ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 3, с. 312-323
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 631.522:633.174
НАСЛЕДОВАНИЕ РЕВЕРСИЙ К МУЖСКОЙ ФЕРТИЛЬНОСТИ У СТЕРИЛЬНЫХ ГИБРИДОВ СОРГО С ЦМС ТИПА 9Е, ИНДУЦИРОВАННЫХ УСЛОВИЯМИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
© 2015 г. Л. А. Эльконин1, Г. А. Геращенков2, И. В. Доманина1, Н. А. Рожнова2
Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Россельхозакадемии, Саратов 410010
e-mail: lelkonin@gmail.com 2Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа 450054
Поступила в редакцию 14.03.2014 г.
Окончательный вариант получен 07.07.2014 г.
Наследуемые изменения фенотипа, возникающие в онтогенезе растений под действием факторов внешней среды, относятся к числу наиболее интригующих генетических явлений. Обнаружено, что выращенные в полевых условиях стерильные гибриды сорго с ЦМС типа 9Е из семей Fi и F2, полученных от скрещивания ЦМС-линий с разными фертильными линиями, при переносе в теплицу формируют фертильные побеги. Линии, созданные на основе ревертантных побегов, проявляют полную мужскую фертильность при выращивании в разных условиях внешней среды: в полевых условиях, на грядках с искусственной засухой или с дополнительным поливом. В тест-кроссах ре-вертантов с ЦМС-линиями на цитоплазме 9Е в ряде случаев наблюдается восстановление фертиль-ности у гибридов F1, свидетельствующее о наличии у ревертантов функционально активных генов-восстановителей. Выявлена положительная корреляция уровня фертильности тест-кроссных гибридов с величиной гидротермического коэффициента (отношения суммы осадков к сумме температур) за период созревания пыльцы (r = 0.75...0.91; P< 0.01), доказывающая, что для функционирования генов-восстановителей ревертантов требуется высокий уровень влагообеспеченности растений. Полученные данные свидетельствуют в пользу гипотезы, что гены-восстановители фертильности ЦМС типа 9Е в условиях высокой влагообеспеченности являются доминантными, тогда как в условиях засухи — рецессивными; при этом реверсия к фертильности обусловлена "включением" генов-восстановителей под действием высокого уровня влагообеспеченности. Сравнительный MSAP-анализ ДНК стерильных и фертильных тест-кроссных гибридов с использованием рестриктаз Hpall/Mspl и праймеров к генам полигалактуроназы ADPG2 и транскрипционного фактора MYB46, участвующим в генетическом контроле раскрывания пыльников и созревания пыльцы, выявил различия в числе и размере амплифицированных фрагментов. Возможно, изменение характера метилирования этих генов в условиях засухи является причиной мужской стерильности гибридов сорго с ЦМС типа 9Е. Полученные данные показывают, что метилирование ядерных генов в стерильной цитоплазме может быть одним из механизмов, обусловливающих явление ЦМС.
DOI: 10.7868/S0016675815030030
Взаимодействие генотипа растений и окружающей среды, возникновение наследуемых изменений фенотипа под действием условий выращивания являются важнейшими проблемами генетики растений, вызывавшими в недалеком прошлом ожесточенные дискуссии. С развитием эпигенетики, пониманием закономерностей эпигенетической регуляции генов растений внимание к подобным явлениям вновь возросло. Ныне четко установлено, что факторы окружающей среды (температура, влагообеспеченность, условия освещения и минерального питания) посредством разных эпигенетических механизмов — метилирования ДНК, модификации гистонов, мик-роРНК сигналинга — влияют на реализацию наследственной информации, кодируемой нук-
леотидными последовательностями ДНК [1—3]. В ряде случаев фенотипические изменения, возникающие под действием этих факторов, сохраняются при вегетативном или половом размножении. Примеры наследования изменений экспрес-сируемых состояний признаков (эпиаллелей), возникающих в ответ на внутренние или внешние сигналы, описаны во множестве работ [4—6]. Эти данные, трактуемые в некоторых случаях как наследование "приобретенных" признаков [7], заслуживают детального анализа и свидетельствуют о сложности проблем возникновения генетического разнообразия и реализации наследственной информации в ходе онтогенеза.
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) может служить одной из удобных моделей
для исследования этих проблем, поскольку формирование генеративной сферы растений в значительной мере определяется взаимодействием большого числа ядерных и цитоплазматических генов растения с факторами окружающей среды. За последние годы появилось немало фактов, свидетельствующих, что ЦМС может быть обусловлена не только специфическими митохон-дриальными ЦМС-индуцирующими генами, функционирующими в отсутствие ядерных генов-восстановителей фертильности [8], но возникать в результате нарушения экспрессии ядерных генов, необходимых для развития пыльцы, в чужеродной цитоплазме [9, 10]. Такой механизм, известный как ретроградная регуляция, проявляет высокую чувствительность к факторам внешней среды, в частности к действию абиотического стресса, нарушающего экспрессию митохондри-ального и хлоропластного геномов и их взаимодействие с ядерными генами [11—14].
