CC BY
21Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г. УДК 633.12:631.523:575
МЕХАНИЗМЫ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОГАМНОЙ НЕСОВМЕСТИМОСТИ МЕЖВИДОВОГО СКРЕЩИВАНИЯ ГЛаОРУШМ Е8СиЬЕ№ТиШ МОЕКСШ. х Е.
НОМОТЯОР1СиМ ОШШЗШ! (ОБРАЗЕЦ С9606)
Н.Н. ФЕСЕНКО, кандидат биологических наук И.Н. ФЕСЕНКО, кандидат биологических наук ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур
Пыльца линии С9606 F. ^то^ор1сит совместима в комбинации esculentum, Д х С9606", но абсолютно несовместима в комбинации "F. esculentum, К х С9606". Показано, что абсолютная несовместимость короткого пестика F. esculentum (короткостолбча-тость, доминантная короткая гомостилия) с пыльцой С9606 (линия с крупными цветками и крупной пыльцой) определяется механизмами двух типов: морфологическими факторами и геном несовместимости гаметофитного типа. Гаметофитный ген блокирует передачу потомству двух тесно сцепленных генов, S4 (гомостилия цветка) и SHT (опадение плодов), при опылении короткопестичных цветков F. esculentum (доминантный ген G) пыльцой гибридов F1 (р. esculentum х С9606). На расщепление по генам S4 и SHTу гибридов, полученных опылением длинностолбчатых растений F. esculentum пыльцой F1 esculentum х С9606), гаметофитный ген не влияет.
Ключевые слова: гречиха, гетеростилия, гомостилия, гаметофитная несовместимость, S-локус.
Fagopyrum esculentum Моепск и F. homotropicum ОЬшбЫ - близкородственные виды, фертильные гибриды между ними были получены неоднократно [1-5]. Однако F. homotropicum - морфологически очень полиморфный вид, различные формы которого проявляют разную степень предзиготической изоляции в скрещиваниях с длинностолбчатыми и короткостолбчатыми растениями гетеростильного вида F. esculentum [6].
Ранее мы показали, что линии С9606 и С9139 F. homotropicum несут ген S4, который находится в четвертой группе сцепления, и определяет тип цветка (гомостилия) [7]. Линия С9606 не отличается по размеру цветка от перекрестноопыляющейся дикой гречихи F. escu-lentum ББр. ancestrale, то есть имеет относительно крупные цветки и крупную пыльцу, близкую по размеру пыльце короткостолбчатых растений F. esculentum. Линия С9139 выглядит более адаптированной к постоянному самоопылению, т.к. формирует заметно менее крупные цветки (в 2 раза по линейным размерам) и, соответственно, менее крупную пыльцу. Эти различия обусловлены как накоплением минус-аллелей полигенов (диаметр цветка, размер пыльцевых зерен), так и «промежуточным» (по влиянию на размер пыльцы) аллелем субгена Р, входящим в состав локуса гомостилии S4 линии С9139 [7-9]. Линия С9139 в естественных условиях не скрещивается с гетеростильной гречихой, а искусственные скрещивания мало-
Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г. эффективны [6, 10]. Напротив, гибриды F. esculentum х С9139 полностью совместимы с ге-теростильной гречихой, а их пыльца благодаря промежуточному размеру проявляет универсальную совместимость с пестиками длинностолбчатых (Д) и короткостолбчатых (К) цветков F. esculentum. Это обстоятельство способствовало получению гибридов BCiFi в количестве, достаточном для генетического анализа, показавшего, что в комбинации Д х F1 передача тесно сцепленных доминантных генов осыпаемости и гомостилии цветка происходит без нарушений, а в комбинации К х F1 в потомстве BC1F1 наблюдается дефицит (точнее, почти полное отсутствие) осыпаемых и гомостильных форм, что было интерпретировано как результат действия гаметофитного гена [10]. В экспериментах с F. esculentum получила подтверждение гипотеза Х. Шох-Бодмер, согласно которой несовместимость может определяться морфологическим несоответствием параметров пестика и пыльцевых трубок (последние зависят от размеров пыльцы). В частности, толстые трубки крупной пыльцы не способны эффективно прорастать сквозь плотные ткани пестика короткостолбчатой формы [11].
