CC BY
59
Н. В. Цветкова, А. В. Войлоков, Н. Д. Тихенко
ПЕТЕРГОФСКАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КОЛЛЕКЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ОКТОПЛОИДНЫХ ТРИТИКАЛЕ:
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ*
Введение
Успешным результатом отдаленной гибридизации между видами Triticum и Бв-са1в свгва1в Ь. является сельскохозяйственная культура тритикале, широко возделываемая во всем мире. Это искусственно-синтезированный род злаков, не встречающийся в природе. «Эволюционное» становление тритикале происходило при активном участии человека. В природе естественная гибридизация между отдаленными видами — распространенное явление. Благодаря наблюдательности ученых конца XIX — начала XX веков эти события были отмечены. Описаны многочисленные спонтанные гибриды в посевах пшеницы и ржи [5, 23, 24, 32]. Попытка направленного получения гибридов от скрещивания мягкой местной саксонской пшеницы с сортом ржи Шланштедская, предпринятая В. Римпау увенчалась успехом в 1888 г. (цит. по [7]). Однако вследствие нерегулярного течения мейоза, полученные гибриды были стерильными. В редких случаях отмечали возникновение фертильных форм, которое в настоящее время можно объяснить спонтанным удвоением числа хромосом у гибридов первого поколения [25]. Открытие способности колхицина (алкалоида растительного происхождения) вызывать удвоение числа хромосом [13] в делящихся клетках позволило исследователям целенаправленно получать фертильные амфидиплоиды и резко увеличить число синтезируемых линий первичных тритикале [1, 4, 19, 20], расширить их генетическое разнообразие.
Большое разнообразие первичных форм тритикале различного уровня плоидности позволило начать работы по скрещиванию этих форм между собой. Таким образом были получены вторичные тритикале. В результате проведения отбора по селекционно значимым признакам среди вторичных форм тритикале были выявлены генотипы, превосходящие районированные сорта пшеницы по ряду важных признаков (высокое содержание лизина, устойчивость к болезням, а иногда и урожайность), что позволило внедрить искусственно синтезированный аллополиплоид в сельскохозяйственное производство. Тритикале стала экономически значимой сельскохозяйственной культурой во многих странах мира [43].
В настоящее время в селекции тритикале активно разрабатываются как краткосрочные, так и долгосрочные программы. Тритикале не имеет дикорастущих сородичей, которые могли бы вовлекаться в скрещивания с целью привнесения ценных генов. Поэтому для проведения долгосрочных селекционных программ необходимым этапом является получение исходного материала в виде новых первичных тритикале. Низко-озерненные и обычно достаточно позднеспелые новые формы первичных тритикале в последующей селекции могут дать неожиданные положительные трансгрессии за счет рекомбинации и взаимодействия генов [16, 27]. Нужно отметить, что остается совершенно не изученной генетика количественных и качественных признаков, а именно: каким
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты №06-0448758а и 09-04-00985а), а также Министерства образования и науки № РНП.2.2.2.3.4026 и CRDF Y3-D-12-04.
© Н. В. Цветкова, А. В. Войлоков, Н. Д. Тихенко, 2009
образом происходит взаимодействие генов родительских форм во вновь синтезированном сложном геноме. Предсказать результат скрещивания ранее не использованных источников невозможно, так как изучение наследования признаков проводят на пшенично-ржаных амфидиплоидах, полученных преимущественно от скрещивания сортовых популяций пшеницы и ржи [1, 6, 7]. Сорта пшеницы, как правило, гомозиготны и часто представляют собой в генетическом отношении совокупность нескольких чистых линий. Рожь, напротив, является аллогамным видом, поэтому для сортовых популяций ржи характерны гетерозиготность особей и их наследственная неоднородность — гетерогенность.
Генетические различия между гаметами ржи в популяциях могут приводить к существенным различиям признаков у полученных тритикале [38]. Инбридинг позволяет выявить в популяциях ржи широкий спектр рецессивных аллелей генов, скрытых в гетерозиготном состоянии. Эти гены представляют интерес как для селекции, так и для изучения механизмов межвидовой репродуктивной изоляции, широко распространенных в природе. Для проведения исследований, которые были начаты в 1996 г. и продолжаются по настоящее время, была использована Петергофская генетическая коллекция инбредных линий ржи, в которых поддерживаются мутации по морфологическим, биохимическим признакам, а также независимо выделенные спонтанные мутации, нарушающие функционирование системы несовместимости. Получение первичных тритикале на основе инбредных линий ржи позволяет легко воспроизводить результаты, выделять нужные сочетания генов путем их рекомбинации у внутривидовых гибридов.
Исследования по изучению взаимодействия генов мягкой пшеницы и ржи проводили с привлечением одного «стандартного» генотипа мягкой пшеницы — сорта Chinese Spring (CS). Таким образом, создавая коллекцию первичных октоплоидных тритикале, мы планировали получить материал, позволяющий выявить эффекты взаимодействия пшеничного и ржаного геномов у отдаленных гибридов, а также получить сведения о специфическом проявлении ранее идентифицированных генов ржи в генотипе гибридов.
