Введение к работе
Актуальность проблеми. Проблема повышения продуктивности сельскохозяйственных культур сегодня весьма остро стоит в повестке дня Продовольственной программы СССР.
Одним из реальных подходов к существенному повышению продуктивности является метод гибридизации, с помошыо которого можно.целенаправленно создавать гетерозисные комбинации, превышающие исходные формы иногда по целому ряду хозяйственно ценных признаков. Явление гетерозиса известно биологам и селекционерам давно, предлокены десятки гипотез, пытаюишхся объяснить механизм самого феномена гибридной мощности. Однако ни одна из концепций гетерозиса не может удовлетворить современного ученого. Это происходит в первую очередь потому, что явление гетерозиса пока недостаточно полно исследовано методами молекулярной биологии. В то яе время справедливо считается, что специфики гетерозиса определяется событиями, происходящими на уровне генетического материала клетки и регуляции элементарных генетических процессов.
Неудовлетворительная изученность молекулярных механизмов гетерозиса затрудняет-решение ряда важных практических аспектов его применения в практике растениеводства. В первую очередь, ото касается проблемы раннего прогнозирования гетерозиса, поскольку хорошо известно, что далеко не всегда гибридизация сопровождается проявлением гибридной мошности.
В литературе имеются лишь единичные данные о связи поведения таких важнейших ДНК-содеряаших органелл цитоплазмы, как митохондрия и хлоропласти с явлением гетерозиса. Между тем взаимодействие ядерного генетического материала и цатоплазма-тических органелл во многом определяет интенсивность биохими-
ческих процессов в клетке.
Цель и задачи исследования. Яелью настоящей работы являлось исследование структурно-функционального состояния генетических систем клетки (ядерного генома, ДНК митохондрий и хло-ропластов, биосинтеза нуклеиновых кислот) при проявлении эффекта гетерозиса, выяснение его механизма и разработка методов раннего прогнозирования гетерозиса в селекционной практике. Для реализации этой цели мы предприняли экспериментальный анализ стркутурного состояния ДНК и характера некоторых биосинтетических процессов на разных этапах онтогенеза, что на наш взгляд может дать наиболее полную информацию о реализации генетической программы исходных растений и их гибршіов, в частности тех, которые проявляют гибридную мощность.
Мы стремились выяснить, в первую очередь, общебиологические механизмы гетерозиса, поэтому наша работа была проведена на растениях, принадлежащих к различным таксономическим группам, включаюшим семь родов сельскохозяйственных культур.
В задачи экспериментальной работы входило:
- установить общие закономерности содержания ДНК, РНК
и соотношения РНК/ДНК у внутривидовых, медвидовых и межродовых гибридов пшеницы в тканях, органах и организме растений;
определить содержание ДНК, РНК, белка и их соотношения в соматических клетках гибридов и родительских форм зерновых и овошных культур с целью выявления изменчивости генома по этим показателям;
изучить фракционный состав ДНК (лабильной и стабильной фракций) у внутривидовых и отдаленных гибридов пшеницы, у гетерозисних гибридов томатов и родительских форм и вывить различия мевду ними;
вдавить особенности содержания нуклеиновых. кислот на отдельных этапах онтогенеза у гетерозисних гибридов томатов и их родительских пар;
исследовать методом анализа кинетики реассоциации ДНК соотношения нуклеиновых последовательностей, различную степень повторяемости их в геномах гетерозисних гибридов кукурузы и пшеницы в сравнении с родительскими формами;
оценить изменения в содержании нуклеиновых кислот, а также аутосинтетической и транскрипционной активности ДНК в ядрах и органеллах цитоплазмы, несуша ДНК (митохондрии, хло-Доплести) у гибридов пшеницы и томатов;
разработать рекомендации для использования в селекционной практике способов прогнозирования гетерозисного эффекта но показателям нуклеиновых кислот.
