Особенности процесса микроспорогенеза отдаленных гибридов семечковых и косточковых плодовых растений

УДК 634.11/13:631.527.5

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА МИКРОСПОРОГЕНЕЗА ОТДАЛЕННЫХ ГИБРИДОВ СЕМЕЧКОВЫХ И КОСТОЧКОВЫХ ПЛОДОВЫХ РАСТЕНИЙ

© Р.В. Папихин, Л.Ф. Яндовка

Ключевые слова: пыльник; микроспорогенез; фертильность пыльцы; Cerasus; Malus; Pyrus.

Приводятся данные цитологического изучения яблоне-грушевых и вишне-черешне-черемуховых гибридов. Результаты показали, что мейоз у гибридных растений протекает со значительными нарушениями. Отклонения от нормального хода редукционного деления проявляются в неспособности большинства хромосом конъюгировать друг с другом, в образовании поли- и унивалентов в количественно неравномерном и неодновременном расхождении хромосом, формировании тетрад с нарушениями и полиад. В результате образуется большое количество морфологически и генетически неполноценных пыльцевых зерен.

ВВЕДЕНИЕ

Среди применяющихся в настоящее время селекционерами методов получения новых сортов немаловажное место занимают методы отдаленной гибридизации.

Преимущество отдаленной гибридизации перед межсортовой в том, что она позволяет концентрировать гены адаптивности, рассеянные по разным культурным и диким видам, в принципиально новых организмах гибридного происхождения. С помощью метода отдаленной гибридизации гибридному потомству передается зимостойкость, слаборослость, иммунность и создаются предпосылки для обогащения химического состава плодов.

Однако на практике селекционеры часто сталкиваются с большими трудностями при работе с таксономически отдаленными формами. В первую очередь это связано с высоким процентом стерильности таких генотипов.

Для разработки более эффективных методов решения этой проблемы необходимо знать особенности формирования генеративных органов, опыления, оплодотворения и развития семязачатка.

В литературе имеются работы по разным аспектам изучения процессов микроспорогенеза и развития пыльцевого зерна у растений родов Pyrus, Malus, Cerasus и Microcerasus [1-9]. Несмотря на то, что получено немало межродовых и межвидовых гибридов плодовых растений, сведений о процессах формирования и развития их генеративных органов, а также причинах не-скрещиваемости растений недостаточно. Это и послужило основанием для проведенного исследования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследовали цитологические особенности отдаленных межродовых яблоне-грушевых гибридов: № 818 (Malus baccata х смесь пыльцы южных сортов груши), № 839/67 (Китайка х Деканка зимняя + Кюре) и трип-лоидного вишне-черешне-черемухового гибрида Вос-

торг, полученного от скрещивания тетраплоидного гибрида Гранит (4х Cerasus avium х 4х (P. maackii х С. fruticosa) F х 4х C. vulgaris) F2 с тетраплоидным вишне-черешневым гибридом Черноглазка (4х C. vulgaris х 2х C. avium) Fi, (оригинаторы Т.А. Горшкова, Г.А. Курсаков, О.С. Жуков).

Процесс мейоза исследовали на давленых препаратах с фиксацией в сокращенной смеси Карнуа, окрашенных ацетогематоксилином [10]. Качество пыльцы оценивали с помощью окрашивания в ацетокармине, а ее жизнеспособность - путем проращивания на искусственной питательной среде [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Процесс формирования микроспор путем мейоти-ческого деления микроспороцитов плодовых растений в условиях Тамбовской области обычно начинается во второй декаде апреля. В годы с высокими значениями эффективных температур мейоз в микроспороцитах проходит раньше - в первых числах апреля. Микроспорогенез у видов протекает в целом сходно.

Ранее было установлено [1, 11, 12], что в соматических клетках растений (2n) имеются 34 хромосомы у яблони домашней, груши обыкновенной, яблоне-гру-шевых и груше-яблоневых гибридов; 32 - у вишни обыкновенной, вишне-черешневых и вишне-черему-ховых гибридов; 16 - черешни, вишни войлочной.

