CC BY
155
АСТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№ 4 (26) 2013. с. 183-201.
УДК: 631.527; 631.523; 582.926; 545.113; 575.1; 635.63; 635.46
СПОНТАННЫЕ АЛЬБИНОСНЫЕ МУТАЦИИ ПАСЛЕНОВЫХ КУЛЬТУР, ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИХ ВЕГЕТАТИВНОГО И ГЕНЕРАТИВНОГО РАЗВИТИЯ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕЛЕКЦИИ И РАСТЕНИЕВОДСТВЕ И УРОЖАЙНОСТЬ БЕЗ ХЛОРОФИЛЛА
Юрий Иванович Авдеев Астраханский Государственный Университет Андрей Юрьевич Авдеев Ольга Петровна Кигашпаева Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого овощеводства
и бахчеводства, г. Камызяк vniiob@kam.astranet.ru
альбиносные мутанты, летальные растения, мутации, паслёновые культуры, томат, перец, баклажан, гены, селекция, сорта, гетерозис, гибриды, наследование, расщепление.
Обобщены 35-летние исследования ВНИИОБ по изучению спонтанных альбиносных мутаций у пасленовых культур. Обнаружены летальные альбиносные растения, гибнущие в фазе семядолей и первых листьев. Они могут отличаться по окраске семядолей от желтой до белой, с антоцианом и без него, с зелеными семядолями и белыми первыми листочками. Выделен частично альбиносный мутант томата. Впервые обнаружены почти полностью бело-желтые от всходов до конца вегетации бесхлорофилльные растения томата, образующие стеблевую массу и плоды. Открыто явление и метод восстановления вегетативного и генеративного развития летальных альбиносов. Показана эффективность разных признаков альбинизма как маркерных и придающих гетерозис при создании гибридов F1, в т.ч. гибридов F1, оба родителя которых несут летальные гены альбинизма. Разработаны 4 изобретения по использованию альбинизма. Предложены программы создания саморазмножающейся однородной гетерозиготности генов в поколениях F2-F4.
SPONTANEOUS ALBINO MUTATIONS OF SOLANACEAE, RESTORING OF ITS VEGETATIVE AND REPRODUCTIVE DEVELOPMENT, USE IN BREEDING AND PLANT GROWING AND YIELD WITHOUT CHLOROPHYLL
Yuiry Ivanovitch Avdeyev Astrakhan State University Andrey Yuirievitch Avdeyev Olga Petrovna Kigashpaeva All Russian scientific research institute of irrigative vegetable and melon growing, Astrakhan
albino mutants, lethal plants, mutations, Solanaceae cultures, a tomato, pepper, an eggplant, genes, selection, varieties, heterosis, hybrids, inheritance, segrigation.
the review of 35-years investigations of All-Russian Scientific-Research Institute of Irrigative Vegetable and Melon Growing on studying spontaneous albino mutations at Solanaceae cultures is presented. Are found out the albino plants perishing in a phase of cotyledons and first leaves. They can differ on painting by the cotyledons from yellow up to white with antocianin and without it, with green cotyledons and white first leaves. It is found out a partially an albino mutant of a tomato. For the first time are found out white-yellow from shoots up to the end of vegetation without chlorophyll the plants of a tomato forming of usual volumes stem mass, and fruits. The phenomenon and a method of restoration vegetative and reproductive developments of lethal albinos is opened. Efficiency of different attributes of albinism as markers and to give strength for heterosis is shown at creation of hybrids F1, and also for creation the hybrids F1, the both parents of which bear the lethal genes of albinism. Four inventions on use of albinism at plants on an example Solanaceae cultures are developed. Programs of creation of self-reproduction a homogeneous heterozygosis of genes in generations F2-F4 are offered.
Введение. В процессе многолетних исследований по селекции пасленовых культур, проводимых во ВНИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства, нами отмечались многочисленные случаи возникновения различных спонтанных мутаций [5, 14, 15, 24-28]. Возникающие мутации отличались по морфологическим и биологическим признакам [1 -3, 5, 42, 43], в т.ч. по проявлению альбиносности [8, 9, 14-17, 21, 22, 40]. Альбиносные растения возникали с разной частотой по отношению ко всей популяции растений пасленовых, изучаемых в селекционном процессе. Как правило, мутации возникали по 1 -2 из 800-1500 образцов томата, баклажана, перца. В отдельные годы число образцов с альбиносами возрастало в 2-3 раза по причине нам не известной. Как правило, 99% альбиносных мутаций были летальными, и чаще альбиносность проявлялась в виде желтых или беловатых семядольных листочков, реже семядоли были зелеными, а первые листья безхлорофильными, белой окраски [14, 15]. Возникали и другого типа спонтанные альбиносные мутации [41], которые изучали наряду с известными мутантами, взятыми из мировых коллекций или обнаруженными в опытах [41].
Целью настоящей статьи является обобщение 35 -летних исследований ВНИИОБ по обнаружению и изучению альбиносных мутантов, изучению явления моногенного и дигенного гетерозиса и, особенно, гетерозиса, связанного с использованием альбиносных родительских форм.
Методические особенности исследований. Ежегодно в селекционном процессе изучали более 800 сортообразцов, линий и селекционных гибридных потомств разных поколений. Технология выращиваний растений обычная для рассадной культуры в условиях Астраханской области при искусственном орошении. В период появления всходов у селекционных и коллекционных линий выявляли всходовые мутации. Описывали линии, в которых выщепляются альбиносные мутации и изучали их наследование. Мутации обнаруживали и в более поздние фазы развития растений. Среди них некоторые нормально развивались до семенной фазы. Как исключения были обнаружены неполно альбиносные мутанты и почти полностью альбиносные растения.
Изучение способности рецессивных, в т.ч. летальных генов проявлять гетерозис проводили двумя методами: первый - анализом урожайных свойств гетерозиготных растений в F2 в сравнении с гомозиготными растениями; второй - путем скрещивания мутантов с нормальными растениями (с доминантным признаком) и изучением гибридов F1 в сравнении с районированными сортами.
При использовании первого метода вначале выявляли потомства, выщепляющие мутации. Для их поддержания делали по 6-8 отборов растений.
В отобранных 1 -3 расщепляющихся потомствах все растения нумеровали, а затем индивидуально изучали в полевых условиях их биологические и урожайные свойства. Затем семена, заготовленные от них (F3) высевали, в т.ч. и в опытах с альбиносной летальностью, для определения гомо- или гетерозиготности растений F2. С учётом этого все данные оценки растений популяции F2 группировали на гетерозиготные и гомозиготные и вычисляли средние показатели признаков в каждой группе. В опытах использовали также и нумерацию семян при посеве для определения всхожести и скорости прорастания разных генотипов, альбиносов, нормальных гомозигот и гетерозигот. Достоверность выводов исследований подтверждалась результатами статистической обработки экспериментальных данных по общепринятым методикам [36, 37].
Кроме многих обнаруженных альбиносных мутантов в опытах изучали и тиамин -недостаточный альбиносный мутант (ген tl), полученный от американского учёного-генетика Ch. M. Rick.
Разные типы альбиносов, встречающиеся у пасленовых культур и их особенности.
Наиболее часто у томата, перца и баклажана возникают спонтанные семядольные альбиносы от желтоватого до белого цвета. Реже встречаются альбиносные растения, у которых семядольные листочки бледно-зеленые, постепенно желтеющие. Еще реже встречаются альбиносные растения с нормальными зелеными семядолями, у которых альбиносность появляется с образованием первого настоящего листа. Все перечисленные типы альбиносов, как правило, летальны и они гибнут, прекратив рост, либо после образования 1 -2 альбиносных слабо развитых листочка.
Например, у томата подобные мутации были обнаружены в различных фенотипах. Альбиносная летальная форма №1 имеет бледно-зеленые семядоли, затем желтеющие, белые с антоциановым окаймлением зачатки листьев. У альбиноса №2 - бледно-зеленоватые, постепенно желтеющие семядоли с узкими зелеными полосами, листочков не образуется. Альбиносные летали №3 и №4 имеют белые семядоли и листочков не образуют. У летали №5 семядоли желтые с узкой продольной зеленоватой линией. Альбинос №6 (й) характеризуется зелеными семядолями, а образующиеся у него листочки сначала бледно-зеленоватые, затем желтые и белые.
У сорта Волгоградский 5/95 было отмечено выщепление хлорофилльных мутантов с тремя желтовато-белыми семядолями. Зачатки листьев не появлялись и всходы погибали.
