Вплив мутантних алелів генів AP1, BP1 і TFL1 на структуру суцвіття Arabidopsis thaliana (L.) Heynh

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

СЕЛЕКЦІЙНО-ГЕНЕТИЧНИЙ ІНСТИТУТ - НАЦІОНАЛЬНИЙ ЦЕНТР НАСІННЄЗНАВСТВА ТА СОРТОВИВЧЕННЯ

УДК 575.164:581.461:582.683.2

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

ВПЛИВ МУТАНТНИХ АЛЕЛІВ ГЕНІВ AP1, BP1 І TFL1 НА СТРУКТУРУ СУЦВІТТЯ ARABIDOPSIS THALIANA (L.) HEYNH.

03.00.15 ? генетика

ХАБЛАК СЕРГІЙ ГРИГОРОВИЧ

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі біології рослин Луганського національного аграрного університету, м. Луганськ

Науковий керівник: доктор біологічних наук, старший науковий співробітник ЧЕЧЕНЄВА Тетяна Миколаївна, Національний університет біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України,

завідувач кафедри молекулярної генетики та біобезпеки.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор ВОЛКОВ Роман Анатолійович, Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, завідувач кафедри молекулярної генетики та біотехнології;

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник ФАЙТ Віктор Іванович, Селекційно-генетичний інститут - Національний центр насіннєзнавства та сортовивчення, завідувач відділу генетики.

Захист відбудеться 27 листопада 2009 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.363.01 при Селекційно-генетичному інституті - Національному центрі насіннєзнавства та сортовивчення за адресою: 65036, м. Одеса, Овідіопольська дорога, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Селекційно-генетичного інституту - Національного центру насіннєзнавства та сортовивчення за адресою: 65036, м. Одеса, Овідіопольська дорога, 3.

Автореферат розіслано 23 жовтня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради З.В. Щербина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальною науковою проблемою сучасної генетики рослин є вивчення генетичного контролю формування суцвіть. Ґрунтовне дослідження даної проблеми висуває ряд важливих і складних завдань, рішення яких повинно забезпечити в майбутньому можливість цілеспрямованого перетворення структури суцвіть олійних культур родини Brassicaceae, що мають виражену нерівномірність розвитку і дозрівання плодів. Мова йде про дослідження дії генів, що контролюють розвиток ознак структури суцвіть, вивчення взаємодії таких генів, характеру їх успадковування, з'ясування механізму формування суцвіття як єдиного цілого.

Одним з перспективних джерел генів для розв'язання проблеми генетичного контролю формування суцвіття є арабідопсис Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. родина Brassicaceae) - об'єкт номер один серед модельних рослин. Створені великі міжнародні генетичні центри колекцій арабідопсису, в яких підтримуються тисячі мутантів, а також кДНК бібліотеки, наявні генетичні карти. Геном Arabidopsis thaliana (2n=10) було повністю секвеновано у 2000 році. Завдяки методам молекулярної генетики та генетичної інженерії гени арабідопсису використовуються як донорні при створенні цінного вихідного матеріалу для селекції (Peng, 1999; Shiging, 2005). Сучасний етап пов'язаний з розширенням досліджень у напрямі функціонування геному арабідопсиса - з'ясування функцій всіх його 25498 генів (Сhory, 2000). Дотепер у Arabidopsis thaliana визначені головні структурні гени (APETALA1 - AP1, BREVIPEDICELLUS1 - BP1 і TERMINAL FLOWER1 - TFL1), що контролюють формування фенотипових ознак квітконоса. При цьому генетичні аспекти впливу рецесивних мутантних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на зміну структури суцвіття у арабідопсиса не були вивчені. Тому актуальним є дослідження впливу генів на онтогенез суцвіття, особливостей їх успадковування та аналіз структури суцвіть за кількісними ознаками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана протягом 2004-2007 рр. згідно плана науково-дослідних робіт кафедри біології рослин Луганського національного аграрного університету за темою 1.2.1 «Синтез і вивчення полімаркерних ліній арабідопсису Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (номер державної реєстрації № 0108U010056).