Крупная пыльца линии С9606 полностью совместима в комбинации F. esculentum, Д х С9606 и абсолютно несовместима в комбинации F. esculentum, К х С9606. Возможно, эта несовместимость определяется сложением двух факторов - морфологического и гаметофитного. В статье представлены результаты экспериментов, тестирующих эти предположения.
Материал и методы
Экспериментальные подходы
Очень крупная пыльца гибридов F1 (F. esculentum х С9606) a priori очень плохо совместима с пестиком короткостолбчатой формы (или ее аналогов по характеристикам пестика) [11]. Поэтому в данной ситуации были использованы специальные приемы, которые должны были а) обеспечить более надежное опыление и более надежный анализ на гибрид-ность потомства и б) ослабить морфологический фактор несовместимости путем введения в генотип гомостильных гибридов минус-аллелей полигенов, влияющих на размер пыльцевых зерен.
Скрещивания проводили вручную, в изолированном помещении, без кастрации. Гиб-ридность потомства определялась с помощью морфологических маркеров.
Растительный материал
1) Короткостолбчатые (К) растения или их аналоги по совместимости пестика:
а) К-растения, маркированные рецессивными мутациями (детерминантность, неотения);
Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г.
б) гомостильная мутация ОРА^ОРа (короткий пестик + короткие тычинки, гомости-лия Гк-типа), в том числе Гк-растение с нерастрескиванием пыльников (генотип мужской стерильности не установлен).
2) В качестве донора минус-аллелей полимерных генов использовали длинностолбча-тые (Д) гибриды линии С9139, полученные по схеме: Д х С9139 ^ F1 (самоопыление) ^ F2 (Д) х С9139 ^ ВС1 (самоопыление) ^ ВС^2 (Д): эти растения использованы для получения гибридов F1 и ВС1 с линией С9606 Р. Иото^ор1тт.
3) Гибриды F1 (Р. е8сп1епЫт ssp. апсв81га1в, Д, SHT х С9606). Эти гибриды гетерозиготны по гомостилии цветка, но гомозиготны по доминантному гену осыпаемости БИТ, т.к. скрещиваемые формы дикой гречихи аллельны по осыпаемости [7].
Результаты
Скрещивание 1
$ Р. в8си1епЫт, К, детерминантность
$ F1 [Р. в8си1епЫт, Д х С9606], Гд («длинная» гомостилия), опадение семян.
Получено 8 индетерминантных, устойчивых к опадению гибридов, соотношение по типу цветка 5К:3Д. Эффективность гаметофитного гена 100%.
*М - несет минус-аллели генов, влияющих на размер пыльцы
Скрещивание 2
$ Р. в8си1епЫт, К-гомозигота (ОРА/ОРА), детерминантность
$ F1 [Р. в8си1епЫт, Д х С9606], Гд, опадение семян.
Получено 8 индетерминантных, устойчивых к опадению гибридов, соотношение по типу цветка 7К: 1 больной (определить тип цветка не удалось). Эффективность гаметофитного гена 100%.
Скрещивание 3
$ Р. esculentum, К, неотения, детерминантность
$ F1 [Р. esculentum, Д (Ж) х Гд^), опадение семян], Гд, опадение семян.
Получено 88 растений, в т.ч. 76 негибридных (по маркеру неотения + детерминантность) и 12 гибридных в соотношении 10 устойчивых к опадению (9К : 1Д) и 2 опадающих (1К : 1Гд). Эффективность гаметофитного гена 77%.
Скрещивание 4
$ Р. esculentum, Гк (короткая гомостилия), мужская стерильность
$ F1 [Р. esculentum, Д (Ж) х Гд^), опадение семян], Гд, опадение семян.
Получено 64 растения, все Гк-типа, фертильные, устойчивые к опадению семян. Эффективность гаметофитного гена 100%.
Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г.
Скрещивание 5
$ F. esculentum, Гк
$ [К esculentum ББр. ancestrale, Д х С9606], Гд, опадение семян.
Получено 40 растений, в т.ч. 3 негибридных (устойчивых к опадению, Гк, с 5-6 вегетативными узлами на главном побеге) и 37 гибридных (опадение плодов, позднеспелый морфотип -от 7 до 12 вегетативных узлов на главном побеге, соотношение по типу цветка 19Гк : 18Д). Эффективность гаметофитного гена 100%.