У баклажана и перца обнаруживались мутации с желтыми и белыми семядолями, которые погибали без образования листочков.
Кроме того, обнаруживаются неполные альбиносы, когда хлорозность появляется вначале в форме бледной зеленоватости 4-6 листьев, а затем переходит в желтоватую и белую окраску растущих листьев. Обнаружена одна мутация, у которой после образования 6 -7 листа появлялась хлорозность нижних 4-5 из 8-10 формирующихся листьев. Такие мутантные растения образовали плодоносящие кисти, в т.ч. и в альбиносной зоне растения [41]. Очень редки случаи появления другого типа химерной альбиносности. На нормально развивающемся растении вырастает только один белый побег. Альбиносный стебель достигал 15 -20 см. Совсем необычная альбиносность за 40 лет селекции обнаружена в селекционной линии №105 у томата в 2013 г. Семядоли у всходов почти полностью желтые, но, несмотря на это, растения продолжали вегетировать, образуя желтые листья, и в итоге сформированные взрослые желто-белые растения с плодами и слабой пигментацией нижних листьев.
Наследование летальной альбиносности всходов. В некоторых образцах томата нами обнаружены летальные хлорофилльные мутации с малой частотой выщепления 1:86 (Новинка Приднестровья), 1:64 (Драгоценность 341), 2:47 (Волгоградский 5/95). Посев перечисленных сортов проводился семенами от массового сбора, поэтому анализ исследуемого поколения не позволял сразу выявить характер наследования летальности, хотя и давал возможность обнаружить единичные потомства, выщепляющие их.
В связи с этим для анализа характера наследования брали не все образцы, выщепляющие летали, а только индивидуальные отборы. При этом все они были короткостолбчатыми (пестик спрятан в колонке пыльников), что исключало случайное перекрестное опыление. При таком подходе индивидуальные отборы представляли собой популяции F2 по летали в выравненной селекционной линии ^4-Р7). Частота селекционных потомств и образцов, в которых спонтанно возникали хлорофилльные летали у томата и баклажана, в наших опытах составила 0,66 % (1980 г.) и 0,82% (1981 г.). Анализ наследования летальной альбиносности в F2 показал, что она является рецессивным признаком. Расщепление, соответствующее моногибридному типу 3:1 отмечено не у всех образцов и было свойственно только альбиносам №1, №5 и №6. У альбиносов №2, №3 и №4 летали выщеплялись в соотношении от 1:5,5 до 1:11, что не соответствует теоретическому отношению 1:3 (Р>0,05). Причиной такого несоответствия, как показали опыты ВНИИОБ, является элиминация некоторого количества леталей в довсходовый период. В частности, замечено, что некоторые летальные растения мутанта №3 не могли вынести семядоли на поверхность почвы [9].
Анализ потомств растений в F3 подтвердил сделанный вывод и показал, что число гетерозиготных потомств (выщепляющих альбиносные растения) из общей совокупности нормальных растений F2 относится к числу гомозиготных (нерасщепляющихся по альбиносности) потомств как 2:1 при высоком уровне вероятности, что соответствует теоретически ожидаемому отношению при моногибридном типе наследования признака альбиносности. Опыты показали, что надежный генетический анализ наследования летальной альбиносности возможен только путем учета расщепляющихся и нерасщепляющихся потомств в F3. Элиминация части альбиносов в потомстве не влияет на отнесение его к гетерозиготному потомству, если хоть малая их доля проявляется (табл.1).
Причиной элиминации части альбиносных растений и варьирования этого показателя до появления всходов могут быть разные условия, в т. ч. различия в энергии прорастания, небольшие различия в глубине посева, расположение семян в почве и др.
Таким образом, появляющиеся альбиносные всходовые летали моногенно наследуются и возникают в гетерозиготном состоянии у отдельных линий.
Восстановление репродуктивной способности летальных мутантов. У одних хлорофильных мутантов летальность может быть вызвана нехваткой одного какого-нибудь существенного фактора метаболизма, у других-нескольких. Летальность альбиносного мутанта tl вызвана отсутствием только синтеза витамина В1, без которого сеянцы гибнут [44].
Выщепление альбиносных летальных растений в индивидуальных отборах, а также в потомствах
фертильных растений и их характеристика
Альбиносные летальные растения Расщепление альбиносные: нормальные (Р2) Соответствие теоретическому расщеплению 1 : 3 (х2) Уровень значимости соответствия теоретическому расщеплению (Р) Расщепление фертильных потомств в F3 ^ альбиносами: без альбиносов) Соответствие теоретическому расщеплению 2:1 (х2) Уровень значимости соответствия теоретическому расщеплению (Р)
тип, номер обнаружена при индивидуальном отборе в образце
ala №1 Штамбовый Малиновый 141 : 412 0,074 >0,75 22 : 8 3,237 >0,05
ala №2 р5 (Волгоградский 5/95 ^Машинный)* MhF]F6 8 : 91 15,05 <0,05 11 : 6 0,024 >0,75
ala №3 (Бычье сердце х Br.Line 324) F7 21: 114 6,39 <0,05 27 : 14 0,098 >0,75
ala №4 (Бычье сердце х Br.Line 325)F7 6 8 3 7,39 <0,05 32 : 12 0,745 >0,25
ala №5 р4(Волжанин* MhF)xTigereПa]F4 9 2 0 0,598 >0,25 3 7 6 0,133 >0,50
ala- tl №6 Получена из США 6 7 3 0,051 >0,75 4 4 71 0,223 >0,50
При Р05 х2=3,84
Добавление его путем внесения в почву (под растение 0,1 г в неделю) полностью восстанавливает вегетативное и репродуктивное развитие и даже высокую урожайность tl-форм. Если подкормки прекращаются, то продолжающие расти листья на верхушке стебля становятся белыми. В наших опытах средний урожай с одного восстановленного подкормкой растения составлял от 1,6 до 3,2 кг, т.е. больше, чем у некоторых коллекционных сортов. Частота встречаемости таких мутантов невелика и нахождение их требует специального изучения альбиносов на селективных средах [14, 22].
Обнаруженные нами спонтанные летали (№1 -5) слабо реагировали или совсем не реагировали на внесение отдельных витаминов и их сочетаний. Жизнеспособность ala-формы №1 усиливалась, а вегетация продолжалась до двух месяцев только при подкормке витамином С.
При подкормке 1 раз в неделю альбиносных сеянцев ala отдельными 24 аминокислотами и их сочетанием по 0,1 г на растение наблюдали растянутый период роста, частичное позеленение, образование 3 -4 листьев (при внесении валина, гистидина, триптофана и в меньшей степени аргинина). Контрольные альбиносные растения образовали 1 -2 небольших листочка, после чего погибали. В процессе поиска способов восстановления вегетативного и генеративного развития альбиносных растений был найден универсальный способ получения положительного результата. Им оказалось применение прививок летальных альбиносных всходов (на 20 -60-дневные растения). Наиболее часто они удавались у штамбовых форм. В случае прививок материнский организм (подвой) выступал в роли поставщика недостающих элементов метаболизма у альбиносного «привоя».
Трехлетние опыты с прививками показали, что характер вегетативного развития альбиносных леталей зависит от их генетической обусловленности. Прививка tl-форм на нормальные растения восстанавливает хлорофилл у летали, ее быстрый рост и репродуктивное развитие. Прививка альбиносного растения №1 - ala на нормальное восстанавливает хлорофилл только частично, однако стимулирует рост и образование репродуктивных органов, нормальной пыльцы, реже - единичных плодов с семенами. Прививка альбиносных проростков форм №3 и №4, которые обычно доживают до фазы семядолей, на нормальные растения позволяет вызвать рост привоя и образование листьев. При этом выросшие до 6-8 листьев привои остаются альбиносными, способными образовать цветочные кисти, которые наряду с редуцированными цветками (их надо удалять) содержат и нормально сформированные цветки с фертильной пыльцой. Их пыльца может использоваться для опыления других растений. Точка роста в этот период сохраняет светлый оттенок.
Вегетативную массу и рост подвоя регулируют путем удаления побегов, а также точек роста. У восстановленных нами летальных альбиносов (ala - tl №6) от опыления пыльцой других растений либо использования пыльцы альбиносов (№1 -№5) для опыления нормальных растений завязывались плоды с семенами.
Лучшей приживаемости и росту, образованию хлорофилла у альбиносов способствовали укорочение дня (до 9-11 ч) и уменьшение интенсивности солнечного освещения (затенения).