Материал и методы исследования
Для создания коллекции первичных октоплоидных тритикале в отдаленную гибридизацию были вовлечены 101 инбредная линия озимой ржи Петергофской генетической коллекции лаборатории генетики растений БиНИИ СПбГУ. В основу создания линий ржи положены различные источники автофертильности [8]. Большая часть из них (76 линий из 101) получена путем фиксации мутаций автофертильности у отдельных растений сортовых популяций, таких как Вятка, Волхова, Сталь, Гейне, Петкус, и образцов Белозерная без воскового налета, Черноколосая. Остальные 35 линий выделены из популяций F2 от самоопыления автофертильных растений Fi, полученных в результате скрещивания автофертильных линий и образцов, несущих доминантный или рецессивный аллель одного из генов, контролирующих морфологические признаки. Взятые для изучения инбредные линии ржи имели от 5 до 30 поколений инбридинга.
В генотипе двадцати семи линий присутствует доминантная аллель гена коротко-стебельности Ddwl (5R). Большая часть этих линий (23) происходит из сортовой популяции Волхова, три линии — из потомства F2 гибридной популяции F956, одна линия — из потомства F2 гибридной популяции F89. У остальных линий различного происхождения в генотипе фиксирована рецессивная аллель гена Ddwl. У двадцати семи линий
озимой ржи идентифицированы мутации автофертильности (в/-мутации) в различных локусах несовместимости Б(1И), 2(2И) и Т(5И) [2] (табл. 1).
Первичные яровые октоплоидные тритикале получали на генотипическом фоне гек-саплоидной пшеницы сорта CS, который является носителем рецессивных аллелей кт1 и кг2 [30], обусловливающих высокую скрещиваемость с рожью. В генотипе данного сорта пшеницы отсутствуют аллели генов короткостебельности и гибридной карликовости [44].
Таблица 1. Описок инбредных линий ржи с идентифицированными в/-мутациями
57-мутация в локусе Происхождение инбредной линии ржи (сортовая либо гибридная популяция) Номер инбредной линии ржи
в Сталь Л5, Л6, 497
г Л4
Т 490
я Вятка Л7, 517, 518
г 519
Б Петкус 513
X Белозерная без воска (ББВ) 467, 468, 568
т Р89 569, 357, 393, 396, 524, 526
И01 371, 377
Р956 540, 541, 543
г Р75 411
И24 460
Р97 410
Для анализа устойчивости к фитопатогенным грибам РпееШа твеопЯНа ИоЬ. ех Desm. ^ 8р. ЬтШел (вызывающего листовую ржавчину пшеницы) и Ыро1апв зотоЫпшпа Shoen. (возбудитель обыкновенной корневой гнили и темно-бурой листовой пятнистости) в качестве инокулята были использованы природная популяция листовой ржавчины пшеницы, собранная с пораженных восприимчивых растений сортовых участков пшеницы на опытном поле ВИР (г. Пушкин), и штамм «Т» фитопатогенного гриба Ыро1апв вотоЫтапа, любезно предоставленные Л. Г. Тырышкиным (ВИР).
Первичные яровые октоплоидные тритикале получали посредством обработки пшенично-ржаных амфигаплоидных растений Fl на стадии кущения раствором колхицина по стандартной методике [7]. Для удвоения числа хромосом из каждой комбинации скрещивания случайно отбирали по 6-7 зерновок, после колхицинирования растения (Со) выращивали в условиях теплицы. Зерновки, собранные с озерненных растений (Со) одной комбинации, считали линией первичного октоплоидного тритикале (А^ с сохранением номера, присвоенного комбинации скрещивания в год гибридизации. Линии тритикале воспроизводили в условиях строгой изоляции, зерновое потомство одного инбредного растения считали семьей. Для анализа устойчивости к фитопатогенным грибам из каждой семьи отбирали не менее 10-15 зерновок.
Измерение количественных признаков (высота главного побега, завязываемость зерен в колосе главного побега) растений тритикале проводили на стадии полной спелости после уборки растений. Оценку устойчивости первичных тритикале и исходных родительских форм к фитопатогенным грибам проводили согласно методикам, разработанным в отделе генетики и иммунитета ВИР, совместно с Л. Г. Тырышкиным [11].
Эффектом влияния ржаного компонента на формирование количественных и качественных признаков считали отклонения по значениям изученных признаков от материнской формы мягкой пшеницы сорта CS, достоверность различий подтверждена
с использованием методов стандартной статистики, входящих в пакет программ STA-TISTICA for WINDOWS (версия 5.0). Сравнение первичных октоплоидных тритикале с исходными инбредными линиями ржи по хозяйственно-ценным признакам не проводили, так как большинство линий ржи являются озимыми, а пшеница и полученные на ее основе тритикале имеют яровой тип развития. Кроме того, проявление ряда генов ржи, контролирующих количественные морфологические признаки, маскируется у линий инбредной депрессией, а у тритикале носит непредсказуемый, специфический характер.
