт-Петербург, 2000; Москва, 2004); 1-ой Центрально-Азиатской конференции по пшенице (Алматы, 2003); Международной конференции по отдаленной гибридизации (Москва, 2003); 3-ем Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2005); Международном симпозиуме по генетике и селекции ржи (Германия,2006); Международной Конференции «Генетика в России и мире» (Москва, 2006); 2-ой Вавиловской международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2007); Международная конференция памяти Е.Н. Синской «Генетические ресурсы культурных растений» (Санкт-Петербург, 2009); Вавиловском семинаре в Институте генетики и селекции растений ((IPK) (Германия, 2010); 8-ой Международной конференции по пшеницы (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных работы, из них 22 в сборниках и ведущих отечественных и международных журналах, в том числе 9 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей материалы и методы, результаты и их обсуждение, заключения и выводов, а также списка цитированной литературы, насчитывающего 507 источников. Работа изложена на 313 страницах машинописного текста, включая приложение, иллюстрирована 20 рисунками и 50 таблицами.