Проведенными экспериментами обнаружен не описанный ранее характер влияния подвоя на прививочный компонент. Сущность обнаруженного явления состоит в том, что впервые выявлена форма взаимодействия между прививочными компонентами растений, основанная на компенсации синтеза недостающих продуктов метаболизма и восстановлении вегетативного и генеративного развития у генетически летальных альбиносных организмов при выращивании прививочных химер, включающих компонент от нормального (фертильного) организма [4, 21].Обнаруженное явление имеет значение для более глубокого понимания характера взаимодействия между подвоем и привоем, приводящим к фенотипическим изменениям и развитию привоя, для изучения биологии летальных альбиносных мутаций, их прямого размножения и использования в практике растениеводства.
Исследованиями ВНИИОБ впервые экспериментально показано, что привой от генетически летального альбиносного организма под влиянием компенсирующего синтеза недостающего для нормального роста развития продукта (продуктов) метаболизма подвоя способен восстанавливать работу генетической системы и репродуцировать потомство. Доказательство достоверности
обнаруженного явления приведено в опытах с летальными альбиносными мутантами растений томата и баклажана [21, 22, 31].
Альбиносные сеянцы с мутациями ala, ala - й-6 вызывающими летальность из-за метаболической недостаточности (подавлен синтез хлорофилла), при определенной методике прививки на нормальные взрослые растения полно или частично, хотя и не у всех альбиносов, восстанавливают синтез хлорофилла. Стебли привоя всегда образуют до 7 -8 нормальных листьев и соцветие с фертильной пыльцой, которая успешно использовалась для опыления нормальных растений сорта Волгоградский 5/95, Штамбовый Малиновый и других сортов. Таким образом, в результате прививок удается у летальных альбиносов получать плоды с семенами, фертильную пыльцу, которая способна опылять растения других сортов, приводя к образованию плодов с нормальными всхожими семенами. Аналогичные результаты получены при использовании альбиносных леталей, возникших у разных сортов и линий баклажана, например сорта Голубок
[31].
Как упоминалось, без подкормки тиамином альбиносные сеянцы АЛ! все гибнут через 20-25 дней после всходов. Прививка таких альбиносных мутантов в фазе семядолей на нормальные взрослые растения Штамбовый Малиновый, Волгоградский 5/95 приводила к восстановлению пигментации сеянцев, образованию хлорофилла без внесения тиамина, росту привоя, развитию листьев и образованию нормальных соцветий и завязей. Таким образом, прививка летальных мутантов, у которых отсутствует синтез тиамина, на нормальные растения приводила к «компенсации» синтеза тиамина в привое за счет подвоя, что обеспечивало нормальную репродуктивность привоя и возможность получения семян.
Исходя из результатов приведенных экспериментов можно объяснить сам факт появления гомозиготных летальных альбиносных всходов в популяции растений. Анализ их происхождения из семян, несущих в гомозиготном состоянии летальный ген альбиносности, показывает, что летальные организмы - семена - прекрасно формируются до нормального размера на материнском растении, который восполняет (компенсирует) им недостающие вещества, необходимые для роста и развития. Имея запас питательных веществ в семени, достаточный для образования всходов, гомозиготные летальные растения в дальнейшем не способны самостоятельно расти и развиваться, так как отсутствует донор-компенсатор. В то же время, наши многолетние опыты на пасленовых культурах доказали, что все летальные организмы, доживающие до образования нормального семени, а затем и прорастающие до формирования альбиносных семядолей или первых листьев, при прививках на нормальные растения способны формировать стебли и восстанавливать образование фертильных цветков. Подвой для летальных альбиносов выступает в роли компенсатора недостающих элементов жизнедеятельности, витаминов, аминокислот или других веществ, синтез которых нарушен у альбиносного растения.
На основе обнаруженного явления могут быть решены проблемы и задачи:
-значительно расширены возможности применения прививок для практической селекции, в т.ч. для создания, поддержания и культивирования декоративных растений, несущих альбиносные летали, для преодоления нескрещиваемости видов, поддержания и размножения летальных и полулетальных отдаленных гибридов;
-разработаны способы семенного размножения ценных бесплодных летальных форм растений, например, альбиносных деревьев, кустарников, цветов, травянистых растений, а также способы их скрещивания и селекции;
-разработаны легко доступные способы получения, изучения и использования гетерозисных гибридов на базе летальных мутаций, решена проблема создания саморазмножающихся гетерозисных гибридов у многих самоопыляющихся растений. Поскольку явление летального альбинизма широко распространено в природе, то использование выявленных закономерностей возможно для многих биологических объектов.
На основе обнаружения и изучения явления компенсации синтеза недостающих продуктов метаболизма и восстановления вегетативного и репродуктивного развития у альбиносных организмов при выращивании химер разработаны 4 изобретения новых способов гетерозисной селекции [11, 12, 16, 17]. Их применение позволяет преодолевать летальность альбиносных
растений, использовать гибриды F1, у которых самоустраняются случайные материнские генотипы, получать гибриды F1, у которых оба родителя являются летальными альбиносами, сохранять и использовать гетерозисные популяции F2 -Р4 без затрат труда на удаление выщепляющихся рецессивных гомозигот.
Явление моногибридного гетерозиса на основе моногенных мутаций у пасленовых культур. Моногибридный гетерозис обнаружен у кукурузы, ячменя, гороха, льна и других сельскохозяйственных культур, в т.ч. и по ряду генов у паслёновых культур [32, 35]. Исследования ВНИИОБ 1977-1982 гг. подтвердили положение о том, что для хозяйственно полезного выражения гетерозиса у растений пасленовых культур часто оказывается достаточным влияние в гетерозиготе одного гена [8, 9, 18, 31]. Ранее была показана эффективность использования гетерозиготности признака штамбовости растений для получения высокоурожайных гибридов томата [39], а также хозяйственной полезности гетерозиготности нескольких других мутантных признаков у томата [35]. Нашими исследованиями было выявлено, что гибриды томата первого поколения, несущие моногетерозиготы ps/+,ah/+,a/+,bls/+ проявляют гетерозис по интенсивности роста, скороспелости и урожайности. Отмечена также эффективность гетерозигот ]-2/+, ^+^/+^/+.
Более высокая урожайность гетерозигот по мутантным генам часто приводит к тому, что в расщепляющихся поколениях F2-F4 в лучшие отбираемые генотипы растений томата, баклажана, перца в процессе сортовой, линейной селекции в 3 -5 раз чаще попадают гетерозиготы вместо желательных гомозигот.
Однако, для селекции гибридов F1 изучение и использование подобных гетерозигот полезно. Для выявления наиболее эффективных из них целесообразно изучать комбинационную способность мутантных генов в гетерозиготе на однородном и разнообразном генетическом фоне. Первое легко удается сделать у самоопылителей - паслёновых культур при обнаружении мутантов в гомозиготной линии или сорте. Оценка хозяйственной ценности гетерозиготных растений в сравнении с доминантными гомозиготами, позволяет определить комбинационный эффект мутантного гена. Исследованиями ВНИИОБ показано, что при моногибридном наследовании мутантного признака стерильности цветков гетерозиготы ms/+ достоверно превышали гомозиготы +/+ по общей урожайности на 18,8% [18]. Это происходило за счет значительного увеличения образовавшихся кистей и плодов. При моногибридном расщеплении возникшего мутантного признака 3-х семядольности (F2) и изучении урожайности разных генотипов было отмечено достоверное превышение гетерозиготы над доминантной гомозиготой по 2 признакам, в т.ч. по раннему урожаю на 31,1% [18]. Гетерозис по урожайным свойствам отмечен и по другим гетерозиготам [19, 20].
Более широкое представление о КС по мутантному гену можно получить, скрещивая известные мутантные формы с сортами и проводя индивидуальный учет растений по хозяйственно-ценным признакам в F2 у гетерозигот изучаемой мутации (m/+) и доминантных гомозигот (+/+) с уточнением генотипа растений в F3. Скрещивания могут проводиться с сортами разных типов, а также с гибридами F1. Разнородный генофонд F2, на котором исследуется влияние гетерозиготы по мутантному гену, позволяет выявить усредненный эффект ее влияния на урожайность и другие признаки, т.е. общую комбинационную способность (ОКС), в то время как в случае с моногенным гетерозисом определяется специфическая комбинационная способность (СКС). Используя скрещивания аллельных линий, отличающихся по мутантным генам, можно изучить эффективность сочетания двух гетерозигот по мутациям. При скрещивании разных генотипов - носителей неодинаковых мутантных генов путём аналогичного анализа можно определить ОКС их сочетаний. Путем аналитической селекции можно подобрать такую совокупность мутантных генов, которые в гетерозиготе гибрида F1 дают суммарный комплексный положительный эффект по урожайным и другим признакам. Так как мутантные гены всегда наследуются в форме сцепленных блоков генов, то отбор на ОКС фактически является отбором наиболее полезных для F1 гетерозигот блоков генов.
