Гаметициды и их применение в селекции

Гаметициды и их применение в селекции

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК имени В. И.

ЛЕНИНА

Всесоюзный научно-исследовательский институт информации и технико-

экономических исследований по сельскому хозяйству

Обзорная информация М. А, ФЕДИН,Т. А. КУЗНЕЦОВА

ГАМЕТОЦИДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СЕЛЕКЦИИ

[pic]

Москва — 1977

УДК е3.1.5В7ЛЗ

'Гаметоциды — химические соединения, применение .которых в определенные

этапы развития растений приводит к гибели мужского гаметофи-та в результате

нарушении метаболических процессов в период формирования пыльцевых зерен.

Действие гаметоцидов на физиолого-биохимиче-ские процессы в клетке

аналогично стерилизующей цитоплазме при перемещении в нее ядра, что

вызывает мужскую стерильность.

Исследования, проведенные в ряде стран, в том числе и в СССР, позволили

выявить ряд химических соединений, которые индуцируют мужскую стерильность

у яровой и озимой пшеницы, ржи и других сельскохозяйственных культур.

Использование гаметоцидов позволяет организовать Промышленное .производство

гибридных семян зерновых и других сельскохозяйственных культур. Однако

полученные гаметоциды вызывают ряд побочных нежелательных явлений:

значительное ингибирование роста, задержку 'в прохождении .фенологических

фаз и д'р. Поэтому необходим дальнейший поиск новых химических соединений,

обладающих гаметоцид-ной активностью.

© ВИИИТЭИСХ, 1977 г.

ВВЕДЕНИЕ

|Рост народонаселения планеты, необходимость повышения темпов

производства продуктов сельского хозяйства определяют поиск новых

направлений в селекции сортов и гибридов — основных средств

сельскохозяйственного производства. В последнее время широкие исследования

гетерозиса пшеницы, ржи, ячменя, подсолнечника, сахарной свеклы,

хлопчатника, ряда овощных, бахчевых, цветочных, декоративных культур и

кормовых трав показали, что гибриды первого поколения этих растений

обеспечивают прибавку урожая на 20—25% и более по сравнению с

районированными сортами [1,7, 35, 36].

Практическое использование гетерозисного эффекта возможно лишь при

условии хорошо налаженного производства гибридные семян в значительном

объеме. У ряда культур, обладающих высоким коэффициентом размножения семян

и низкой посевной нормой (кукуруза, томаты и др.), производство гибридных

семян может быть организовано при ручной кастрации материнских растений с

последующим свободным или принудительным опылением. Однако для большинства

возделываемых растений этот метод неприменим, так как затраты труда,

необходимые для получения гибридных семян первого поколения, не окупаются

дополнительно получаемой продукцией.

В настоящее время в результате использования явления цитоплазматической

мужской стерильности (ЦМС) получены гибриды первого поколения пшеницы,

сорго, кукурузы, сахарной свеклы, томатов, лука, сладкого перца и налажено

массовое производство гибридных семян. Близки к завершению исследования по

созданию гибридов ржи и подсолнечника [35]. Наряду с этим при селекции с

томатами пытаются применить формы с функциональной мужской стерильностью

[36]. 'Создание мужских стерильных линий, отбор линий — закрепителей

стерильности и форм, восстанавливающих фер-тильность, значительно усложнили

ведение селекции я семеноводства. Между тем основным недостатком

использования системы «ЦМС — восстановление фертильноста» при получении

новых гибридных комбинаций скрещиваний является постоянная необходимость

создания стерильных аналогов и ана-

логов '— восстановителей фертильности новых высокопродуктивных сортов и

самоопыленных линий.

Сравнительно недавно для индукции мужской стерильности на растения в

определенные фазы развития воздействовали различными физическими факторами

(сокращенный световой день, высокие и низкие температуры и др.) [2, 48, 97,

130]. Несмотря на полученные положительные результаты» ввиду отсутствия

технических средств для массового производства гибридных семян эти приемы

не были внедрены в практику.