Для идентификации и картирования полиморфных генов, специфически проявляющихся в геноме тритикале, нами был использован оригинальный вариант гибридологического анализа, предложенный в лаборатории генетики растений [37].
Результаты исследования
Исследование коллекции первичных октоплоидных тритикале развивали по двум направлениям:
1) изучение проявления у амфидиплоидов (2n), ранее идентифицированных генов ржи, контролирующих количественные признаки (высота растения, завязываемость семян в колосе главного побега), а также анализ устойчивости к фитопатогенным грибам;
2) изучение проявления «скрытых» мутаций генов ржи, нейтральных на внутривидовом уровне и специфически проявляющихся у гибридов с мягкой пшеницей.
Изучение проявления у первичных октоплоидных тритикале идентифицированных генов ржи. Высота растения. Высота растения — сложный количественный признак. Изучение этого признака проводили у первичных тритикале двух последовательных поколений С1-С2 в период с 1998 по 1999 г. За годы изучения средние значения высоты растений у полученных первичных октоплоидных тритикале варьировали от 60,0 до 125,1 см в 1998 г. и от 33,5 до 104,0 см в 1999 г. Снижение высоты растения в засушливом 1999 году отмечено у всех линий тритикале. У материнской формы CS высота растения составила в среднем 99,0 см и 98,5 см соответственно в 1998 и 1999 гг. Методом двухфакторного анализа достоверно показано влияние условий выращивания на реализацию этого признака у первичных октоплоидных тритикале.
При анализе высоты растений у двух групп тритикале, имеющих рецессивную или доминантную аллель гена Ddwl, полученные распределения в значительной степени перекрывались. В основе этого могут быть две причины: первая — наличие «малых» генов у линий ржи с геном доминантной короткостебельности Ddwl и вторая — наличие новых, ранее не изученных генов ржи, ответственных за формирование короткостебельных тритикале на фоне рецессивной аллели гена Ddwl. В табл. 2 представлены некоторые линии тритикале, среди которых есть линии-носители доминантной аллели гена Ddwl и линии с рецессивной аллелью этого гена. Благодаря эффекту «малых» генов, использование инбредных линий ржи, несущих доминантную аллель гена корот-костебельности Ddwl, позволяет получить в скрещиваниях со среднерослой пшеницей CS первичные октоплоидные тритикале высотой менее 70 см, высотой 70-90 см и среднерослые с высотой растения 90-113 см. В 1999 г. были выделены две наиболее короткостебельные линии тритикале: Ad52 высотой 54,9 см и Ad45 — 55,1 см. Обе эти линии гомозиготны по доминантному аллелю гена Ddwl (см. табл. 2).
К низкорослым тритикале, помимо тритикале с геном доминантной короткостебель-ности ржи, можно отнести три линии: Ad19, Ad35 и Ad47 (см. табл. 2). Эти линии имеют разное происхождение и не несут аллелей известных генов, обусловливающих коротко-
Линия тритикале Инбредная линия/ происхождение Аллель гена Ddwl Среднее значение высоты растения по годам, см (X , )
1998 1999
А<345 541/Р956 Ddwl 83,1±1,47 55,1±1,74
А<352 526/ Р89 Ddwl 77,9±1,23 54,8±1,42
А<386 ТЗО/Волхова Ddwl 113,0* 101,7±2,27
Ас119 Л6 / Сталь ddwl 94,1±1,83 71,9±2,03
Аазб 475/Гейне ddwl 86,8±1,79 62,8±2,65
А<347 410/Р97 ddwl 87,8±4,19 64,3±1,3
А<37 371/Р101 ddwl 125,1±2,31 104,9±0,98
Аазэ 393/Р89 ddwl 112,3±2,11 96,2±1,15
Примечания. * — результаты по одному растению. По остальным данным среднее значение высоты растения (X) и ошибку среднего значения (8Ж) рассчитывали для выборки не менее 20 растений.
стебельность. Эффект выявленных новых генов проявляется на фоне гомозиготности по рецессивной аллели гена БЯи)1 и сопоставим по величине с действием доминантной аллели данного гена. Эти гены могут быть идентифицированы с помощью варианта гибридологического анализа, разработанного в лаборатории генетики растений [37]. Для анализа расщепления по высоте растений можно использовать амфигаплоидные гибриды от скрещивания пшеницы с гибридом F1 между линиями ржи, дающими контрастные по высоте растения тритикале.
Фертильность колоса. До настоящего времени остается невыясненной причина низкой завязываемости семян у первичных гексаплоидных и октоплоидных тритикале. Полученные нами линии октоплоидных тритикале значительно уступали по завязы-ваемости материнской форме пшеницы. Согласно данным А. Киша [21], зерновая продуктивность первичных, только что полученных тритикале относительно мала и в год получения не превышает 15 зерен на колос.