В исследования ВНИИОБ была отмечена хозяйственная полезность около десятка гетерозигот по мутантным генам, в т.ч. по генам устойчивости в ВТМ, фузариозу, заразихе и другим [20].
На основе проведенных работ во ВНИИОБ были подобраны высокоэффективные гетерозиготные структуры для создания гибридов F1, в т.ч. d/+, u/+, j-2/+, gs/+, Tm/+ (Tm-2) и набором других генов устойчивости [13, 20]. Оценка созданного во ВНИИОБ гетерозисного гибрида Рекомбинант, имеющего генотип bls/+, ex/+, sp/+, Тт-2а/-, Ve/-, I/-, Mi/-, в конкурсном питомнике в весенних пленочных теплицах показала высокие потенциальные возможности данной генетической структуры. Его средняя за 2 года урожайность составила 16,0 кг/м2, что по общей товарной урожайности и массе плода существенно больше, чем у стандарта [13]. Интересно отметить, что по предлагаемому пути создания гибридов F1 с высокой насыщенностью мутантных генов с высокой КС в гетерозиготе в последнее десятилетие пошли ряд селекционеров. В частности, по нашим данным изучения расщепления F2 - F3 в зарубежном гибриде F1 Метаморфоза, кроме устойчивости к вирусам, используется гетерозиготность d/+, sp/+, bs/+; в F1 Illise, кроме 4 генов устойчивости к болезням используется гетерозиготность d/+, sp/+, o/+, rin/+.
Исследованиями отдела селекции и биотехнологии ВНИИОБ были также предложены программы создания структур гетерозисных гибридов, у которых в поколениях можно поддерживать гетерозистность генов за счёт удаления мутантных генотипов в фазе всходов до пикировки [9, 19]. В частности можно использовать тесно расположенные гены ro и aa (хр.2, локусы 50, 52) или nv(+Tm-2) и ah (хр.9, локусы 22, 24).
Наличие реципрокной транслокации у родительской формы не препятствует получению гетерозиса у гибридов томата и даже может придать дополнительное положительное качество плодам [10]. Например, у гибрида F1 от скрещивания сорта Волгоградский 5/95 с реципрокно -транслоцированной линией Т-1-11 (получена от Ch. М, Rick, США) зафиксирован гетерозис по ранней и общей урожайности. Создание реципрокно-транслоцированных линий определенной конструкции у томата, предложенного ВНИИОБ, может иметь важное значение в ускорении процесса селекции новых линий и сортов, улучшенных по определенным хозяйственно-ценным генам и сцепленными с ними блоками генов, особенно устойчивости к болезням [7].
Следует учитывать, что при создании гибридов F1 гетерозис у томата, как и у других пасленовых культур, проявляется независимо по разным признакам: у одних комбинаций он может проявляться по 11-13, а у других по 3 -5 признакам [6]. Подобное явление, хотя и в меньшей степени, может прослеживаться при моногибридном гетерозисе. Г етерозиготы по одним мутациям проявляют гетерозис по одной группе признаков, другие по другой [18].
Хотя моногенный и межсортовой гетерозис в результате селекции дает хорошую прибавку раннего и общего урожая в сравнении с родительскими формами, практика селекции линейных сортов паслёновых культур также показывает параллельные успехи по данным показателям. Одной из причин улучшения сортов по урожайности может быть закрепление в них процессе селекции гетерозистности мутантных и доминантных генов, например в форме аВ/Ав [19].
Методика изучения мутантных генов, их хозяйственной и селекционной ценности у пасленовых культур успешно применена нами и для изучения альбиносных мутаций. Признак хлорозности или альбинизма растений давно привлекает внимание учёных, в т. ч. как признак, способный проявлять гетерозис при использовании его в гибриде, например, у ячменя [45,46] и гороха [34].
Изучение гетерозиса у альбиносных мутаций и возможности использования в селекции пасленовых культур. Выделенные во ВНИИОБ альбиносные летальные мутации поддерживались путем размножения гетерозиготных растений. Расщепление индивидуального потомства представляло собой F2 (+/+ х ala/ala), где +/+ является сорт, выщепляющий всходовые альбиносы. Анализ расщеплений, как уже было показано, свидетельствует о моногибридном наследовании всех изученных генов летальной альбиносности всходов.
Изучение комбинационной способности генов альбиносности ala-1 - ala-tl-6 доказало высокую урожайность гетерозигот в сравнении с нормальными гомозиготами и позволило выявить ряд закономерностей [14]. Моногибридный гетерозис по общему и раннему урожаям у всех проанализированных ala-форм (№1 -№4) является устойчиво-положительным, и прибавка по общему и раннему урожаям достигает 36%. Преимущество гетерозиготы ala-1/+ над гомозиготой в двух опытах составило по общему урожаю 9,5-14,8%, раннему 16,1-30,3%. Анализ структуры
урожая показал, что превышение по общей урожайности в некоторых случаях может достигаться за счет увеличения количества кистей и связанных с ними количеством плодов. Преимущество гетерозиготы ala №2 по урожайности (35,6%) в сравнении с доминантной гомозиготой проявилось в основном за счёт количества кистей на растении и плодов на них, так как средний вес плода существенно снизился. Гетерозигота ala №3 превысила гомозиготу по общему урожаю на 36,1%, и при этом по массе плода на 10,8% (табл. 2).
На преимущества гетерозигот над доминантным гомозиготами по урожайным свойствам влияют агротехнические факторы, в частности срок посева. Более ранний посев F2 №1 х +/+) в наших опытах показывал превышение гетерозигот над гомозиготами в 1,5 по общему и почти в 2 раза по ранней урожайности в сравнении с поздним сроком.
Таблица2
Влияние гетерозиготности генов альбиносности на хозяйственно-ценные признаки растений в популяциях F2_________________________
Г енотип растений Б2 по данным
«
о
д
о
х
с
03
гг сс а н
8э
’я 03
% §'
^ Р а
^ Є й
н
д
аа сд и О о а се ч
а
о а
ос
1-і
О »
и й а ю ае Ч Н и о
03
тс
ее
т
с
К -Н
о н
Популяция Б2 (альбиносные х нормальные)
Г етерозигота (аіа № 2/+) 11 127,9 5,94 2,94 71„4 79,4 19,1
Г омозигота (+/+) 6 128,5 4,38 2,82 99,3 71,7 13,8
Превышение (+), уменьшение (-)гетерозигот, % -0,5 +35,6 +4,2 -28,1 +10,7 +37,7
Критерий существенности различий ^■05 Отеор^2,11) 0,19 2,59 0,14 2,40 0,58 2,04
Г етерозигота (аіа № 3/+) 27 108,7 6,18 1,79 77,7 80,4 21,7
Гомозигота (+/+) 14 108,1 4,54 1,32 70,1 81,3 21,7
Превышение (+), уменьшение (-) гетерозигот, % +0,6 +36,1 +35,6 +10,8 -1,1 0,0
Критерий существенности различий Ъ)5 Стеор>2,02) 0,15 2,80 1,33 1,02 0,20 0,0
Г етерозигота (аіа № 4/+) 32 111,4 6,84 2,46 106,5 67,5 19,1
Гомозигота (+/+) 12 106,1 5,94 1.98 116„7 56,5 15.0
Превышение (+), уменьшение (-) гетерозигот, % +5,0 +15,2 +24,2 -8,7 +19,5 +27,3
Критерий существенности различий Ї-05 (1теор>2,01) Попул яция Б2 (Л 1,95 иния ТМ] 1,58 1-1 х Лини 1,96 ія 184) 1,03 2,75 3,30
Г етерозигота (ala-tl № 6/+) 71 115,4 4,20 2,40 76,3 94,6 19,3
Гомозигота (+/+) 44 115,9 4,20 2,40 62,0 79,9 18,7
Превышение (+), уменьшение (-) гетерозигот, % -0,4 0,0 0,0 +23,1 +18,4 +3,2
Критерий существенности различий Ї-05 (1теор>1,98) -0,8 Опыт 2 0,0 0,0 2,6 4,5 0..87
Г етерозигота (ala-tl № 6/+) 37 114,9 4,00 2,22 76,9 97,7 19,5
Гомозигота (+/+) 20 116,0 3,60 2,28 60,2 84,9 18,8
Превышение (+), уменьшение (-) гетерозигот, % -1.0 +11,1 -2,6 +27,7 +15,1 +3,7
Критерий существенности различий Ї-05 Стеор>2,00) 1,05 0,69 0,17 2,11 2,60 0,87
Подобное влияние также отмечено и при изучении комбинации гибрида (линия ТМН-1*Линия 184). Достоверное удлинение периода от массовых всходов до начала созревания (на 5 дней) отмечено только у гетерозигты по летали №4. Гетерозиготность по летали у форм №2 и 4 вызывает увеличение высоты растения, причем в последнем случае высокодостоверно.
