научная статья по теме ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРИЗНАКА ФАСЦИАЦИИ У ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.) Биология

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРИЗНАКА ФАСЦИАЦИИ У ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUM SATIVUM L.)»

ГЕНЕТИКА, 2008, том 44, № 6, с. 807-814

ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ

УДК 575.113.32+575.116:582.739

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРИЗНАКА ФАСЦИАЦИИ У ГОРОХА ПОСЕВНОГО (Pisum sativum L.)

© 2008 г. А. А. Синюшин, С. А. Гостимский

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра генетики, Москва 119992;

e-mail: asinjushin@mail.ru Поступила в редакцию 17.10.2007 г.

Изучены наследование и проявление признака фасциации у трех фасциированных линий гороха посевного (Pisum sativum L.). Все изученные формы характеризуются аномальным увеличением размеров апикальной меристемы побега, приводящим к нарушениям в строении стебля. Установлено, что фасциация у мутанта "Штамбовый" связана с рецессивной мутацией гена FAS; с помощью морфологических и молекулярных маркеров ген локализован в III группе сцепления гороха. Доказано, что фасциация у сорта Rosacrone и линии "Люпиноид" обусловлена рецессивной мутацией одного и того же гена (FA). Особая форма соцветия в линии "Люпиноид" обусловлена комплементарным взаимодействием двух рецессивных мутаций (det fa). Исследование взаимодействия мутаций fa и fas показало, что гены FA и FAS контролируют последовательные этапы специализации апикальной меристемы. Для изученного мутантного аллеля fa подтверждены данные о неполной пенетрантности и варьирующей экспрессивности.

Фасциация (от лат. "fascia" - связка, пучок) относится к наиболее распространенным аномалиям развития у высших растений. Под фасциацией обычно понимают разрастание или слияние тех или иных структур, образующихся в избыточном числе из-за нарушения меристематических процессов. Это явление описано более чем у 100 семейств высших растений [1] и может быть вызвано травмами, инфекциями, нарушениями минерального питания или иметь наследственную природу. Возможность развития сходной по фе-нотипическому проявлению аномалии у столь большого числа таксономических групп указывает на существование сходных принципов генетической регуляции функционирования меристем. Именно поэтому изучение фасциации важно для понимания закономерностей морфогенеза растений.

В настоящее время наиболее полно изучены генетические механизмы возникновения фасциации у модельного объекта - Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (Brassicaceae). Описаны два семейства генов, мутации в которых приводят к развитию фасциации, - CLAVATA (CLV) и FASCIATA (FAS). Эти гены являются негативными регуляторами размеров апикальной меристемы побега, взаимодействуя с рядом других генов [2]. Гомологи генов CLV-семейства были описаны у некоторых других растений - например, Zea mays L. [3], Glycine max (L.) Merr. [4], у которых они, по-видимому, выполняют те же функции. Формы гороха с наследственно закрепленной фасциацией послужили основой для создания нескольких сортов, хотя в некоторых источниках этот признак характери-

зуется как снижающий продуктивность и приводящий к повышенному полеганию [5]. У некоторых растений фасциация приводит к снижению ростовых характеристик и в целом жизнеспособности - например, у гречихи [6].

Закономерности наследования фасциации у гороха посевного Pisum sativum L. (Fabaceae) впервые были исследованы еще Менделем [7]. При скрещивании фасциированных растений с нормальными в первом поколении наблюдалось единообразие (все растения были нефасциированны-ми), а в F2 отмечено расщепление с соотношением фенотипических классов 3 : 1, т.е. фасциация наследуется как монофакторный рецессивный признак. Позднее ген, ответственный за развитие фасциации в этой линии, был назван FASCIATA (FA) [8].

Лампрехт [9] приводит данные о том, что расщепление в аналогичном скрещивании ближе к 15 : 1, делая на основании этого вывод о наличии второго гена (FAS), взаимодействующего с FA по типу некумулятивной полимерии: для проявления фасциации необходимо рецессивное состояние по обоим генам. Гипотеза о моногенной природе фасциации была повторно предложена в работе [10]; признак был вновь охарактеризован как монофакторный с неполной пенетрантностью и варьирующей экспрессивностью. В настоящее время гипотеза о двух полимерных генах является основной; описан ген FA2, локализованный в V группе сцепления и также способный в мутант-ном состоянии вызывать фасциацию [11, 12]. Общее число генов, участвующих в развитии фасциации у гороха, по всей видимости, составляет не

808

синюшин, гостимский

менее 2-3 [13]. Таким образом, вопрос о числе и характере взаимодействия генов, ответственных за развитие фасциации у гороха, остается открытым.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использованы линии коллекции кафедры генетики биологического факультета МГУ: сорта Немчиновский, Rosacrone, Филби, Флагман, ДТР; мутант "Штамбовый", полученный индуцированным мутагенезом (этилметан-сульфонат) из сорта Немчиновский [14]; маркерные линии WL 102, WL 1132, WL 1238; линии "Люпиноид" и "Хамелеон" из ВНИИЗБК (г. Орел); фасциированная линия JI 5 (синоним WL 6) из John Innes Collection (Великобритания). Растения выращивали на опытном участке Звенигородской биологической станции МГУ им. С.Н. Скадовского и в оранжерейном комплексе биологического факультета МГУ.

