Содержание к диссертации
Введение
Глава I. CLASS Литературный обзор CLASS 7
1.1. Краткий очерк истории химического мутагенеза 7
1.2. Влияние генотипа на мутационную изменчивость II
1.3. Влияние условий выращивания на мутационную изменчивость 14
1.4. Селекционное значение химического мутагенеза 21
Глава 2. Материал и методика исследований 26
2.1. Характеристика подопытных сортов и линий 26
2.2. Обработка мутагенами, выращивание мутантных популяций и учет мутаций 29
2.3. Агроэкологические условия проведения опытов 30
Глава 3. Реакция сортов и гибридов озимого ячменя на действие эи в первом поколении 35
3.1. Влияние ЭИ на начальный рост растений 35
3.2. Влияние ЭИ на рост и развитие растений в первом поколении (Mj) 39
3.3. Чувствительность гибридных популяций и их отдельных рекомбинантов к действию ЭИ в Mj 43
Глава 4. Роль генотипа в мутационной изменчивости 54
4.1. Дисперсия начального роста проростков в мутационной и гибридной популяциях 54
4.2. Мутабильность сортов, линий.и гибридов озимого ячменя по частоте хлорофилльных мутаций 62
4.3. Действие ЭИ на характер расщепления гибридов 68
4.4. Об индуцированной ЭИ спонтанной гибридизации у ячменя 72
4.5. Частота вызванных ЭИ морфо-физиологических мутаций 79
4.6. О соотношении частот хлорофилльных и морфологических мутаций у ячменя 8
Глава 5. Характеристика индуцированных эи м0рф0-физи0л0-зжеских мутантов 90
5.1. Изменчивость начального роста у мутантов 90
5.2. Характеристика некоторых индуцированных мутантов 92
5.3. О мутагенной изменчивости содержания белковых веществ в зерне ячменя 102
5.4. О некротических мутациях у ячменя 104
Глава 6. Описание некоторых мутантов представляющих селекционный интерес 116
6.1. Характеристика мутантных сортов 116
6.2. Характеристика мутантных линий, представляющих селекционный интерес 120
Выводы 130
Список использованной литературы 134
- Влияние условий выращивания на мутационную изменчивость
- Агроэкологические условия проведения опытов
- Мутабильность сортов, линий.и гибридов озимого ячменя по частоте хлорофилльных мутаций
- Характеристика некоторых индуцированных мутантов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время искусственный мутагенез в селекционных программах применяется почти повсеместно и в нарастающих масштабах. Являясь сравнительно новым, но самостоятельным, этот метод селекции одновременно способствует повышению эффективности комбинативной селекции путем создания нового и обогащения существующего исходного материала. Многие вопросы как генетической сущности, так и путей селекционного применения искусственного мутагенеза по настоящее время изучены совершенно недостаточно, что препятствует более широкому и эффективному применению его в селекции культурных растений. Одним из узловых, но малоизученных проблем искусственного, в частности, химического мутагенеза, является выяснение связанных с влиянием внешних условий, а также генотипа на становление, частоту и спектр мутаций.
Известно, что селекционная эффективность как гибридизации, так и искусственного мутагенеза определяется в первую очередь частотой возникновения полезных рекомбинантов и мутантов. Немаловажное значение имеет также их четкое фенотшшческое проявление, что способствует выделению, отбору и изучению соответствующих форм. Одновременно известно, что в разных агроэкологических условиях фенотипическое проявление признаков и свойств неодинаково. Существенную роль здесь играет способность адаптации генотипов к конкретным экологическим условиям, изучение которого имеет большое селекционное значение.
В настоящее время одним из важных направлений по искусственному мутагенезу является изучение мутабильности разных генотипов. Первостепенное значение имеет также выяснение вопросов о возможности кооперированного применения в селекции комбинативной и
мутационной изменчивости растений.
Исходя из вышеприведенных соображений и была сформулирована тематика исследовательской работы.
Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований явилось изучение частоты и спектра мутационной изменчивости некоторых сортов, линий и гибридов озимого ячменя под влиянием известного химического мутагена этиленимина; выявление закономерностей возникновения и фенотипического проявления мутаций в двух, существенно различающихся агроэкологических условиях -Предгорной зоны Араратской равнины и зоны Севанского бассейна. Ставились задачи: исследовать влияние внешних условий в период онтогенеза на становление, оформление и передачу по генеративным поколениям мутационных изменений; сравнительное изучение му-табильности гибридов и их родительских компонентов; выделить, изучить и дать селекционную оценку индуцированных мутаций озимого ячменя; создать коллекцию мутантов, индуцированных из подопытных форм.
Научная новизна и практическая значимость. В результате проведенных исследований установлен ряд фактов и закономерностей, имеющих характер научной новизны. Показано, что реакция гибридных популяций и входящих в их состав отдельных рекомбинантов к этиленимину существенно различна по физиологическим и генетическим показателям. Вследствие мутагенных воздействий, существенно повышается дисперсия начального роста проростков, что имеет генетическую природу. Этот показатель может служить критерием мутагенной эффективности. Под влиянием мутагена у гибридных популяций нарушаются соотношения рекомбинантов, происходит так называемое смещение доминирования, но не по всем изученным признакам. Установлено, что сорта и гибриды существенно отличаются друг от друга по частоте и спектру морфо-физиологи-
ческих мутаций, в том числе селекционно ценных. Впервые показано, что некротические мутации у ячменя бывают по меньшей мере трех разных типов, которые являются следствием мутирования не-аллельных локусов.
У подопытных сортов и гибридов индуцированы многочисленные мутантные формы, которые намечается использовать в селекции в качестве доноров разных полезных признаков. Эта коллекция включает более 60 образцов. Ряд мутантов (20 линий) отселектирова-ны и включены в селекционный процесс.
диссертационная работа является итогом обобщения результатов проведенных в вышеотмеченном направлении экспериментальных исследований. Исследования выполнялись в отделе селекции и генетики Армянского научно-исследовательского института земледелия в период 1979 - 1983 гг.
Влияние условий выращивания на мутационную изменчивость
. В настоящее время достоверно установлено, что возникновениє мутаций не мгновенный, одноактный, а длительный, многоступенчатый процесс. На различные этапы мутационного процесса могут влиять те или иные факторы внутренней и внешней среды. Различные сочетания этих факторов, в период онтогенеза растений, также по различному влияют на мутационную изменчивость. Такое влияние осуществляется не только действием на выживаемость, рост и развитие, обработанных мутагенами растений в первом поколении, но и на изменение частоты и спектра мутаций во втором и дальнейших поколениях.
Вопросы влияния экологических условий на физиологические и генетические эффекты мутагенов у растительных организмов, впервые широко и подробно начали изучать советские исследователи.
Так как в качестве эффективных мутагенов сначала были использованы ионизирующие излучения, то подобные исследования прежде всего проводились в их отношении.
В.Погосян (1962) выращивал облученные гамма-лучами семена пшеницы в условиях низменной зоны Араратской равнины и зоны Севанского бассейна (район им.Камо) Армянской ССР. При этом были обнаружены различия как в параметрах роста и развития растений в Mj, так и в характере мутаций в Mg.
С.Янушкевич (1962) высеял облученные рентгеновскими лучами семена ярового ячменя сортов Винер и Червонец в нескольких, весьма отдаленных друг от друга географических точках (Москва, Хабаровск, Литва и др.). Критериями мутационной изменчивости служили частота и спектр хлорофилльных мутаций. Было выяснено, что условия выращивания Mj существенно видоизменяют характер генетической изменчивости, вызванной облучением.
В указанном направлении серию работ проводил Г.Шангин-Бе-резовский. В одной работе (1965а)им было показано, что условия выращивания как первого, так и второго поколений оказывают существенное влияние на соматический отбор, выживаемость и на фе-нотипическое проявление мутаций в М2. В другой работе (Шангин-Березовский, 19656), посвященной влиянию внешних условий на фе-нотипическое проявление мутаций, автор наблюдал существенные различия в частотах хлорофилльных мутаций при выращивании Mg в разных условиях. Он заключает, что различие в частотах мутаций можно объяснить влиянием внешних условий на зародышевый отбор.