•Определенные успехи в разработке методов мужской стерильности растений

были достигнуты с помощью ряда химических соединений — растворов солей

феноксиуксусной кислоты, гидразида малеиновой кислоты (ГМ1К), этрела, индо-

лилуксусной кислоты (ИУК), нафтнлуксусной кислоты (НУК), гиббереллина

(ГКз) и некоторых других, названных гаметоцидами. Этот термин — производное

от двух слов:

гамета — по-гречески половая клетка, цидо — по-латински убивать. В

настоящее время в ряде стран Европы и в США проводят исследования по

выявлению химических соединений, обладающих гаметоцядной активностью к

мужскому гамето-фиту растений, и разрабатывают способы их применения для

массового производства гибридных семян различных сельскохозяйственных

культур. Использование методов химической индукции мужской стерильности у

зерновых, технических, овощных и кормовых культур позволит получить семена

гибридов первого поколения, вовлекая в селекционный процесс наиболее

совершенные сорта без создания их стерильных аналогов и линий, несущих гены

восстановления фертильности.

Преодоление трудностей, препятствующих эффективному использованию

гаметоцидов, в значительной мере зависит от определения сущности процесса

стерилизации, в основе которого лежат конкретные физиолого-биохимические

изменения в тканевом метаболизме спорогенеза, вызывающие анормальности в

развитии пыльцевого зерна с последующей его абортивностью. В связи с

практическими запросами физиология развития пыльцы привлекает особое

внимание.

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ, ЦИТОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ФОРМИРОВАНИЯ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА

Мужской гаметофит покрытосеменных растений — микроскопическая структура,

которая в период ранних стадий развития окружена тканями пыльника и

непосредственно контактирует с клетками тапетума, метаболизм которых тесно

связан с развитием пыльцевьгх зерен, особенно в критические

периоды преобразования материнских клеток пыльцы в гап-лоидные микроспоры.

Так как наибольшая эффективность действия гаметоцидов приходится на период

формирования тетрад и связана с биохимизмом их развития, возникает

необходимость в детальной информации о ранних фазах развития пыльцевого

зерна в материнской клетке пыльцы.

С помощью электронной микроскопии установлено, что до мейоза материнские

клетки пыльцы в пыльниках связаны между собой и с клетками тапетума

цитоплазматлческими мостиками (плазмодесмами) [5, 59]. Перед стадией

лептотены профазы 1 начинаются преобразовательные процессы в оболочках и

мембранах микроспороцитов, которые быстро обволакиваются слоем каллозы,

представляющей собой (3-1,3-свя-занный полимер глюкозы [130]. Это

соединение локализуется между оболочками материнской клетки пыльцы и

клеточной мембраной. С началом стадии лептотены плазмодесмы, соединяющие

клетки тапетума и микроспороцитов, исчезают. Слой каллозы продолжает

утолщаться, однако некоторые районы оболочек микроспороцитов не покрываются

каллозой, здесь соседние материнские клетки пыльцы контактируют друг с,

другом с помощью широких цитоплазматичесиих перетяжек, названных

цитомиксическими каналами [28]. У большинства видов растений все

микроспороциты мейотической профазы взаимосвязаны. Такая цитоплазматическая

общность — важнейший фактор поддержания тесной синхронности мейотических

стадий. Цитомиксические каналы начинают исчезать к концу мейотической

профазы I, а в телофазе I их количество совсем незначительно, к началу же

профазы II материнские клетки пыльцы полностью изолируются друг от друга

каллозными оболочками. После мейоза каллоза образует между четырьмя

гаплоидными спорами тонкую прослойку (стадия тетрад), и каждая спора

становится полностью изолированной от других. Предполагают, что в

формирование каллозных оболочек вовлечен аппарат Гольджи [137].

Процесс формирования оболочки пыльцевого зерна начинается вскоре после

завершения мейоза и протекает между клеточной мембраной я каллозной

оболочкой в каждой споре тетрады. Первичным материалом для построения

оболочки является примэкзина. После развития прдмэкзины синтезируется

предшественник зрелой экзины, морфология которого .зависит от его

химического состава. По своим свойствам это вещество сходно с

протоспоруллином. На данном этапе кал-лозная оболочка исчезает, споры

быстро увеличиваются в размерах (в 3—5 раз) и интенсивно синтезируют

спорополле-нин [70, 71]. После освобождения из тетрад в микроспорах

формируется интина, содержащая микрофибряллы целлюло-5

зы, которые образуют матрикс с пектиновым материалом, ге-мицеллюлозой и

незначительным количеством белка. До полного созревания пыльцевое зерно

покрывается различными производными распадающегося тапетума —

каротиноидами, липидами, белками и другими соединениями [130]. При

дальнейших фазах развития пыльцы эффективность действия га-метоцидов

снижается [47, 65, 75, 80, 102].

