CC BY
5М.И. Федорова, С.А. Ветрова, Е.Г. Козарь
особенности размножения инбредных потомств
СВЕКЛЫ СТОЛОВОЙ ПРИ СЕЛЕКЦИИ НА ГЕТЕРОЗИС
(обзорная статья)
ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур, РАСХН Россия, 143080, Московская обл., Одинцовский р-н, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, 14
Введение
Генеративная система свеклы столовой по своему устройству и возможностям переопыления среди овощных корнеплодных растений является наиболее высоковоспроизводящей. Свекла -выраженный перекрестник. Кроме опыления пыльцой других растений (ксеногамия) у свеклы наблюдается опыление пыльцой других цветков в пределах одного растения (гейтеногамия) и пыльцой своего цветка (аутогамия).
Цветение начинается через 50-60 суток после посадки маточных корнеплодов. Соцветие - колос, цветки обоеполые, пятичленные мелкие, зеленые, красноватые или беловатые, одиночные или по два-пять и более, впоследствии образующие соплодия клубочки.
Сначала закладывается центральный цветок, затем у его основания второй, третий и т.д. Прицветники линейно-ланцетные, длиннее соплодий. Одиночные цветки можно найти в пазухах боковых ветвей или же на верхушках цветущих осей, особенно на осях второго и третьего порядков. Околоплодник чашеобразный сросшийся с завязью, затвердевающий при плодах, в начале цветения широко раскрытый, а после опыления и перед созреванием сходящийся над плодом. Тычинок 5, тычиночные нити такой же длины или короче, чем доли околоплодника. Завязь полунижняя, развивается наполовину из цветоложа, а верхняя куполообразная ее часть образуется за счет плодолистиков. Рыльце трех-, иногда двухлопастное, почти сидячее. Попав на рыльце пестика, пыльца прорастает через 10-15 минут, а через несколько часов происходит оплодотворение [1].
В настоящее время одно из приоритетных направлений селекции свеклы столовой -получение гетерозисных межлинейных гибридов. Наибольший эффект гетерозиса достигается при максимальной гибридности
потомства. Перспективным направлением для достижения этой цели является использование различных генетических систем размножения растений, в частности цитоплазматической мужской стерильности. Благодаря ЦМС обоеполое растение свеклы превращается в однополое - функционально-женское, что исключает кастрацию цветков при гибридизации.
Впервые явление стерильности на растениях свеклы сахарной описано в 1928 году соотечественником В. Фаворским [2]. Позднее о «стерильных расах», выделенных среди инцухт-линий этой культуры, и полученных с их участием гибридах, сообщил в 1939 году О.Ф. Гельмер [3]. В США первую информацию о цитоплазматической стерильности (ЦМС) сахарной свеклы опубликовал F.W. Owen в 1942 году, где описал ядерную и цитоплазма-тическую стерильность пыльцы [4].
Проявление признака ЦМС на семенных растениях свеклы сахарной носит различный характер: от отдельных пыльников в цветке до полностью стерильных растений. С.И. Малецкий [5] объясняет это наличием двух типов митохон-дриальной ДНК, соответствующей известным N- и S- типам цитоплазмы сахарной свеклы. В процессе клеточных делений происходит перераспределение митохондрий и возникает разно-качественность тканей (гетероплазмия). Данное явление отмечено и на свекле столовой.
В инбредном потомстве фертильного растения возможно появление генотипов с различной степенью ЦМС. Возникновение полностью стерильных растений генотипа Sxxzz может происходить в результате гомозиготи-зации при инбридинге ядерных локусов X-x и Z-z у гетерозиготных растений, а также под действием ядерного гена-мутатора, индуцирующего переход N-цитоплазмы в S-состояние
у фертильного генотипа Nxxzz [5]. Появление в инбредном потомстве частично-стерильных растений автор связывает с явлением гетеро-плазмии. Варьирование в соотношении орга-нелл двух типов и S) в клеточной популяции материнских клеток микроспор создает изменчивость признака мужской стерильности в потомствах отдельных растений независимо от степени их стерильности. Если предположить, что частично-стерильное растение имеет генотип (aN + bS)xxzz, где а < Ь, то в его ин-бредном потомстве должны встречаться стерильные (а = 0), частично-стерильные (а < Ь) и фертильные растения (а > Ь).
