ОНТОГЕНЕЗ, 2014, том 45, № 6, с. 434-441
ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ
УДК 575.164
ИЗУЧЕНИЕ МОРФОГЕНЕЗА СОЦВЕТИЯ И ВЫЯВЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКА "МНОГОКОЛОСКОВОСТЬ" У МУТАНТНОЙ ЛИНИИ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ (TRITICUM AESTIVUM L.)
© 2014 г. О. Б. Добровольская*, Е. Д. Бадаева**, И. Г. Адонина*, О. М. Попова*, А. А. Красников***, Л. И. Лайкова*
*Институт цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 10, **Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН
117971, Москва, ул. Губкина, 3, ***Центральный сибирский ботанический сад СО РАН 630090, Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101 E-mail: oxanad@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 06.02.2014 г.
Окончательный вариант получен 02.07.2014 г.
С помощью методов С-окрашивания и FISH охарактеризован кариотип индуцированного мутанта MC1611 мягкой пшеницы, у которого развиваются дополнительные колоски с уступах колосового стержня (признак "многоколосковость"). Обнаружено, что мутантный фенотип не связан с анеуп-лоидией и крупными хромосомными перестройками. Результаты генетического анализа показали, что многоколосковость линии обусловлена мутацией одного гена, обозначенного bh-D.1, на действие которого оказывает влияние генотипическая среда. Мутация вызывает аномалии морфогенеза соцветия, связанные с развитием эктопических колосковых меристем на месте флоральных меристем в базальной части колоска, что приводит к появлению дополнительных колосков в уступе колосового стержня. Мутантный фенотип предполагает, что ген Bh-D определяет судьбу латеральных меристем в колоске, которые у соцветий дикого типа развиваются как флоральные и дают начало органам цветка. У мутанта bh-D.1 нарушено установление идентичности флоральных меристем. Охарактеризованный мутант может быть использован в дальнейших исследованиях по изучению молекулярно-генетических основ развития соцветия пшеницы.
Ключевые слова: Triticum aestivum L., развитие соцветия, колос, многоколосковость, мутанты, дифференциальное С-окрашивание, FISH.
Б01: 10.7868/80475145014060032
ВВЕДЕНИЕ
Соцветие пшеницы представляет собой колос. Ось колоса состоит из члеников, на верхней части каждого из которых, в уступах колосового стержня, расположено по одному сидячему колоску (рис. 1а). Колосок — это редуцированная ветвь, содержащая цветки. Наличие колоска является характерной особенностью соцветия всех злаков, исключение составляют несколько рано диверги-ровавших вида (Ма1сошЪег й а1., 2006). Количество колосков в уступе колосового стержня — одна из ключевых таксономических характеристик трибы ТгШсеае ракита е! а1., 2011). У представителей рода ТгШеыш, включая мягкую пшеницу, развивается по одному колоску в уступе, и появление дополнительных или сверхчисленных ко-
лосков (supernumerary spikelets, SS) считается отклонением от нормы. Признак генетически детерминирован (Pennell, Halloran, 1983; Klindworth et al., 1990; Dobrovolskaya et al., 2009), на его проявление оказывают влияние условия окружающей среды (Sharman 1944; Pennell and Halloran, 1983). В контроль признака вовлечены хромосомы второй гомеологической группы (Sears 1954; Klindworth et al., 1990; Peng et al., 1998; Лайкова и др., 2005; Yang et al., 2005). Картированы гены, детерминирующие формирование дополнительных/сверхчисленных колосков в уступах колосового стержня диплоидной (AA), тетраплоидной (BBAA) и гексаплоидной (мягкой) (BBAADD) пшениц (Dobrovolskaya et al., 2009; Li et al., 2011; Haque et al., 2012; Amagai et al., 2014).
Рис. 1. Особенности строения соцветия мутантной линии пшеницы МС1611.
(а) Колос стандартного (дикого) типа мягкой пшеницы сорта Саратовская 29 (С29), и (б) колос с дополнительными колосками в уступах колосового стержня мутанта МС1611. Расположение дополнительных колосков в уступе колосового стержня, вид с (в) внутренней и (г) внешней сторон колосового стержня; дополнительные колоски обозначены стрелками. Микрофотографии развивающихся соцветий (д) С29 и (е, ж) мутанта МС1611. (з) Строение дополнительного колоска (сканирующая электронная микроскопия). МС — меристема соцветия, КМ — колосковая меристема, ФМ — флоральная меристема, ПОЦв — примордии органов цветка, ДК — дополнительные колоски, ЛМ — латеральная меристема, ПКЧ — примордии колосковых чешуй, КЧ — колосковая чешуя, ЦЧ — цветковая чешуя.