Ранние этапы развития пыльцы тесно связаны с функциональной активностью

тапетума. Цитохимические и ультраструктурные исследования свидетельствуют,

что тапетум функционирует как источник питательного материала при развитии

пыльцевого зерна. У покрытосеменных установлено два основных типа тапетума:

гландулярный, при котором клетки по мере развития пыльцевых зерен

дегенерируют до П9лного автолиза, и амебоидный [76]. В последнем клетки

теряют свою оболочку, и протопласт тапетума распределяется между

развивающимися пыльцевыми зернами, образуя тапетальный периплазмодий [61].

Мембраны такого тапетума могут проникать в экзину пыльцы. Питательный

материал транспортируется из клеток та'петума (возможно, предварительно

метабо-ли'аируется им) к пыльцевым зернам .[62]. Взаимодействие тапетума и

развивающихся микроопор максимально проявляется при растворении каллозных

оболочек микроспор. Исчезновение каллозы сопровождается развитием каллазной

активности. Энзим локализован в везикулах цитоплазмы тапетума [130].

Исследование (3-1,3-глюканазной активности в течение мей-оза я распада

тетрад показало, что активность энзима резко возрастала, начиная со II

мейотдческого деления, достигала максимума в фазу освобождения микроспор из

тетрад и сохранялась затем в течение 48 ч [82, 131]. Доказательством

взаимосвязи между развивающимися пыльцевыми зернами и тапетумом, а также

подтверждением кардинальной роли тапетума в образовании пыльцы служат

работы по ЦМС [59, Gl, 62, 76].

В связи с тем, что применение гаметоцидов имеет целью индукцию мужской

стерильности растений, для выяснения предполагаемых механизмов действия

веществ с гаметоцид-'ной активностью необходима сравнительная оценка и

анализ морфологических, цитологических и физиолого-биохимиче-ских различий

фертильных растений и линий с ЦМС. Сравнительная анатомия и биохимия тканей

пыльников нормальных и стерильных растений свидетельствуют, что

абортивность развивающихся пыльцевь»х зерен является результатом включения

или выключения более чем одного механизма, а также нарушений регуляторных

процессов на различных уровнях 6

контролирования метаболических путей [62, 94, 98, 111]. Отмечено, что у

всех изученных линий с ЦМС 90% растений обла^-дали нормальным ходом

микроспорогенеза до определенной фазы, на которой начиналась абортивность

пыльцы, и только у 10% растений анормальность проявлялась еще до стадии,

обусловливающей абортивность в результате более ранних нарушений нормальных

метаболических циклов. У большинства видов (около 70%) деградация микроспор

приходилась на период, начиная с мейоза 1 и включая интерфазу микроспор

[94].

Одной из причин, вызывающих ЦМС растений, являются функциональные

нарушения в метаболизме тапетума. Тщательное изучение этой ткани у

фертильных и стерильных линий, а также у восстановителей фертильности сорго

показало, что у фертильных линий после мейотической профазы I тапетум

быстро уменьшался в радиальной протяженности [52]. В стерильных пыльниках

радиально расширенный тапетум обусловливает абортивность микроспор, и

период его разрастания приходится на стадию вакуолизации микроспоры.

Тапетум стерильных пыльников по протяженности (в ширине) и морфологии имеет

более широкую шкалу изменчивости, чем у фертильных линий. 'Размеры ширины

тапетума стерильных пыльников связывают с дегенеративными процессами в

микроспорах [62, 109, 111].