По мнению ряда ученых у ЦМС-растений сахарной свеклы нарушены поздние этапы формирования пыльцы [6, 7, 8, 9]. В фертильных пыльниках после распада тетрад секреторный тапетум постепенно перерождается в плаз-модиальный и равномерно выстилает стенки пыльников, питая микроспоры. Микроспора
увеличивается, накапливает большое количество питательных веществ (сахаров, ферментов, витаминов, каротиноидов), после чего тапетум постепенно лизирует, вокруг микроспоры начинают возникать собственные оболочки и она превращается в пыльцевое зерно. Фертильные пыльники и пыльцевые зерна окрашиваются в желтый цвет за счет каротиноидов, переходящих из тапетума. В стерильных пыльниках, начиная с распада тетрад, происходит постепенное разрушение клеток секреторного тапетума и неравномерное образование периплазмодия, в результате чего нарушаются цитоплазмати-ческие связи между клетками тапетума и микроспорами. Достигнув диаметра 10-13 мкм, микроспора прекращает свое дальнейшее развитие, происходит постепенное отслаивание цитоплазмы от стенок и лизирование. От микроспор остаются слипшиеся пустые оболочки. Пыльники стерильных растений свеклы сахарной белые, слегка зеленоватые.
Особенности проявления признака ЦМС у свеклы столовой
При изучении проявления признака ЦМС у свеклы столовой наблюдается широкий спектр окраски пыльников стерильных растений - от прозрачных до частично или полностью окрашенных в различные оттенки красного, что является удобным маркерным признаком при опре-
делении степени стерильности растения [1, 11, 12]. Красящим веществом служит характерный только для данной культуры красный пигмент бетанин, с пиком поглощения при длине волны 530 нм (рис. 1), который начинает накапливаться в стерильных пыльниках еще в бутонах.
Рис. 1. Спектры поглощения водных вытяжек корнеплода и пыльников свеклы столовой (А= 450-600нм): 1 - корнеплод; 2 - темно-бордовые тз-пыльники I группы; 3 - розово-красные тз-пыльники II группы; 4 - желтые тй-пыльники
По характеру окрашивания различных частей стерильных (яб) пыльников выделены четыре фенотипические группы (рис. 2), в каждой из которых соответственно варьирует интенсивность их окраски:
I - не окрашены - прозрачные, слегка-зеленоватые или сероватые пыльники (по типу сахарной свеклы);
II - окрашены равномерно - все части пыльника имеют одинаковую розовую, крас-
ную, бордовую, коричневую окраску с широким спектром оттенков;
III - окрашены неравномерно - наиболее ярко в различные оттенки от розового до бордового окрашена центральная часть пыльника в районе связника, половинки окрашены менее интенсивно либо частично;
IV - окрашен только связник пыльника -от бледно-розового до красного цвета, остальная часть имеет бледно- или ярко-желтую окрасу.
Рис.2. Группыпыльников по степени и характеруихокрашивания
В трех последнихгруппах отмечена определенная взаимосвязь етепена окр аски д адмме-тром те-оыльнигпв, непачием е нахпылацо-вых терен к стееменностью пыеьцы: по мере сниженпа интенеивности окраска оыльника диаметр пыльника и число пыльцхвев- переы в немроерастает, а стерильноста ппшьцысни-жается.При этом средний твеметп пыльцр1 в зависимости от интенсивности окраски изменяется несущественно; меньшим диаметром
о^тр^т^рр^^^е^ют^ы^я зогкчы едете-а ыт мыль -н евые вектн ыьшена кое П орупло.1 оттроки (стал. Т).