У двадцати семи инбредных линий ржи, вовлеченных в отдаленную гибридизацию, идентифицированы мутации автофертильности (в/-мутации), которые нарушают функционирование системы несовместимости ржи. Таким образом, мы получили возможность сравнить завязываемость семян у первичных тритикале, полученных с использованием автофертильных линий, несущих в/-мутации в различных локусах несовместимости Б(1И,), 2(2И) или Т(5И). Завязываемость семян у тритикале с в/-мутациями в локусах Б, 2 и Т в среднем по группам составила соответственно 7,9, 5,2, 13,8% в 1998 г. и 10,5, 11,7, 27,4% в 1999 г. соответственно. Данные результаты свидетельствуют о том, что тритикале, полученные на основе автофертильных линий ржи, несущих в/-мутации в локусе Т, имеют более высокую фертильность. Это дает основание рассматривать инбредные линии ржи, несущие мутации автофертильности в локусе Т, перспективными для селекции форм тритикале с высокими показателями озерненности главного колоса. Сделанное нами предположение о положительном влиянии мутаций в локусе Т на озерненность тритикале подтверждается еще двумя фактами. Во-первых, большей завязываемостью семян обладают тритикале, полученные на основе линий ржи, несущих разные, независимо выделенные в/-мутации в этом локусе (табл. 3). Во-вторых, большинство этих линий неродственны и, следовательно, значительно различаются по генотипическому фону, сопровождающему эти мутации. Часть образцов тритикале с низкой завязываемостью семян (менее 10%) Ad9, Ad45, Ad46, Ad49 и одна
Таблица 3. Завязываемость (%) семян в главном колосе у первичных октоплоидных тритикале, полученных на основе инбредных линий ржи с идентифицированными
sf-мутациями
Линия тритикале Инбредная линия ржи Происхождение линии ржи Sf- мутация Годы изучения
1998 1999
Ad 7 371 И01 Т 24,2 ± 2,1 40,9 ± 4,4
Ad 9 569 Р89 Т 5,9 ± 4,1 2,8 ± 1,6
Ad 14 357 Р89 Т 0* -
Ad 17 377 Р101 Т 26,7 ± 2,6 40,6 ± 3,7
Ad30 490 Сталь Т 28,0 ± 2,6 39,2 ± 3,2
Ad39 393 Р89 Т 11,3 ± 2,0 25,6 ± 2,4
Ad97 396 Р89 Т 14,8 ± 4,2 21,3 ± 2,5
Ad45 541 Р956 Т 8,0 ± 1,1 12,9 ± 1,7
Ad46 524 Р89 Т 8,3 ± 6,3 8,1 ± 1,7
Ad49 543 Р956 Т 7,6 ± 1,4 25,4 ± 3,2
Ad 50 540 Р956 Т 19,1± 3,0 30,9 ± 3,2
Ad52 526 Р89 Т 30,8 ± 3,4 44,7 ± 4,0
Ad 2 Л5 Сталь S 4,9 ± 2,0 14,9 ± 2,2
АгіЛ7 Л7 Вятка S 5,6 ± 5,6 10,9 ± 3,2
Ad8 513 Пет кус S 1,6 ± 1,6 1,1± 0,7
Ad 19 Л6 Сталь S 0,7 ± 0,3 21,7 ± 4,4
Ad31 497 Сталь S 0,2 ± 0,2 6,7 ± 1,7
Ad37 517 Вятка S 6,8 ± 6,8 7,4 ± 1,8
Ad57 518 Вятка S 7,6 ± 2,3 12,3 ± 2,7
Ad 18 Л4 Сталь Z 3,2 ± 0,9 12,7 ± 2,0
Ad 12 519 Вятка Z 3,7 ± 1,4 14,8 ± 3,0
Ad25 411 Р75 Z 2,1 ± 0 0,2 ± 0,1
Ad27 460 Р124 Z 19,3 ± 5,6 16,2 ± 2,6
Ad 28 467 ББВ Z 9,0 ± 2,3 13,5 ± 1,5
Ad29 468 ББВ Z Q** 3,9 ± 1,4
Ad47 410 Р97 Z 3,4 ± 1,2 12,7 ± 2,9
Ad34 568 ББВ Z 5,6 ± 2,6 11,2 ± 2,3
* Стерильная линия тритикале.
** Стерильный главный колос, фертильный(е) колос(ья) боковых побегов.
стерильная линия тритикале Ad14 также несут в своем генотипе sf-мутации в локусе T. В связи с этим ясно, что наличия только этой мутации недостаточно для повышения завязываемости семян у тритикале. Очевидно, что высокая стерильность может объясняться другими генами, контролирующими, в частности, регулярное течение мейоза.
Устойчивость первичных тритикале к фитопатогенным грибам. Гомо-зиготность инбредных линий ржи позволяет проводить сравнительный анализ устойчивости этих линий, материнской формы пшеницы и межродовых гибридов к фитопатогенным грибам, в частности к бурой ржавчине пшеницы (Puccinia recondita Rob. ex Desm. f. sp. tritici) и неспециализированному паразиту — Bipolaris sorokiniana.
