Общность и специфика интрогрессивных процессов в родовых комплексах томата, перца и баклажана

АГРОНОМИЯ

УДК 631.527.8:635.64 А.Р. Бухарова,

А.Ф. Бухаров

ОБЩНОСТЬ И СПЕЦИФИКА ИНТРОГРЕССИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В РОДОВЫХ КОМПЛЕКСАХ ТОМАТА, ПЕРЦА И БАКЛАЖАНА

Ключевые слова: томат, перец, баклажан, отдаленная гибридизация, скрещиваемость, фертильность, формообразование.

Введение

Томат, перец и баклажан являются важнейшими овощными культурами, обладающими высокими питательными, вкусовыми, технологическими и лекарственными свойствами. Экологическая направленность современных селекционных исследований диктует необходимость привлечения диких видов в качестве источников устойчивости к вредителям, болезням, абиотическим факторам внешней среды и повышения общего адаптивного потенциала. Учитывая многообразие и сложность задач, стоящих перед селекцией, использование методов отдаленной гибридизации будет неуклонно повышаться [1].

Информация о репродуктивных взаимоотношениях видов имеет важнейшее значение для практической селекционной работы, в основе которой лежит отдаленная гибридизация. Данные о степени совместимости при скрещивании способствуют решению вопросов систематики, происхождения и установлению филогенетических связей, что, в свою очередь, помогает осуществлению селекционных исследований в области отдаленной гибридизации [2, 3].

Объекты и методы

Целью исследований являлось: изучение репродуктивных взаимоотношений представителей родов Lycopersicon Tourn., Capsicum Nourn., Solanum L. и проявление

несовместимости в межвидовых скрещиваниях на основных этапах ее проявления; подбор эффективных методов, повышения успешности гибридизации; анализ характера проявления стерильности межвидовых гибридов; оценка приемов, повышающих фертильность и плодовитость гибридов; выявление специфики изменения семенной продуктивности в зависимости от компонентов скрещивания, условий выращивания; изучение особенностей наследования морфологических и биохимических признаков в первом и ряде последующих поколений; испытание методов, оказывающих воздействие на рекомбинационный процесс и активизацию формообразования.

Результаты и обсуждение

В процессе осуществления межвидовых скрещиваний томата выявлено три группы видов рода Lycopersicon Тоигп, в пределах которых наблюдается хорошая или удовлетворительная реципрокная совместимость. При скрещивании различных культивируемых сортов с дикими и полукуль-турными разновидностями L. esculentum трудности получения гибридов отсутствовали. Не вызывает сомнения совместимость всех красноплодных форм томата в скрещиваниях друг с другом. Выявлено, что скрещивание L. peruvianum с L. реги-vianum V. gumifusum, L. peruvianum V. den-tatum, L. glandulosum, L. сЫ1е^е обеспечило завязываемость на уровне 21-32% и получение в среднем 7,9-11,0 семян на плод. При опылении L. Ы^и^т пыльцой L. Ы^и^т V. д1аЬга^т, S. реппеИп и L. тти^т завязываемость плодов составила 11-19%, а их осемененность

3,1-8,1 штук. Скрещивания красноплодных форм томата с дикими видами осуществлены только в одностороннем порядке при использовании последних в качестве опылителей. Степень проявления изолирующих барьеров в этих комбинациях оказалась различна. Относительно легко осуществлены скрещивания L. esculentum с L. hirsutum, L. hirsutum v. glabratum, S. pennellii и L. minutum. Значительное количество семян в этих комбинациях оказалось недоразвитыми, деформированными или невсхожими.

При скрещивании культурного томата с представителями комплекса peruvianum в 27 комбинациях опылено 15684 цветка, получено 6367 плодов, из которых выделено 2610 семян. Завязываемость составила 40,6%, осемененность плодов — 0,41%, а выход семян на один опыленный цветок 0,17 штук.

Семена, полученные в этих комбинациях, имели всхожесть 27,1%, кроме того, из 706 выращенных растений только 21 имели гибридную природу, а остальные оказались апомиктичного происхождения.

