Теоретическое обоснование возможности генетического конструирования хозяйственно ценной структуры соцветий, адаптированных к механизированной уборке семян масличных культур семейства Brassicaceae путем уменьшения неравномерного созревания плодов соцветия.
Аннотация к работе
На примере генов арабидопсиса AP1, BP1 и TFL1 приведено теоретическое обоснование возможности генетического конструирования хозяйственно ценной структуры соцветий адаптированных к механизированной уборке семян масличных культур семейства Brassicaceae путем уменьшения неравномерного созревания плодов соцветия. A. thaliana под влиянием рецессивных аллелей ap1-1, bp-1 и tfl1-2 вместо типичной кисти формируются соцветия с новыми комбинациями признаков, не характерными для Brassicaceae.Одной из главных проблем выращивания названных культур является неравномерное созревание плодов соцветия, приводящее к значительным колебаниям массы, влажности, размеров семян, к преждевременному их осыпанию в результате растрескивания плодов, что затрудняет выбор сроков начала механизированной уборки, работу и регулировку машин. A. thaliana определены главные гены, контролирующие основные структурные признаки соцветий: длина главной оси (междоузлия), длина боковых осей (цветоножки), наличие или отсутствие верхушечного цветка на главной оси, степень ветвления боковых осей [9-11]. Так, длина междоузлий, цветоножек и ориентация плодов в пространстве определяется геном BP1 (хромосома 4 сайт 15), формирование и степень ветвления структурных флоральных единиц обеспечивается геном AP1 (хромосома 1 сайт 99), раннее образование верхушечного цветка или комплекса сближенных цветков с укороченными цветоножками и междоузлиями - геном TFL1 (хромосома 5 сайт 2) (рисунок, 1-4). Наличие гомологии генов, определяющих тип соцветия, у видов совершенно разных систематических групп открывает перспективу для целенаправленного генетического изменения структуры соцветий путем создания новых комбинаций аллелей. У тримутантных линий ap1-1ap1-1 bp-1bp-1 er-1er-1, ap1-1ap1-1 tfl1-2tfl1-2 er-1er-1 и bp-1bp-1 tfl1-2tfl1-2 er-1er-1 особенности строения соцветий определяются комбинациями мутантных аллелей генов АР1, BP1 и TFL1.
Введение
К семейству Крестоцветных (Bras-sicaceae) относится много видов растений, культивируемых в Украине и во всем мире. В качестве масличных культур возделывают рапс (Brassica napus), горчицу сарептскую (Brassica juncea), рыжик посевной (Camelina sativa) и сурепицу (Brassica rapa) [1, 2]. Одной из главных проблем выращивания названных культур является неравномерное созревание плодов соцветия, приводящее к значительным колебаниям массы, влажности, размеров семян, к преждевременному их осыпанию в результате растрескивания плодов, что затрудняет выбор сроков начала механизированной уборки, работу и регулировку машин. Поэтому решение проблемы неравномерного созревания плодов соцветия масличных растений сем. Brassicaceae - важнейший резерв повышения урожайности этих культур и улучшения эффективности механизированной уборки семян. Обоснованию возможности решения этой актуальной проблемы и посвящена настоящая работа.
Материалы и методика. Материалом для исследований послужила исходная гомозиготная мутантная линия N20 - Landsberg erecta - Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. и полученные на ее генетической основе димутантные линии: NW28 - безлепестковый цветок, эректоидный стебель (ap1-1ap1-1 er-1er-1), NW30 - короткая цветоножка, эректоидный стебель (bp-1bp-1 er-1er-1) и NW30911 - закрытое соцветие, эректоидный стебель (tfl1-2tfl1-2 er-1er-1). Семена указанных линий были любезно предо-ставлены Ноттингемским центром по сохранению генетической коллекции арабидопсиса (Nottingham Arabidopsis Stock Centre, UK). Три-мутантные рецессивные линии по генам ap1-1, bp-1, er-1 (Lug 215); ap1-1, tfl1-2, er-1 (Lug 217) и bp-1, tfl1-2, er-1 (Lug 218) получены в Луганском национальном аграрном университете путем искусственного скрещивания димутан-тных линий с последующим отбором в F2 родоначальников тримутантных линий и дальнейшего их размножения при самоопылении [3, 4].