-ослонатрОМС в «^(^(ее-^^х рн<еwвл0рaс2спко рнгmeпогеpояелlгтcя аымре-зномч:
• ч азоиояое епапноштние ттроидкных д с^^р -тильных пыльников (4:1; 3:2; 2:3) внутри одттро патока;
• отдельные, полностью стерильные цветки (от 1 до 3 штук) в соцветиях;
• отдельные ветви (преимущественно цен- • полностью стерильное растение имеет все тральные ветви первого порядка), несущие ms-пыльники (Cms=100%). только стерильные цветки;
Таблица 1
Изменение параметров пыльцы и 1Ш-пыльников свеклы столовой в зависимости
от интенсивности и группы их окраски
Группа ms-пыльник Пыльца
Характер окрашивания, интенсивность окраски Средний диаметр, мм Продуктивность, шт/пыльник Средний диаметр, о-мкм Стерильность, %
I Не окрашен:
Прозрачные, слегка зеленоватые 0,43 ± 0,08 Нет пыльцы - 100
II Окрашены равномерно все части пыльника:
Темно-бордовый 0,46 ± 0,12 Нет пыльцы - 100
Темно-коричневый 0,48 ± 0,05 Пустые оболочки - 100
Красный, темно-розовый 0,62 ± 0,14 72 ± 31 37,3 ± 2,8 100
III Окрашен неравномерно - более интенсивно в районе связника:
Связник темно-бордовый 0,74 ± 0,07 170 ± 56 46,3 ± 1,2 100
Связник красно-бордовый 0,85 ± 0,05 255 ± 94 41,5 ± 5,7 100
Связник темно-розовый 0,91 ± 0,09 560±115 46,1 ± 4,4 100
IV Окрашен только связник:
От красного до бледно-розового 0,95 ± 0,25 740 ± 136 45,1 ± 7,6 90-94
Для получения форм с ЦМС используют метод инбридинга. Самоопыление позволяет получить ряд линий, гомозиготных по отдельным признакам, которые наряду с депрессией обладают ценными качествами [14]. Установлено, что если растения свеклы сахарной имеют стерильную цитоплазму, то их потомства от самоопыления дают свободное расщепление на полностью стерильные, частично стерильные и фертильные растения [15, 16].
При оценке различных инбредных потомств на ЦМС учитывают степень стерильности индивидуальных растений (Cms - процент ms-цветков),
которая варьирует в пределах 1< Cms >100%. У растений со степенью стерильности до 20%, отдельные ms-цветки располагаются в верхней части соцветий, чаще всего на ветвях второго порядка; со степенью стерильности 30-70%, имеются как полностью стерильные ветви, так и отдельные ms-цветки на фертильных ветвях. Растения со степенью стерильности 80-90% характеризуются наличием в стерильных соцветиях отдельных фертильных цветков на ветвях любых порядков. У полностью стерильных растений (Cms-100%) пыльники всех цветков имеют маркерные признаки ЦМС [12, 13].
Признак ЦМС в инбредных потомствах различного происхождения
При сравнительной оценке характера проявления признака стерильности в инбредных потомствах, полученных из сортовых и гибридных популяций, отмечены определенные особенности (табл. 2). Семенные растения сортовой популяции, не зависимо от степени
стерильности, имели равномерно окрашенные пыльники (красные, коричневые). У инбред-ных потомств с разной степенью стерильности, полученных из гибридных популяций, этот признак варьирует.
Таблица 2
Проявление мужской стерильности на семенных растениях инбредных потомств свеклы столовой и качественная характеристика пыльцы тГ-цветков
Инбредное потомство Cms, % Группа окраски пыльников Пыиьца mf-цветков
Фертильная Стерильная, %
I II III IV Диаметр, о-мкм Жизнеспособность, % Длина пышьцевой трубки, о-мкм
Сортовая популяция
274/1-2-15 100 - + - - - - - 100
274/1-7-3 50 - + - - 53 ± 4 3 314 ± 47 8
274/1-7-1 40 - + - - 61 ± 8 20 475 ± 33 27
274/2-2-10 15 - + - - 56 ± 15 28 462 ± 51 6
274/5-6-12 10 - + - - 60 ± 11 32 472 ± 38 26
Гибридные популяции
300/1-4-5 100 + + - - - - - 100
300/1-3-1 80 - + + + 49 ± 3 0 0 85
300/1-3-3 60 - + + + 53 ± 4 5 538 ± 39 47
305/3 30 - + + - 56 ± 7 37 605 ± 52 8
Полностью стерильные семенные растения отличались наличием цветков с прозрачными или полностью окрашенными стерильными пыльниками (преимущественно красные или розовые); пыльники в цветках растений со степенью стерильности (60-80%) характеризовались равномерной и неравномерной окраской (розовые, красные, темно-бордовые), а также наблюдали пыльники, окрашенные только в зоне связника. Растения со степенью стерильности 30% характеризовались наличием в цветках равномерно и неравномерно окрашенных пыльников (розовые, красные).
