CC BY
21
УДК 575.153
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОИ МУЖСКОЙ СТЕРИЛЬНОСТИ НА ВЫРАЖЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ У ПОДСОЛНЕЧНИКА
© 2011 г. А.В. Усатов1'2, М.А. Тихонова2, В.Т. Рожкова3, В.А. Гаврилова4, Н.В. Маркин2
1Южный федеральный университет, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов н/Д, 344006, decanat@bio. sfedu.ru
1Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, decanat@bio. sfedu.ru
Научно-исследовательский институт биологии Южного федерального университета, пр. Стачки, 194/1, г. Ростов н/Д, 344090, niib@sfedu.ru
Scientific Research Institute of Biology of Southern Federal University, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, niib@sfedu.ru
3Кубанская опытная станция Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства РАСХН, ул. Центральная, 2, п. Ботаника, Гулькевичский район, Краснодарский край, 352183
3Kuban Experiment Station of Research Institute of Plant Industry, Centralnaya St., 2, Botanica, Gulkevich District, Krasnodar Region, 352183
4Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства РАСХН, ул. Большая Морская, 42, г. Санкт-Петербург, 190000
4Research Institute of Plant Industry, Bolshaya Morskaya St., 42, Saint-Petersburg, 190000
Проведен сравнительный анализ формирования хозяйственно ценных признаков у инбредных линий подсолнечника на основе 3 типов цитоплазмона: одного фертильного и двух стерильных типа РЕТ1 и ШОО. Определено разнонаправленное влияние различных типов цитоплазм на хозяйственно ценные признаки. По результатам проведенного исследования выделен наиболее перспективный ЦМС аналог для использования в селекции гетерозисных гибридов.
Ключевые слова: подсолнечник, цитоплазматическая мужская стерильность, инбредные линии.
This article deals with the inbred lines of sunflower based on two CMS sources, PET1 and RIG0. Various effects of different cytoplasms on main agronomic traits were determined. As a result of this study, the most prospective CMS analogue was designated for future use in breeding programs.
Keywords: sunflower, cytoplasmic male sterility, inbred lines.
Одна из первых научных школ генетиков на юге России, основанная И.Ф. Лященко в Ростовском университете, неразрывно связана с подсолнечником как объектом фундаментально-прикладных исследований взаимодействия геномов ядра и клеточных органелл [1]. В 1940 г. 2 статьи И.Ф. Лященко [2, 3] были представлены Н.И. Вавиловым. Ценность данных статей определялась, во-первых, открытием нового объекта для проведения этих исследований - подсолнечника, во-вторых, обнаружением спонтанных мутантов по хлорофильной недостаточности и, в-третьих, проведением кропотливого анализа для доказательства цитоплазматической природы исследуемого признака [1]. За короткий период с середины 60-х гг. XX в. (восстановление генетики как науки в нашей стране) И.Ф. Лященко подготовил десяток кандидатов наук, среди которых лучшие - Ю.Д. Белецкий и Е.П. Гуськов - начали создавать уже собственные школы. Так, на основе открытого Ю.Д. Белецким метода [4], позволяющего в сотни раз ускорять получение цитоплазматических мутантов у растений, в Ростовском университете создана уникальная коллекция вне-ядерных мутантов подсолнечника. На базе исследований генетических последствий действия повышенного давления чистого кислорода на организмы, проводимых под руководством Е.П. Гуськова, продемонстрирован на подсолнечнике его мутагенный эффект.