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень було вивчення генетичних механізмів утворення форми суцвіття у Arabidopsis thaliana під впливом рецесивних картованих мутантних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2.

Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні завдання:

- провести морфологічно-біологічний аналіз будови суцвіть ліній за рецесивними мутантними алелями ap1-1, bp-1 і tfl1-2;

- дослідити взаємодію рецесивних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 в регуляції розвитку ознак суцвіття Arabidopsis thaliana;

- провести аналіз структури суцвіть Arabidopsis thaliana за кількісними ознаками з різним генетичним контролем.

Об'єкт дослідження - генетичні системи контролю структури суцвіття Arabidopsis thaliana.

Предмет дослідження - вплив та взаємодія мутантних алелів генів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на якісні та кількісні ознаки суцвіття Arabidopsis thaliana.

Методи досліджень - порівняльно-морфологічний, гібридологічний, генетичний аналіз, статистичний.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проведено комплексне вивчення ефекта рецесивних картованих мутантних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на будову і компактність суцвіття. При дослідженні розвитку суцвіть арабідопсиса вперше виявлено симподіальне галуження стебел.

Вперше встановлено одну з головних функцій мутантного алеля ap1-1 - проліферацію, пов'язану з розвитком додаткових бруньок в пазухах квіток та замість чашолистків, що є причиною зміни типу суцвіття. Доведено помилковість віднесення гена APETALA1 до гомеозисних генів.

Вперше досліджено взаємодію мутантних алелів та описано генетичний контроль формування у Arabidopsis thaliana різних типів суцвіть: закритого типу, щільної китиці, що наближається до колоса, тирсів (звичайного, колосовидного, закритого), цимозних суцвіть (моно-, ди- і плейохазіїв).

При проведенні генетичного аналізу структури суцвіть за кількісними ознаками виявлено множинний плейотропний ефект мутантних алелiв ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на процес дозрівання суцвіття арабідопсиса. Встановлено їх сумісний вплив на щільність квітконосу, обумовлений епістатично-адитивною взаємодією. Виявлено суттєву кореляцію між компактністю суцвіття, числом діб від початку до кінця дозрівання стручків, масою та кількістю насіння з рослини. Доведено ефективність застосування показника компактності суцвіття (індекс С) при оцінці морфогенетичної структури квітконосу і продуктивності арабідопсиса.

Практичне значення отриманих результатів. Пропонується новий науковий підхід щодо вирішення питання вдосконалення господарсько цінної структури суцвіть олійних культур родини Brassicaceae за рахунок зменшення нерівномірності дозрівання плодів.

Результати даної роботи використовуються у навчальному процесі при викладанні генетики для студентів вищих навчальних закладів ІІІ-ІV рівнів акредитації.

Особистий внесок здобувача полягає в узагальненні літературних даних, проведенні всіх основних експериментів і досліджень, аналізі, інтерпретації та статистичній обробці результатів, підготовці й написанні наукових статей. Частка особистої участі дисертанта у публікаціях зі співавторами складає 20-80%.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на І, ІІ Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології» (Львів, 2005); І Міжнародній науково-практичній конференції «Наукова молодь: досягнення та перспективи» (Луганськ, 2006); ХІІ з'їзді Українського ботанічного товариства (Одеса, 2006); Міжнародній конференції молодих учених-ботаніків «Актуальні проблеми ботаніки, екології та біотехнології» (Київ, 2006); Міжнародній конференції, присвяченій 300-річчю з дня народження К. Ліннея (Луганськ, 2007); Х конференції молодих вчених «Сучасний стан і пріоритети розвитку фізіології рослин, генетики і біотехнології» (Київ, 2007); VI Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Шевченківська весна - 2008» (Київ, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць, у тому числі 10 статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України, та 5 тез доповідей в матеріалах наукових конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація викладена на 142 сторінках тексту, складається зі вступу, 6 розділів, а саме - огляд літератури, матеріали і методи, власні дослідження (3 розділи) та їх обговорення, аналіз й узагальнення результатів, висновки і список використаної літератури (195 джерел, з них 112 - іноземних). Робота містить 14 таблиць і 23 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Генетична мінливість arabidopsis thaliana (l.) Heynh. (огляд літератури)