Образцы (апексы, междоузлия) фиксировали в 70%-ном растворе этанола. Изучали анатомическую структуру срезов, выполненных от руки или на ротационном микротоме. Материал в последнем случае заключали в смесь воска и парафина (1 : 4), предварительно проводя через серию спиртов повышающейся концентрации согласно стандартной методике [15]. Окрашивание постоянных препаратов проводили по Деляфильду [15]. Структуру апексов анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии. Использовали микроскоп CamScan-S2 в режиме "Secondary Electron Image" (SEI) с ускоряющим напряжением 20 кВ. Материал для микроскопиро-вания фиксировали в 4%-ном растворе глютаро-вого альдегида в 0.025 М фосфатном буфере (рН 7.0) и хранили при 4°С (до полугода), затем переносили в 2%-ный раствор OsO4 в фосфатном буфере. Через сутки 3 раза промывали фосфатным буфером и обезвоживали проведением через серию спиртов повышающейся концентрации. Сушку проводили в жидком CO2. Перед работой образцы подвергали металлизации сплавом золота и палладия в ионно-распылительной установке Eiko IB-3.

Производили подсчет величин фенотипиче-ских классов в расщепляющихся популяциях с проверкой достоверности соответствия наблюдаемого расщепления ожидаемому методом %2. Для анализа дигибридных скрещиваний параллельно с вышеизложенным применяли метод разложения х2 на компоненты [16]. Полученные обоими методами значения %2 сравнивали с табличными значениями по Фишеру с соответствующим числом степеней свободы и вероятностью случайности отклонения р < 0.05.

Картирование проводили в популяции F2 от скрещивания "Штамбовый" х WL 1238 с использованием молекулярных маркеров на основе по-лимеразной цепной реакции (ПЦР). При этом были выбраны CAPS-маркеры, локализованные в III группе сцепления. Последовательности прай-меров, эндонуклеазы рестрикции и параметры амплификации приведены в работах [17] (для маркеров Egll и PK4) и [18] (для маркера Pepcn). Кроме того, при картировании были использованы SSR-маркеры АА355 и AB30, параметры амплификации которых описаны в работе [19]. ПЦР проводили в амплификаторе "Терцик" (производство "ДНК-технология"). Продукты ПЦР фракционировали в 1.7-3%-ном агарозном геле ("Am-resco") при напряжении 3 В/см и затем визуализировали в ультрафиолетовом излучении.

Подсчет расстояния между сцепленными маркерами производили с использованием программы Mapmaker/EXP 3.0 с применением картирующей функции Косамби и пороговым значением LOD-балла 3.00 [20].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфолого-анатомический анализ фасциированных форм

Изученные мутантные линии обладают несколько отличными друг от друга проявлениями фасциации (рис. 1). Общим для них является значительное утолщение стебля, обычно сопровождающееся его уплощением. На анатомическом уровне отмечается резкое увеличение числа проводящих пучков (рис. 2): если у нефасциирован-ных растений развивается 15-20 пучков в средней части побега, то у мутанта "Штамбовый" их насчитывается до 60-80. Структура пучка не изменена.

В норме для гороха характерна округлая или неясно-четырехгранная в сечении форма стебля, определяемая развитием четырех крупных пучков листового следа, армированных механической тканью. Такое анатомическое строение определяет и характерное для P. sativum двуряд-ное листорасположение. У фасциированных растений из-за изменения объема меристемы происходит увеличение числа листьев в узле: формируются односторонние мутовки по 2-3(5) листа. При этом мутовки сохраняют двурядное листорасположение; иногда отмечается срастание листьев в различной степени. У мутанта "Штамбовый" нарушения филлотаксиса отмечаются уже с третьего узла с появлением настоящих листьев (рис. 3). В линии "Люпиноид" и сорте Rosacrone проявления фасциации в целом слабее, и аномалии листорасположения характерны для средних и верхних междоузлий побега; в условиях теплицы проявления фасциации у растений этих линий

Рис. 1. Внешний вид изученных форм: сорт Немчиновский (а), мутант "Штамбовый" (•), сорт ЯоБасгопе (в), линия "Лю-пиноид"(г).

значительно ослабляются. Изредка у растений линии "Люпиноид" наблюдается измененное число листьев в третьем узле, а затем (до 10-11-го узлов) формируются узлы с нормальным листорасположением (рис. 3). В пазухах листьев развиваются нормальные открытые кисти (обычно двуцветковые), которые у фасциированных растений сорта Rosacrone и мутанта "Штамбовый" обычно оказываются собранными в верхней части побега. В линии "Люпиноид" происходит превращение аномально увеличенной (фасциирован-ной) апикальной меристемы в меристему пазушного соцветия, в результате чего формируется сложное терминальное соцветие, имитирующее терминальную кисть. Изредка наблюдается срастание цветков, которое носит, по всей видимости, случайный характер.

Все проявления фасциации значительно ослаблены при выращивании растений в теплице или на открытом грунте при водном дефиците (например, в засушливый полевой период летом 2007 г.).

Гены CLV-семейства у Arabidopsis thaliana в норме

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.

Показать целиком