Подсолнечник (Helianthus annuus L.) среди масличных сельскохозяйственных культур занимает одно из первых мест в мире как по посевным площадям, так и по востребованности в народном хозяйстве. В современном производстве в основном выращивают гетерозисные гибриды подсолнечника, полученные на основе цито-плазматической мужской стерильности (ЦМС) типа РЕТ1, открытой у межвидового гибрида Helianthus petiolaris L. ^H.annuus L. П. Леклерком в 1966 г. [5, 6]. В то же время селекционеры продолжают интенсивный поиск новых источников ЦМС, пригодных для создания промышленных гибридов [7 - 9]. Мужскостерильные цитоплазмы внедряют в инбредные линии методом многократного беккроссирования. В связи с тем, что их число постоянно увеличивается, изучение влияния стерильных цитоплазм на формирование количественных признаков культурных линий подсолнечника представляет большой интерес. Ранее проведенные исследования выявили как позитивные, так и негативные эффекты различных типов цитоплазм на хозяйственно ценные признаки подсолнечника [10 - 13]. В связи с этим целью работы является исследование влияния 2 типов стерильных цитоплазм (РЕТ1 и RIG0) на формирование морфофизиологических признаков инбредных линий подсолнечника.
Материалы и методы
Исследования проводили на полях Кубанской опытной станции ВНИИР им. Н.И. Вавилова в 2009 г. Для анализа были отобраны 2 инбредные линии на основе ЦМС РЕТ1 селекции Всероссийского института расте-
ниеводства: ВИР 109 и ВИР 151 (15-го и 18-го поколения инцухта). Путем 8-кратного беккроссирования исходного образца со стерильной цитоплазмой на основе H. rigidus с использованием пыльцы фертильных аналогов ВИР 109 и ВИР 151 получены линии ЦМС RIG0 [14]. Таким образом, материалом для исследования служили линии, каждая из которых имела единый ядерный геном и 3 типа цитоплазмона, один - фертильный, и 2 стерильных: широко используемый в мировом производстве семян подсолнечника - РЕТ1 и новый тип -ЯЮ0. У исследуемых форм измеряли показатели габитуса: длину стебля, высоту, диаметр корзинки, количество и размеры листьев, продолжительность фенофаз, размер семянок (масса 1000 семян) и урожайность растения. Лужистость определяли весовым методом, мас-личность семян - на лабораторном ЯМР-анализаторе АМВ-1006М, согласно ГОСТу Р 8.620-2006. Контролем служили фертильные аналоги ЦМС-линий. В таблице приведены средние величины измерений не менее 30 растений для каждого варианта опыта и стандартная ошибка. Достоверность отличий определяли по ^крите-рию Стьюдента [11].
Результаты и их обсуждение
В результате анализа 11 морфофизиологических признаков исследованных линий подсолнечника по 4 из них (длине стебля, диаметре корзинки, урожайности растений и масличности семян) различий между фертильным и стерильными аналогами у обеих линий не обнаружено. Отличия по продолжительности фе-нофаз незначительны. Стерильные аналоги ВИР 151 зацветали и созревали на 1 и 2 дня позже линии с фертильной цитоплазмой. В свою очередь растения линии ВИР 109 типа ЯЮ0 зацветали и созревали на 4 и 1-й день соответственно раньше ЦМС-типа РЕТ1 и фертильного аналогов.
Относительно массы 1000 семянок и процентного содержания лузги, напротив, стерильные цитоплазмы вызвали появление достоверных отличий по сравнению с фертильными формами как у линии ВИР 109, так и у ВИР 151. Размер семянок линии ВИР 109 КЮ0 увеличился на 13^21 %, а линии ВИР 109 РЕТ1 уменьшился на 9^21 % по сравнению с двумя другими аналогами. Стерильные аналоги линии ВИР 151 по массе 1000 семянок и процентному содержанию лузги не отличались друг от друга, но уступали фертильной форме на 4^6 % по 1-му показателю и превышали ее на 8 % - по второму. ЦМС РЕТ1 - аналог линии ВИР 109 - показал значительное уменьшение процентного содержания лузги в семенах как по сравнению с фер-тильной (на 18 %), так и со стерильной ЯЮ0 (на 13 %) формами.
