Семенов О

Семенов О.Г.

САМОФЕРТИЛЬНАЯ АЛЛОЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ПШЕНИЦА T. aestivum L

НА ЦИТОПЛАЗМЕ Secale cereale L.

Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия

Генетический материал эукариотных организмов сосредоточен не только в ядре, которое служит главным хранителем наследственной информации, но и диспергирован по всей клетке в субклеточных структурах - митохондриях, кинетосомах, хлоропластах. Генотип растений как совокупность всех генетических свойств подразделяют на три группы наследственных факторов: геном, локализованный в хромосомах ядра, плазмон, включающий цитоплазматические детерминанты (митохондрии, кинетосомы, эндоплазмический ретикулум) и пластом, локализованный в пластидах.

Хромосомные и цитоплазматические детерминанты представляют собой комплементарные генетические системы клетки, тесное взаимодействие которых между собой и с окружающей средой определяет внутреннюю организацию и динамику процессов жизнедеятельности.

Поэтому создание ядерно-цитоплазматических генетических систем раскрывает новые возможности изменять функционирование и экспрессию ядерного генома путем замены цитоплазмы как компонента этой системы.

Такими системами являются аллоцитоплазматические пшеницы (АЦПГ) T. aestivum на цитоплазме дикорастущих злаков (различные виды рода Aegilops), некоторых видов пшеницы (T. timopheevi Zhuk), а также на цитоплазме ржи зерновой - Secale cereale L.(озимый сорт Вятка). Эти формы АЦПГ созданы путем беккроссирования доноров цитоплазмы пыльцой пшеницы мягкой с одновременным отбором самофертильных форм и выбраковкой форм с ЦМС (схема). Такие аллоцитоплазматические формы созданы в Российском университете дружбы народов; лучшие из них проходят конкурсное и производственное испытание.

В скрещивании ржи с пшеницей важно было получить не только формы, содержащие геном пшеницы в цитоплазме ржи, но и формы с ядром ржи в цитоплазме пшеницы. Обе эти реципрокные комбинации, начиная с первого скрещивания, вели себя диаметрально противоположно. Если материнской формой была рожь, то первое исходное и обратное скрещивания осуществить было очень трудно, но, начиная со второго беккросса, замещение ядра ржи на ядро пшеницы проходило со все большей легкостью. В четвертом — шестом беккроссах завязывание зерновок при опылении пшеницы превосходило 70%. Растения имели пшеничное число хромосом (2n=42).

В том случае, когда материнской формой была пшеница — зерна F₁ получались без труда, но с каждым обратным скрещиванием получить завязывание семян от ржаной пыльцы становилось все труднее. При опылении пыльцой ржи растений F₁, а также первого и второго беккроссов завязывание зерновок было на одном уровне и составило 0,6-0,8%. Чтобы продолжить замещение ядра пшеницы на ядро ржи обратные скрещивания пришлось чередовать со свободным опылением пшеницы. В 1967 г. комбинация по замещению ядра ржи на ядро пшеницы была доведена до шестого поколения, в то время как реципрокная комбинация — только до третьего. В первой комбинации собраны семена седьмого беккросса, а во второй — с растений третьего беккросса и только от свободного опыления пшеницей.

Таким образом, эти реципрокные комбинации резко различны, во-первых, по трудности получения F₁, во-вторых, по трудности замещения материнского ядра на отцовское и, в-третьих, по жизнеспособности F₁ и беккроссов. Если исходная материнская форма — пшеница, то F₁ легко получались, и первые беккроссы имели ярко выраженный гетерозисный характер. Но дальнейшее замещение пшеничного ядра на ржаное сопровождалось значительными трудностями.

Если исходная материнская форма — рожь, то ржано-пшеничные гибриды являются большой редкостью. Распространено мнение, что вместо гибридов всегда получается чистая рожь. Растения F₁ и беккроссов депрессивны, но после первого беккросса замещение ядер происходит легко, и после четвертого беккросса ядро становится чисто пшеничным.

Итак, путем скрещивания ржи (материнское растение) с пшеницей мягкой и ряда обратных скрещиваний были получены растения с ядром пшеницы мягкой и цитоплазмой ржи. В 1967 г. гибридная популяция, состоящая из растений четвертого, пятого и шестого беккроссов, насчитывала свыше 1000 растений. Растения имели удлиненный вегетационный период и пониженную жизнеспособность. По качеству пыльцы среди растений наблюдалось большое разнообразие: от вполне фертильных до стерильных по пыльце со всеми переходами. Большая часть растений имела грубые жесткие колосья, но были отобраны семьи культурного типа.

В дальнейшем на их основе были созданы самофертильные аллоцитоплазматические линии T.aestivum L. на чужеродной Secale cereale L., некоторые из которых обладают комплексом ценных биологических и хозяйственных свойств. В частности, большой интерес представляют формы АЦПГ, обладающие широкими адаптивными свойствами к различным стрессовым факторам.