Проведенные нами исследования показали, что в результате взаимодействия генов Triticum aestivum L. и Secale cereale L., возникает разнообразие в отношении устойчивости тритикале к фитопатогенным грибам: фенотипическое проявление генетических факторов устойчивости ржи, генотип-специфическое подавление устойчивости, проявление устойчивости у амфидиплоидов от скрещивания восприимчивых родительских форм, в результате специфического взаимодействия геномов.
При изучении устойчивости тритикале к бурой ржавчине пшеницы показано гено-тип-специфическое подавление и/либо проявление факторов устойчивости. Из двадца-
ти одной линии первичных октоплоидных тритикале, полученных на основе устойчивых к бурой ржавчине пшеницы инбредных линий ржи, только три линии тритикале (Ad7a, Ad7b, Ad17) были устойчивы к этому возбудителю. Все семьи этих линий тритикале сохраняли устойчивую реакцию на заражение популяцией бурой ржавчиной пшеницы и в более поздних инбредных поколениях (табл. 4).
Таблица 4. Устойчивость последовательных поколений тритикале и инбредных линий
ржи к бурой ржавчине пшеницы
Линия тритикале Инбредное поколение Число семей* Реакция на заражение Инбредная линия ржи, о" Реакция на заражение
А<37 с2 17 Я 371 к**
Сз 16 Я
с4 17 Я
С1 20 я
Ас117 С2 18 я 377 Я
Сз 18 я
* Семья — зерновое потомство с одного растения, полученное от самоопыления.
** Я — устойчивость.
В остальных 18 комбинациях скрещивания CS и устойчивых линий ржи не отмечено проявление неидентифицированных гена(ов) устойчивости ржи к этому фитопатогенному грибу. Можно предположить, что один из геномов пшеницы А, В или D является носителем генов, которые специфически взаимодействуют с определенными генами устойчивости ржи, подавляя устойчивость. Подобное влияние генома пшеницы на устойчивость к бурой ржавчине пшеницы, привносимую хромосомами ячменя, наблюдали D. Rubiales и соавторы [31]. Анализ устойчивости аллополиплоидов различных геномных комбинаций, полученных от скрещиваний ячменя, пшеницы и ржи, к ржавчинным грибам позволил авторам сделать предположение, что устойчивость у Tritordeum, Triticale, Hordecale и Hordetricale является следствием межгеномных взаимодействий. В работах других исследователей высказывается мнение, что отдельные хромосомы не только пшеницы (Ш), но и ржи (4R, 5R) могут являться носителями генов супрессоров устойчивости в фазе проростков [41]. Исследование, проведенное нами, показывает, что получение тритикале, устойчивых к бурой ржавчине пшеницы, зависит от комбинации исходных родительских форм и является следствием взаимодействий между геномами (генами) исходных родительских форм пшеницы и ржи.
В настоящее время у пшеницы число доноров устойчивости к возбудителю Б. sorokiniana, вызывающему развитие темно-бурой листовой пятнистости и обыкновенной корневой гнили, ограничено [14, 40]. Известно, что сорта тритикале поражаются темно-бурой листовой пятнистостью и обыкновенной корневой гнилью, поэтому обнаружение и вовлечение новых источников устойчивости к Б. sorokiniana среди ин-бредных линий ржи можно рассматривать как один из способов создания устойчивых сортов этой культуры. Материнская форма пшеницы, использованная нами для получения тритикале, восприимчива к темно-бурой листовой пятнистости. У инбредных линий ржи была различная реакция на это заболевание как устойчивая, так и восприимчивая. Среди первичных тритикале, полученных нами на основе устойчивых или гетерогенных к темно-бурой листовой пятнистости линий ржи, не выделено устойчивых форм. Кроме этого, показано, что использование устойчивости от ржи, контролируемой рецессивными генами устойчивости к темно-бурой листовой пятнистости, неэффективно для создания устойчивых форм тритикале. Линии тритикале Ad37 и Ad82, полученные
на основе инбредных линий ржи 517 и Т5, устойчивость которых обусловлена взаимодействием рецессивных аллелей двух генов (неопубликованные данные), были высоко восприимчивы к темно-бурой листовой пятнистости в фазе проростков.
Особое значение имеют результаты анализа устойчивости первичных октоплоид-ных тритикале к обыкновенной корневой гнили, возбудителем которой также является В. зотоЫпшпа. Появление устойчивых растений тритикале (Ad76, Ad39) от скрещивания восприимчивых родительских форм (инбредных линий озимой ржи Ф40, 393 и мягкой пшеницы CS) позволяет сделать предположение о комплементарном взаимодействии генов пшеницы и ржи, приводящем к устойчивости отдаленных гибридов (табл. 5).
Таблица 5. Устойчивость последовательных поколений линий тритикале и родительской инбредной линии ржи к обыкновенной корневой гнили
Линия тритикале Инбредное поколение Число семей* с реакцией Инбредная линия ржи, о" Реакция на заражение
Э ЯБ Я
А<376 Сі 0 0 1 Ф40
с2 6 0 3
Аазэ Сі 1 0 2 393 э
с2 2 4 6
* Семья — зерновое потомство с одного растения, полученное от самоопыления. ** 8 — восприимчивость.