Степень стерильности влияет на функциональные параметры пыльцы mf-цветков частично-стерильных растений (табл. 2). В потомствах, полученных на основе гибридных популяций, отмечен рост числа стерильных пыльцевых зерен в фертильных цветках по мере увеличения Cms растения; в потомствах, полученных из сортовой популяции, подобной закономерности не наблюдается [12, 13].
С увеличением степени стерильности ин-бредных растений —12 уменьшаются диаметр и жизнеспособность фертильной пыльцы mf-цветков (r = -0,84 и r = -0,88 соответственно),
снижается скорость роста пыльцевой трубки (r = -0,85) [12]. В потомствах, полученных на основе гибридных популяций, при увеличении Cms с 30 до 60% диаметр фертильных пыльцевых зерен снизился на 5%; жизнеспособность пыльцы — на 32%; а длина пыльцевой трубки — на 11%. У растения с Cms-80% количество фертильной пыльцы, которая не прорастала, в среднем составляло 15%. В потомствах, полученных из сортовой популяции, увеличение Cms с 15 до 50% также приводило к снижению аналогичных параметров: диаметра пыльцевых зерен на 5%, жизнеспособности пыльцы на 25%, длины пыльцевой трубки на 32% (табл. 2).
В инбредных потомствах I3—I4 средние значения изучаемых параметров пыльцы в группах ms-растений достоверно отличаются от групп mf-растений, но характер отмеченных ранее взаимосвязей изменяется. В группе инбредных ms-растений гибридных популяций сохраняются тесные связи между степенью стерильности растений и параметрами пыльцы mf-цветков, тогда как в инбредном потомстве сортовой популяции большинство связей значительно ослабевает: Cms/стерильность r = 0,79 и r = 0,65; Cms/диа-метр пыльцевых зерен r = -0,88 и r = -0,25; Cms/
жизнеспособность г = 0,64 и г = -0,13; Стз/длина пыльцевой трубки г = -0,67 и г = 0,20 соответственно. Исходя из общеизвестного толкования генетического контроля ЦМС свеклы сахарной, предполагаем, что такое фенотипическое прояв-
ление ЦМС и взаимосвязей функциональных параметров, обусловлены перестройкой генотипа и влиянием депрессии в расщепляющихся инбред-ных потомствах, что в свою очередь влияет и на их репродуктивную способность.
Семенная продуктивность инбредных потомств свеклы столовой при различных способах размножения
В результате анализа семенной продуктивности отмечены некоторые различия между по-томствами различного происхождения. В потом-ствах сортопопуляции наибольшую долю (48%) от числа изученных составляли растения с урожаем семян менее 5 г/раст., из них у 26% получено семян до 1 г/раст. Наряду с низкопродуктив-
ными биотипами у 24% растений урожай семян составил более 30 г/раст. В потомствах гибридных популяций у большинства растений (41%) получено 5-15 г/раст.; 13% растений - с урожаем семян менее 1 грамма. Остальные растения сформировали до 30 граммов семян, а с одного растения получено 55 граммов (табл. 3).
Таблица 3
Структура инбредных потомств по семенной продуктивности растений
Популяции Процент растений с продуктивностью семян
< 1,0 г 1,1-5,0 г 5,1-15,0 г 15,1-30,0 г 30,1-60,0 г > 60,0 г
Сортовая 26 22 12 16 14 10
Гибридные 13 26 41 19 1 0
При сравнительной оценке семенной продуктивности биотипов с разешнноН ценпеиью мужской стерильности унттоовлено, что пои самоиоынроии етбиуиги-никть осстеоий с нрк-зннком ОПоЛН еннчьтрлвно ниже, чнр рьвсилнь ных растений, независимо от происхождения, при этом к к среди частич о-стерильных, так среди фертильных биотип в встречаются низкопродуктивные растения и растения, завязавшие
оосгрбоченн крличеииво срмат у1СГ]. Н$ нотомбивах коргвкопбтцнрк спчсоСтовть завязыиаеи вннша прм семобнеиесии отмечена у расконмо стстшпп-носем котоные не нневышчва и 5%. Рестзнзю со степенью етериоыюсти То-9Ч% не завязывали семена. В гибридных потомствах завязываемосгь семян при с моопылении блюдал как у растений с низкой стер льностью, так и у растений, стерильность которых достигала 80% (рис. 3).