У альбиносного гена 11 (а1а-11 №6) изучалась общая комбинационная способность по общему и раннему урожаям на фоне разнообразия расщепляющихся геномов F2 (линия ТМН-1*Линия 184). Для гетерозиготы 11/+ характерен гетерозис по массе плода. Увеличение её урожайности в сравнении с доминантной гомозиготой отмечено при более раннем посеве, что и следует использовать в селекции.
Таким образом, у гетерозигот по леталям может проявляться высокая степень гетерозиса по общему и раннему урожаям, массе плода, количеству плодов и кистей, а также высоте растения. Моногенно наследуемая альбиносность может влиять в F1 как на отдельный признак, так и на комплекс их.
Аналогичные трехлетние исследования ВНИИОБ, проведенные по баклажану в 1984-1986 г.г., подтвердили отмеченную особенность гетерозигот по альбиносной летали в сравнении с исходным сортом, в котором возникла мутация. Подробно были изучены альбиносные всходы, обнаруженные в выравненной линии сорта Голубок. Безхлорофильные всходы появились одновременно с нормальными, но через 10-12 дней заметно отставали в росте и усыхали на 15 -25 день. Расщепление в линии баклажана было 17 а1а/а1а х 200+/+ . Потомства по 60-100 растений F2 изучали на расщепление в F3. На 10-11 день определили число расщепляющихся и нерасщепляющихся потомств. Оно оказалось 37а1а/+: 18+/+, что почти полно соответствует моногибридному расщеплению. Всхожесть альбиносов оказалась значительно сниженной. Оценка гетерозиготных по гену альбиносности растений в сравнении с нормальными гомозиготами у баклажана сорта Голубок показала, что гетерозиготы превышают по общей урожайности на 32,8 -71,8% или в среднем на 52,3%, по количеству плодов -18,3% и средней массе плода -33,8%. Кроме урожайных признаков гетерозигота а1а/+ у баклажана увеличивала усилие отрыва плода от растения на 8,4% и длину плодоножки на 10,8%. Длина плода индекс его формы, диаметр плодоножки практически не отличались от генотипа +|+ [31].
Получение и изучение F1 от скрещивания сортов с альбиносными мутантами и их хозяйственная ценность. В результате восстановления репродуктивной способности альбиносных мутантов были получены гибриды F1 от их скрещивания с нормальными растениями других сортов, а также гибриды от скрещивания родительских мутантов, оба из которых являются альбиносными леталями.
При восстановлении вегетативного и генеративного развития альбиносных летальных растений различные альбиносы при прививках вели себя по-разному. Отдельные линии вначале образовали цветочные кисти с редуцированными цветками, представленными только чашелистиками, и только на 5 -6 месяц на образующихся кистях вырастали нормальные цветки с нормально развитыми пыльниками и фертильной пыльцой. У баклажана отобранный альбиносный мутант, будучи привитым, на подвой во время роста формировал зеленые листья, нормальные цветки с фертильной пыльцой. В случаях использования мутантов а1а/а1а в качестве отцовского родителя все скрещивания проводили с изоляцией цветков ваткой после кастрации, и после опыления.
В зависимости от комбинаций скрещивания число завязавшихся семян было различным и чаще составляло 25 -215 в одном плоде. По тем комбинациям, по которым число семян оказалось небольшим, были проведены наблюдения за ростом и развитием, показавшим, что все гибриды F1 на основе альбиносов №1 -6 развиваются нормально, образуя цветки, плоды и семена. У некоторых из гибридов особенно с участием летали №4, имевшей генотип ё,_],Ьк, масса плода составляла 150 г, урожай с растения достигал 3-3,8 кг.
По тем комбинациям, по которым число семян было достаточным, проводили изучение гибридов в контрольном питомнике, а при большом их запасе лучшие гибриды испытывали в конкурсном питомнике. В таблице №3 показаны результаты изучения хозяйственно-ценных признаков у гибридов F1, полученных с участием селекционной альбиносной линии а1а-11 №6. Селекционная линия этого мутанта ТМН-1А имеет длинностолбчатые цветки и при опылении без кастрации завязывает более 70% плодов от числа опыленных цветков, в каждом из которых не менее 50 семян, а в среднем -134 семени. Единичные негибридные материнские растения 11/11 в F1 самоустраняются в фазе всходов. Исследования хозяйственно -ценных признаков в контрольном и
конкурсном питомнике, проведенное по методике Государственного сортоиспытания показало, что по общему и товарному урожаю гибриды на альбиносной основе по лучшим комбинациям превосходят районированные сорта Ранний 83 и Волгоградский 5/95. По хозяйственной скороспелости - урожаю за месяц плодоношения - лучшие гибриды также имеют преимущество перед стандартами. Особенно выделился гибрид от скрещивания альбиноса а1а41 №6 с сортом Эврика [14].
Растрескиваемость плодов у гибридов невысокая, особенно от скрещивания летали с прочноплодным сортом Моряна. Гибрид устойчиво превосходит по урожайным свойствам сорт Ранний 83. Средняя масса товарных плодов у гибридов составила 70 -79 г, что позволяет использовать их для консервирования и салатных целей. Оценка качества таких плодов свидетельствует о высокой и хорошей (не ниже стандартов) пищевой ценности и хороших химико-технологических показателях (табл.3,4). По комплексу признаков гибрид Б1 (а1а №6 х Моряна) превосходит стандарт Ранний 83, а гибрид Б1 (а1а №6 х Эврика) оба стандарта [14].