Наущая новизна. Экспериментально установлено неизвестное ранее явление увеличения содержания ДНК в соматических клетках гетерозисішх гибридов растений. При проявлении гетерозиса количественное содержание ДНК в соматических клетках растений гибридов первого поколения выше, чем в клетках их родителей. Принимая во внимание аналогичные результаты, полученные позднее другими авторами на различных видах растений (Костышин,1984; Гилязетли-нов,Киняпина,1988; Дубровная идр.в1987; Чугункова,1Э88),' фант увеличения содержания ДІЖ з одной клетке может рассматриваться в качестве общебиологической основы явленій гетерозиса.
Установлено, что увеличение содержания ДНК в клетках гетерозисній гибридов разных сельскохозяйственных культур происходит различными путями. Дитофотометрическим методом установлено, что повышение содержания ДНК в ядрах гетерозисних гибридов томатов происходит в основном за счет образования
новых полиплоидных клеток с содержанием ДНК 4с-3с, у гибридов пшеница - 2с-4с. Показано, что увеличение содержания ДНК в ядрах клеток листьев гетерозисних гибридов томатов происходит, в основном, за счет экдоподиплоидии, а у гибридов пшеницы -за счет амплификации отдельных фракций генома. Выявлено также, что у гибридов пшеницы содержание функционально активной, так называемой лабильной фракции ДНК возрастает более интенсивно, чем стабильной и остаточной фракций.
Впервые осуществлена комплексная оценка особенностей перестройки генетического аппарата у гетерозисних гибридов по сравнению с родительскими формами и установлено, что у растений проявляющих гибридную мощность, изменяется соотношение отдельных фракций повторяющихся нухиеатияных последовательностей. Эхо свидетельствует о том, что гетерозис сопровождается глубокой реорганизацией ядерного генома клеток растений.
Показано, что все готерозисные гибриды, независимо от вх видовой принадлежности, превышают родительские формы по содержанию ДНК и РНК в митохондриях, что может указывать ни високу» активность генетического аппарата митохондриальной фракции клетки.
По содержанию хлоропластной ДНК гетерозисные гибриды не отличаются от своих родительских форм, а по содержанию РНК в хлоропластах и по активности фотохимических реакций превышают их. Установлено, что у эгилопса транскрипционная активность митохондриальной ДНК в 3-4 раза превышает таковую у пшеницы; по активности хлоропластной ДНК, напротив, резко уступают ей. Пшенично-эгилопсовые гибриды по этому показателю могут быть пшеничного, эгилопсового или промежуточного типов.
Показано, что увеличение содержания нуклеиновых кислот у. гибридов по сравнению с родительскими формами особенно ярко проявляется на ранних этапах онтогенеза.
Описанные изменения в генетических системах клеток гетерозисного гибридного растения приводят к интенсификации всех бяосинтетических процессов, включая транскрипцию, трансляцию, активность ферментних систем и другие процессы, повышающие темы метаболических реакций, направленных на ускорение и усиление морфогенеза.
Практическая значимость работы. Результаты исследований представляют интерес для выяснения механизмов гетерозисного эффекта и могут быть использованы при создании обшей теории этого биологического явления.
Проведенные исследования, позволили впервые установить, что количественные и структурные изменения ДНК в соматических клетках гибридных растени? являются фактором,предопределяющим гетерозисний эффект у растений и могут быть использованы- с целью раннего прогнозирования гетерозиса у гибридов й определения комбинационной, способности родительских фор*! (Авт. св. СССР, Ц 713666, МКИ А 01 Н 1/04, БН, 1980, Ц 9).
Предложены ускоренные способы определения гетерозисного эффекта у гибридов растений первого поколения, основанные на определении в клетках проростков и отдельных листьях гибридов и юс родительских форл содержания ДНК, структурного состояния ЛИК, степени эндополиплоидяе в клеточных ядрах и на основании этих данных прогнозировать эффект гетерозиса. Предложенные методы оценки исходного материала ш раннего прогнозирования гетерозиса используются в селекционных про-
граммах Института генетики и селекции АН Азерб. ССР (справка о внедрении от 17 января 1989 г.) и АзНИИ овощеводства (справка о внедрении от 14 апреля 1Э8Э г.) и рекомендованы для использования в других научно-практических учреждениях селекционного профиля в стране.