90 ■ 80 ■ 70 ■ 60 ■ 50 ■ 40 ■
Сортопопултуия Нежность
30 ■ 20 ■ 10 ■ 0
5-10 15
15 15 15 тй
Степень сорршгьносйи, %
Гибридные популяции
■ ■ 1
1 1 1 1 п
-—ж1—ж—,
10 10 10 15 30 30 80 80 тй Степеньстерильности, %
рис. П. Тнмербо[ гфсзнигицтссеб т^зтений нсбреоныспоромств (дввлнтнеепзветерае
При выращивании растений через культуру штеклингов по схеме: посадка маточных корнеплодов (февраль) ^ получение инбредных семян Ij и i« посевдля выращиванияштеклин-гов (1-П депада июля) —► д°юрда и ярощизяция нстеклингот (ноя брь-фрвральР —0 посад—а ште-
клингов (февраль) ^ получение инбредных семян Ь2 (Ь—ЬЬ декада июля), получены несколько другие результаты (рис. 4). В инбредных потомствах в с ехпопуляций спо ьобность завязывать семена отмечена ° частично стерилььых растений се степеьью стерильновли р 0—вь<^<—э.
40 35
30
Сортопопуляция Нежносья
10 10 20 20 30 40 50 50 80 mf Степек— стя)илщносби,%
Гибридныепопуляции
-
_ I I _
10 60 70 90 mf
Степеньстерильности,%
Рис. 4. Семенная продуктивность растений инбредных потомств (культура штеклингов)
В сортовой популяции семенная продуктивность частично-стерильных растений по средним показателям даже выше, чем растений со стерильностью 5-15%, полученных через двулетнюю культуру. В группе фертильных биотипов сортопопуляции происходит снижение семенной продуктивности, по сравнению с
двулетней культурой. В потомствах гибридных популяций, наоборот, по сравнению с растениями, полученными через двулетнюю культуру, отмечено снижение семенной продуктивности частично-стерильных растений и увеличение этого показателя в группе mf-растений, полученных через культуру штеклингов (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительная оценка инбредных потомств по семенной продуктивности при разных технологиях выращивания
Продолжительность цикла выращивания Значение признака Семенная продуктивность, г/растения
Сортопопуляция Гибридные популяции
Частично-стерильные растения mf-растения Частично-стерильные растения mf-растения
Двулетний (корнеплоды) Среднее 3,6 23,6 9,9 9,3
min-max 0,2-12,4 0,5-94,0 0,5-26,5 0,3-55,0
Однолетний (штеклинги) Среднее 6,0 6,2 1,8 13,9
min-max 0,24-22,7 0,62-33,6 0,3-3,5 2,1-31,2
Использование защищенного грунта для культуры штеклингов свеклы столовой вполне оправдано для ускорения селекционного процесса и
является одним из способов создания инбредных потомств свеклы столовой, что дает возможность получать семенной материал у биотипов
с различным проявлением ЦМС, а также поддерживать фертильные инбредные потомства.
Высокая вариабельность параметра «семенная продуктивность» свеклы столовой, вероятно, объясняется системой самонесовместимости. Как считаетБалков И.Я., насеменных растениятсвеклы
жет иметьразличную стскотв выраженностщ завязывкемосто сомян составляет от иухч до
нескольких сотен [17]. Растения, завязавшие до 50 семян автор относит к самостерильным, от 100 семян и выше - определяет как склонные к самофертильности. Также было ус ановлено, что признак самофертильности сохраняется о потомстве.
Как виднпнарис. 5,а большихатсс растений в 12 произошло снижение семенной продуктивности Чна с,с-с3,иа/растевво).