Растения выращивали в лаборатории светокультуры Луганского НАУ при круглосуточном освещении в почвенной культуре [5]. Индивидуальные проявления и эффекты взаимодействия генов оценивали непосредственно путем сравнения и описания внешних особенностей морфологии соцветий тримутант-
15
С.Г. Хаблак, Т.Н. Чеченева
ных линий с димутантными, а также с исходной (базовой) линией Landsberg erecta, принимаемой за контроль, подобно тому как это сделано по другим парам генов в работах [6-8]. Морфологические особенности растений фотографировали цифровым фотоаппаратом Fine Pix S-7000.
Результаты исследований и их обсуждение. Одним из перспективных источников генов в селекции масличных культур сем. Brassicaceae на уменьшение склонности к неравномерному созреванию плодов соцветия является модельное растение арабидопсис Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.). К настоящему времени у A. thaliana определены главные гены, контролирующие основные структурные признаки соцветий: длина главной оси (междоузлия), длина боковых осей (цветоножки), наличие или отсутствие верхушечного цветка на главной оси, степень ветвления боковых осей [9-11].
Так, длина междоузлий, цветоножек и ориентация плодов в пространстве определяется геном BP1 (хромосома 4 сайт 15), формирование и степень ветвления структурных флоральных единиц обеспечивается геном AP1 (хромосома 1 сайт 99), раннее образование верхушечного цветка или комплекса сближенных цветков с укороченными цветоножками и междоузлиями - геном TFL1 (хромосома 5 сайт 2) (рисунок, 1-4).
Изменение функционирования указанных генов является определяющим при формировании различных типов соцветий. Гомологи (ортологи) упомянутых генов встречаются у разных видов растений, включая табак, петунию, рис, кукурузу и ряд других [6]. Наличие гомологии генов, определяющих тип соцветия, у видов совершенно разных систематических групп открывает перспективу для целенаправленного генетического изменения структуры соцветий путем создания новых комбинаций аллелей. Имеется возможность, с одной стороны, переноса в растения генов, сообщающих им улучшенные хозяйственно ценные признаки структуры соцветия с помощью методов генетической инженерии или соматической гибридизации, а с другой - перспектива объединения мутантных аллелей определенных генов в одном генотипе для решения задач функциональной геномики видов.
16
У тримутантных линий ap1-1ap1-1 bp-1bp-1 er-1er-1, ap1-1ap1-1 tfl1-2tfl1-2 er-1er-1 и bp-1bp-1 tfl1-2tfl1-2 er-1er-1 особенности строения соцветий определяются комбинациями мутантных аллелей генов АР1, BP1 и TFL1. При формировании соцветий арабидопсиса рецессивные аллели ap1-1, bp-1 и tfl1-2 либо влияют на визуально обнаруживаемые признаки практически независимо, либо выявляется их взаимодействие. Независимое проявление генов в первом случае возможно потому, что они действуют на различные признаки соцветия. Когда аллели влияют на один и тот же признак, наблюдается взаимодействие генов.
На рисунке, 5 представлено типичное растение тримутантной линии по рецессивным генам ap1-1, bp-1, er-1 - соцветие тирс (проявление действия аллеля ap1-1), междоузлия, цветоножки и плодоножки укорочены (результат экспрессии аллеля bp-1). С формальной точки зрения о некотором взаимодействии генов можно говорить лишь имея в виду расположение цветков и плодов во флоральных единицах (не косо вниз направленные, как у димутантной линии по генам bp-1, er-1, а направленные преимущественно вбок).
Рисунок, 8 иллюстрирует строение соцветия тримутантной линии по рецессивным генам ap1-1, tfl1-2, er-1. Четко видно проявление действия аллеля ap1-1 - соцветие тирс, но обнаруживается и экспрессия аллеля tfl1-2 - цветонос рано заканчивается верхушечным цветком или комплексом сближенных, почти лишенных цветоножек цветков.