Скрещивание 6 (контроль)
Д (Скороспелая 86) х Гд, опад. Б1 [Д (Дождик) х С9606].
$ К. esculentum, Д (Скороспелая 86)
$ Б1 [К. esculentum, Д (Дождик) х С9606], Гд, опадение плодов.
Получено 164 гибридных растения, в т.ч. 88 устойчивых к опадению (3 Гд : 85 Д) и 76 опадающих (75 Гд : 1Д). Влияние гаметофитного гена не установлено [х (1опад.:1устойч. к опад.)=0,88; Р=0,35].
Обсуждение
Абсолютная несовместимость короткого пестика К. esculentum (короткостолбчатость (К), доминантная короткая гомостилия (Гк)) с пыльцой линии С9606 обусловлена сочетанием неоптимального размера пыльцы и активности гена несовместимости гаметофитного типа. Гаметофитный ген блокирует передачу потомству двух тесно сцепленных генов S4 (гомостилия цветка) и SHT (облигатное опадение семян) после опыления цветков короткопес-тичных растений (несущих доминантный ген G) пыльцой гибридов F1 (К. esculentum х К. ^то^оршит). Расщепление по локусам S4 и SHT в потомстве, полученном от скрещивания К. esculentum (Д) х F1, не было искажено в результате действия гаметофитного гена.
Ранее нами был сделан вывод, что гаметофитный ген, ассоциированный с локусом S4 линии С9139 К. ^то1тор^ит, представляет собой фрагмент утраченной гаметофитной системы несовместимости [10]. Это была первая подобная находка у представителей таксона, для которого характерна гетероморфная система несовместимости. Обнаружение идентичного гена в геноме линии С9606 К. ^то1тор^ит подтверждает правильность этого вывода.
По результатам электрофоретического анализа запасных белков, эволюционные линии, представленные образцами С9139 и С9606, более близки между собой, чем каждая из них с К. esculentum [12]. В то же время, в ходе видообразования К. ^то1гор^ит сохранился заметный полиморфизм по запасным белкам, то есть, в данном случае не наблюдаются последствия прохождения предковой популяцией "бутылочного горлышка", что явно имело место при формировании другого автогамного вида гречихи - К. tataricum [13-14]. Тем не менее,
Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г. линии С9139 и С9606 явно происходят от общего предка, дивергенция которого от F. escu-lentum сопровождалась изменением локализации гена, контролирующего тип цветка [7], и ассоциированного с функциональным геном несовместимости гаметофитного типа, экспрес-сирующегося в пыльце. Предполагаемый общий предок видов F. esculentum и F. homotropi-cum должен был обладать комбинированной системой несовместимости (гетероморфная + гаметофитная). Не исключено, что такие популяции еще можно найти в горах Китая: начать поиск можно с более внимательного анализа образцов F. esculentum ssp. ancestrale Ohnishi.
Литература
1. Campbell C. Interspecific hybridization in the genus Fagopyrum // Proc. 6th Intl. Symp. Buckwheat at Ina.
- 1995. - V. 1. - P. 255-263.
2. Fesenko N.N., Fesenko A.N., Ohnishi O. Some genetic peculiarities of reproductive system of wild relatives of common buckwheat Fagopyrum esculentum // Proc. 7th Intl. Symp. Buckwheat at Winnipeg. - 1998.
- Part 6. - P. 32-35.
3. Wang Y.J., Campbell, C. Interspecific hybridization in buckwheat among Fagopyrum esculentum, F. ho-motropicum and F. tataricum // Proc. 7th Intl. Symp. Buckwheat at Winnipeg. - 1998. - Part 1. - P. 1-12.
4. Фесенко А.Н., Фесенко, Н.Н. Использование межвидовой гибридизации в селекции гречихи посевной // Докл. РАСХН. - 2002. - №5. - C.11-13.
5. Фесенко А.Н., Фесенко И.Н., Гуринович И.А. «Эволюционный» метод отбора на повышение устойчивости гречихи посевной к инбридингу // Вестник ОрелГАУ. - 2010. - №6. - С. 111-115.