Рис. 5. Семеннаяпродуктивность растенийинбредных потомств^-Ц
Однако были выделены потомства 274/1/2; 295/2/1; 295/2/2; 295/2/3; 295/2/9; 300/2/2; 300/5/1, в которых растения завязали достаточное количество семян как в первом (9,3-31,2 г/ растение) так и во втором (6,8-21,9 г/растение) инбредных поколениях. Данные потомства мож-
но характеризовать как склонные к самофертильности. Потомства 274/1/3; 274/5/5; 274/5/7; 300/2/4 характеризовались стабильно низкой семенной продуктивностью (0,4-2,1 г/растение), не зависимо от поколения инбридинга и условий выращивания, и отнесены к самостерильным.
Заключение
Таким образом, для селекционной работы при создании гетерозисных гибридов свеклы столовой к перспективным относятся самофертильные потомства частично-стерильных и т^растений, способные стабильно формировать достаточное количество семян (> 5 г) в разных поколениях ин-
бридинга, а также потомства со стабильно низкой семенной продуктивностью (< 2 г).
Использование культуры штеклингов позволяет не только ускорить селекционный процесс, но и увеличить выход генетически разнообразного инбредного материала.
Список использованной литературы
1. Еременко, Л.Л. Морфологические особенности овощных растений в связи с семенной продуктивностью. - Новосибирск: Наука, 1975. - 470 с.
2. Фаворский, В. - Тр. ВНИС. - Вып. 2. -1928.
3. Гельмер, О.Ф. Основные выводы из работ свекловичной секции Ивановской станции за 1937 г. //Основные выводы научно-исследовательских работ ВНИС за 1937 г. -М.-Л.: Пищепроиздат, 1939. - С. 288-292.
4. Owen, F.W. Cytoplasmically inherited
malt sterility in Sugar beets // Journ. Of Agris. Research. - 1945. - V. 71, № 10. - P. 423-440.
5. Малецкий, С.И. Варьирование цито-плазматически контролируемой стерильности пыльцы у сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) и ее связь с гетероплазмией митохондрий в клетках // Генетика. - 1995. - Т. 31, № 11. -С.1461-1467.
6. Артшвагер, Е. Дегенерация пыльцы у сахарной свеклы с мужской стерильностью в связи с развитием тапетального плазмодия // Стерильность сахарной свеклы: Сб. переводов. - М., 1964. - С.91-97.
7. Зайковская, Н.Э. Достижения науки и передового опыта по свекле.-М.: Сельхозгиз, 1961. - С. 8-11.
8. Зайковская, Н.Э. Изучения микроспо-рогенеза и развитие семян у сахарной свеклы с ЦМС // Селекция растений с использованием ЦМС.- Киев: Урожай, 1966. - С.354-368.
9. Атабекова, А.И. Цитология растений / А.И. Атабекова, Е.И. Устинова. - М.: Колос, 1971. - С. 136-151.
10. Заячковский, В.А., Селин, И.В., Старцев, В.И. Исследование мужского гаметофита свеклы столовой // Гетерозис с.-х. растений. Международный симпозиум. - М., 1997. -С.110-112.
11. Балашова, Н.Н., Заячковский, В.А., Старцев, В.И. Разработка элементов гетерозисной селекции столовой свеклы // Гавриш. - 1999. -№ 3. - С. 24-25.
12. Федорова, М.И., Ветрова, С.А., Ко-зарь, Е.Г. Особенности фенотипического проявления признака ЦМС семенных растений свеклы столовой. // Овощи России. - 2011. -3 (12). - С. 18-23.
13. Ветрова, С.А. Оценка и отбор исходного материала для селекции на гетерозис свеклы столовой (Beta vulgaris L.). / Автореф. дис ... канд. с.-х. наук.- М., 2011.- 25 с.
14. Ващенко, Т.Г. Создание и использование самоопыленных линий сахарной свеклы в селекции на гетерозис / Автореф. дис ... канд. с.-х. наук. - Л.: ВИР, 1986. - 17 с.
15. Owen, F.W. Cytoplasmikalli inherited male-sterility in sugar beets. // J. Agric. Res. -№ 71. - 1975.
16. Бабьяж, И.А. К вопросу использования инцухт-линий у сахарной свеклы для получения форм с ЦМС // В кн.: Селекция растений с использованием цито-плазматической мужской стерильности. -Киев, 1966.
17. Балков, И.Я. Селекция сахарной свеклы на гетерозис. - М.: Россельхозиздат, 1978. - 166 с.
Дата поступления статьи 13 ноября 2012 г.
