CC BY
109
УДК581.3:631.52:634.2
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ НЕРЕДУЦИРОВАННЫХ ГАМЕТ В ГЕНОФОНДЕ ОТДАЛЕННЫХ ГИБРИДОВ ВИШНИ
О.В. МОЧАЛОВА, доктор биологических наук, зав. лабораторией
НИИ садоводства Сибири им. М.А. Лисавенко Рос-сельхозакадемии
E-mail: [email protected]
Резюме. На основании проведенного цитологического изучения генофонда вишни НИИСС Россельхозакадемии выявлено 12 источников нередуцированных мужских и женских гамет для последующих гетероплоидных скрещиваний и выведения оригинальных адаптированных сортов на тетраплоидном и гек-саплоидном уровнях. Гибридные генотипы вишни имеют разное генетическое происхождение и число хромосом, в среднем продуцируют от 7,2 до 30,8 % диад и триад микроспор, а также от 4,8 до 79,3 % многоапертурной пыльцы. В их семенном потомстве выявлены пентаплоиды (5х=40), гексаплоиды (6х=48), гептаплоиды (7х=56) и октоплоды (8х=64). Особую ценность для гетероплоидных скрещиваний представляют тетраплоидные и гексаплоидные отборные формы церападусов (гибридов вишни степной с вишней Маака), а также триплоидные и гексаплоид-ные гибриды вишни степной с редкими восточно-азиатскими видами. До 2030 г. селекцию вишни планируется перевести на принципиально новый гексаплоидный уровень. Важнейшими ценными характеристиками полигеномных сортов этой культуры будет высокая адаптивность к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам среды, хороший вкус совместно с превосходными биохимическими и технологическими качествами плодов, регулярная высокая урожайность.
Ключевые слова: гибридный генофонд, вишня, нередуцированные гаметы, гетероплоидные скрещиваня, диплоиды, полиплоиды.
Образование нередуцированных гамет (имеющих соматический набор хромосом) в результате изменения естественного хода мейоза в пыльниках и семяпочках и их последующее участие в процессах оплодотворения и эмбриогенеза играет огромную роль в эволюции и селекции покрытосеменных растений. Известно, что к числу факторов, благоприятствующих проявлению мейотической полиплоидизации, относятся стрессовые условия среды [1].
Определяющую роль в продуцировании нередуцированных гамет играет генотип растения, который задействует определенные цитогенетические и эмбриологические механизмы нередукции, в том числе апомиктические. Все эти механизмы находятся под генетическим контролем. Мутации соответствующих генов (от двух до шести) могут послужить причиной переключения программы развития спорогенных клеток с мейоза на митоз, вызвать отсутствие первого или второго деления мейоза, нарушения в расхождении хромосом к полюсам или в цитокинезе [2].
Участие нередуцированных гамет в оплодотворении проявляется в выходе сеянцев с увеличенным, больше ожидаемого, набором хромосом. У косточковых растений аллополиплоидия - один из основных механизмов эволюции, посредством которого возникли имеющие промышленное значение тетраплоидные и гексапло-идный виды сливы и вишни.
Сегодня в селекционные программы многих научных учреждений РФ включены пункты по поиску путей интенсификации использования источников нередуциро-
ванных гамет для последующего синтеза принципиально новых генотипов. Для сибирского генофонда сливы и вишни это направление считается наиболее многообещающим для выведения высокоадаптивных, иммунных и урожайных сортов нового поколения [3, 4]. Причем перевод сортов вишни на гексаплоидный уровень пло-идности имеет мировую степень новизны.
Цель гаметной селекции вишни в условиях Сибири - подбор пар для гетероплоидных скрещиваний с последующим созданием полигеномного гибридного генофонда, а затем и выведением новых сортов на тетра-плоидном и гексаплоидном уровнях. Для этого необходимо формирование коллекции генетических источников нередуцированных гамет разного происхождения на основе цитологического изучения репродуктивных особенностей отборных и элитных форм, имеющих комплекс хозяйственно-полезных признаков.