Данные, полученные при анализе двух последовательных поколений С1 и 02 линий тритикале Ad76 и Ad39, указывают на неполную пенетрантность устойчивости у некоторых семей второго поколения. У потомков устойчивых растений С1 обнаружено расщепление в С2 на восприимчивые и устойчивые семьи. Присутствие гетерогенности в пределах четырех семей поколения С2 линии Ad39 указывает на варьирующую экспрессивность данного признака. Таким образом, устойчивость, возникающая при скрещивании восприимчивых родительских форм, носит варьирующий характер, что может быть серьезным препятствием при изучении генетики этого признака, а также возможности использования для решения селекционных задач.
Обнаружение генов р^и, специфически проявляющихся у гибридов с мягкой пшеницей. Нескрещиваемость, эмбриональная и проростковая летальность, гибель на поздних этапах онтогенеза, аномалии в морфологии у отдаленных гибридов описаны в работах многих исследователей [3, 18]. При создании линий первичных октоплоидных тритикале нами были идентифицированы инбредные линии ржи, которые несут гены, вызывающие формирование различных аномалий у пшенично-ржаных гибридов F1 (отсутствие нормального зародыша в гибридных зерновках, слабость и стерильность гибридов, аномалии морфологии листа и колоса, гибридная карликовость). Всего выявлено семь различных эффектов взаимодействия генов мягкой пшеницы CS с генами ржи (табл. 6).
Присутствие соответствующих генов (аллелей) в геноме ржи не имеет аномального фенотипического проявления в пределах вида Беса1е еетеа1е Ь., но обнаруживается при отдаленной гибридизации. Это позволило определить гены этого типа как мутации, специфически экспрессирующиеся у пшенично-ржаных гибридов или первичных тритикале.
Наиболее подробно нами было изучено фенотипическое проявление и генетический
Таблица 6. Новообразования, выявленные у пшенично-ржаных гибридов Рх(п) и первичных тритикале (2п)
Морфологическое проявление Уровень плоидности отдаленного гибрида* Число линий ржи Возможность получения потомства
Эмбриональная летальность п 4 -
Гибридная карликовость п 2 -
Гибридная слабость п 2 -
Сближенные междоузлия п 1 -
Луковые листья и редукция колоса п 2 -
Луковые листья 2п 2 +
Хлороз и некроз (леталь) п 3 -
Хлороз и некроз нижних листьев 11, 2п 4 - +
Стерильность 2п 8 -
Примечание. * n — пшенично-ржанной амфигаплоид (Fi), 2n — первое поколение пшеничноржаного амфидиплоида (С1) на следующий год после колхицинирования.
контроль эмбриональной летальности (Embryo lethality), возникающей при скрещивании мягкой пшеницы с четырьмя линиями ржи (Л2, Л3, 564 и 535). Эмбриональная летальность при отдаленной гибридизации злаков может быть следствием различных механизмов, основными из которых являются нарушения в развитии эндосперма [31,
33, 34] или элиминация хромосом одного из родителей [12, 17, 22], а также апоптоз [42]. Как показало изучение морфологии, развитие эндосперма гибридных зерновок, полученных от скрещивания мягкой пшеницы CS с линиями ржи, носителями гена Eml, не отличается от контрольных скрещиваний [10] и, следовательно, нарушения в развитии эндосперма не могут быть основной причиной аномалии в развитии гибридного зародыша. Темпоральная фиксация гибридных зародышей и их гистологическое изучение показали, что эмбриональная летальность возникает у гибридных зародышей в результате гибели апикальной меристемы. В возрасте 16 дней после опыления у них полностью отсутствует апикальная меристема. На ее месте находится небольшое число деградирующих клеток [35]. Гибридологический анализ данного признака был проведен по оригинальной схеме с использованием межлинейных гибридов ржи Л2 х Л7 первого и пятого поколений. Было показано, что эмбриональная летальность у пшенично-ржаных гибридов контролируется моногенно со стороны ржаного генома [10], а мутации эмбриональной летальности у неродственных линий ржи (Л2, Л535) ал-лельны. Соответствующий ген ржи был назван как Eml (Embryo lethality). С помощью молекулярных маркеров ген Eml был локализован на хромосоме 6R ржи [36].
