Особенности строения и развития женских генеративных структур у линий кукурузы с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза

У такой важной сельскохозяйственной культуры как кукуруза существуют формы как с наследуемым, так и ненаследуемый типами партеногенеза. Наследуемый тип гаплоидии представляет интерес для синтеза нередуцированных апомиктов на основе объединения признаков партеногенеза, не-редукции и нормального развития эндосперма [1]. Ненаследуемый (индуцированный) тип гаплоидии в настоящее время широко используется для ускоренного создания гомозиготных линий кукурузы, и на их основе высокогетерозисных гибридов [7, 8]. Создано немало гаплоиндуцирующих линий с высокой частотой гаплоиндукции, пригодных для коммерческого использования. К ним относятся полученные от линии-основателя Stock 6 линии: КМС и ЗМС [9], WS14 [10], MHI [11], RWS [12], UH400 [13], HZI1, CAUHOI [14], PHI [15], KEMS [16] и др. Технология гаплоиндукции включена в различные коммерческие селекционные программы для кукурузы в Европе, Северной Америке, в Китае [14], Пакистане [17], Вьетнаме и других странах [18, 19]. Несмотря на большое количество полученных гапло-индукторов создание новых линий кукурузы с гап-лоиндуцирующей способностью остается актуальным. Целесообразность таких работ обусловлена необходимостью адаптации к разным климатическим условиям, повышения частоты гаплоиндукции и введения новых маркерных признаков, позволяющих быстро отбирать гаплоиды среди гибридного потомства. Эффективное использование в селекционно-генетических программах линий кукурузы с различными типами партеногенеза невозможно без учета их эмбриологических особенностей.

Цель работы: изучение особенностей строения и развития женских генеративных структур у линий кукурузы с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза.

Материал и методика исследования. Материалом исследования послужили линии кукурузы c разными типами цитоплазмы и наследуемым партеногенезом (АТ-3 (N) с нормальным исходными типом цитоплазмы; АТ-3 (М) с молдавским типом цитоплазматической мужской стерильности; АТ-3 (С) с парагвайским типом ЦМС; АТ-3 (Т) с техасским типом ЦМС; АТ-3 (В) с боливийским типом ЦМС), а также линии с высокой гаплоиндуцирую-щей способностью (ЗМС-П1, ЗМС-П2, ЗМС-П3). В качестве контроля использовали линию ЗМgl, не обладающую гаплоиндуцирующей способностью и не склонную к наследуемому партеногенезу.

Растения высаживали в поле квадратногнездовым методом, 16 делянок по 4 ряда. Початки изолировали до появления пестичных нитей пергаментными пакетами. Фиксацию ацетоалкоголем проводили на 7 сутки после появления первых пестичных нитей. Препараты женских гаметофитов приготавливали с использованием метода ферментативной мацерации семязачатков с последующей диссекцией [20]. Анализ препаратов проводили с использованием микроскопа AxioStar (С. Zeiss, Германия).

Результаты исследования.

Строение и развитие женских генеративных структур линии кукурузы, несклонной к партеногенезу (контроль). Все исследованные зрелые зародышевые мешки линии ЗМgl имели типичное для злаков строение. Они были восьмиядерные, семиклеточные, Polygonum-типа. Яйцевой аппарат трехклеточный, состоящий из одной яйцеклетки и двух синер-гид. Центральная клетка с двумя полярными ядрами, несливающимися до оплодотворения. В процессе созревания зародышевого мешка антиподы претерпевают несколько митотических делений, в результате чего формируется антиподальный комплекс, состоящий в среднем из 15-20 одноядерных антипод. Гаметофитных аномалий и партеногенетического развития яйцеклеток у изученных растений линии ЗМgl не обнаружено (см. табл. 1).