6.Fesenko I.N., Fesenko N.N., Ohnishi O. Compatibility and congruity of interspecific crosses in Fagopyrum // Proc. 8th Intl. Symp. Buckwheat at Chunchon. - 2001. - V. 1. - P. 404-410.
7. Fesenko N.N., Fesenko I.N., Ohnishi O. Homostyly of two morphologically different lineages of Fagopyrum homotropicum Ohnishi is determined by locus S4, which is an S-locus related gene in the linkage group #4 // Fagopyrum. - 2006. - V. 23. - P. 11-15.
8. Фесенко И.Н. Наследование признаков системы размножения межвидовыми гибридами гречихи (Fagopyrum Mill.): специальность 03.00.15 "Генетика": автореф. дисс... на соиск. учен. степ. канд. биол. наук [ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова]. - СПб., 2002. - 19 с. - Библиогр.: с.19.
9. Фесенко И.Н., Фесенко А.Н. Генетический анализ некоторых последствий эволюции дикого автогамного вида Fagopyrum homotropicum Ohnishi и возделываемого перекрестноопылителя F. esculen-tum Moench. // Зернобобовые и крупяные культуры. - 2013. - №3(7). - С. 19-25.
10. Фесенко Н.Н., Фесенко И.Н. Функциональные фрагменты реликтовой гаметофитной системы самонесовместимости ассоциированы с локусами, определяющими тип цветка Fagopyrum esculentum Moench. (гетеростильный перекрестноопылитель) и F. homotropicum Ohnishi (самоопылитель с гомо-стильными цветками) // Генетика. - 2011. - Т.47. - C. 48-56.
11. Fesenko N.N. Morphological factor in the system of compatibility- incompatibility of Fagopyrum esculentum Moench. // Proc. 6th Intl. Symp. Buckwheat at Ina. - 1995. - V. 1. - P. 463-468.
12. Лазарева Т.Н., Фесенко И.Н. Сравнительный анализ спектров запасных белков Fagopyrum esculentum и двух морфологически различных линий F. homotropicum // Ученые записки ОГУ. Серия естественные, технические и медицинские науки. - 2011. - №3 (41). - С.130-133.
13.Лазарева Т.Н., Фесенко И.Н., Павловская Н.Е. Изменчивость гречихи татарской Fagopyrum tataricum Gaertn. по белкам семян, выявляемая электрофорезом в ПААГ // Известия ТСХА. - 2007. - Вып. 3. - С. 93-97.
14. Лазарева Т.Н., Фесенко И.Н. Сравнительный анализ электрофоретических спектров белков семян Fagopyrum cymosum Meisn. х F. tataricum Gaertn. // Вестник ОрелГАУ. - 2010. - №4 (25). - С. 67-70.
Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры», №4(8) - 2013 г.
MECHANISMS AND GENETIC CONTROL OF PRE-ZYGOTIC INCOMPATIBILITY OF INTERSPECIFIC CROSS FAGOPYRUMESCULENTUMMOENCH. x F. HOMOTROPI-
CUM OHNISHI (ACCESSION C9606). N.N. Fesenko I.N. Fesenko
All-Russia Research Institute of Grain Legumes and Groats Crops, 302502 Orel, Russia
E-mail: [email protected] Abstract: Pollen of C9606 F. homotropicum is compatible in combination "F. esculentum,
long-styled x C9606", but absolutly incompatible in combination "F. esculentum, short-styled x C9606". It was shown that the absolute incompatibility of short pistil of F. esculentum (both thrum-morph and dominant short homostyly) with pollen of C9606 (lineage with large flowers and large pollen) is determined by two mechanisms: morphological factors and gametophytic incompatibility gene. The gametophytic gene blocks the transmission of two tightly linked genes S4 (flower homostyly) and SHT (obligate seed shattering) after pollination of short pistils (carrying the dominant gene G) by pollen of Fj hybrids F. esculentum x C9606. Segregation at loci S4 and SHT in progeny obtained in cross F. esculentum, pin x Fj was not affected by activity of the gametophytic gene. Keywords: buckwheat, heterostyly, homostyly, gametophytic incompatibility, S-locus.