Ряд положений диссертации может найти практическое применение при отдаленной и внутривидовой гибридизации, при подборе родительских пар для получения гибридов с высоким энергетическим балансом и хозяйственно ценными признаками.
Результаты и выводы диссертации нашли отражение в курсе лекций для биологических (Такультетов Азербайджанского Государственного Университета (справка о внедрении от 24 мая 1989 г.) и Азербайджанского педагогического института (справка о внедрении от 21 апреля 198Э г.).
Основные положения, выносимые на зашиту.
-
Гетерозисний эффект характеризуется увеличением содержания ДНК в соматических клетках растений гибридов первого поколения. При этом увеличивается также содержание РЖ и белка.
-
Повышение содержания ДНК в клеточных ядрах гетерозисних гибридов различных генотипов происходит как путем эндо-полиплоилии, так и за счет амплификации отдельных фракций ядерной ДНК.
-
По содержанию РНК и структурному состоянию ДНК гртеро-зисные гибриды отличаются от своих родительских форм. Величина вариабельности структурно-функционального состояния ДНК (лабильное и стабильное) и содержания РНК зависит от генотипа родительских форм, их комбинационной способности к фаз развития растений.
-
Увеличение содержания умеренно повторяющихся фракций ДНК обеспечивает високий гетерозисний эффект, при этом наблюдается перераспределение нуклеотидных последовательностей в ядерном геноме.
-
Гетерозиснце гибриды отличаются относительно высоким содержанием ДНК и РНК в митохондриях. В хлоропластах отдельных гибридных форм повышается активность пластических и энергообразующих процессов, что выражается в интенсификации фотохимических реакций и отношения РНК/ДНК.
-
Показатели содержания ДНК и ее структурного состояния, а также неблюдаемое явление эндополиплоидии предложено использовать при прогнозировании гетерозиса.
Апробация работы. Основные результаты диссердационноп работы докладывались на Закавказской конференции по физиологии растений (Баку, 1967), Всесоюзном совещании по отдаленной гибридизации растений и животных (і/Іосква, 1968), республиканской научной сессии по вопросам генетики и селекции.растений, животных и микроорганизмов (Баку, 1971), республиканском совещании по отдаленной гибридизации (Баку, 1972), симпозиума "Структура и функции нуклеиновых кислот растений" (Ташкент, 1974), ХПнауч-ной сессии, посвященной итогам научно-исследовательских работ республики по координируемым АН Азерб. ССР проблемам естественных и общественных наук за 1974 г. (Баку, 1975), научной конференции по проблемам генетики и селекции сельскокозяйсгвеших растений и животных республик Закавказья (Баку, 1975), У и УП Всесоюзных симпозиумах "Структура и функции клеточного ядра" (Новосибирск, 1975; Харьков, 1980), П советско-индийском симпозиуме по проблемам генетики и селекции культурных растений
(Баку,1976). Ш съезде "АзОШС и научной сессии по генетике я селекции растений, животных и микроорганизмов (Баку,1976), ІУ и У Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва,1979,1983), Всесоюзном совещании по отдаленной гибридизации растений я животных (Москва,1981), ІУ съезде генетиков и селекционеров Азербайджана (Баку.1981), П,Ш и У Всесоюзных биохимических съездах (Ташкент,1969; Рига,1974; Киев,1986),--0,1 и У съездах ВОГиС им .Н.И.Вавилова (Носква,1972; Ленинград,1977; Москва,1987).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 51 статья, а также монографии: "Гетерозис и нуклеиновые кислоты" (1982)о Получено авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоят из введения, шести глав, заключения, выводов, списка литературы, включащего 468 наименований, из них на иностранных языках - 159.