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].
Страницы: 1, 2, 3, 4