Для тримутантной линии Lug 218 по рецессивным генам bp-1, tfl1-2, er-1 характерен уникальный фенотип с одиночными верхушечными цветками и верхоцветными соцветиями (моно-, ди- и плейохазия) (рисунок, 6, 7). Аллель tfl1-2 детерминирует формирование на верхушке цветоноса одного или нескольких сближенных вообще или почти без цветоножек цветков. В результате действия аллеля bp-1 нижние цветки у соцветий имеют заметную, хотя и короткую, повернутую вниз цветоножку. При совместном действии рецессивных аллелей bp-1 и tfl1-2 наблюдается сильное укорочение стебля и цветоножек (вплоть до полного их отсутствия). Это неудивительно - обе
ISSN 0564-3783. Цитология и генетика. 2009. № 3
Перспектива генетического улучшения структуры соцветий масличных культур семейства Brassicaceae
Изменение структуры соцветия A. thaliana: 1 - типичная кисть исходной мутантной линии er-1er-1; 2 - плотная кисть, приближающаяся к колосу, димутантной линии bp-1bp-1er-1er-1; 3 - растение димутантной линии ap1-1ap1-1er-1er-1 c соцветием тирс; 4 - растение димутантной линии tfl1-2tfl1-2,er-1er-1 c тремя сближенными плодами на верхушке; 5 - соцветие тримутантной линии ap1-1ap1-1bp-1bp-1er-1er-1; 6, 7 - карликовые растения тримутантной линии bp-1bp-1tfl1-2tfl1-2er-1er-1; 8 - соцветие тримутантной линии ap1-1ap1-1tfl1-2tfl1-2er-1er-1
обсуждаемые здесь мутации относятся к мутациям короткостебельности.
На основе изложенного можно сделать следующий вывод: под влиянием рецессивных аллелей ap1-1, bp-1 и tfl1-2 у A. thaliana вместо типичной кисти формируются иные типы соцветий с новыми комбинациями признаков, не характерными для сем. Brassicaceae.
Арабидопсис не имеет большой хозяйственной ценности, но благодаря своим уникальным особенностям является идеальной живой биологической моделью для исследования практически всех жизненных программ растений. Исключительно высокое сходство генных на-
ISSN 0564-3783. Цитология и генетика. 2009. № 3
боров и нуклеотидных последовательностей ДНК у разных видов растений позволяет без особых опасений переносить полученные на A. thaliana сведения и выводы на другие виды растений.
Указанные факты возможного конструирования формы соцветий на примере генов арабидопсиса AP1, BP1 и TFL1 открывают новые перспективы для генетического изменения хозяйственно ценной структуры соцветий культурных растений сем. Brassicaceae, сорта которых имеют существенный недостаток - резко выраженную неравномерность развития и созревания плодов соцветия. Это связано с тем, 17
С.Г. Хаблак, Т.Н. Чеченева
что у масличных растений сем. Brassicaceae соцветие представляет собой прямостоячую, многоцветковую, рыхлую кисть. Вдоль длинной центральной оси кисти на достаточно больших расстояниях друг от друга располагаются цветки, раскрывающиеся в акропеталь-ной последовательности, т.е. снизу вверх. В том же направлении созревают и плоды.
В этой связи создание сортов с более плотным расположением, а значит и с более дружным созреванием плодов соцветия у культурных масличных растений сем. Brassicaceae обещает повышение их урожайности. Пригодность той или иной культуры к машинной уборке определяется физико-механическими свойствами и биологическими особенностями самих растений. Поэтому при механизированной уборке необходимы сорта с почти одновременным формированием и равномерным созреванием всех плодов соцветия. Вряд ли случайно то, что наибольшие площади среди культурных растений занимают высокопродуктивные зерновые из семейства Poaceae (злаки), плоды которых располагаются в колосьях и початках весьма плотно и созревают в пределах соцветий практически одновременно. Крайний случай - это кукуруза (Zea mays L.), наиболее продуктивная зерновая культура с плотно расположенными в початках плодами.
Кроме того, компактные соцветия обеспечивают более целесообразное распределение продуктов фотосинтеза между растущими зонами, т.е. преимущественное использование на образование плодов и семян, а не стеблей и плодоножек. К настоящему времени возможности повышения аттракции подробно изучены в онтогенезе растений, особенно злаковых, и широко используются в селекционно-генетическом процессе с помощью генетического перестраивания архитектоники растений [4].
Выводы. Отмеченные факты возможного генетического изменения формы соцветий открывают новые перспективы для решения важнейшей проблемы масличных культур сем. Brassicaceae - резко выраженной неравномерности развития и созревания плодов соцветия. Введение методами прямой или опосредованной трансформации в геном культурных растений сем. Brassicaceae единичных генов или группы генов, кодирующих компактное соцве-
18
тие и отвечающих за хорошо скоординированные процессы созревания плодов, позволит создать соцветие, близкое к идеальной форме и имеющее высокие технологические качества.