Задачей проведенных в 2001-2012 гг. в НИИСС Россельхозакадемии исследований было изучение цитогенетических особенностей формирования мужских гамет у видов, сортов и отдаленных гибридов вишни, а также выделение форм для включения в гибридизацию. На основе подсчета числа хромосом в семенном потомстве от гетероплоидных скрещиваний требовалось найти генетические источники женских нередуцированных гамет.
Условия, материалы и методы. Исследования выполнены в лесостепной зоне Алтайского края (г. Барнаул). В качестве объектов взяты виды, отдаленные гибриды, спонтанные полиплоиды рода Сerasus Mill. Изучены сорта и гибриды вишни обыкновенной, степной, Маака. Отборные формы вишни и церападусов (гибридов с вишней Маака) созданы селекционерами Г.И. Субботиным, В.Н. Левандовским, Н.В. Онищенко. Триплоидные гибриды вишни степной с вишнями седоватой, надрезанной и остропильчатой получены из ЦСБС СО РАН от В.С. Симагина. Подбор материала и скрещивания проводили в соответствии с программой [5]. Прямой подсчет числа хромосом осуществляли на давленных препаратах по методике ВНИИГиСПР [6]. Качество и морфологию пыльцы исследовали по общепринятым методикам [7].
Оценку специфики репродуктивного процесса у форм вишни проводили прямыми и косвенными методами. К прямым относится цитогенетическое изучение особенностей микроспорогенеза и микрогаметофито-генеза у 22-х генотипов вишни.
Косвенным методом выявления нередуцированных мужских гамет было изучение морфологии пыльцевых зерен - наличие многоапертурной и крупной по размеру пыльцы. Это позволило отобрать геномы, образующие нередуцированнные гаметы в мужской генеративной сфере. При исследовании женской репродуктивной сферы конкретное распределение чисел хромосом сеянцев
Таблица 1. Источники нередуцированных мужских и женских гамет в генофонде видов, сортов и отдаленных гибридов вишни, 2001-2012 гг.
Уровень плоид-ности 2n= Всего форм Гаметы & и г) Источники нередуцированных гамет
Диплоидный 16 29 n=8, 16 В. пенсильванская
Триплоидный 24 16 n=12, 24 12-1-1; 12-1-2; 12-3-20, 12-4-17
Тетраплоидный 32 51 n=16, 32 ВЧ 11-85-39; Сеянец Ашинской
Гексаплоидный 48 23 n=24, 48 3-66-9; 5-98-277; ВЧ 89-95-48; ВЧ 1097-286; 1067-05-13,
Таблица 2. Количество диад, триад микроспор и многоапертурной пыльцы
(%) у генетических источников мужских нередуцированных гамет в генофонде вишни НИИСС, 2004-2012 гг.
Форма 2п= Происхождение геноти- Количество диад+триад Количество многоапертурной пыльцы
па* микроспор среднее тт. ...тах.
Вишня пенсильванская 16 неизвестное 0 + 0,7 9,3 0,2...53,4
12-4-17 24 ВС+ ВНД 8,7 + 3,2 5,4 32,7...65,0
Сеянец Ашинской 32 ВС+ВО 25,7 + 5,1 4,8 4,7...4,9
ВЧ 11-85-39 32 (ВС+ЧМ), F3 25,1 + 3,4 52,2 35,5...66,8
ВЧ 10-97-286 48 (ВС+ЧМ), F4 6,5 + 0,7 5,4 32,7...65,0
3-66-9 48 ВС+ВО+ВО4 9,3 + 0.9 43,2 24,1...74,6
ВЧ 89-95-48 48 (ВС+ЧМ), F4 13,2 + 7,4 79,3 75,1...87,8
1067-05-13 48 (ВС+ЧМ), F5 9,9 + 1,5 16,1 12,0...20,2
* ВС - вишня степная, ВО - вишня обыкновенная, ВНД - вишня надрезанная, ЧМ - вишня Маака.
позволило выявить спектр образующихся и конкурентно участвующих в оплодотворении женских гамет.
Результаты и обсуждение. По совокупности прямых и косвенных методов в генофонде НИИСС из 119 изученных сортообразцов вишни выделены 12 генетических источников с цитологическими механизмами нередукции как мужских, так и женских половых клеток (табл. 1).