Вследствие генетических различий между скрещиваемыми геномами гибридных растений часть хромосом не конъюгируют в профазе первого деления. В результате наряду с бивалентами образуются унивален-ты. У межродовых гибридов семечковых плодовых культур число бивалентов колеблется от 12 до 17, уни-валентов - от 0 до 10, тривалентов и тетравалентов не обнаружено (табл. 1).

Наибольшей гомологией хромосом у яблоне-гру-шевых форм характеризуется гибрид № 839/67. В его клетках обнаружено 16,2 бивалентов и 1,4 унивалентов. Значительное количество образующихся бивалентов у этих гибридов свидетельствует о высокой вероятности

синтеза между гомологичными хромосомами яблони и груши.

В метафазе I гибрида Восторг (табл. 1) наряду с бивалентами присутствуют униваленты, триваленты и тетраваленты. Триваленты относятся к группе ассоциаций, которые нарушают правильное расхождение хромосом в анафазе I. Третий элемент тривалента, как и унивалент, в анафазном движении отходит к одному из полюсов случайно, что в конечном счете ведет к анеуп-лоидии гамет, снижает фертильность растений. Триваленты встречались в виде цепочек и Ц-образной формы, с двумя хиазмами, расположенными на дистальных концах хромосом. Тетраваленты чаще всего были кольцевые с четырьмя хиазмами или цепочечные с тремя хиазмами.

При анализе характера и частоты нарушений в различных стадиях мейоза нами были обнаружены различные типы нарушений, в большинстве случаев они повторяются у гибридов. Однако следует отметить, если по характеру нарушений больших отличий выявлено не было, то по частоте аномалий гибриды довольно сильно отличаются друг от друга.

Характерной особенностью метафазы первого деления гибридов является наличие хромосом (от 1 до 6), отстающих в прометафазном движении или выброшенных в цитоплазму за пределы метафазной пластинки (от 23, ± 2,6 % у гибрида Восторг до 40,1 ± 1,7 % у гибрида № 818).

В некоторых случаях, например, у гибрида 839/67, наблюдали явление цитомиксиса (8,6 ± 0,1 % от общего количества нарушений).

При исследовании анафазных клеток первого деления выяснили, что большинство из них являются неправильными из-за наличия преждевременно разошедшихся хромосом от 19,0 ± 1,7 % у гибрида Восторг до 34,3 ± 2,4 % у яблоне-грушевого гибрида № 818. Также в анафазе I отмечено отставание хромосом, причем у всех гибридов оно довольно велико и колеблется в пределах 45-70 % от общего числа нарушений. Чаще всего насчитывается от 2 до 5 отставших хромосом.

Для телофазы первого деления исследуемых гибридов характерно образование микроядер, предпосылкой этому служит большое количество отставаний и выбросов хромосом в цитоплазму в предшествующих стадиях. Количество микроядер в телофазе первого деления у гибридов различается (от 1 до 7) (рис. 1). Соответственно это выражается в неодинаковой величине ядер.

Гомеотипное деление у исследуемых гибридов, как и описанное гетеротипное, также протекает с больши-

ми нарушениями. В метафазе II мы наблюдали материнские клетки микроспор (МКМ) с группами, неравноценными по количеству составляющих их хромосом. Были зафиксированы выбросы хромосом в цитоплазму до 50,1 ± 2,3 % случаев у вишне-черешне-черемухового гибрида Восторг. У формы № 818 были обнаружены клетки, в которых на стадии метафазы II имелись хромосомные мосты в количестве 0,59 ± 0,4 % от общего числа нарушений.