В огляді літературних джерел наведено узагальнення публікацій щодо особливостей A. thaliana родини Brassicaceae як об'єкта молекулярно-генетичних досліджень. Проаналізовано сучасні дані в галузі вивчення генетичного контролю розвитку суцвіття арабідопсиса. Обґрунтовано необхідність проведення досліджень стосовно вивчення ефектів генів AP1, BP1 і TFL1 на будову і компактність суцвіття арабідопсиса для подальшого вирішення найважливішої проблеми олійних культур родини Brassicaceae - нерівномірності розвитку і дозрівання плодів.

Матеріали і методи досліджень

Матеріалом для досліджень у роботі слугували мутантні лінії Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Загальна характеристика цих ліній з локалізацією мутацій за групами зчеплення представлена в табл. 1 (Seed List, 1994).

Експерименти проводили в лабораторії світлокультури ЛНАУ (Соколов, 2003). Насіння до сівби готували шляхом яровизації протягом 5 діб при температурі 4-6 ⁰С та наступного однодобового пророщування при кімнатній температурі. Ґрунтосуміш складалась з 4 частин ґрунту, 2 частин піску і 1 частини торфу. Рослини культивували при температурі 18-22 ⁰С, освітленість цілодобова в межах 4000-7000 лк.

Таблиця 1. Загальна характеристика мутантних ліній арабідопсиса

Вплив генів на фенотипові ознаки структури квіток і суцвіть оцінювали шляхом порівняння зовнішніх особливостей морфології тримутантних ліній з димутантними лініями, а також з вихідною лінією Landsberg erecta. Кастрацію та примусову гібридизацію проводили за допомогою бінокулярного мікроскопу. Генетичний аналіз успадковування типу суцвіття проводили в F₁, F₂. Об'єм вибірки в кожному досліді складав 196 рослин. Для обробки кількісних ознак застосовували методи математичної статистики (Лакин, 1990). Взаємодію генів за компактністю суцвіття визначали через розрахунок достовірності епістатичного відхилення i^ab та його статистичної похибки S^ab (Сыч, 2002). Обробку даних проводили за програмою «STATISTICA» (Боровиков, 2003).

Вплив рецесивних алелів генів APETALA1 (AP1), BREVIPEDICELLUS1 (BP1) и TERMINAL FLOWER1 (TFL1) на будову суцвіття.

Будова суцвіть Arabidopsis thaliana дикого типу раси Landsberg (LaO) і мутантної лінії Landsberg erecta (N20). Отримані результати досліджень свідчать, що будова суцвіть у мутантної лінії N20 принципово не відрізняється від будови суцвіть рослин раси Landsberg, хоча вона і більш щільна. Рослини мутантної лінії Landsberg erecta формують вкорочене, жорстке, зазвичай не вилягаюче (еректоїдне) стебло, що становить близько 70% довжини екотипу LaO. Китиця в лінії N20 є вкороченою за рахунок зменшення довжини міжвузлів ~ у 1,5 рази та вкорочення плодоніжок ~ у 2 рази. З морфологічної точки зору у мутантної лінії Landsberg erecta, як і у рослин дикого типу раси Landsberg, суцвіття є прямостоячою, багатоквітковою, пухкою, безлистою китицею.