Таблица 3
Результаты сортоиспытания гибридов, полученных с использованием _____________________альбиносных родителей
Г ибрид,сорт
о
а
5 К
и
3
б
О
п
о
р
5 К
д
6
03
о
Н
о
р
А
т
& 8 « 2 о я
Н
л
и
а
со д
53 5 В
* I
од ^ °
I О4
ей
03 03
ио
&
с
о
&
о <и сЗ 63 Рч К
У,
3 и
<и
4 <и СО
0х
«
о
д
о
ч
а
СЗ
д
<и
р
О
о
ч
а
о
и
о
«
д
о
Контрольный питомник № 1
Б1 (а1а-И №6 х Эврика) 491 482 98 162 3,7 0,5 79
Б1 (а1а-И №6 х Моряна) 386 361 93 112 2,2 3,3 70
Ранний 83 335 304 91 119 4,2 2,5 77
Волгоградский 5/95 433 353 82 139 3,1 4,8 73
т=4,7%; НСР05=57,7 ц/га Контрольный питомник № 2
Б1 (а1а41 .№6 х а1а №1) 626 544 87 159 6,4 —
Новинка Приднестровья 582 508 87 62 1,3 —
Волгоградский 5/95 544 490 90 115 5,8 —'
71
29
93
т=7,7%; НСР05=155,8 ц/га Конкурсное испытание
Б1 (а1а-И №6 х Эврика) 703 686 98 232 0,8 1,7 73
(а1а41 №6 х а1а №1) 603 577 96 199 1,5 3,0 90
Ранний 83 479 448 93 172 3,7 4,4 82
Волгоградский 5/95 485 461 95 155 1,8 2,5 88
т=2,2%;НСР05=32,9ц/га
Таблица 4
Характеристика качества плодов у гибридов
Гибрид,сорт
н
н
ион
циа
б
т с,
у ,а
гк е нк
^ О
ц
о
Содержание сухого вещества, % На сухое вещество
по рефрактоме тру метод высушиван ия сумма сахаров, % кислота, %
03
о
н
и
б
р
о
к
с
%
г
н
и
т
о
роа
аК
а
к
о
с
Н
р
Б1 (а1а-И №6 х Эврика) Б1 (а1а-И №6 х Моряна) Ранний 83
Контрольный питомник № 1
4,50 4,60 5,82 2,60 0,41 18,78 0,37
4,25 4,60 5,94 2,63 0,40 13,94 0,34
4,15 3,80 4,66 1,39 0.42 10,30 0,44
Волгоградский 5/95
Б1 (a1a-t1 №6 х а1а №1) Новинка Приднестровья Волгоградский 5/95
14,90 | 4,60 15,54 | 2,70
Контрольный питомник № 2
0,44 22,81 — —
4.3 4,0
4.4
6.90
6,21
6,72
8,44
7,80
8,20
4,30
3,55
4,12
0,64
0,64
0,56
19,00
13,19
24,81
0,60
0,41
0,61
Конкурсное испытание
4.2
4.2
4.3
Б1 (а1а-И №6 х Эврика) 3,70 4.50 5.78 2,74 0,34 24,28 0,40 4,1
Б2 (а1а-й №6 х а1а №1) 3,20 5,08 5,92 2,11 0,34 12,51 0,44 4,0
Ранний 83 3,20 3,80 5.08 2,11 0,46 12,51 0,46 4,0
Волгоградский 5/95 4,20 5,00 5,76 3,06 0,46 23,18 0,51 4,0
Изучение гибрида баклажана Б1 (Белоплодный х а1а/а1а) показало его преимущество по общей урожайности над сортом на 32,8% (7,21 против 5,42 кг/м2). Гибрид Б2 этой комбинации представлял фенотипически однородную популяцию по комплексу признаков, поэтому его испытывали в конкурсном питомнике в сравнении с высокоурожайным стандартом Алмаз. Выщепившиеся альбиносные летальные растения самоустранились в фазе рассады. Данные испытания такой популяции показали, что она превосходит стандарт по общему (57,6 против 51,4 т/га) и раннему (37,4 против 33,7 т/га) урожаям [31]. Метод использования гибридов Б2 применим и для выращивания высокоурожайных гибридов томатов и перцев. Две третьих гетерозигот в выращиваемой популяции могут обеспечить заметную прибавку урожая. При этом семена Б2(мутант а1а х исходный сорт) можно в достаточных объёмах выращивать и без восстановления развития альбиносов и получения Б1.
Получение и изучение гибридов томата F1, у которых обе родительские формы являются альбиносными леталями. Отделом селекции и биотехнологии ВНИИОБ были составлены программы создания самовоспроизводящихся гетерозисных гибридов Б1 во втором и последующих поколениях на основе использования двух рецессивных генов,. Если рецессивные гены у разных аллельных линий одного и того же урожайного сорта расположены в одной хромосоме на близком расстоянии (1 -3 сМ), то скрещивание между ними дает нормальный гетерозиготный по двум генам генотип. Такую гетерозиготу можно поддерживать в Б2-Р3 и последующих поколениях, выбраковывая в каждом поколении хорошо отличимые в фазе всходов и рассады гомозиготные рецессивные мутантные растения. Из -за «отталкивания» близких локусов при наследовании признаков расщепление всегда будет повторяться 25%+25% рецессивные растения и 50 гетерозиготы. Использование таких гибридов в случае браковки всходов по рецессивным генам, например, по ранее упомянутым аЬ и пу или го и аа до пикировки рассады может быть экономически оправданным в сравнении с обычным сортом, если учесть, что стоимость семян Б1 пасленовых культур в десятки раз выше сортовых. Путем периодической (1 раз в 3 -4 года) проверки потомств доминантных растений можно очищать дигетерозиготные линии от кроссоверных негибридных растений.
Более эффективно описанная программа может быть осуществлена на дигетерозиготах по альбиносным летальным генам. Если у высокоурожайного сорта получить две аллельные линии, каждая из которых несет неаллельный ген альбиносной всходовой летальности, но локализованных близко в гомологичных хромосомах, то саморазмножаемый нерасщепляющийся гибрид можно было бы выращивать как рассадным, так и безрассадным способом в открытом грунте безо всяких браковок. Варианты поиска разного типа альбиносных летальных мутантов, в т.ч. восстанавливаемых витаминами и другими веществами, для этой программы уже были предложены ВНИИОБ [9, 14]. Методика локализации генов альбиносной летальности на генетической карте и определения расстояния между такими генами разработана и описана в изданной монографии [22].
Исходя из наличия имеющихся альбиносных летальных линий, представляло интерес изучение возможности получения и оценки хозяйственной ценности гибридов Б1 хотя бы в вариантах неаллельных альбиносных мутаций родителей. Такая близкая модель позволяет на практике изучить и проверить все основные элементы предложенной схемы селекции и ее возможный результат.
При проведении скрещиваний альбинос №6 (tl) использовали в качестве материнской формы. Репродуктивную способность летали ala-tl №6 восстанавливали подкормками витамина В1. У альбиносной летали №1 (ala) восстанавливали репродуктивную способность прививкой и использовали ее пыльцу для опыления. Из восьми опылений завязалось семь плодов с 26-185 семенами. Изучение гибридов F1 в контрольном питомнике показало их однородность, хороший рост и развитие. По общему и товарному урожаям гибрид F1 (ala-tl-№6 х ala-№1) превзошел сорт Волгоградский 5/95 соответственно на 13 и 11%, а ранний урожай гибрида был выше стандартов на 14-26%. По химическому составу плодов межальбиносный гибрид имел значительное преимущество над лучшими районированными сортами по содержанию сухих веществ, сумме сахаров и находился на уровне лучшего стандарта по остальным качествам, в том числе и дегустационным (табл. 3,4).
Завязываемость семян в плодах гибридов F1 очень высокая, что позволяет получать неограниченное их количество для дальнейших опытов. В F2 гибрид расщепляется. Альбиносные летальные гомозиготы самоустраняются (1/16), а из оставшихся нормальных растений подавляющее большинство составляют моно- и дигетерозиготные гибриды (около 94%) и гомозиготные нормальные растения (чуть более 5%). Изучение такой гетерозиготной популяции F2 (ala-tl №6 х ala №1) в конкурсном питомнике показало ее высокую урожайность и достаточную выравненность. Достоверное превышение над районированными сортами по общему урожаю составило 24%, а товарному и раннему - соответственно более 25 и 15%. По содержанию сухих веществ гибрид F2 превосходит стандартный сорт Ранний 83, а по остальным химическим показателям был на уровне раннеспелого сорта. Проведенные исследования показали, что гибриды, полученные с использованием альбиносных мутантов имеют преимущества перед районированными сортами по комплексу хозяйственно-ценных признаков и могут быть использованы в производстве для выращивания товарной продукции [14].
Явление неполного альбинизма. В нашей многолетней селекционной практике обнаружился один мутант с необычной неполной альбиносностью растения. Из 2800 растений линейного сорта Ранний Ora было обнаружено 3 растения. До образования 5 -7 листьев мутантное растение имеет нормальную зеленую окраску. Позже нижние, но не верхние листья становятся светлыми и белыми. Из 8-10 формируемых на растениях листьев 4-5 в верхних ярусах сохраняются зелеными. Нижние светлеют и становятся альбиносными. Плоды вызревают только до светло-розовой окраски. Мякоть желтоватая, семена нормально сформированы. Признак представляет собой «несозревающий» мутант. Растения от скрещивания (мутант х исходный сорт) в F1 не отличались от растений Ранний Ora, а в F2 отмечено расщепление 23:7, 19:6, 14:6 (х2=0,01-0,27), что соответствует моногибридному расщеплению. Неполно альбиносный рецессивный мутант предложено обозначить lanr (lower leaves allino and fruit not ripening) [41]. В потомстве полуальбиносного мутанта встречались ревертанты 2 на 130 растений.