Проведенное цитологическое исследование позволило выявить 8 генотипов вишни, формирующих после завершения мейоза от 0,7 до 25,7 % диад и триад микроспор, а также от 0,2 до 87,8 % многоапертурной (имеющей более трех ростовых апертур в экзине) пыльцы (табл. 2).
У некоторых конкретных генотипов вишни количество такой морфологически измененной пыльцы значительно варьировало в зависимости от метеоусловий года, на который приходится репродуктивный процесс. Главный же фактор, определяющий появление пыльцевых зерен с соматическим набором хромосом, - генетическая нестабильность генома. В первую очередь это обусловлено генетической сложностью генотипа в зависимости от его происхождения (межвидовая или межродовая гибридизация); во вторых, его плоидностью (наличие повторов определенных комбинаций генов). Обычно у межродовых гибридов генетическая возможность формирования нередуцированных гамет выше, чем у межвидовых. Кроме того, чем выше уровень плоидности генотипа, тем больше у него наблюдается диад и триад микроспор, крупной и многоапертурной пыльцы, а также полиплоидных сеянцев в потомстве [4].
Все выявленные генетические источники как мужских, так и женских нередуцированных гамет можно объединить в группы по их происхождению и использованию в селекционных скрещиваниях.
Диплоидные дикорастущие виды вишни. Из изученных цитологическими методами дикорастущих диплоидных дальневосточных и американских видов вишни наиболее интересной показала себя вишня пенсильванская. По литературным данным известно, что на ее родине - в Северной Америке в природе были найдены как диплоидные, так и тетраплоидные клоны этого вида [8]. В алтайском генофонде обнаружены только диплоиды. При этом, хотя конкретное изучение характеристик спорад не выявило образования существенного количества диад и триад микросопор, в отдельные годы у вишни пенсильванской обнаруживали до 54 % многоапертурной пыльцы. Кроме того, у этого вида было найдено до 8,0 % крупных по размеру пыльцевых зерен, что косвенно свидетельствует о наличии генетического механизма, зависимого от факторов внешней среды, который в определенные годы может приводить к формированию нередуцированных
мужских гамет. Такие генотипы необходимо скрещивать с тетраплоидными алтайскими сортами (гибридами вишни степной и вишни обыкновенной) для внесения в их геном признаков высокой адаптивности к биотическим и абиотическим факторам среды.
Тетраплоидные гибридные сорта вишни степной, вишни обыкновенной. Большинство, созданных на Алтае, сортов вишни - гибриды вишни степной и вишни обыкновенной. Ни у одного из имеющихся в коллекции сортов этих видов или их тетраплоидных гибридов не найдено ни одного источника нередуцированных гамет, как в мужской, так и в женской сфере.
Триплоидные гибриды вишни степной с редкими восточноазиатскими видами. Отборные триплоидные гибриды 12-1-1 (степная х седоватая), 12-1-2 (степная х остролистная) и 12-4-17 (степная х надрезанная) характеризуются высокой степенью зимостойкости и устойчивостью к грибным болезням, однако имеют почти стерильную пыльцу (фертильность не выше 10 %, жизнеспособность - не более 3 %) и завязывают единичные плоды. Сеянцы от их свободного опыления, как правило, стерильные пентаплоиды (2п=40), что свидетельствует о функционировании нередуцированных яйцеклеток (п=24). Кроме того, в потомстве гибридов 12-1-1 и 12-2-1 выявлены гептаплоидные сеянцы (2п=56). В этом случае мужская гамета, принявшая участие в оплодотворении триплоид-ных яйцеклеток, также была нередуцированной (п=32).
У триплоида 12-4-17 (вишня степная х вишня надрезанная) обнаружено наличие до 9 % диад и до 3,5 % триад микроспор, что свидетельствует о возможности формирования нередуцированных мужских гамет. Именно эти пыльцевые зерна фертильны по своей морфологии и жизнеспособны по физиологическим показателям (их максимальное количество - 5,4 и 2,5 % соответственно). Для получения плодовитых полигеномных гексаплоидов вишни в НИИСС проводится опыление триплоидных гибридов, образующих нередуцированные яйцеклетки, пыльцой отборных гексаплоидных форм 3-66-9 и ВЧ 89-95-48 или же (при подгонке сроков цветения) поздно зацветающих гексаплоидов 5-98-277 и ВЧ 8-83-46.