Таким чином, порівняльні дослідження рослин дикого типу раси LaO і мутантної лінії N20 показали, що суцвіття у арабідопсиса належить до категорії цимозних, тобто при формуванні суцвіття відбувається симподіальне галуження стебел. Тому твердження про те, що суцвіття у модельного об'єкта A. thaliana рацемозне (Bragley, 1993; Hiatt, 1994; Пенин, 2003) є помилковим.

Модифікаційна мінливість суцвіття лінії Landsberg erecta. Проведено експериментальну перевірку альтернативних гіпотез щодо причин появи нетипового відхилення у будові суцвіття лінії Landsberg erecta (N20). Отримані дані дозволили нам зробити висновок про те, що незвичне відхилення в будові суцвіття мутантної лінії N20 є не випадково спонтанною соматичною мутацією, а модифікаційною (середовищною, паратиповою) зміною, котра не успадковується при насіннєвому розмноженні. Таким чином, лінія N20 є винятково стабільною за генотипом.

Прояв дії рецесивного алеля ap1-1 (безпелюсткова квітка). В ході проведення експериментів з вивчення будови квіток суцвіть димутантної лінії безпелюсткова квітка, еректоїдне стебло (N28) і вихідної мутантної лінії Landsberg erecta встановлено, що пряму гомеозисну заміну одних органів квітки на інші рецесивний мутантний алель ap1-1 не викликає. Тому віднесення гена APETALA1 до гомеозисних генів є помилковим. Ця помилка призвела до необґрунтованого твердження про те, що мутантний ген ap1-1 перетворює перше коло органів квітки (чашолистки) в брактеєподібне листя (Irish, Sussex, 1990; Krizer, Fletcher, 2005).

За даними NASC мутантний алель ap1-1 при зниженій температурі зумовлює перетворення нижніх квіток у елементарні суцвіття (Seed List, 1994). Наші дані довели, що зміна температури не впливає на процес утворення додаткових бруньок у квіток, з розвитком яких і пов'язана поява у димутантної лінії N28 двоквіткових (монохазій) і багатоквіткових структурних флоральних одиниць.

Встановлено, що у рослин лінії N28 ускладнення будови структурних флоральних одиниць досягається за рахунок тісної асоціації вегетативних і генеративних утворень, варіювання числа порядків галуження, а також числа осей (гілок) одного порядку галуження в квітці. В результаті замість окремих квіток, що характерні для китиці, формуються прості і складні цимозні структурні флоральні одиниці (монохазії, дихазії і плейохазії). Ці структурні одиниці з декількома порядками галуження є частинами різнорідного складного суцвіття тирс.

Прояв дії рецесивного алеля bp-1 (коротка квітконіжка). Дослідження будови суцвіть димутантної лінії коротка квітконіжка, еректоїдне стебло (NW30) дозволило зробити висновок, що мутантний ген bp-1 на рівні суцвіття обумовлює такі зміни структури квітконоса: 1) зменшує довжину міжвузлів ~ у 3 рази; 2) вкорочує квітконіжки і плодоніжки ~ у 8 разів, тому квітки і плоди виглядають майже сидячими; 3) повертає плоди донизу. В результаті суцвіття у димутантної лінії NW30 має компактну структуру і під час плодоутворення набуває проміжного положення між китицею і колосом. Точніше суцвіття димутантної лінії за алелями bp-1, er-1 можна визначити як щільну китицю, що наближається до колоса.

Вплив рецесивного алеля tfl1-2 (верхівкова квітка) на закритий тип суцвіття. На основі розгляду будови суцвіть димутантної лінії верхівкова квітка, еректоїдне стебло (N3091) з'ясовано, що рецесивний алель tfl1-2 обумовлює утворення закритого типу суцвіття, що є обмеженим у рості. Головна вісь суцвіття закінчується квіткою, поряд з якою формується одна - шість сильно зближених квіток. Довжина квітконіжок і плодоніжок збільшується з 0,4 мм на верхівці до 1 - 3 мм в нижній частині суцвіття.