Т.Орав (1965) в своих опытах получил аналогичные данные. Из комплекса факторов внешней среды, влияющих на проявление мутаций, он особо выделяет роль температуры при прорастании семян. В этой же работе он приводит многочисленные данные, полученные в ходе экспериментов, о влиянии условий выращивания Mj на частоту и спектр хлорофилльных мутаций, а также на фенотипическое проявление этих мутаций в Mg. Аналогичные результаты получили в своих исследованиях Н.Нуждин и другие (1965).
Т.Орав и Х.Ремельг (1965) приводят данные, согласно которым плодородие почвы и агротехнические условия выращивания оказывают значительное влияние на радиочувствительность пшеницы и ячменя. Варьирование чувствительности различных партий семян одной и той же культуры и даже сорта в широких пределах, объясняется различиями в климатических, погодных и других условиях их выращивания.
Проведенными в этом же направлении многочисленными опытами Н.Цуждин и другие (1967) также показали, что условия выращивания оказывают существенное влияние на устойчивость семян к ионизирующим излучениям»:
Т.Орав и другие (1972), обобщая результаты собственных исследований и сопоставляя их с литературными данными, перечисляют важнейшие факторы внешней и внутренней среды, которые оказывают модифицирующее влияние на радиочувствительность семян. В этой же работе отмечается большое влияние условий выращивания растений на их выживаемость, рост и развитие, а также на частоту и спектр мутаций в следующем поколении. Приводятся интерес« ные данные о так называемом "эффекте выявления", когда дополнительные воздействия физиологически активными веществами способствуют фенотипическому выявлению мутаций, которые в нормальных условиях не проявляются. Это по сути дела один из случаев влияния внешних факторов на фенотипическое проявление мутаций, на их пенетрантностъ. Известно, например, что частота мутаций в М2 неодинакова при различных температурных и других условиях выращивания. В другой работе Т.Орав (1972) заключает, что условия питания и содержание химических элементов в почве создают биохимическую разнокачественность семян, в результате чего, и различную их устойчивость к ионизирующим излучениям.
В работе В.Володина и З.Лисикова (1979) приводятся многочисленные данные собственных исследований и других авторов о том, что внешние условия оказывают существенные влияния на радиочувствительность как до, так и после облучения семян ячменя. Авторы отмечают повышенную радиочувствительность семян, выращенных в прохладных и влажных условиях и, наоборот, радиорезистентность семян из сухих и жарких мест. Аналогичные результаты получены и рядом других исследователей (Янушкевич, 1961; Преображенская, 1969; 1971; Нуждин, Пастушенко-Стрелец, 1968; Жученко, и другие, 1979; Медведев и другие, 1981; Родина, 1981 и другие).
Н.Батыгин (1980) обращает внимание на модифицирующее влияние процессов, протекающих в онтогенезе растений из подвергнутых мутагенному воздействию семян. Отмечается, что в онтогенезе осуществляются процессы как возникновения, так и элиминации мутаций, благодаря соматическому или диплонтному отбору, восстановлению генетических повреждений и др. Он заключает, что изменяя условия выращивания растений в Mj и Mg, можно в определенных пределах изменить частоту и спектр возникающих мутаций.
Как известно, многие эффекты химических мутагенов, особенно алкилирущих агентов и радиации, во многом аналогичны. Поэтому, не удивительно, что имеется и много общего как в механизмах их действия, так и в процессах модификации этого действия различными сопутствущими агентами и условиями. Необходимо отметить, что проведены сравнительно немногочисленные исследования, посвященные изучению влияния внешних условий на генетические эффекты химических мутагенов. С точки зрения широкого использования химических мутагенов в генетических исследованиях и селекционных программах необходимость и актуальность подобных исследований очевидна.