Анафаза второго деления характеризуется большим количеством выброшенных за пределы веретена деления хромосом, отставанием и забеганием части хромосом, задержкой некоторых из них на экваторе. Максимальное число МКМ с выброшенными за пределы веретена хромосомами наблюдается у триплоидного гибрида Восторг (72,0 %). Эти нарушения приводят к тому, что в телофазе второго деления образуется достаточно большое число МКМ с микроядрами (от 1 до 7), появляющиеся из 1-2 выброшенных или отставших хромосом и, соответственно, имеющих различные размеры. Так, у яблоне-грушевого гибрида № 839/67 количество клеток с одним микроядром составляет 46,9 ±

2.5 % от общего числа аномалий, с двумя - 13,4 ± 2,0 %, тремя - 11,0 ± 1,5 %, четырьмя - 8,6 ± 1,4 %, пятью -3,7 ± 0,9 %, семью - 2,6 ± 0,8 %.

В телофазе II наряду с мейоцитами, содержащими четыре ядра, образуется большое число МКМ с дополнительными ядрами, которые образовались из целых групп хромосом. Например, у яблоне-грушевого гибрида № 818, помимо правильных четырехядерных фигур, мы обнаружили мейоциты, имеющие пять ядер -2,1 ± 1,1 %, шесть ядер - 1,7 ± 0,9 %, семь - 0,6 ± 0,1 %, восемь - 0,5 ± 0,1 %.

Характеризуя процесс мейоза гибридов, следует указать еще на одну особенность - асинхронное развитие микроспороцитов. В одном пыльнике встречаются материнские клетки пыльцы на стадии профазы и те-лофазы второго деления.

В целом у отдаленных межродовых гибридов процент нарушений по всем стадиям мейоза составляет от

26.5 ± 2,5 % у гибрида № 839/67 до 75,1 ± 3,9 % у гибрида Восторг.

Изучение стадии образования тетрад показало, что у гибридов наряду с тетрадами формируются полиады (рис. 2). Размер микроспор и ядер в клетках сильно варьирует, нередко можно видеть микронуклеусы и добавочные ядра, формирующиеся в телофазе второго деления.

Таблица 1

Частота различных типов ассоциаций хромосом исследуемых гибридов в метафазе первого деления

Гибрид Гибридная комбинация Среднее число отдельных типов ассоциаций хромосом на клетку

униваленты биваленты триваленты тетраваленты

839/67 Китайка х Деканка зимняя + Кюре 1,4 16,2 - -

818 Malus baccata х смесь пыльцы груши 3,7 13,8 - -

Восторг (F4) 4х C. avium х 4х (4х P. maackii х 4х C. fruticosa) х 4х C. vulgaris х 4х (4х C. vulgaris х 2х C. avium) 1,2 10,9 0,2 0,1

Микроядра, шт

активность пыльцы исследуемых гибридных растений, что является результатом нарушений в ходе мейоза. Нарушения мейоза проявляются в неспособности большинства хромосом конъюгировать друг с другом, образовывать униваленты, триваленты и тетраваленты вместо бивалентов, а также отставании и забегании хромосом в анафазном движении, формировании неправильных тетрад и полиад. В результате образуются гаметы, число хромосом которых не соответствует гаплоидному: n = 17 - в случае яблоне-грушевых гибридов № 818 и № 839/б7 и n = 12 - в случае вишне-черешне-черемухового гибрида Восторг. В результате перечисленных аномалий процент нормально развитых пыльцевых зерен очень низок.

Рис. 1. Образование микроядер в Т! у яблоне-грушевых гибридов

Рис. 2. Формирование спорад у отдаленных гибридов плодовых растений

Показателем морфологической полноценности микроспор является фертильность пыльцы. На этот показатель, а также на жизнеспособность пыльцевых зерен влияют различные факторы. Наиболее важным фактором является происхождение растений.

Стерильный микрогаметофит характеризуется деформацией и дегенерацией ядер, цитоплазмы или целых клеток. Образование такой пыльцы у растений, как правило, бывает связано с нарушениями в ходе мейоза и микроспорогенеза.