Установлено, что для L. hirsutum, L. hirsutum v. glabratum, S. pennellii характерна жесткая двусторонняя изоляция с группой видов L. peruvianum c L. peruvia-num v. gumifusum , L. peruvianum v. denta-tum, L. glandulosum, L. chilense. Особое место в системе рода Lycopersicon занимает L. minutum, который легко скрещивается с L. esculentum с L. hirsutum, S. pennellii — несколько труднее с L. peru-vianum и, по-видимому, является связующим звеном между видами всего родового комплекса томата.

Между четырьмя видами перца Capsicum annuum, C. conicum, C. angulosum, C. pubescens осуществлены скрещивания по полной диаллельной схеме с учетом внутривидового и сортового разнообразия. Всего осуществлены 144 комбинации скрещиваний. Гибридизация C. annuum с C. conicum в реципрокных комбинациях осуществлялась практически беспрепятственно. Завязываемость плодов составляла 17,3-40,9%, а осемененность находилась на уровне 56,1-108,4 штук на плод. В максимальной степени несовместимость проявлялась в комбинациях скрещиваний с участием C. pubescens, осуществить которую не удалось. Барьеры, ограничивающие совместимость, выявлены также в четырех гибридных комбинациях при скрещивании C. annuum и C. conicum с C. angulosum. Использование перуанского

перца в качестве материнской формы обеспечило лучшую завязываемость плодов, а осемененность и выход семян на один опыленный цветок были существенны выше в комбинациях, где C. angulosum использован в качестве опылителя.

Семена, полученные при скрещивании C. annuum с C. angulosum, как правило, обладали крупными размерами, но зародыш в них отсутствовал или был недоразвит. При посеве 2917 таких семян проросло только 20, а до конца сезона сохранилось 18 растений. По внешнему виду все растения полностью соответствовали материнскому родителю, что свидетельствует об их апомиктичном происхождений. Семена, завязавшиеся в плодах перуанского вида, при опылении его пыльцой мексиканского перца были в два раза мельче, но в них содержался зародыш. Из 2191 семени получено 158 (7,2%) всходов, из которых 130 растений сохранились до конца сезона. Все они являлись гибридами.

Скрещивания сортов баклажана с дикими и полукультурными разновидностями Solanum melongena L. осуществлены беспрепятственно в прямых и обратных комбинациях. Все эти образцы также обеспечили хорошую завязываемость и осеме-ненность плодов при скрещивании друг с другом. При скрещивании S. aetho-picum L. и S. integrifolium Poir. с S. melon-gena L. изолирующие механизмы отмечены на постзиготическом этапе. Степень проявления несовместимости изменялась в зависимости от направления скрещивания, биологических особенностей компонентов гибридной комбинации и внешних условий в процессе опыления. Осуществлены ре-ципрокные скрещивания, но предпочтительнее использовать дикие виды в качестве материнской формы, что упрощает получение гибридов.

В максимальной степени несовместимость проявилась при скрещивании S. me-longena L. с S. sisymbrifolium и S. indicum, где отмечена односторонняя совместимость, выявлены факты партенокарпии и апомиксиса. Единичные гибридные растения получены только при опылении диких форм пыльцой культурного баклажана. Жесткие изолирующие барьеры обнаружены при скрещивании диких видов между собой. Гибриды получены только при опылении S. integrifolium пыльцой S. aetho-picum и S. sisymbrifolium.