Гексаплоидные гибриды вишни степной и вишни обыкновенной. Для гаметной селекции выделено два гексаплоида вишни (3-66-9 и 5-98-277) - сеянца от скрещивания вишни степной (или гибридов степная х обыкновенная) с вишней обыкновенной (или гибридами степная х обыкновенная). По морфологическим признакам в их геноме преобладают хромосомы и гены от вишни обыкновенной. Они имеют крупные широкоокруглые красные плоды, увеличенные по размеру цветки и листья, в средней степени устойчивы к коккомикозу и недостаточно морозостойки. Для селекции на гексаплоидном уровне их необходимо скрещивать с гексаплоидными церападусами, для селекции на тетраплоидном уровне -с диплоидными дикорастущими видами вишни, генетически устойчивыми к грибным заболеваниям.
С цитологической точки зрения, эти гексаплоидные гибриды интересны тем, что служат генетическими источниками мужских и женских нередуцированных гамет и, возможно, обладают склонностью к индуцированному
агамоспермному размножению. В потомстве гибрида 3-66-9 выявлены, примерно в равном количестве, как пен-таплоиды, так и гексаплоиды. В конце мейоза у него наблюдается 4,7.. .9,5 % диад и 0,9.. .2,2 % триад микроспор, что ведет к формированию крупных пыльцевых зерен. Среди сеянцев от свободного опыления гибрида 5-98277 найдены тетраплоиды, пентаплоиды, гептаплоиды (2х=56) и октоплоиды (2х=64). Он служит генетическим источником, как нередуцированных женских гамет, так и гамет широкого спектра плоидности.
Тетраплоидные церападусы F34 (гибриды от возвратных скрещиваний церападусов F1) - ценный селекционный материал, сочетающий признаки зимостойкости и устойчивости к грибным заболеваниям. Большинство из них имеют крупные, темно-окрашенные плоды с улучшенным содержанием биологически-активных веществ (полифенолов, сахаров, витамина С). В качестве генетического источника мужских нередуцированных гамет выделился церападус ВЧ 11-85-39, дающий до 25 % диад и до 3,5 % триад микроспор. Необходимо учитывать, что он характеризуется признаком генетически обусловленной мужской стерильности (фертильность пыльцы не превышает 15 %, жизнеспособность - 2 %) и используется предпочтительно в качестве материнской формы.
Гексаплоидные церападусы F3_4 показали себя самыми перспективными генетическими источниками для создания нового поколения сибирских сортов вишни. Первые обнаруженные гексаплоиды - отборная форма ВЧ 8-83-46 и элита ВЧ 89-95-48 - существенно отличаются по массе и окраске плодов, форме листьев и кроны, степени сближенности междоузлий. Их потомки - отборные формы 1067-05-13 и 801-04-6 - по морфологическим признакам ближе к вишне Маака. Все они практически не болеют коккомикозом (степень поражения 0.0,2 балла), отличаются морозостойкой древесиной, богатым ценными компонентами биохимическим составом плодов и дают продукты переработки великолепного качества.
Три церападуса (ВЧ 10-97-286, ВЧ 89-95-48 и 1067-0513) показали себя генетическими источниками нередуцированных мужских гамет (п=48). Среди спорад микроспор у них выявлено до 13,2 % диад и до 9,9 % триад. Доля правильно сформированных тетрад микроспор колеблет-
ся в пределах 38.50 %, а фертильность пыльцы - от 43 до 72 %. Среди их сеянцев могут быть выявлены формы с 7х=56, 8х=64 и большим числом хромосом.
Гексаплоидные церападусы желательно скрещивать с диплоидной черешней для получения крупноплодной вишни на тетраплоидном уровне или же с гексаплоид-ными гибридами вишен степной и обыкновенной для селекции на гексаплоидном уровне.