Агроэкологические условия проведения опытов
. Мерцаванская экспериментальная зональная станция расположена в предгорной части Араратской равнины на высоте 940 м над уровнем моря. Почвы здесь бурые, карбонатные, бедны органическими веществами, маломощные, с тяжелым механическим составом и слабощелочной реакцией. Климат резко континентальный. Зима холодная, со слабым и неустойчивым снежным покровом. Весна сравнительно короткая. Лето наступает во второй половине мая. Оно жаркое с низкой относительной влажностью воздуха, в период вегетации в годы исследований она колебалась в пределах 53-58$. Наиболее высокая средняя температура воздуха держится с конца июня до середины августа. В это время температура достигает 32-38С, зимой она иногда понижается до -30С. Средняя годовая температура воздуха по многолетним данным равна 12С. Количество безморозных дней в Мерца-ване составляет 190-220 дней.
Осень продолжительная, теплая, либо умеренная. Сумма среднегодовых осадков за годы проведения исследований колебалась в пределах 213,9-438,2 мм.
Зона Севанского бассейна. Мартунинская зональная опытная станция расположена на высоте 1950 м над уровнем моря. Почвы каштановые, глинистые. Пахотный слой мощный, распыленный и сильно уплотненный. Зима здесь холодная, продолжительная, как правило, с устойчивым и достаточно глубоким снежным покровом. Лето короткое с умеренной температурой. Сумма атмосферных осадков за годы проведения опытов колебалась от 421,2 до 644,0 мм. Поздние весенние заморозки наблюдаются в основном с І5/ІУ по 28/У, а раннеосенние - с 2І/ІХ по 8/ХІ. Количество безморозных дней составляет 127-175. Средняя относительная влажность воздуха в период вегетации равна 61,4-68,1$. В таблице 2.3.1; 2.3.2 и 2.3.3 приведены данные о количестве осадков, среднемесячной температуре и относительной влажности воздуха в указанных зонах в годы проведения исследований.
. Влияние ЭИ на начальный рост растений. Начальный рост является одним из важных показателей реакции растений на мутагенные воздействия. По этому показателю в опытах получаются хорошо воспроизводимые результаты, поскольку их учет производится в сравнительно хорошо контролируемых лабораторных условиях при непродолжительной экспозиции опыта, благодаря чему первичный эффект мутагена и любого испытуемого агента не наслаивается влиянием различных факторов окружающей среды. Интенсивность начального роста проростков дает существенную информацию о степени поражения семян вследствие обработки мутагеном. При дальнейшей вегетации в полевых условиях, благодаря соматическому отбору клеток, разница в росте интактных и опытных, пораженных в различной степени растений, постепенно сглаживается, что затушевывает картину физиологического поражения.
В полевых условиях вопрос усложняется еще за счет изменения площади питания растений. Выжившие растения опытных вариантов, как правило, имеют больше площади питания за счет погибших в разных фазах роста и развития, чем контрольные.
На сорте Шолпан и линии АК-6 было испытано действие доз ЭИ в диапазоне 0,01-0,03$ на начальный рост проростков. Соответствующие данные представлены на рисунках 3.1.I и 3.1.2, которые показывают, что с повышением концентрации наблюдается некоторая стимуляция ростовых процессов, а в дальнейшем его резкое угнетение. Причем, реакция разных частей проростков существенно различная. Так, если повышение концентрации до 0,02$ вызывает стимуляцию роста ростков, то на рост колеоптилей и осо бенно корешков действует угнетающе. Из этих данных следует, что в зародыше семян наиболее чувствительными к ЭИ являются меристематические клетки, дающие начало корешкам.
Мутабильность сортов, линий.и гибридов озимого ячменя по частоте хлорофилльных мутаций
. Для оценки генетического действия мутагенов, а также мутабильности разных генотипов наиболее часто используются хлорофилльные мутации. После того как Л.Стад-лер ( stadler, 1928) в 1928 году наблюдал их возникновение после воздействия рентгеновских лучей, исследования, в которых тестом служили эти мутации, проведены в очень большом количестве. Во многих исследованиях показана коррелятивная связь между частотой хлорофилльных и морфо-физиологических, в том числе селекционно-ценных мутаций ( Nybom, 1954; Густафссон , 1956; Hansel, I960; Gusafsson, 1963; Валева, 1965а,б; Хвостова, Элыиуни, 1966; Калам, Орав, 1974а и другие).