Различные образцы культурного томата показали неодинаковую степень совмес-

тимости в трудно удающихся комбинациях скрещиваний с дикими видами L. peruvia-num, L. glandulosum, L. chilense. В зависимости от подбора родительских компонентов завязываемость плодов изменялась от 18 до 69%, а осемененность находилась в пределах 0,08-0,82 штук на плод. По выходу семян на 100 опыленных цветков выделялись межвидовые гибридные комбинации, в которых материнской формой являлись сорта: Вайнквин, Северянин, Лунный, характеризующиеся богатой генетической основой, полученные с привлечением метода отдаленной гибридизации. Максимальное количество гибридных растений на 100 опыленных цветков (до 17,5 штук) обеспечил сорт Северянин. Исследования показали целесообразность использования при межвидовой гибридизации штамбового образца Мутант-2, повышающего производительность труда и ускоряющего идентификацию гибридов. Высокий уровень дифференциации образцов по степени совместимости выявлен при скрещивании C. annuum с C. angulosum. Лучшие результаты скрещиваний обеспечило использование в качестве опылителей сортов Ласточка и Dutch Freat, а в качестве материнской формы образцов Д3 и Д5. При межвидовой гибридизации баклажана также имело место влияние биологических особенностей компонентов гибридных комбинаций на результаты скрещиваний. При опылении S. integrifolium Poir. (С25) пыльцой различных образцов S. melongena L повышенный выход семян и гибридных растений обеспечил сорт Альбатрос.

Исследования показали, что подбор сортов с генетически предопределенной способностью к лучшей скрещиваемости с теми или иными сородичами в пределах изученных родов овощных пасленовых культур может значительно облегчить преодоление репродуктивной изоляции и упростить получение межвидовых гибридов. Сложность заключается в эмпиричности приемов выявления таких образцов.

Стерильность межвидовых гибридов является вторым по значимости барьером, стоящим на пути широкого использования отдаленных скрещиваний в селекции овощных пасленовых культур. Минимальный уровень фертильности отмечен у гибридов культурного томата с перуанским, железистым, чилийским видами (49,0-58,8%); перуанского перца с мексиканским и колумбийским (9,8-17,5%); большинства межвидовых гибридов бак-

лажана (6,7-20,3%). Стерильность гибридов культурного томата с L. hirsutum и S. pennellii находилась в пределах от 72,2 до 80,2%. Гибриды, полученные при скрещивании культурного томата с дикорастущими красноплодными формами, мексиканского перца с колумбийским и культивируемых сортов баклажана с дикими разновидностями S. Melongena, обладали фертильностью на уровне исходных родительских форм.

Стерильность является основной причиной низкой семенной продуктивности многих межвидовых гибридов. С целью создания более благоприятных условий для оплодотворения путем встряхивания цветков с помощью вибратора применялось доопыление. Межвидовые гибриды томата при этом увеличивали завязывае-мость плодов в 2,0-2,4 раза, а семян на 100 опыленных цветков получено в 1,54,3 раза больше, чем при естественном самоопылении. Гибриды перца под влиянием доопыления увеличивали завязываемость плодов на 120%, осемененность — на 19 и выход семян — на 15%.

С целью преодоления стерильности использовано опрыскивание цветков растворами физиологически активных веществ, в том числе гиббереллина, янтарной и борной кислот. В теплице и в открытом грунте различные гибриды по-разному реагировали на применение стимулирующих факторов. Для отдаленных гибридов, в пределах родовых комплексов томата и перца, наиболее эффективными были янтарная и борная кислоты. Межвидовые гибриды баклажана оказались более отзывчивы на обработку раствором гиббе-реллина.

Анализ экспериментального материала позволяет сделать вывод о том, что положительный эффект доопыления достигается главным образом за счет увеличения количества оплодотворенных яйцеклеток, развитие которых способствует сохранению завязавшихся плодов. Гиббе-реллин стимулирует завязывание и формирование плодов, зачастую в ущерб развитию семян, вызывая эффект парте-нокарпии. Янтарные и борные кислоты в основном способствовали нормализации процессов оплодотворения и эмбриогенеза.

По внешнему облику большинство отдаленных гибридов уклонялось в сторону диких родителей. Гибриды между образцами перуанского и мексиканского перца обладали комплексом признаков, прису-

щих материнскому родителю (удлиненные междоузлия, раскидистые формы куста, ломкий и граненый стебель, продольные белые полосы на побегах, бурая окраска пыльников, рисунок на лепестках), но выраженных в меньшей степени. При межвидовой гибридизации томата наблюдалось доминирование таких признаков, как дихотомически разветвленное соцветие, опушение плодов и длинностолбчатость, которые при межсортовых скрещиваниях являются рецессивными. При отдаленной гибридизации баклажана по количеству цветков в соцветии отмечено не только уклонение в сторону диких форм, но даже выявлен эффект сверхдоминирования.