За результатами досліджень суцвіття димутантної лінії N3091 не може називатися китицею, як у рослин вихідної мутантної лінії Landsberg erecta. За наявності квітки на верхівці пагона суцвіття димутантної лінії верхівкова квітка, еректоїдне стебло слід вважати закритим (визначеним), обмеженим у рості. морфологічний рецесивний алель мутантний

Взаємодія рецесивних алелів генів AP1, BP1 і TFL1 в регуляції розвитку суцвіття в тримутантних лініях

Важливою проблемою генетичного контролю розвитку суцвіття є взаємодія генів, оскільки жоден ген не функціонує сам по собі, і через це їх ефекти можуть змінюватися, що дозволяє з'ясувати механізм формування суцвіть.

З урахуванням взаємодії двох пар генів AP1 і BP1 (лінії N28 і NW30) розщеплення за ознакою «тип суцвіття» у арабідопсиса відбувається за схемою дигібридного схрещування (рис. 1).

Суцвіття китиця визначається гомозиготним станом алеля AP1, суцвіття тирс - алеля ap1-1. Інша алельна пара в гомозиготному стані визначає також суцвіття китиця BP1BP1, а рецесивний гомозиготний стан гена bp-1bp-1 призводить до утворення щільної китиці, що наближається до колоса.

P + AP1 AP1 bp-1 bp-1 er-1 er-1 Ч > ap1-1 ap1-1 BP1 BP1 er-1 er-1F₁

AP1 ap1-1 BP1 bp-1 er-1 er-1

F_{2 AP1}__BP1__{er-1 er-1 AP1}__{bp-1bp-1er-1er-1 ap1-1ap1-1BP1}_ _{er-1er-1 аp1-1ap1-1bp-1bp-1er-1er-1}

_{9/16 3/16 3/16 1/16}

Рис. 1. Успадковування типу суцвіття у арабідопсиса при комплементарній взаємодії двох пар генів AP1 і BP1: AP1 - суцвіття китиця, ap1-1 - суцвіття тирс, BP1 - суцвіття китиця, bp-1 - суцвіття щільна китиця, що наближається до колоса.

Генотип рослин, які мають суцвіття щільна китиця, що наближається до колоса, позначено AP1 AP1 bp-1 bp-1 er-1 er-1, тоді як генотип рослин, у яких суцвіття тирс, позначено ap1-1 ap1-1 BP1 BP1 er-1 er-1. Гібридні рослини першого покоління AP1 ap1-1 BP1 bp-1 er-1 er-1 мають суцвіття китиця. Від самозапилення таких рослин в F₂ з'являються рослини з чотирма типами суцвіть у відношенні 9 з китицею : 3 з щільною китицею, що наближається до колоса : 3 з тирсом : 1 з щільним (колосовидним) тирсом.

Статистичну оцінку розходжень між експериментально отриманими і теоретично очікуваними результатами розщеплення в F₂ проводили за допомогою критерію відповідності ч² (табл. 2).

Таблиця 2. Розщеплення в поколінні F₂ за генами AP1 і BP1

Отриману величину ч² = 0,09+0,03+0,33 = 0,45 порівнювали з табличною ч²_st. Табличне значення ч²_st в нашому випадку при df, що дорівнює 3, складає ч²_st = {7,8-11,34-16,27}. Встановили, що ч² < ч²_st. Отже, дані, що отримані в експерименті, відповідають схемі розщеплення 9:3:3:1, оскільки обчислена величина ч² (0,45) менше табличної ч²_st (7,81) (ч² < ч²_st), 0,01<Р<0,05. Тобто, гіпотеза про розщеплення за дигібридною схемою 9:3:3:1 підтверджується.

Не дивлячись на те, що схема дигібридного розщеплення не порушується, формоутворення завдяки взаємодії генів суттєво збільшується. Тобто є не просте поєднання альтернативних ознак, а поява нових особливостей - комплементарна (взаємно додаткова) дія генів. В цьому випадку, окрім трьох типів суцвіть, а саме китиці, тирса та щільної китиці, що наближається до колоса, в F₂ разом з ними утворюється суцвіття щільний (колосовидний) тирс.