В наших исследованиях по изучению мутабильности генотипов по критериям хлорофилльных мутаций были использованы как константные сорта, так и селекционные линии.
Известно, что условия обработки, выращивания и другие оказывают существенное модифицирующее влияние на частоту мутаций, особенно хлорофилльных. В наших опытах, условия обработки мутагеном и выращивания растений Му и 1VL были совершенно одинаковыми. Следовательно, обнаруженные различия можно отнести к сортовым Стенотипическим) различиям.
В таблице 4.2.1 приведены данные относительно мутабильности двух сортов и двух мутантных линий по обработке ЭИ в 0,02 и 0,15$ концентрациях. Приведенные данные свидетельствуют, что в этой группе различные генотипы существенно различно реагировали на действие мутагена. Наиболее низкая мутабильность наблюдается у линии М-6 (12,9$), а высокая - у мутанта 160 (34,7$) при 0,02% концентрации. При 0,015% концентрации мутабильность сорта Арара-ти 7 по сравнению с 0,02% концентрацией не снижалась.
Модификация генетических эффектов мутагенов различными факторами в настоящее время широко известное явление. В наиболее общем виде указанное явление объясняется вызванными соответствующими агентами изменениями в характере реакций, приводящих к поражению генетических структур, а также интенсивности процессов репарации. Изменения же частоты и спектра мутаций в М2, вследствие дополнительных воздействий, явление иного порядка и к настоящему времени недостаточно изучено.
Имеется ряд исследований, показывающих значительную изменчивость частоты и спектра мутаций при выращивании М« в разных экологических условиях ( Hallquist, 1923; Collins,,; 1937; Hansel, I960; Калам, Орав, 19746 и другие). Несомненно, что данное явление представляет достаточный интерес и дальнейшее его изучение представляется необходимым.
В наших опытах, посвященных изучению указанного вопроса, Mj выращивалось в условиях Мерцавана. Часть семей М была посеяна в тех же условиях, а другая часть - в условиях Мартуни.
Учет хлорофилльных мутаций показал, что их частота достоверно различна в разных условиях выращивания (табл. 4.2.2),
В указанных условиях существенно различны и соотношения типов (спектры) мутаций. В условиях горной зоны больше всего снижалась частота мутации типа альбина.
В литературе имеются данные, согласно которым значительная часть индуцированных хлорофилльных мутаций являются температурно-зависимыми и фенотшшчески проявляются при выращивании растений при низких температурах ( Hallquist, 1923; Gaul, 1965; Hentrich, 1967). При оптимальных температурах такие мутации не выявляются (фенотшшчески не проявляются). Выявленные нами различия в частоте и спектре мутаций трудно объяснить лишь различиями в температурных режимах указанных зон. По-видимому, здесь играют немаловажную роль и другие факторы окружающей среды. Существенный интерес представляет явление различной реакции изученных генотипов к разным условиям выращивания по показателю фенотшшчески проявляемых хлорофилльных мутаций.
Полученные в этих опытах данные свидетельствуют о сложном взаимодействии условий выращивания и генотипа при становлении мутаций.
Из данных проведенных опытов следует, что фенотипическое проявление или пенетрантность хлорофилльных мутаций в большой степени зависит от экологических условий выращивания растений, а также от генотипа. Из этих данных следует также, что возникновение под влиянием ЭИ мутаций (по крайней мере пигментных) бывает больше, чем обычно наблюдается и регистрируется.
Для выяснения вопросов, касающихся роли генотипа в мутационной изменчивости растений, ценную информацию можно получить из опытов по обработке мутагенами гибридов и их родительских форм.
В исследованиях по радиобиологии и радиационному мутагенезу получены данные, показывающие сравнительно высокую физиологическую устойчивость гибридов по сравнению с родительскими формами (Валева, I960; Saric, 1961; Турбин и другие, 1967). Имеются также сравнительно малочисленные данные, согласно которым радиочувствительность гибридов существенно не отличается от родительских форм, хотя, как правило, доминирует признак повышенной радиоустойчивости (Пыльнев, Орлюк, 1971).