Во втором и последующих поколениях подавляющее большинство растений межвидовых гибридов томата по фенотипическому проявлению также уклонялись в сторону диких видов. У гибрида L. escu-1е^ит х L. peruvianum доля таких растений составляло 94,4% и несколько меньше

79,0-86,1% в популяциях L. esculentum х L. hirsutum, L. esculentum х S. pennellii. Только при скрещивании культурного томата с красноплодным видом L. chismanii доля растений F2 с преобладанием признаков дикой формы была минимальной (17,4%). Количество растений, несущих признаки двух родителей, у гибридов культурного томата с дикими зеленоплодными видами изменялось от 9,6 до 18,4%. В популяции F2 L. esculentum х L. chismanii большинство особей (69,9%) органично сочетали признаки родительских компонентов. Растений с типичным обликом культурного томата в популяциях всех изученных отдаленных гибридов отмечено в минимальном количестве (менее 13%), а при скрещивании с перуанским видом — полностью отсутствовали.

В третьем и четвертом поколениях сохранялся аналогичный характер расщепления с минимальным сдвигом в сторону культурного томата. Следует однако иметь в виду, что осуществлялся жесткий искусственный отбор. Семена собирались только с растений, представляющих интерес для селекции, то есть промежуточного типа. Такие растения, как правило, обладали пониженной фертильностью и плодовитостью. Растения с преобладанием признака дикого родителя имели нормальную фертильность, обилие плодов и семян, и при отсутствии давления отбора этот тип растений, несомненно, занял бы доминирующее положение в популяции.

Возвратные скрещивания с диким родителем приводили к полному подавлению признаков культурного томата. Возвратные скрещивания с культурным родителем увеличивали количество растений этого типа до 3,4-37,7%, промежуточного — 28,8-63,0 и уменьшали долю особей с диким фенотипом до 41,8-67,8%. Последний тип скрещиваний обеспечивал максимальный всплеск формообразования, который сохранялся при последующем самоопылении выделенных перспективных линий. Использование беккроссов особенно важно при вовлечении в селекционный процесс разновидностей перуанского, железистого, чилийского и других зеленоплодных видов и менее актуально при скрещиваниях с L. chismanii.

При межвидовой гибридизации перца во втором поколении, как правило, отмечены обилие промежуточных форм (77,685,2%) и ограниченное количество растений, резко уклоняющихся в сторону родителей. Дальнейшее репродуцирование гибридов происходило на фоне изобилия растений, сочетающих признаки обоих родителей, и имело тем не менее явную тенденцию к увеличению доли растений культурного типа и элиминации признаков, присущих C. angulosum и C. conicum. В гибридных популяциях C. conicum х C. an-nuum осуществлялся напряженный искусственный отбор. Расщепление гибридов C. angulosum x C. annuum происходило на фоне межвидовых изолирующих факторов, резко ограничивающих репродуктивную функцию. Применение беккроссов сдвигало состав расщепляющихся популяций в сторону рекурентного родителя, сохраняя преимущество за растениями промежуточного типа.

Характер изменений, наблюдаемых в расщепляющихся популяциях при отдаленной гибридизации баклажана, наиболее близок к формообразовательному процессу, характерному для межвидовых скрещиваний томата.

Рассмотренные межвидовые гибридные комбинации овощных пасленовых культур существенно отличались по степени ин-трогрессивного взаимопроникновения генов. Выявлено, что формообразовательный процесс, для которого характерен возврат к исходным родительским типам растений, часто происходит с асимметричным сдвигом в сторону одного из компонентов скрещивания.