Структура женских гаметофитов неопыленных завязей изученных линий кукурузы

Строение и развитие женских генеративных структур линий кукурузы с наследуемым типом партеногенеза. У растений линий кукурузы АТ-3 (N), АТ-3 (М), АТ-3 (С), АТ-3 (Т) и АТ-3 (В) в неопылен-ных завязях зародышевые мешки с партеногенетическим проэмбрио встречались с частотой от 3,0 до 6,0% (см. табл. 1, рис. 1в). Наряду с мегагаметофитами нормального строения (рис. 1а) были обнаружены зародышевые мешки с дополнительными яйцеклетками (одной, иногда двумя) (рис. 1б). Дополнительные женские гаметы формировались за счет нарушения процессов поляризации и дифференцировки элементов зародышевого мешка. Такие нарушения чаще всего приводили к образованию трехклеточного яйцевого аппарата, состоящего из двух яйцеклеток и одной синергиды (рис. 1б) или в некоторых случаях из трех яйцеклеток. Реже наблюдалось формирование четырехклеточного яйце- вого аппарата, состоящего из двух синергид и двух яйцеклеток. Дополнительные женские гаметы могли развиваться партеногенетически, о чем свидетельствует наличие в неопыленных завязях зародышевых мешков с двумя проэмбрио (рис. 1г). Такие мегагаметофиты были зарегистрированы у линий с цитоплазмами М, B и С типами с частотой 0,8; 0,7 и 0,5%, соответственно (см. табл. 1).

Строение и развитие женских генеративных структур линий кукурузы с индуцированным типом партеногенеза. Практически все исследованные зрелые зародышевые мешки линий ЗМС-П1, ЗМС-П2, ЗМС-П3 имели типичное строение (см. табл. 1). Лишь в одном зародышевом мешке линии ЗМС-П1 было обнаружено две яйцеклетки, и в одном мегагаметофите линии ЗМС-П3 – три полярных ядра. Из более чем 600 проанализированных зародышевых мешков ни в одном из них не обнаружено партено- генетического развития яйцеклеток, тогда как при самоопылении данных линий гаплоиды встречались с частотой около 8% [19].

Это свидетельствует о том, что:

• 1)    гаплоиндуцирующие линии не склонны к образованию гаплоидов за счет наследуемого партеногенеза;

а

б

в

г

Рис.1. Зародышевые мешки кукурузы линии АТ-3:

1 - типичного строения; 2 - с двумя яйцеклетками в яйцевом аппарате; 3 - с партеногенетическим проэмбрио; 4 - с двумя партеногенетическими проэмбрио

• 2)    развитие гаплоидов у них индуцируется после опыления собственной пыльцой. Способность гап-лоиндуцирующих линии индуцировать образование гаплоидов при самоопылении дает возможность при создании новых гаплоиндуцирующих линий проводить отбор на гаплоиндукцию в самоопылен-ном потомстве.

Выводы: проведенное исследование дает основание констатировать, что развитие женского гаметофита у линий кукурузы, не склонных к партеногенезу, и гаплоиндуцирующих линий ЗМС-П1, ЗМС-П2, ЗМС-П3 происходит, как правило, без каких-либо отклонений от нормы. При задержке опыления 7 сут индукции яйцеклеток к партеногенезу не наблюдается. У линий с высокой гаплоиндуци-рующей способностью партеногенетические зародыши развиваются только после опыления собственной пыльцой. У линий кукурузы с наследуемым типом партеногенеза АТ-3 (М), АТ-3(С), АТ-3 (Т), АТ-3 (В) при задержке опыления 7 сут зародыши без оплодотворения развиваются в среднем с частотой около 3%. Данные линии характеризуются также повышенной частотой формирования зародышевых мешков с дополнительными яйцеклетками от 0,3% у АТ-3(М) до 10,0% у АТ-3(В). Развитие мегагаметофитов со структурными отклонениями - закономерное эмбриологическое явление, сопутствующее апомиксису у дикорастущих злаков [21]. С наибольшей частотой у них встречается полигаметия -формирование в мегагаметофите дополнительных яйцеклеток за счет трансдетерминации синергид или антипод. Повышенная частота полигаметии у апомиктичных дикорастущих злаков и партеногенетических форм кукурузы свидетельствует о том, что образование дополнительных яйцеклеток является признаком, сопряженным с наиболее важным элементом апомиксиса партеногенезом. Высокая частота встречаемости дополнительных женских гамет дает возможность использовать эту эмбриологическую особенность в качестве диагностического признака при выявлении склонности к наследуемым формам партеногенеза на эмбриологическом уровне и при проведении искусственного отбора на наследуемый партеногенез у кукурузы. Линии АТ-3 (М), АТ-3(С), АТ-3 (Т), АТ-3 (В) были получены от одной исходной линии АТ-3 путем перевода ее на разные формы цитоплазмы с ЦМС. Развитие партеногенетических проэмбрио и формирование дополнительных гамет у этих линий свидетельствует о том, что данные признаки являются ядерными, на характер проявления которых цитоплазма не оказывает влияние.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по заданию №6.8789.2017/БЧ.