Характеристика некоторых индуцированных мутантов
. Мутанты H3_cpj)Ta_AapaTHj/\ Известно, что мутации затрагивают все признаки и свойства растений. Вызванные мутагенами изменения в генетическом аппарате клеток могут передаваться последующим поколениям лишь тогда, когда они проходят через так называемые "селективные сита" элиминирующих клеток, гаметы и растения, носящие те или иные мутации.
В наших опытах с подопытными сортами получены самые разнообразные мутации, затрагивающие различные признаки и свойства. Выживаемость большинства этих мутантов, как правило, существенно снижена по сравнению с исходной формой, но имеются и такие, которые в этом отношении не уступают ей.
Выделенные, в основном в М2 мутанты в дальнейшем размножались как чистые линии и изучались по ряду биометрических показателей. Для большей наглядности считается целесообразным при рассмотрении биометрических параметров мутантов, группировать их по происхождению (по исходным формам).
Сорт Арарати 7 имеет мутантное происхождение и сам является достаточно высокомутабильным по частоте как хлорофилльных, так и морфо-физиологических мутаций.
Приведенные в таблице 5.2.1 данные показывают, что выделенные у этого сорта мутанты отличаются от исходной формы почти по всем изученным показателям.
Так, высота растений у мутантов колеблется в пределах от 25,0 (мутант 3/142 "Брахитик") до 89,5 см (мутант 3/150 "Безостый") при 76,6 см у исходной формы. Известно, что у культурного ячменя обнаружено более 26 локусов, обуславливающих эректоидный фенотип. В наших опытах среди морфологических мутаций одной из высокочастотных является эректоидность. Необходимо отметить, что сама исходная форма - сорт Арарати 7 является короткосте бель ным мутантом, индуцированным из сорта Калер, который является достаточно высокорослым, высота растений этого сорта при созревании составляет 120-130 см.
У мутантов в значительных пределах изменяется степень кустистости. При общей кустистости у исходного сорта 6,1, у мутантов она колеблется в пределах от 4,7 (в Мартуни 4,0) у мутанта 3/83 "Золотистый колос" до 11,0 у мутанта 3/142 "Брахитик". Соответственно значительны также различия по продуктивной кустистости. Необходимо отметить, что на общем фоне достаточно тесной корреляции общей и продуктивной кустистости вообще, у разных мутантов это соответствие неодинаковое. Так, если у исходной формы продуктивная кустистость составляет 79,6% от общей, то, например, у мутанта 3/150 "Безостый" - 95,4%, а у мутанта 3/142 "Брахитик" - всего 25,4%.
Известно, что плотность колоса у ячменя является важным таксономическим признаком и устойчиво передается по наследству. Мутанты приведенной группы существенно отличаются и по этому признаку. Пределы изменчивости здесь составляют от 9,6 до 19,7 члеников на 4 см длины колоса, т.е. различаются более чем вдвое.
У всех мутантов, кроме 3/81 "Виридис", 3/72 "Виридис" и 3/128 "Позднеспелый" фертильность существенно снижена, завязывае-мость семян составляет от 29,3 до 58,8% против 71,3% у исходной формы. Снижение фертильности это одно из проявлений пониженной жизнеспособности мутантов. Низкая фертильность в свою очередь приводит к заметному снижению количества зерен с одного колоса. Если у исходной формы оно составляет в среднем 40,5 шт., то у мутантов колеблется в пределах 14,0-40,9 шт. Большие различия наблюдаются у мутантов и по абсолютному весу семян, который у мутантних линий по сравнению с сортом Арарати 7 снижается до 32,2%.
Биометрические показатели различны не только у мутантов различных фенотипических классов, но и у однотипных, выделенных по идентичному признаку.
В таблице 5.2.2 представлены некоторые биометрические показатели частично стерильных мутантов, индуцированных из сорта Арарати 7. Как уже отмечалось, у культурного ячменя обнаружено более 30 генов, мутирование которых приводит к появлению форм с мужской стерильностью, поэтому такие мутации появляются с достаточно высокой частотой (Sogaard et al., 1982).