S.G. Hablak, T.N. Checheneva
PROSPECT FOR GENETIC IMPROVEMENT OF INFLORESCENCES STRUCTURE IN OIL CROPS OF BRASSICACEAE FAMILY
The theoretical substantiation and new scientific decision of ability to genetic construction of agriculturally valuable inflorescence structure in oil crops of Brassicaceae family are proposed on the examples of A. thaliana genes AP1, BP1 and TFL1. New types of plants are more suitable to machine seed harvesting as a result of decreasing non-simultaneous ripeness of seeds within inflorescences. It has been determined that A. thaliana forms inflorescences with new combinations of untypical for family Brassicaceae features by the effects of recessive alleles ap1-1, bp-1 and tfl1-2 expression.
С.Г. Хаблак, Т.Н. Чеченєва
ПЕРСПЕКТИВА ГЕНЕТИЧНОГО ПОКРАЩАННЯ СТРУКТУРИ СУЦВІТЬ ОЛІЙНИХ КУЛЬТУР РОДИНИ BRASSICACEAE
На прикладі ефектів генів арабідопсіса AP1, BP1 і TFL1 наведено теоретичне обґрунтування і нове наукове вирішення можливості генетичного конструювання господарсько цінної структури суцвіть олійних культур родини Brassicaceae, більш пристосованої до механізованого збирання насіння, шляхом зменшення схильності до нерівномірного дозрівання плодів суцвіття. Встановлено, що під впливом рецесивних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 у A. thaliana замість типової китиці формуються суцвіття з новими комбінаціями ознак, не характерними для родини Brassicaceae.
Список литературы
1. Вавилов П.П. Растениеводство. - М.: Колос, 1979. - 519 с.
2. Державний реєстр сортів рослин, пригодних для поширення в Україні у 2006 році (витяг). - К.: Державна служба з охорони прав на сорти, 2006. - 232 с.
3. Сигидиненко Л.И. Получение рекомбинантных линий арабидопсиса bp-1, tfl1-2; cp2-1, tfl1-2; cp2-1, gl1-1 // Зб. наук. пр. Луган. НАУ. Сер. біол. наук. - 2005. - № 52(75). - С. 48-50.
4. Сигидиненко Л.И., Чеченева Т.Н. Создание новых рекомбинантных линий арабидопсиса и их применение // Зб. наук. пр. Луган. НАУ. Сер. біол. наук. - 2006. - № 6(89). - С. 53-55.
ISSN 0564-3783. Цитология и генетика. 2009. № 3
Перспектива генетического улучшения структуры соцветий масличных культур семейства Brassicaceae
5. Генетика. Практикум / І.Д. Соколов, П.В. Шелі-хов, Т.І. Соколова та ін. - К.: Арістей, 2003. - 176 с.
6. Пенин А.А. Анализ генетического контроля и моделирование развития структуры соцветия у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. : Дис. …канд. биол. наук. - М., 2003. - 136 с.
7. Douglas S.J., Chuch G., Dengler R.E. KNAT1 and ERECTA regulate inflorescence architecture in Arabidopsis // Plant Cell. - 2002. - 14. - P. 547-558.
8. Hofer J., Turner L., Hellens R. UNIFOLIATA regulates leaf and flower morhpogenesis in pea // Curr. Biol. - 1997. - 7. - Р. 581-587.
9. Соколов И.Д., Сова Т.В., Сигидиненко Л.И., Наумов С.Ю., Харченко В.Е. и др. Строение соцветий гомозиготной линии ар1-1 арабидопсиса Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) // Зб. наук. пр.
ISSN 0564-3783. Цитология и генетика. 2009. № 3
Луган. НАУ. Сер. біол. наук. - 2005. - № 48(71). - С. 78-82.
10. Соколов И.Д., Хаблак С.Г., Сыч Е.И., Сигидиненко Л.И. Совместное влияние мутантных аллелей ap1-1 и bp-1 на архитектуру соцветия арабидопсиса (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) // Вісн. Укр. тов-ва генетиків і селекціонерів. - 2005. - 3, № 1/2. - С. 48.
11. Хаблак С.Г., Медведь О.М., Соколов И.Д. Исследование формирования элементарных структурных флоральных единиц в соцветии мутантной линии ap1-1 арабидопсиса Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) // Зб. наук. пр. Луган. НАУ. Сер. біол. наук. - 2006. - № 66(89). - С. 79-85.