До 2030 г. селекцию вишни можно будет перевести на принципиально новый гексаплоидный уровень с синтезом новых генетически сложных геномов, несущих ценные признаки от разных родов и видов. Важнейшими хозяйственно-ценными характеристиками таких геномов должна быть высокая адаптивность к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам среды, хорошие вкусовые, биохимические и технологические качества плодов, регулярная высокая урожайность и эффективность вегетативного размножения. Усовершенствование методов гаметной селекции будет способствовать правильному подбору родительских пар, расширению возможностей формообразовательного процесса у их семенных потомков.
Выводы. На основе проведенного цитологического изучения особенностей формирования мужских гамет в ходе мейоза, анализа морфологии пыльцы и числа хромосом в семенном потомстве видов, сортов и отдаленных гибридов вишни выявлено 12 генотипов - генетических источников мужских и женских нередуцированных гамет.
По совокупности цитологических и селекционных характеристик отобранных источников предложены наиболее перспективные направления гетероплоидных скрещиваний для формирования нового полигеном-ного генофонда вишни на тетраплоидном и гексаплоидном уровнях.
Наиболее перспективными для направленных скрещиваний с целью выведения сортов вишни нового поколения показали себя тетраплоидные и гексаплоидные гибриды вишни степной с вишней Маака (церападусы), а также триплоидные и тетраплоидные гибриды вишни степной с диплоидными восточно-азиатскими видами вишни, сочетающие признаки зимостойкости и высокой устойчивости к грибным заболеваниям.
Литература.
1. Бресловец Л.П. Полиплоидия в природе и опыте. - М.: АН СССР, 1963. -364 с.
2. Голубовская И.Н. Генетический контроль поведения хромосом в мейозе. // Цитология и генетика мейоза. - М.: Наука,
1975. - С.312 -343.
3. Мочалова О.В. Гексаплоиды - новые исходные формы для селекции вишни// Достижения науки и техники АПК. - 2008. -№ 7.- С.20-22.
4. Мочалова О.В. Матюнин М.Н. Цитоэмбриология и селекция отдаленных гибридов и полиплоидов косточковых растений на Алтае. - Новосибирск: ГУП ПРО СО РАСХН, 2002. -229 с.
5. Программа и методика селекции плодовых, ягодных и орехоплодных культур. - Орел: ВНИИСПК, 1995. - С.17-26, 7589, 234-256.
6. Цитологические исследования плодовых и ягодных культур. Методические рекомендации / под ред. Г.А. Курсакова. -Мичуринск: ЦГЛ. -1976. -104 с.
7. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений.- М.: Агропромиздат. -1988. -271 с.
8. Love A., Love D. Cytotaxonomy of the alpine vascular plants of mount Washington // Univ. of Colorado Studies. Ser. Boil.
--1962. - № 24. - P. 1-74.
GENETIC SOURSES OF UNREDUCED GAMETES IN CHERRY REMOTE HYBRIDS GENOFOND O.V. Mochalova
Summary. On the basis of cytological study of cherry genofund, bred at the Lisavenko Research Institute of Horticulture for Siberia, the 12 unreduced male and female gametes sources for further heteroploid crosses and breeding of original adapted Siberian varieties on tetraploid and hexaploid levels are selected. The hybrid cherry genotypes have different genetic origin, produce from 7,2 to 30,8 % dyads and triads of microspores, and also from 4,8 to 79,3 % multiaperture pollen in average. In their seed progeny the pentaploids (5x=40), hexaploids (6x=48), heptaploids (7x=56) and octoploids (8x=64) are founded. Up to 2030 year there are plan to move the cherry breeding on the principial new hexaploid level. The tetraploid and hexaploid cerapadus selections (C. fructicosa and C. Maaka hybrids), as well as triploid and hexaploid hybrids of frutescent cherry with rare East-Asiatic cherry species are of particular value for heteroploid crosses. The high level of adaptation to biotic and abiotic factors, good taste combines with excellent biochemical and technological berries quality, high productivity should be the main valuable properties of polygenomic cherry varieties.
Key words: genofund, cherry, unreduced gametes, heteroploid hybrids, diploids, poliploids.