Изучение морфологической полноценности и жизнеспособности пыльцевых зерен гибридных растений показало, что пыльца окрашивается ацетокармином в довольно малом количестве. Maксимaльной фертильностью обладает пыльца вишне-черешне-черемухового гибрида Восторг (57,б ± 1,3 %). Наименьшее количество окрашенных пыльцевых зерен ацетокармином было зафиксировано у яблоне-грушевого гибрида № 818 (2,1 ± 1,0 %).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные цитологические исследования показали невысокую жизнеспособность и функциональную

ЛИТЕРАТУРА

1. Харитонова Е.Н. Цитологические исследования косточковых // Тр. ЦГЛ им. Мичурина. Мичуринск, 1971. Т. 12. С. 188-204.

2. Tabacaru C.D., Stefureac T.J. L'embryogenese chez certaines sortes de griottiers (Prunus cer. L.) // Rev. Roum. Biol. Ser. Biol. Veget. 1986. T. 31. № 1. P. 19-22.

3. Назарова М.Н., Симонова О.А. Мейоз при микроспорогенезе и качество пыльцы у вишни войлочной // Отдаленная гибридизация и полиплоидия в селекции растений: сб. науч. тр. Воронеж, 1989. С. 85-91.

4. Furucawa Y., Bucovac M.J. Embryo sac development in sour cherry during the pollination period as related to fruit set // Hort Sci. 1989. V. 24. №2 6. P. 1005-1008.

5. Машкин С.И. Цитогенетический анализ спонтанных и искусственных гибридов и аллополиплоидов Cerasus // Генетика. 1994. Т. 30. С. 98.

6. Жидкова Е.Н. Жизнеспособность пыльцы вишне-черешневых гибридов и их исходных форм // Биологические основы селекции растений: сб. науч. тр. Воронеж, 1985. С. 55-62.

7. Дебискаева С.Ю. Фертильность пыльцы сортов черешни // Интенсификация садоводства: сб. науч. тр. Сев.-Кавк. НИИгорн. и пред-горн. садоводства. Нальчик, 1995. Вып. 5. С. 90-93.

8. Топильская Л.А., Лучникова С.В., Чувашина Н.П. Изучение соматических и мейотических хромосом смородины на ацето-гематоксилиновых давленых препаратах // Бюл. науч. инф. ЦГЛ им. Мичурина. Мичуринск, 1975. Вып. 22. С. 58-61.

9. Яндовка Л.Ф., Шамров И.И. Фертильность пыльцы Cerasus vulgaris и Cerasus tomentosa (Rosaceae) // Бот. журн. 2006. Т. 91. № 2. С. 206-218.

10. Методические рекомендации по применению цитологических методов в плодоводстве / Н.П. Романова, Г.П. Шелаботин, В.Г. Леонченко. М., 1988. 50 с.

11. Пахомова Н.П. Микроспорогенез межродового гибрида Malus baccata Borkh. x Pyrus communis L. // Труды ЦГЛ им. И.В. Мичурина. Мичуринск, 1971. Т. 12. С. 210-221.

12. Спицын И.П. Генетика, цитология, эмбриология вишни // Экология. Тамбов, 1994. 107 с.

Поступила в редакцию 31 мая 2009 г.

Papikhin R.V., Yandovka L.F. Peculiarities of distant hybrid microsporogenesis in seed and stone fruit plants. The given data are dealt with cytological investigation of apple-pear and sour cherry-sweet cherry-bird cherry hybrids. The investigation has shown that meiosis in hybrid forms proceeded with significant disturbances. Deviations from normal process of reducing devision are observed in inability of chromosome majority to conjugate with each other, in formation of uni- polyvalents in guantita-tively irregular and non simultaneous divergence of chromosomes, in formation of tetrads with disturbances and polyads. As a result of all these a great number of morphologically and genetically defective pollen grains are formed.

Key words: anther; microsporogenesis; fertility of pollen grains; Cerasus; Malus; Pyrus.

5б1