Явление почти полного альбинизма. В 2013 г. в линии томата №105 было отмечено появление трех растений с альбиносными семядолями с частотой 1:150 (или 0,67%). Несмотря на желтую окраску семядолей, растения развивались. Рассаду высадили в грунт. Два растения образовали нормальных размеров надземную массу и обычные для сорта плоды. Растение №3 оказалось стерильным. Все 3 растения были почти полностью желто -белой окраски со следами хлорофилла в конечных пластинках листа и светло зеленоватых приземных листьях. Несмотря на то, что содержание хлорофилла в растениях было в сотни раз меньше, чем у обычных, мутанты №1 и №2 образовали товарные плоды соответственно в количестве 18 и 27 общим весом 1,89 и 2,56 кг/раст. Плоды хорошо выполненные тускло красной окраски. Семена светлые и в 1,3 -1,5 раза мельче исходных не мутантных. Семена выполненные, но всхожесть и энергия существенно снижена. У исходного образца №105 была проанализирована родословная за предыдущие поколения выращивания. Оказалось линия 105 (в конкурсном №3) является потомством линии F4 зарубежного гибрида Классик, которая в поле при поздней посадке в 2009 г. проявила 100% -поражение плодов вирусным пятнистым желтым некрозом томата (ПЖНПТ). Вирус ВПЖНПТ оказался неинфекционным, т.е. интергеномным и передавался потомствам, находясь в латентном состоянии [26]. Болезнь томата проявилась в стрессовых условиях - высокой температуры воздуха
(1 +40-44С) и прогрева почвы в дневные часы (до 65С). Эта же линия в 2009г. и её потомства в других агротехнических условиях выращивания не проявляли симптомов болезни, но в ней ежегодно фиксировали мутации.
Таким образом, три возникших почти полностью альбиносных мутанта имеют наиболее вероятную причину присутствие в геноме томата латентного вируса ВПЖНПТ, который нарушает геномный баланс растения, вызывая мутации в каждом поколении выращивания. Совершенно необычное сочетание отсутствия хлорофилла (или уменьшение его количества в сотни раз) и формирование нормального размера надземной массы и урожая товарных плодов, подобного нормальным растениям исходного образца, заставляет задуматься над вопросом: не
преувеличивается ли роль хлорофилла в формировании урожая в высокотемпературных условиях (35-45С)?
Возможные причины появления альбиносных мутаций. Мутации у растений, как известно, возникают под влиянием химических и физических воздействий, различных экстремальных факторов среды. На паслёновой культуре томата в исследованиях ВНИИОБ было отмечено мутагенное влияние мобильных генетических элементов (МГЭ) - вирусного поражения [26], ретротранспозонов [30], перемещения транспозонов [27, 28], а также обнаружено возникновение мутаций у трансгенных растений [23]. Изменения генома обычно проявляют себя в форме точковых мутаций генов, делеций, вставок, дупликаций и других структурных изменений.
Альбиносные летальные мутации в наших опытах связаны либо с точковыми мутациями генов, либо с делециями фрагментов хромосом. В обоих случаях должно отмечаться моногибридное расщепление. Однако точковые мутации, как правило, не ведут к летальности. Поэтому происхождение каждого из приведенных в опытах летальных альбиносных мутантов а1а №1 -а1а41-6 и других у томата и а1а у баклажана, наиболее вероятно имеет причиной определенную делецию одного из десятков генов путей синтеза хлорофилла. Такой процесс может происходить в результате неравного кроссинговера, когда в одном аллельном локусе оказывается делеция, а в другом дупликация локуса хромосомы. Последняя может приводить к улучшению селектируемого признака [ 29].
Известно, что делеции даже малых фрагментов хромосом ведут к летальности эукариот [33, 38]. У томата при микроделециях выживают и нормально плодоносят только гетерозиготы, а гомозиготы гибнут. Размер летального локуса (делеций) и его локализации, несомненно, могут влиять на характер проявления признака. Делеции нередко возникают при неравном кроссинговере. В этом же рекомбинационном процессе возникают и дупликации генов, которые могут быть полезны в селекции [29].
Случай неполного альбинизма (ген 1апг) мы связываем с перемещением МГЭ, в частности транспозонов, при котором появляющиеся рецессивные точковые мутации практически всегда не нарушают развитие растений до семян. В пользу этого вывода служат два факта: 1) одновременное появление двух рецессивных мутаций признаков, не нарушающих жизненность растений, -неполной альбиносности, и мутации типа пог-несозревающий мутант. Такое явление нередко свойственно перемещению транспозонов; 2) в потомстве неполного альбиноса зафиксировано появление ревертантов нормальных по хлорофиллу листьев (2:130). Это одна из характерных особенностей перемещений МГЭ, т.к. обратные точковые мутации происходят чрезвычайно редко и значительно реже самих мутаций.
Случай проявления почти полного альбинизма также, по-видимому, связан перемещением МГЭ, так как в геноме исходной линии было ранее отмечено проявление интергеномного вируса ВПЖНПТ.
Заключение
Таким образом, в результате более 35 -летних исследований проведенных во ВНИИОБ по изучению альбиносных мутаций у томата, перца и баклажана выявлен ряд биологических закономерностей.
У пасленовых культур возникают разные формы альбиносных мутаций, в числе которых:
- альбиносные летальные мутанты, проявляющиеся в период всходов и гибнущие в течение 10-25 дней;
-химерные растения с одним мутантным альбиносным стеблем; - неполные альбиносные растения, у которых формируется 1/3-1/2 яруса листьев без хлорофилла, а остальная - сохраняется зеленой;
- почти полно альбиносные желто-белые растения, у которых количество хлорофилла, начиная со всходов и до формирования взрослого растения, уменьшено в сотни раз. Однако при этом они развивают нормальных размеров надземную массу и урожай плодов.
Обнаружено и описано явление компенсации синтеза недостающих продуктов метаболизма и восстановления репродуктивного развития у организмов с генетической альбиносной летальностью при выращивании прививочных химер. На основании открытого явления разработаны четыре изобретения его использования, в т.ч. - метод восстановления альбиносных леталей до развития надземной массы и генеративных органов, а также метод выращивания альбиносных декоративных растений. В числе изобретений:
- способ получения гибридов Б1 у которых в качестве одного из родителей используется альбиносная летальная форма;
- способ селекции гибридов Б1, у которых обе родительские формы являются альбиносными летальными растениями;
- способ получения гетерозиса у самоопыленных гибридов Б2-Р3.
Разработаны методы получения и изучения использования саморазмножающихся гибридов Б1 на основе применения всходовых однохромосомных неаллельных мутаций, гены которых расположены в гомологичных хромосомах в одном небольшом локусе.
Изучено наследование шести хлорофильных мутаций в Б2- Б3 и показано, что все они наследуются по моногибридному типу. Доказано, что они проявляют гетерозисный эффект по хозяйственно-ценным признакам. Лучшие из гибридов томата и баклажана с участием альбиносного родителя в контрольном и конкурсном питомнике достоверно превосходят по хозяйственной ценности стандартные сорта. Впервые также получены гибриды Б1, у которых оба родителя являются альбиносными леталями. Такие гибриды в конкурсном испытании показали высокую хозяйственную ценность и возможность использования гетерозиса в Б2- Б3. Гибриды на основе использования альбиносных летальных форм не требуют сортопрочистки, т.к. случайные негибридные растения самоустраняются в фазе всходов. Предложены генетические структуры и программы создания нерасщепляющихся гетерозисных гибридов Б1 на основе альбиносных мутаций.
Основной причиной возникающих альбиносных летальных мутаций предполагаются делеции генов, управляющих путями синтеза хлорофилла. Неполно и почти полно хлорофильные мутации, по-видимому, могут возникать в результате проявления активности мобильных генетических элементов, в т.ч. интрогеномных вирусов.
Рис. 1. Мутантные альбиносные всходы. Появляются в потомстве гетерозиготного растения.
Рис. 2. Восстановленный альбиносный мутант 11 11. После прекращения подкормки витаминов В1 верхние листья и
стебель становятся белыми.
Рис. 3. Привой - выросший побег альбиносного растения на нормальном подвое.
Рис.4.Альбиносное растение.возникшее в линии гибрида Классик. Содержание хлорофилла в сотни раз меньше, чем у обычных растений.
Литература
1. Авдеев А.Ю. Характеристика спонтанных мутаций томата в сравнении с исходными формами// Матер. 6-ой н.-п. конф. молод. учёных и аспирантов. ВНИИОБ. Астрахань. 2008. С.6-9.
2. Авдеев А.Ю. Селекция томата для разных целей использования, классификация сортов и технологии выращивания в Нижнем Поволжье. Астрахань. 2012. 210с.
3. Авдеев А.Ю., Авдеев Ю.И., Иванова Л.М., Кигашпаева О.П. Метод селекции томата с малиновыми плодами, обладающими высокой устойчивостью к растрескиванию// Матер. межд. н.-п. конф. «Орошаемое овощеводство и бахчеводство в развитии адаптивно-ландшафтных систем юга России. РАСХН-ВНИИОБ. Астрахань. 2012. С.76-78.