•При цитологических исследованиях клонов ежи сборной с ЦМС не было

отмечено отклонений в развитии пыльника в течение архиспориальной стадии и

стадии материнской клетки пыльцы по сравнению с нормальными растениями [94,

117]. Первые признаки различий в развитии появлялись в начальные фазы

мейоза, что выражалось в разрушении некоторых микроспороцитов, в результате

чего образовывалось малое количество тетрад у растений с ЦМС. Одновременно

у стерильных растений наблюдалось более быстрое дегенерирова-ние тапетума,

чем у фертильных. При сравнительном исследовании микроспорогенеза и

развития пыльцы у фертильных и стерильных растений льна установлено, что

стерильность пыльцы у этого растения достигалась анормальным разрастанием

клеток тапетума, которые медленно дегенерировали по сравнению с тапетумом

фертильных растений, у которых величина этой ткани быстро уменьшалась,

особенно после стадии тетрад. Очевидно, преждевременное или позднее

включение деградативньгх механизмов тапетума может быть причиной

функциональной мужской стерильности. У разных видов растений эти механизмы

имеют свой специфический характер, что необходимо учитывать при подборе

гаметоцидов, их доз и сроков обработки.

• Цитологические исследования пшеницы показали, что на клеточном уровне ЦМС

выражается в уменьшении размеров и числа органелл, характеризующихся низкой

физиологической активностью и довольно быстрым дегенерированием [59]. У

фертильных пыльцевых зерен органеллы клеток обильны.

Различный уровень метаболической активности тапетума в нормальных и

стерильных пыльниках и продолжительность его функционирования

контролируется цитологами реакцией Фёльгена. Ядра клеток тапетума

нормальных пыльников интенсивно окрашиваются до формирования материнской

микроспоры, после чего окраска прогрессивно уменьшается по мере

коллапсирования тапетума. В тканях тапетума стерильных пыльников

окрашивание ядер продолжает осуществляться интенсивно после формирования

тетрад и незначительно снижается в процессе развития микроспор [94].

Следовательно, функция тапетума неразрывно связана с его определенной ролью

при абортивности микроспор. У нормальных пыльников тапетум получает

необходимый питательный материал, поставляемый растением, и преобразует его

для формирующихся микроспор, что подтверждается поступлением Фёль-ген-

положительных веществ в материнскую микроспору во время мейоза [93].

Тапетум стерильных пыльников имеет более низкий уровень метаболической

активности, о чем свидетельствует как низкая энзиматическая активность, так

и изменение поступления Фёльген-положительного материала в спорогенные

клетки в критические периоды их формирования.

В процессе 'химической индукции мужской стерильности может происходить

включение тех же механизмов, что и пр.и абортивности мужского гаметофита

стерильных аналогов, где стерильность обусловлена ЦМС. Обработка растений

кориандра, вики и лука 0,01%-ным раствором ГМК вызывала 100%-ную

стерильность у всех трех растений [60, 89, 90]. После нанесения гаметоцида

на растения кориандра тапетум увеличивался и существовал вплоть до стадии

вакуолизации микроспор. У контрольных растений тапетум дегенерировал после

мейоза. У лука Г1МК, включался в процессы формирования пыльцы, способствуя

преждевременному дегенерирова-нию спорогенной ткани и материнских клеток

пыльцы. У кориандра химическое индуцирование мужской стерильности

проявлялось цитологически — размер ядер не изменялся, а клетки тапетума

значительно удлинялись.

Предполагают, что вмешательство различных факторов в метаболизм клеток

тапетума приводит к деградации и'х содержимого и, в первую очередь,

дезокоирибозидов — основ-

8

ного синтетического пула ДйК, необходимого для нормального развития

материнской клетки пыльцы и микроспор. Нарушение деятельности тапетума при

снабжеаии питательным ^материалом спорогенной ткани, вызванное различными

причинами, обусловливает начало процессов деградации материнской клетки

пыльцы [134, 137].

Цитологические исследования пыльников растений с аук-син-индуцированной

стерильностью, выращенных при продолжительном освещении, показали, что

химические и физические факторы могут способствовать преждевременному де-

генерированию тапетума с последующим снижением нормального передвижения

питательного материала к спорогенной ткани. В процессе нормального развития

пыльцы в начальных (самых ранних) этапах микроспорогенеза ткани тапетума

разрастаются и только после завершения формирования микроспор в материнской

клетке пыльцы дегенерируют. При гормональной индукции мужской стерильности

гиббереллином (ГКз) и в условиях длительного естественного освещения

•отмечена обратная корреляция во взаимодействии микроспор .и тапетума.