Благоприятным объектом для таких исследований является сорго, у которого в результате скрещиваний представителей разных рас и подвидов получено большое число разных типов ЦМС [15]. Эти типы ЦМС различаются по фенотипу стерильных пыльников и дефектных пыльцевых зерен, по реакции на линии-тестеры восстановители фертильности, структуре митохон-дриальной и хлоропластной ДНК, механизму дегенерации пыльцы и действия генов-восстановителей. Изучение генетики восстановления фертильности в некоторых типах стерильных цитоплазм, общим свойством которых является нарушение раскрывания пыльников (А3, А4, 9Е, М35-1А), выявило необычное явление: гены-восстановители функционируют у гибридов Б1 и в их самоопыленном потомстве, но очень слабо экспрессиру-ются в бэккроссах этих гибридов на материнские ЦМС-линии или в тест-кроссах с ЦМС-линиями с тем же типом стерильной цитоплазмы [16—18]. Данное явление в цитоплазме А3 было интерпретировано как парамутационные взаимодействия между геном-закрепителем ЦМС-линии, обладающим парамутагенным эффектом, и геном-восстановителем фертильности, являющимся пара-мутабильным [18].
Нами при изучении ЦМС 9Е было установлено, что важным фактором, регулирующим восстановление фертильности в тестерных скрещиваниях, является высокий уровень влагообеспе-ченности растений на этапе микроспорогенеза и гаметогенеза, причем фертильность, индуцированная в таких условиях, стабильно наследуется при самоопылении в течение многих поколений и проявляется как при высоком уровне влаго-обеспеченности, так и при засухе [17, 19, 20]. В данной статье нами приводятся примеры индукции наследуемых реверсий к мужской фер-тильности при переносе стерильных гибридов
сорго с ЦМС типа 9Е из полевых условий в условия теплицы и результаты изучения экспрессии индуцированных реверсий в тест-кроссах с ЦМС-линиями в разных условиях внешней среды. При этом впервые сообщается, что метилирование ядерных генов, контролирующих развитие мужской генеративной сферы, в стерильной цитоплазме может быть одним из механизмов, обусловливающих явление ЦМС у растений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использовали мужски-стерильные растения из гибридных семей F1 и F2, полученных от скрещивания ЦМС-линий зернового сорго (Sorghum bicolor (L.) Moench) на стерильной цитоплазме типа 9Е (9Е Тх398, 9Е Желтозерное-10 (9Е Ж10), 9Е Волжское-615 (9Е В615), 9Е Пищевое-614 (9Е П614)) с фертильными линиями Перспек-тивное-1 и КВВ-263. Линия КВВ-263 была создана в результате отбора из фертильного гибрида 9Е Тх398/КВВ-114 и, следовательно, также несла цитоплазму 9Е [16]. Растения выращивали на опытном поле Селекционного комплекса НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов) в 2007—2013 гг. Для индукции реверсий стерильные растения переносили в растильную комнату, оборудованную лампами ДРИ-2000 и PlantaStar-400 (10 тыс. люкс на уровне растений; фотопериод 16 ч/8 ч (день/ночь); t° 25 ± ± 3°C), и выращивали в вегетационных сосудах. Кроме того, в некоторых гибридных комбинациях (9Е Ж10/КВВ-263, 9Е П-614/КВВ-263) фер-тильные ревертанты индуцировали путем выращивания гибридов F1 в грядке с дополнительным искусственным поливом, который проводили начиная со стадии трубкования до завершения цветения (каждые 4—5 дней по 9—10 л/м2). Семена, завязавшиеся на фертильных побегах, высевали на опытном поле.
Для определения уровня мужской фертильно-сти все растения перед цветением изолировали пергаментными изоляторами. В зависимости от уровня завязываемости семян растения классифицировали как стерильные (с) (0% семян), полустерильные (пс) (<40%, как правило 10—20%), фертильные (>40%, как правило 80—100%). Для изучения наследования индуцированной фер-тильности проводили тестерные скрещивания ревертантов с ЦМС-линиями с цитоплазмой 9Е.
Для выявления влияния условий влагообеспе-ченности на экспрессию мужской фертильности самоопыленные потомства ревертантов и их тест-кроссные гибриды с ЦМС-линиями выращивали в двух грядках, одну из которых подвергали дополнительному искусственному поливу ("влажная грядка"), начиная со стадии трубкования, а в другой устанавливали стресс засухи ("засуш-ник"). Для этого на грядку в начале стадии труб-кования растений устанавливали конструкцию,
Таблица 1. Праймеры и адаптеры, использованные для М8АР амплификации ДНК сорго
Нуклеотидная последовательность праймеров 5'—3' Предназначение праймера/маркируемый локус
M20: tcgggacgatgagtgtagaa Длинная цепь HpaII/MspI адаптера
dm12: cgttctacactg Короткая цепь HpaII/MspI адаптера
M23: tcgggacgatgagtgtagaacgg Праймер для предамплификации
M-tca: ggacgatgagtgtagaacgg-tca Селективный праймер на основе адаптера
M-acc: ggacgatgagtgtagaacgg-acc То же
M-acg: ggacgatgagtgtagaacgg-acg »
M-aac: ggacgatgagtgtagaacgg-aac »
Myb46: tctccgtgatggcgacaattgag Ген AtMYB46 (кодирует транскрипционный фактор, регулирующий биосинтез вторичной стенки) [23]
ADPG2 F2: ctctttgcggactccaaccacc Ген AtADPG2 (кодирует полигалактуроназу, участвующую в сепарации клеток репродуктивных органов) [24]
изготовленную из прозрачного поликарбоната.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.