4. Авдеев А.Ю., Катакаев Н.Х. Биотехнология выращивания альбиносных декоративных растений// Матер. межд. конф. «Экокультура и фитобиотехнология улучшения качества жизни на Каспии. АГУ. Астрахань. 2010. С.371-372.
5. Авдеев Ю.И. Стерильный длинностолбчатый мутант томата.// Сборник научных трудов ВНИИОБ «Овощные и бахчевые культуры». Астрахань. 1970. С.80-82.
6. Авдеев Ю.И. Гетерозис и комбинационная способность сортов томатов в условиях Астраханской области.// Сборник научных трудов ВНИИОБ. Астрахань. Вып. 11.1974. С.54.
7. Авдеев Ю.И. Цитогенетическая программа, позволяющая создать новый инструментальный метод целенаправленной селекции.// Генетика. Т. XV. №3.1979. С.464-469.
8. Авдеев Ю.И. Явление моногибридного гетерозиса у томатов.// Цитология и генетика. Т. 14. №4. 1980. С. 7476.
9. Авдеев Ю.И. Цитогенетическая программа создания однородной самовоспроизводящейся гетерозиготности гибридов в поколениях на примере томатов.// Генетика. Т. 16. №10. 1980. С. 1844-1855.
10. Авдеев Ю.И. Парные реципрокные транслокации и некоторые возможные варианты их применения в селекции томатов.// Известия Академии наук СССР. Серия биологическая. №5. 1981. С. 665-671.
11. Авдеев Ю.И. Способ получения гетерозисных семян овощных культур. Авт. свид. №906458 от 21.01.1981. Бюллетень №7. 1982.
12. Авдеев Ю.И. Способ преодоления летальности растений. Авт. свид. №912120 от 16.11.1981. Бюллетень №7.
1982.
13. Авдеев Ю.И. Рекомбинация рецессивных генов в гетерозиготе и урожайные свойства томатов.// Адаптация и рекомбиногенез у культурных растений. Тез. докл. Молд. респ. конф. АН МССР. Кишинев. 1982. С.96.
14. Авдеев Ю.И. Генетические особенности летальных мутаций и перспективы их использования в селекции на примере томатов.// Генетика. Т. 19. №11.1983. С. 1876-1885.
15. Авдеев Ю.И. Летальные мутации и селекция гетерозисных гибридов у томатов.// Цитология и генетика. №3.
1983. С. 55-59.
16. Авдеев Ю.И. Способ получения гетерозиса у самоопыленных гибридов Б3. Авт. свид. №110379 от 15.03.1984.
17. Авдеев Ю.И. Способ получения гибрида томата. Авторское свидетельство №1152551 от 03.01.1985.
18. Авдеев Ю.И. Моногетерозис и комбинационная способность некоторых мутантных генов.// Цитология и генетика. Т.20. №3. 1986. С. 201-206.
19. Авдеев Ю.И. Гетерозис и возможности его закрепления у сортов самоопылителей.// Сб. «Гетерозис сельскохозяйственных растений» Матер. докл. и сообщений. Международный симпозиум. 1997.
20. Авдеев Ю.И. Некоторые подходы в селекции гетерозисных гибридов.// Сб. «Гетерозис сельскохозяйственных растений». Матер. докл. и сообщений. Международный симпозиум .1997.
21. Авдеев Ю.И. Явление компенсации синтеза недостающих продуктов метаболизма и восстановления вегетативного и репродуктивного развития у организмов с генетической (альбиносной) летальностью при выращивании прививочных химер// Сб. Теоретические и прикладные исследования по овощным культурам. Астрахань. 2004. С. 66-70.
22. Авдеев Ю.И. Генетический анализ растений. Астрахань. 2004. 378 с.
23. Авдеев Ю.И., Щербинин Б.М. Трансгенные растения и мутационный процесс.// Материалы II Международной научной конференции «Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии». М. 2000. С. 196-198.
24. Авдеев Ю.И., Авдеев А.Ю., Иванова Л.М., Кигашпаева О.П. Использование спонтанных мутаций в селекции пасленовых культур.//Астраханский вестник экологического образования №4 (22). 2012. С.162-173.
25. Авдеев Ю.И., Иванова Л.М., Кигашпаева О.П. Селекция томата с малиново -окрашенными плодами, обладающими высокой устойчивостью к растрескиванию.// Межд. н.-п. конф. «Аграрная наука--основа успешного развития АПК и сохранения экосистем». Волгоград. 2012. С.8-10.
26. Авдеев Ю.И., Авдеев А.Ю., Иванова Л.М., Кигашпаева О.П. Вредоносные вирусы на томатах в Астраханской области //Вестник РАСХН. №1. 2013.С.49-52.
27. Авдеев Ю.И., Авдеев А.Ю. Генетическое обнаружение транспозонов половых клеток у спонтанных мутантов 8о1апиш Ьусорегасиш Ь.// Астраханский вестник экологического образования №2(24). 2013. С.103-110.
28. Авдеев Ю.И., Авдеев А.Ю.Спонтанный мутационный взрыв в потомстве двукратного мутанта 8о1апиш Ьусорегасиш Ь.//Селекция на адаптивность и создание нового генофонда. IV Квасниковские чтения. Межд. н.-п. конф. Матер. докл. и сообщений ВНИИО. М. 2013. С.7-14.
29. Авдеев Ю.И., Авдеев А.Ю., Кигашпаева О.П. Отбор предполагаемых дупликаций и мультипликаций полезных генов - путь улучшения хозяйственных и биологически-ценных признаков растений// Матер. 2-ой межд. н.-п. конф. «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы. ВНИИССОК. М. Т.2, 2010. С.41-45.
30. Авдеев Ю.И., Кигашпаева О.П., Авдеев Ю.И. Явление спонтанного горизонтального переноса или миграции гена растений, локализованного на генетической карте// Матер. межд. н.-п. конф. «Современное состояние и перспективы развития агрономической науки». Пос. Персиановский. Т.1. 2007. С.76-78.
31. Алексеева В.С. Летальная альбиносность баклажана и возможности ее использования//Сб. научных трудов ВНИИОБ. Астрахань. 1988. С.
32. Беляев Д.К., Евсиков В.И., Шумный В.К. Генетико-селекционные аспекты проблемы моногенного гетерозиса //Генетика. №12. 1968. С.47-52.
33. Брюбейкер Д.Л. Сельскохозяйственная генетика. М. Колос. 1966. 220 с.
34. Вершинин А.В. О природе генов, формирующих гетерозисный эффект на основе хлорофильной мутации у гороха и вероятный механизм этого эффекта //Сб. структурно-функциональная организация генома эукариот. Новосибирск. Наука. 1979. С.5.
35. Даскалов Х., Михов А., Минков И. и др. Гетерозис и его использование в овощеводстве. М Колос.1978. 64с.
36. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М. Колос. 1979. 412 с.
37. Лакин Г.Ф. Биометрия. М. Высшая школа. 1973. 343 с.
38. Ригер Р., Михаэлис А. Генетический и цитогенетический словарь. М. Колос. 1967. 607с.
39. Чулков Н.И. Селекция томатов в условиях Волго-Ахтубинской поймы. Автореф. дисс. докт. с.х. н. Л. 1965. 74 с.
40. Avdeyev Y.I. The lethal mutant of tomato. Report of the tomato genetics cooperative. №29. 1979. P.21.
41. Avdeyev Y.I. A spontaneous mutant with lower leaves albino and non-ripening fruit// Report of the tomato genetics cooperative. USA. №47. 1997. Р.6.
42. Avdeyev Y.I, Avdeyev A.Y. The spontaneous mutational burst, which has captured genes of six chromosomes Solanum Lycopersicum L. Intern. journ. of applied and fundamental research. Issue 2. 2013. www. science-sd-com.
43. Avdeyev Y.I., Kigashpaeva O.P., Avdeyev A.Y. Mutation of fruit diameter// Report of the tomato genetics cooperative. N53. 2003. P.7-8.
44.Boynton J.K. Thiaminless mutant of tomato. Hereditas. V.56.
45.Gustafson A. The effect of heterozygosity on variability vigor //Hereditas. №32. 1946. Р.236.
46.Gustafson A,, Nybon N.,Wettstein V. Chlorofile factor and heterosis in barley/ Hereditas.V.6. 1950. 383.