Максимальные трудности отмечены при осуществлении сложных скрещиваний гибридов F, культурного томата с перуанским. В различных межгибридных комбинациях скрещиваний завязываемость не превышала 19%, а осемененность плодов находилась на уровне 0,1 -0,5 семян на плод. Наиболее результативны комбинации скрещиваний, в которых F, L. esculentum x L. cheesmanii опылялся пыльцой различных гибридов. Завязываемость плодов, как правило, превышала 50%, а осеменен-ность достигала 54,8 семян на каждый завязавшийся плод. Исследования показали, что гибрид L. esculentum x S. pennellii также желательно использовать в качестве материнского родителя. Использование в качестве материнского родителя F! L. esculentum x L. hirsutum при скрещивании с другими межвидовыми гибридами в открытом грунте оказалось малоэффективным. Однако те же комбинации достаточно легко осуществлены в условиях теплицы. Гибриды с участием L. hirsutum v. gla-bratum (3951) и L. hirsutum (2970) значительно легче вовлекались в сложные скрещивания по сравнению с гибридами на основе образцов 3947 и 3949. Межгиб-ридные трехкомпонентные скрещивания в пределах рода Capsicum, как правило, осуществлялись с большим трудом, при удовлетворительной завязываемости плодов выход семян на один плод и опыленный цветок имели очень низкие значения —

0,6-1,9 и 0,2-0,6 штук соответственно.

Во втором поколении двухкомпонентных межвидовых гибридных комбинаций доля растений, у которых преобладали признаки культурного томата, не превышала 2,9%. При межгибридных скрещиваниях количество таких растений увеличилось в зависимости от комбинации до

3,0-6,2%. Однако преимущество по-прежнему оставалось за растениями дикого типа, среди которых преобладали особи, уклоняющиеся в сторону S. pennel-lii (51,6-63,2%). Представляет интерес информация о характере расщепления по маркерным признакам в расщепляющихся популяциях простых и сложных межвидовых гибридов томата. Минимальное значение коэффициента рекомбинации (0,38) отмечено в комбинации F2 [Мутант (а, с) x L. hirsutum]. В популяции F2 [Мутант (а, с) x S. pennellii] этот показатель увеличился до 0,44 и достиг уровня 0,49 при скрещивании Мутант (а, с) с L. chiesmanii. При сложных межвидовых скрещиваниях коэффициент рекомбинации изменялся в

пределах от 0,43 до 0,54, превышая уровень независимого наследования в комбинации [Мутант (а, с) x L. chiesmanii] x [Мутант (а, с) x S. pennellii].

В многокомпонентной гибридной комбинации, полученной с участием трех видов перца (C. angulosum Д14 x Dutch Freat) х (C. conicum Д64 х Ласточка), большинство растений уклонялось в сторону C. annuum или C. conicum. Растения с явными признаками C. angulosum отличались максимальным проявлением стерильности и снижением плодовитости в процессе репродуцирования. Исследования показали, что при сложных межвидовых скрещиваниях активизируются рекомбинантные процессы, усиливаются формообразовательные явления, увеличиваются возможности для отбора, что в целом и ускоряет селекционный процесс.

Заключение

Важнейшей особенностью межвидовых скрещиваний является значительная элиминация наследственного материала, которая начинается в анафазе мейоза гибридов F1 и продолжается при формировании пыльцы, в процессе опыления, оплодотворения, эмбриогенеза, прорастания семян. Эти явления отличаются специфичностью и носят, как правило, избирательный характер. Склонность к снижению жизнеспособности свойственна генотипам, объединяющим признаки одной из родительских форм, и направлена на сохранение целостности видов.

Поэтому разработка и внедрение в селекционный процесс методов, направленных на создание и сохранение редких, нетипичных рекомбинантов, способствующих активизации формообразования, расширению доступной для отбора генетической изменчивости, являются важнейшим направлением исследований в области отдаленной гибридизации.

Библиографический список

1. Авдеев Ю.И. Теоретические и практические исследования по овощным культурам / Ю.И. Авдеев. — Астрахань, 2004. — 360 с.

2. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация, ре-комбиногенез, агробиоценоз) / А.А. Жу-ченко. — Кишинёв: Штиинца, 1980. — 588 с.

3. Жученко А.А. Адаптивная система селекции растений (эколого-генетические основы) / А.А. Жученко. — М., 2001. — Т. 1. — 780 с.