Комплексное изучение 23-х линий яровой аллоцитоплазматической пшеницы на цитоплазме Secale cereale и Ae. ovata в коллекционном питомнике Прикаспийского НИИ аридного земледелия (опыты аспирантки Тютюма Н.В.) позволило обнаружить ряд форм с широким адаптивным потенциалом при выращивании их в засущливых условиях богары Северного Прикаспия, что нашло отражение в формировании у них более высоких показателей продуктивности и урожайности

Так, средний урожай зерна за три года исследований (1999-2001 гг.) у стандартного сорта яровой пшеницы Камышинская 3 составил 143 г/м², среднее число зерновок с колоса 27, масса 1000 зерновок 30,8 г., а масса зерновок с колоса 0,9 г. Тогда как у лучших форм АЦПГ (АЦПГ Ae. ovata, линия 14 и АЦПГ S. cereale, линия 12) эти показатели оказались значительно выше и составили – по урожаю зерна соответственно 160 г/м² и 202,3 г/м², по числу зерновок с колоса 37 и 34, по массе 1000 зерновок 43,3 г. и 43,1 г., а по массе зерновок с колоса 1,5г.

Очевидно эти формы АЦПГ отличаются более высокой засухоустойчивостью, поскольку сумма атмосферных осадков за период вегетации растений (апрель-июль) в 1999-2001 гг. была незначительной (1999 г. – 6,1 мм, 2000 г. – 177,0 мм, 2001 г. – 108,2 мм).

Интересно сравнить результаты полевых исследований с результатами сравнительного изучения засухоустойчивости с использованием физиологических тестов, в частности по способности семян к прорастанию в растворах сахарозы различной концентрации. Метод, как известно, основан на зависимости всхожести семян от концентрации раствора сахарозы, т.е. от осмотического давления. Проращивание семян происходило в условиях 10 атм., 14 атм. и 18 атм., что, естественно, снижало всхожесть семян по мере увеличения осмотического давления.

Оказалось, что среди перспективных сортообразцов, выделившихся по результатам этого косвенного метода проверки засухоустойчивости оказались такие формы как АЦПГ S. cereale (линия 12) и АЦПГ S. cereale х Энита, у которых процент проросших семян при концентрации 10 атм. и 14 атм. составил 100%, тогда как у сорта Камышинская 3 (стандарт) 100% всхожесть была лишь при 10 атм., а при 14 атм. она снизилась до 58%.

При 18 атм. различия в количестве проросших семян между сортом Камышинская 3 и указанными формами АЦПГ составили соответственно 43% (Камышинская 3), 76% (АЦПГ S. cereale, линия 12) и 74% (АЦПГ S. cereale х Энита).

Таким образом, результаты полевых исследований и физиологического теста на засухоустойчивость в значительной степени совпадают у АЦПГ S. cereale (линия 12).

Сравнительное изучение солевыносливости и жаростойкости аллоцитоплазматических форм яровой пшеницы было также проведено с использованием физиологических тестов. Поскольку засоление почвы отрицательно сказывается на интенсивности поступления влаги в сухие семена и снижает степень оводненности тканей и набухание – все это задерживает прорастания семян. В связи с этим степень солевыносливости определяли по количеству проросших семян при определенной концентрации раствора NaCl, создающей давление почвенного раствора 9 и 11 атм., что является для многих генотипов пшеницы близкой к предельной величине. В результате были выявлены 3 формы аллоцитоплазматичесой пшеницы (АЦПГ S. cereale, линия 12; АЦПГ Ae. ovata, линия 14 и АЦПГ S. cereale х Энита), у которых процент проросших семян при концентрации раствора NaCl 9 атм. составил 100%, тогда как у Камышинской 3 – 87%. При концентрации 11 атм. количество проросших семян в процентном выражении у всех изучаемых форм АЦПГ и сортов, естественно было ниже: у Камышинской 3 – 71%, а у перечисленных выше форм АЦПГ соответственно – 80%, 67% и 59%.

Для оценки жаростойкости была использована методика прогрева семян изучаемых яровых форм АЦПГ при температуре +58ºС, что близко к порогу коагуляции белков протоплазмы большинства экотипов пшеницы.

Оказалось, что наиболее жаростойкие формы АЦПГ являются также и наиболее солеустойчивыми. Так, если процент проросших семян при прогреве до +58ºС у стандартного сорта Камышинская 3 - 70%, то у АЦПГ S. cereale (линия 12) – 83%, у АЦПГ S. cereale х Энита – 80% и у АЦПГ Ae. ovata (линия 14) – 79%.

Итак, комплексная оценка 23 форм аллоцитоплазматической яровой пшеницы T. aestivum L. в полевых и лабораторных условиях позволила выделить три перспективные формы АЦПГ на цитоплазме Secale cereale и Aegilops ovatа, адаптированные к острозасушливым условиям Прикаспийской низменности. Они переданы для дальнейшего сортоиспытания и размножения в Прикаспийский НИИ аридного земледелия..