Заключение
В генетике отдаленных гибридов до настоящего времени одним из основных вопросов является особенность экспрессии генов исходных видов во вновь синтезированном комплексном геноме. Тритикале — синтетический аллополиплоид, полученный в результате скрещивания пшеницы и ржи, может быть использован как модель для изучения взаимодействия генов исходных видов. Принципиальное отличие нашей работы от других, посвященных изучению тритикале, состоит в использовании оригинального подхода к анализу межгеномных взаимодействий, позволяющего идентифицировать гены ржи, со специфическим эффектом в геноме отдаленных гибридов [9, 37]. Результаты, полученные при анализе количественных признаков свидетельствуют, что у амфидиплоидов различия по высоте растений в значительной степени обусловлены иными генетическими факторами ржи, помимо главного гена Ddwl. При изучении
устойчивости выявлены различные типы взаимодействия генетических факторов родительских форм: фенотипическое проявление или подавление устойчивости, экспрессия устойчивости в результате взаимодействия геномов восприимчивых пшеницы и ржи. Однако необходимо отметить, что фенотипические различия у отдаленных гибридов и аллополиплоидов могут возникать, во-первых, за счет функционирования генов, непосредственно участвующих в генетическом контроле данного признака, и, во-вторых, за счет быстрой перестройки геномов исходных видов в геноме гибрида, приводящей к изменению экспрессии генов. Такие изменения могут быть результатом взаимодействия родительских геномов, ведущего к стабилизации гибридного генома в ходе селекции и эволюции на основе отдаленной гибридизации. Взаимодействия геномов у аллополиплоидов могут основываться на комплексных генетических и эпигенетических механизмах [15, 26, 28, 39]. Таким образом, полученные в процессе нашей работы линии первичных тритикале представляют уникальный материал, как для решения селекционных задач, так и для изучения процессов перестройки и стабилизации геномов исходных видов.
Литература
1. Гордей И. А. Тритикале: генетические основы селекции. Минск, 1992. 287 с.
2. Егорова И. А., Войлоков А. В. Характеристика инбредных линий ржи по мутациям автофертильности в основных локусах несовместимости // Генетика. 1998. Т. 34, № 11. C. 1493-1499.
3. Карпеченко Г. Д. Экспериментальная полиплоидия и гаплоидия // Теоретические основы селекции растений / под ред. Н. И. Вавилова. М.; Л. 1935. Т. 1. C. 397-434.
4. Махалин М. А. Пшенично-ржаные амфидиплоиды и повышение их продуктивности // Гибриды отдаленных скрещиваний и полиплоиды. М., 1963. 139 с.
5. Мейстер Г. К. Массовое появление ржано-пшеничных гибридов в посевах озимой пшеницы // Известия саратовской обл. опыт. станции. Вып. 2. Саратов, 1918. C. 25-28.
6. Ригин Б. В., Орлова И. Н. Пшенично-ржаные амфидиплоиды. Л., 1977. 279 с.
7. Сечняк Л. К., Сулима Ю. Г. Тритикале. М., 1984. 317с.
8. Омирнов В. Г., Соснихина С. П. Генетика ржи. Л., 1984. 264 с.
9. Тихенко Н.Д., Цветкова Н. В., Войлоков А. В. Анализ влияния генотипа родительских линий ржи на формирование количественных признаков у первичных октоплоидных тритикале. Высота растения // Генетика. 2003. Т. 39, №1. C. 64-69.
10. Тихенко Н.Д., Цветкова Н. В., Войлоков А. В. Генетический контроль эмбриональной летальности при скрещивании мягкой пшеницы с рожью // Генетика. 2005. Т. 41, №8. C. 10751083.
11. Тырышкин Л. Г., Михайлова Л. А. Обоснование территориального размещения генов устойчивости и исследования популяций возбудителя бурой ржавчины пшеницы // Теор. основы иммунитета растений к болезням. Л., 1991. C. 45-54.
12. Baum M., Lagudah E.S., Appels R. Wide crosses in cereals // Annu. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1992. Vol. 43. P. 117-143.
13. Blakeslee A. De’doublement du nombre de chromosome chez les plantes partraitement chim-ique // C.R. Acad. Sci. Paris, 1937. Vol. 205. P. 476-479.
14. Ohattannavar N. S., Raghuchander T., Kulkarni S. Triticale varietal screening against Bipo-laris sorokiniana // Proceedings of the 2nd International Triticale Symposium. Mexico, 1991. P. 229230.
15. Oomai L. Genetic and epigenetic intreractions in allopolyploid plants // Plant Mol. Biol. 2000. Vol. 43. P. 387-399.
16. Darvey N. L. Creating genetic variability in triticale and its potential for breeding. 2. Quality Traits and 3. International Consortium For Doubled Haploids // Proceeding of 4th International Triticale Symposium, July 28-31. Red Deer. Alberta (Canada), 1998. Vol. 1. P. 13-21.
17. Gernand D., Rutten T., Varshney A., Rubtsova M., Prodanovic S., Briifi C., Kumlehn J., Matzk F., Houben A. Uniparental chromosome elimination at mitosis and interphase in wheat and pearl millet crosses involves micronucleus formation, progressive heterochromatinization, and DNA fragmentation Ц Plant. Cell. 2005. Vol. 17. P. 2431-2438.
18. Jung C., Lelley T. Genetic interactions between wheat and rye genomes in triticale. 2. Morphological and yield characters ll Theor. Appl. Genet. 1985. Vol. 70. P. 427-4З2.
19. Kattermann G. Uber heterogenomatische amphidiploide Weizenroggenbastarde Ц Z.fur Pflanzenziichtung, Berlin. 1939. Bd23, N 2. P. 179-209.