Фертильная форма ВИР 109 по высоте растения превзошла стерильный аналог РЕТ1 на 5 %, КЮ0 - на 3 %, хотя депрессивное влияние ЦМС, и в частности ЦМС РЕТ1, на высоту растений, по данным литерату-
ры, наблюдается достаточно редко [11]. Обнаружено влияние цитоплазмона на размеры листовой пластинки растений линии ВИР 109. В частности, фертиль-ный и стерильный РЕТ1 аналоги превысили по показателю ширины листа ВИР 109 RIG0 на 16 и 17 %. Длина листа фертильной формы ВИР 109 имела промежуточное значение относительно этого показателя у стерильных аналогов, при этом лист линии с цитоплазмой типа РЕТ1 был достоверно длиннее листа RIG0 аналога на 10 %.
Взаимодействие генов ядра и цитоплазмы привело к уменьшению количества листьев у обоих стерильных аналогов линии ВИР 151 по сравнению с фертильной формой на 6^8 % (2-3 листа).
Основываясь на полученных нами результатах и согласно данным литературы, можно сделать вывод о влиянии стерильных цитоплазм на количественные признаки инбредных линий подсолнечника. При взаимодействии с одними геномами ядра цитоплазма-тический эффект приводит к увеличению показателей исследуемых признаков, с другими - к уменьшению. В то же время существуют генотипы, у которых не наблюдается изменений тех или иных количественных признаков под воздействием стерильного цито-плазмона. У линий ВИР 109 и ВИР 151 влияние ЦМС типа РЕТ1 на показатели хозяйственно ценных признаков в основном депрессивное. Однако при взаимодействии с ядром линии ВИР 151 цитоплазма РЕТ1 уменьшает лужистость семян, а в случае с линией ВИР 109 наблюдается противоположный эффект. Учитывая, что лузга подсолнечника не имеет большого значения для перерабатывающей промышленности, ее количественное содержание должно быть уменьшено, насколько это возможно (чтобы избежать возникновения проблем в отношении развития защитного углеродного слоя оболочки семени) селекционны-
ми методами. В отличие от других исследованных признаков желаемым эффектом цитоплазмы в данном случае будет снижение или, по крайней мере, отсутствие влияния на содержание лузги относительно фертильного аналога.
Под влиянием новой, ранее не исследованной ЦМС типа ЯЮ0 показатели признаков, на которые она оказывает влияние, в основном возрастают. Следовательно, при подборе комбинаций родительских форм для постановки скрещиваний, обеспечивающих наибольшую продуктивность, необходимо учитывать влияние различных ядерно-плазменных комбинаций на экспрессию хозяйственно ценных признаков материнских линий и гибридов.
Высокая урожайность растений материнских форм гетерозисных гибридов обеспечивает получение большого количества гибридных семян и, соответственно, уменьшение их себестоимости. Перевод линий ВИР 109 и ВИР 151 на стерильные типы цитоплазм РЕТ1 и RIG0 не оказал негативного влияния на их урожайность. Следовательно, стерильные аналоги линий ВИР 109 и ВИР 151 на обоих источниках ЦМС можно рекомендовать для использования в качестве материнских форм при производстве гете-розисных гибридов подсолнечника. Наибольший интерес для селекции представляет линия ВИР 151 на основе ЦМС типа RIG0, у которой стерильная цитоплазма, за исключением высоты растений, практически не изменила количественное выражение изученных признаков.
Литература
1. Гуськов Е.П. Иван Федорович Лященко - создатель школы ростовских генетиков // Генетика и селекция растений на Дону. Вып. 3 / под ред. В.Г. Картамышева. Ростов н/Д, 2003. С. 302-311.
Морфофизиологические признаки ЦМС-линий подсолнечника и их фертильных аналогов (КОС ВИР, 2009)
Линия Длина Высота Кол-во Диаметр Период Ширина Длина Масса Урожай- Лузга, Маслич-
стебля, растения, листьев корзинки, всходы- листа, см листа, см 1000 се- ность % ность,
см см см цветение/ созревание, дни мянок, г растения, г %
ВИР
151 128,6±1,4 134,9±1,4 38,3±0,4*л 15,3±0,4 58/97 20,4±0,4 19,3±0,3 65,4±1,4* 52,2±8,0 23,3±0,9* 48,3±2,4
Ферт.