Изучение мутантов с измененной морфологией колоса позволяет идентифицировать и изучать гены, контролирующие развитие колоса. Генетическая регуляция развития соцветия злаков наиболее полно изучена у кукурузы благодаря наличию большого количества мутантов с различны-
ми аномалиями в строении соцветия, и риса, геном которого к настоящему времени полностью секвенирован (по Ма1сошЪег е! а1., 2006). Что касается представителей трибы ТгШсеае, пшеницы и близкородственных видов, гены, контролирующие процесс развития соцветия, коло-
са, особенно на стадии формирования колоска, в настоящее времени изучены мало. В течение последнего десятилетия идентифицирован и охарактеризован ряд таких генов у мягкой пшеницы, например, гены с гомеозисной активностью B: WPI (wheat PISTILLATA), WAP3 (wheat APETALA3) (Hama et al. 2004); API-подобный ген WAP1 (VRN1) (Murai et. al 2003), WSEP (wheat SEPALLA-TA ) (Shitsukawaet al., 2007), однако данные, имеющиеся на настоящий момент, недостаточны и разрозненны. Для выявления генов, вовлеченных в контроль развития соцветия, применяют два основных подхода: первый основан на использование мутантных форм с измененной морфологией соцветия, второй предусматривает клонирование генов по гомологии с ранее изученными генами других видов, используя инструментарий сравнительной генетики и геномики. Использование серии генетически независимых мутантов по одному генетическому локусу позволяет более полно изучить особенности функциональной организации генов и определить роль отдельных структурных элементов (функциональных доменов, промотора и др.). В литературе имеется множество примеров использования серий мутантов, один из них — изучение структурно-функциональной организации гена FRIZZY PANICLE, одного из ключевых регуляторов развития соцветия риса (Komatsu et al., 2003).
Мутанты пшеницы с измененной морфологией соцветия, связанной с формированием дополнительных колосков в уступах, важны для изучения генетических механизмов, лежащих в основе архитектуры соцветия пшеницы, колоса. Дж. Мак Кей (Mac Key) еще в 1968 году показал, что большинство видимых мутаций у мягкой пшеницы вызывают хромосомные перестройки и анеупло-идия (Mac Key, 1968). Результаты экспериментов В.М. Мельника и Г.П. Пастухова по изучению ци-тогенетики морфологических мутаций у мягкой яровой пшеницы подтвердили выводы Дж. Мак Кея (Мельник, Пастухов, 1984). Анеуплоидия и хромосомные перестройки (делеции) были обнаружены у линий пшеницы с дополнительными колосками (Sears, 1954; Swaminathan et al., 1966; Kosner, Foltyn 1989; Muramatsu et al., 2009).
Дифференциальное C-окрашивание хромосом — метод, позволяющий с высокой степенью надежности идентифицировать каждую хромосому кариотипа злаков и выявлять хромосомные перестройки: транслокации, делеции, инверсии (Бадаева, 2000; Силкова и др., 2006; Badaeva et al., 2007). Сочетание этого подхода с FISH увеличивает информативность и служит для выявления изменений кариотипа (Дедкова и др., 2007; Зо-щук и др., 2007). В данной работе мутант мягкой пшеницы T. aestivum L. MC1611 с аномалиями в строении колоса, связанными с формированием дополнительных колосков в уступах колосового
стержня, охарактеризован с использованием методов генетики, современных методов анализа кариотипа, световой и электронной микроскопии.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Объектом исследования послужила мутантная линия MC1611, полученная В.М. Мельником (Алтайский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии, Барнаул) при обработке семян мягкой яровой пшеницы сорта Саратовская 29 (С29) химическим мутагеном нитрозометилмочевиной (НММ). Линия характеризуется развитием дополнительных колосков в уступах колосового стержня (Рис. 1б—1г). По другим морфологическим и физиологическим признакам мутантная линия не отличается от исходного сорта. Признак стабильно наследуется. На проявление мутантного фенотипа оказывают влияние условия выращивания растений, так при выращивании в условиях теплицы в осенне-зимний период (октябрь—декабрь) выраженность му-тантного признака уменьшалась, и дополнительные колоски развивались только у основания колоса. Для изучения особенностей наследования мутантного признака были получены следующие популяции: популяция F2 от скрещивания мутанта MC1611 и мягкой пшеницы сорта Скала; две популяции BC1: MC1611/S29//MC1611 и MC1611/S29//S29 от скрещивания МС1611 и С29. Признак учитывался как качественный: либо стандартный колос дикого типа, либо колос с дополнительными колосками в уступах колосового стержня. Соответствие фактического расщепления теоретически ожидаемому расщеплению оценивали по критерию х2 (Рокицкий, 1973).
Развивающиеся соцветия вычленяли с использованием бинокулярного микроскопа Альтами ПС0745 ("Альтами", Санкт-Петербург, Россия) из растений, выращенных в условиях гидропонной теплицы. Особенности развития соцветия изучали при помощи стереомикроскопа Carl Zeiss Stereo Discovery V12 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия) и сканирующего электронного микроскопа Hitachi TM-1000 (Hitachi Co. Ltd, Япония) при постоянном ускоряющем напряжении 15 kV и степени разряжения в камере для образца 30—50 Па. Растительный материал для сканирующей электронной микроскопии не подвергали предварительной обработке. Для получения и обработки изображений использовали цифровую камеру высокого разрешения AxwCam MRc-5 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия) и программное обеспечение AxioVision 4.8, а также оригинальное программное обеспечение для Hitachi TM-1000.
С-дифференциальное окрашивание проводили по раннее опубликованной методике (Badaeva et al., 1994). Препараты анализировали при помощи микроскопа Leitz Wetzlar. Для получения
A
1 2 3 4 5 6 7
«Шин Л
в
C
к II и IIIIКII
Рис. 2. Кариотип мутантной линии мягкой пше
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.