20. Kiss A. Genetic Investigations of Wheat-Rye Hybrids and Triticale No.1 of Marfovasar ll Acta Agr. Acad. Sci. Hung. 1954. N4. P. 239-278.
21. Kiss A. Kreuzungsversuche mit Triticale Ц Ziichter. 1966. Bd36, N6. P. 246-255.
22. Laurie D. A., Bennett M. D. Wheat x maize hybridization ll Can. J. Genet. Cytol. 1986. Vol. 28. P. 313-316.
23. Leighty C. E. Carmans wheat-rye hybrids Ц Reprint from J. Heredity. Washington. 1916. Vol. 7, N 9. P. 420-427.
24. Leighty C. E. Natural wheat-rye hybrids of 1918 ll Reprint from J. Heredity. Washington. 1920. Vol. 11, N 3. P. 129-130.
25. Love H. H., Craig W. T. Fertile wheat-rye hybrids ll J. Heredity. 1919. N10. Р. 195-207.
26. Matzke M.A., Scheid O.M., Matzke A.J.M. Rapid structural and epigenetic changes in polyploidy and aneuploid genomes ll Bioessays. 1999. Vol. 21. P. 761-767.
27. Oettler G. Creating genetic variability in triticale and its potential for breeding. 1. Agronomic traits ll Proceeding of 4th International Triticale Symposium, July 28-31. Red Deer. Alberta (Canada), 1998. Vol. 1. P. 1-12.
28. Pikaard C.S. Genomic change and gene silencing in polyploids ll Trends Genet. 2001. Vol. 17. P. 675-677.
29. Raina S. K. Crossability and in vitro development of hybrid embryos of Triticum durum x Secale cereale ll Indian J. Genet. 1984. Vol. 44, N3. P. 429-437.
30. Riley R., Chapman V. The inheritance in wheat of crossability with rye ll Genetical Research, Cambridge. 1967. N 9. P. 259-267.
31. Rubiales D., Niks R. E., Martin A. Genomic interactions in the resistance to mildew and
fungi in hybrids and amphiploids involving the genera Triticum, Hordeum and Secale Ц Cereal Research Comm. 1993. Vol. 21, N2-3. P. 187-194.
32. Schad C., Hugues P. Hybrides «blex scigle». Historigue, obtertion, sterilite et fertilite de l‘hybride Fi ll Annalis des Epiphyties et de Phytogenetigue. 1938. T. 4. f. 2. P. 235-265.
33. Sirkka A., Immonen T. Comparison of callus culture with embryo culture at different times of embryo rescue for primary triticale production ll Euphytica. 1993. 70. P. 185-190.
34. Taira T., Larter E. N. Factors influencing development of wheat-rye hybrid embryos in vitro ll Crop Scien. 1978. Vol. 18. P. 348-350.
35. Tikhenko N., Rutten T., Voylokov A., Houben A. Analysis of hybrid lethality in F1 wheat-rye hybrid embryos ll Euphytica. 2008. Vol. 159. P. 367-375.
36. Tikhenko N., Tsvetkova N., Birner A., Voylokov A. Genetic study of embryo lethality in
wheat-rye hybrids ll Vortrage fur Pflanzenzuchtung. 2007. Vol. 71. P. 253-256.
37. Voylokov A.V., Tikhenko N.D. Identification and localization of rye polymorphic genes specifically expressed in Triticale ll Proc. 4th Internat. Triticale Symp. July 28-31. Red Deer. Alberta (Canada), 1998. Vol. 1. P. 290-296.
38. Wandelt W. Intersuchungsergebnisse zur Abhangigkeit der Triticale- Merkmalsauspran-gung vom Genotyp des Roggeselters Ц Tag. Ber. Acad. Landwirtsch.-Wiss. DDR. 1980. Bd171. P. 55-65.
39. Wendel J. F. Genome evolution in polyploids ll Plant Mol. Biol. 2000. Vol. 42. P. 225-249.
40. Wildermuth G. B., McNamara B. R. Susceptibility of winter and summer crops to root and crown rot infection by Bipolaris sorokiniana ll Plant Pathology. 1987. Vol. 36. P. 481-491.
41. Wos H., Strembiska A. Resistance to leaf rust (Puccinia recondita f. sp. tritici) at the seedling stage among single D genome substitution lines of triticale Presto // Proceed. of the 5th International Triticale Symposium. Radzikow (Poland), 2002. Vol. II. P. 71-77.
42. Masuda Yu, Yamada T., Marubashi W. Time course analysis of apoptotic cell death during expression of hybrid lethality in hybrid tobacco cells (Nicotiana suaveolens x N. tabacum) // Plant Cell Physiol. 2003. Vol. 44, N4. P. 420-427.
43. FAO. 2004. URL: http://www.faostat.fao.org.
44. URL: http://wheat.pw.usda.gov/ggpages/wgc/98/index.html)
Статья поступила в редакцию 31 июля 2009 г.