ВИР
151 128,3±1,8 136,0±1,7 35,5±0,5 15,2±0,3 59/99 21,1±0,5 19,7±0,5 61,3±0,7 47,0±3,5 19,8±0,5л 52,2±0,6
РЕТ1
ВИР
151 123,6±2,1 127,0±3,7 36,3±0,4 15,0±0,2 59/99 19,6±0,4 19,2±0,4 61,8±2,2 38,9±6,8 22,3±0,5 50,2±0,8
RIG0
ВИР
109 135,9±1,6 143,6±1,4* 38,1±0,6 19,6±0,5 59/96 24,1±0,8Л 20,3±0,4 56,3±0,9*Л 73,7±8,5 22,4±0,4*Л 48,1±0,9
Ферт.
ВИР
109 130,2±1,9 136,4±1,9 39,7±0,5 18,4±0,5 59/96 25,3±0,8л 21,5±0,5Л 51,2±1,1Л 68,8±11,1 24,1±0,4 46,9±1,0
РЕТ1
ВИР
109 130,0±2,0 139,1±1,9 38,6±0,8 20,0±0,6 56/95 21,1±0,5 19,5±0,4 65,0±1,4 70,1±6,4 24,4±0,5 47,1±0,5
RIG0
Достоверные отличия при р < 0,05: * - по сравнению с РЕТ1; л - по сравнению с RIG0.
2. Лященко И.Ф. Случай отсутствия расщепления у гибридов подсолнечника // Докл. АН СССР. 1940. Т. 27, № 3. С. 824 - 826.
3. Лященко И.Ф. О плазменной наследственности у подсолнечника // Докл. АН СССР. 1940. Т. 28, № 8. С. 827 - 828.
4. Белецкий Ю.Д., Разорителева Е.К., Жданов Ю.А. Ци-топлазматические мутации подсолнечника, индуцированные N-нитрозометилмочевиной // Докл. АН СССР. 1969. Т. 186, № 6. С. 1425 - 1426.
5. Leclercq P. Une sterilite male chez le tournesol // Ann. Amel. Plantes. 1969. Vol. 19. P. 99 - 106.
6. Serieys H. Identification, study, and utilization in breeding programs of new CMS sources // Helia. 1999. Vol. 22. Special issue. P. 71 - 84.
7. Силкова Т.А., Фомченко Н.С., Давыденко О.Г. Основные результаты селекции гибридного подсолнечника He-lianthus annuus L. в республике Беларусь // Молекулярная и прикладная генетика. 2008. Т. 8. С. 52 - 57.
8. Heterosis for agronomically important traits in sunflower / N. Hladni [et al.] // Helia. 2007. Vol. 30, № 47. P. 191 - 198.
9. Venkanna V., Reddy Lokanadha D., Ranganatha A.R.G. Identification of restorers and maintainers for different CMS sources in sunflower using new inbreds // Helia. 2008. Vol. 31, № 49. P. 65 - 69.
10. Baldini M., Megale P., Benvenuti A. Stability analysis, cytoplasmatic effects and possible utilization on three male sterility sources in sunflower (Helianthus) // Ann. Bot. 1991. Vol. 49. P. 27 - 36.
11. Effect of PET1 and ANN5 cytoplasms on some quantitative traits in sunflower lines and hybrids / R. Marinkovic [et al.] // Helia. 2000. Vol. 23, № 32. P. 73 - 86.
12. Development of sunflower sterile CMS analogues on the base of different cytoplasmic backgrounds / N.P. Tavoljanskiy [et al.] // Helia. 2004. Vol. 27, № 40. P. 251 - 256.
13. Patil SA., Gafoor A., Ravikumar R.L. Impact of cyto-plasmic male sterile sources on seed yield and yield components in sunflower // Helia. 2003. Vol. 26, № 38. P. 67 - 72.
14. Гаврилова В.А., Рожкова В.Т. Доноры восстановления фертильности пыльцы линий ЦМС подсолнечника для гетерозисной селекции // Идентифицированный генофонд растений и селекция. СПб., 2005. С. 377 - 389.
Поступила в редакцию_30 июля 2010 г