Большинство микроспор становятся крупными, сильно вакуолизированньши, с

ядром, прижатым к клеточной .стенке. Клетки тапетума образуют плотную

оболочку вокруг

•полости пыльцевого мешка. Часть микроспор дегенерирует до вакуолизации, но

большее их количество абортируется при цветении [94].

Аберрация микроспорогенеза в результате продленного дня, по-видимому,

связана с ранним распадом клеток тапетума. Подобный эффект может быть

достигнут путем обработки ауксином, высокая концентрация которого

обнаружена в тканях растений при длительном фотопериоде [78]. Это

подтверждает гипотезу о влиянии фотопериода на пол путем регуляции

метаболизма ауксинов в растительных тканях [84, 88].

Считают также, что нарушение функций тапетума в питании развивающихся

микроспор не является непосредственной и единственной причиной абортивности

пыльцы [46, 107].

При сравнительных исследованиях пыльцы и развития

•пыльников линий пшеницы с ЦМС и нормальных растений установлено, что

деградативные процессы в развивающихся пыльцевых зернах начинаются с

несбалансированного поступления питательных веществ в тапетум в результате

нарушений функциональной активности васкулярной системы тычиночных нитей

[31, 32, 87]. Последние у стерильных растений имели слабо

дифференцированные васкулярные тяжи (либо они отсутствовали), в то время

как у нормальных тычинок сосудистые элементы были хорошо дифференцированы

на

9

ксилему и флоему. Наблюдаемое снижение аккумулирования крахмала в тканях

тапетума и отсутствие запасного крахмала в зрелых микроспорах является

следствием редукции передвижения растворов (в частности углеводов) в

тычинки стерильных растений [87]. Нарушение структуры васкулярных элементов

при воздействии веществ с гаметоцидной активностью может быть одним из

аспектов их действия, тем более, что обработка гаметоци.д'а'ми, как

правило, сопровождается уменьшением размеров пыльников и длины тычиночных

нитей [20, 59].

Преждевременное деградирование тапетума 'или. более длительное

существование интактных клеток тапетума в пыльниках с мужской

стерильностью, индуцированной химическими препаратами, по-видимому,

является результатом взаимосвязи химически активных веществ с

деградативными энзимами (несвоевременная их индукция или блокирование) [56,

60, 74].

При исследовании причин абортивности пыльцы установлено повышение

активности кислых фосфатаз в тканях нормальных пыльников до стадии тетрад,

после которой активность энзимтав резко снижалась с последующим

дегенерирова-нием тапетума [56]. В тканях стерильных пыльников активность

энзимов была гораздо ниже, и набухший тапетум раздавливал микроспоры [82].

.Подобный дисбаланс в энзиматической системе стерильных пыльников был

отмечен S. Izhar и R. Frankel [82] при сравнительном изучении каллазной

активности. В связи с тем, что период развития каллазной активности четко

установлен во времени и имеет определенный оптимум кислотности (р.Н 5),

авторы измерили in vivo pH различных стадий микроспорогенеза. У фертильных

пыльников вплоть до поздней стадии тетрад р.Н составляла около 7, затем

снижалась до 6, что сопровождалось растворением каллозы. В пыльниках

растений линий с ЦМС pH обычно или низкая — тогда энзиматический распад

каллозы материнской клетки пыльцы начинается раньше нормальных сроков, или

высокая — тогда наблюдается сильная активность энзима, начиная с профазы 1

в течение всего мейоза, вызывая цитологические нарушения. Преждевременное

повышение каллазной активности может быть причиной немедленного разрушения

материнской клетки пыльцы. Торможение энэиматической активности кал-лазы

блокирует распад каллозной оболочки материнских клеток пыльцы, в результате

микроспоры теряют свои нормальные очертания и деградируют.

Эти исследования позволили выявить новые причины абортивности пыльцы и

показали, что в основе индукции мужской

10

стерильности лежит дисбаланс в четко скоординированные биохимических

реакциях и нарушения в последовательности -„.нзиматических циклов.

Изменение четкого ритма энзиматической активности каллазы приводит к

деградации развивающихся микроспор [2, 3, 4]. Экспериментально установлено,

что период формирования тетрад является наиболее эффективным для применения

препаратов с гаметоцидной активностью.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6