Подібним чином здійснюється формування у арабідопсиса цимозних суцвіть (моно-, ди- і плейохазіїв) і закритого тирса. На рис. 2 показані результати успадковування типу суцвіття у арабідопсиса з урахуванням взаємодії генів TFL1 і BP1 (лінії N3091 і NW30).

P + BP1 BP1 tfl1-2 tfl1-2 er-1 er-1 Ч > bp-1 bp-1 TFL1 TFL1 er-1 er-1F₁

BP1 bp-1 TFL1 tfl1-2 er-1 er-1

F_{2 BP1_TFL1_er-1er-1 BP1_ tfl1-2tfl1-2er-1er-1 bp-1bp-1TFL1_er-1er-1 bp-1bp-1tfl1-2tfl1-2er-1er-1}

_{9/16 3/16 3/16 1/16}

Рис. 2. Успадковування типу суцвіття у арабідопсиса при взаємодії двох пар генів BP1 і TFL1 (комплементарність): BP1 - суцвіття китиця, bp-1 - суцвіття щільна китиця, що наближається до колоса, TFL1 - суцвіття китиця, tfl1-2 - закритий тип суцвіття.

Достовірність розщеплення за критерієм ч² представлена в табл. 3. Порівнюючи ч² і ч²_st встановили, що ч² < ч²_st (P<0,95). Отже, гіпотеза про розщеплення у відношенні 9:3:3:1 підтверджується.

Таблиця 3. Розщеплення в поколінні F₂ за генами BP1 і TFL1

Присутність домінантних алелiв двох генів BP1 і TFL1 в гомо- або гетерозиготному стані (BP1_ TFL1_) у 9/16 рослин F2 призводить до утворення суцвіття китиця. Знаходження рецесивного гена tfl1-2 в гомозиготному стані (BP1_ tfl1-2 tfl1-2) визначає закритий тип суцвіття у 3/16 рослин, а присутність іншого рецесивного гена bp-1 в гомозиготному стані (bp-1bp-1TFL1_) обумовлює розвиток суцвіття щільна китиця, що наближається до колоса, також у 3/16 рослин. Гомозиготний стан за обома рецесивними генами bp-1bp-1 tfl1-2tfl1-2 є причиною розвитку нової форми суцвіття - цимозних суцвіть (моно-, ди- і плейохазіїв) у 1/16 рослин.

Результати розщеплення за ознакою «тип суцвіття» у арабідопсиса при взаємодії двох пар генів AP1 і TFL1 (лінії N28 і NW30) наведені на рис. 3.

P + AP1 AP1 tfl1-2 tfl1-2 er-1 er-1 Ч > ap1-1 ap1-1 TFL1 TFL1 er-1 er-1F₁

_{AP1 ap1-1 TFL1 tfl1-2 er-1 er-1}

F_{2 AP1}__TFL1__{er-1er-1 AP1}__{tfl1-2tfl1-2er-1er-1 ap1-1ap1-1TFL1}__{er-1er-1 аp1-1ap1-1tfl1-2tfl1-2er-1er-1}

_{9/16 3/16 3/16 1/16}

Рис. 3. Успадковування форми суцвіття у арабідопсиса при комплементарній взаємодії двох пар генів AP1 і TFL1: AP1 - суцвіття китиця, ap1-1 - суцвіття тирс, TFL1 - суцвіття китиця, tfl1-2 - закритий тип суцвіття.

Оцінка достовірності розщеплення за критерієм ч² наведена в табл. 4. ч² = 0,03+0,08 = 0,11. Порівнюючи ч² і ч²_st (де ч²_st = {7,8-11,3-16.3}) було встановлено, що ч² < ч²_st (P<0,95). Таким чином, гіпотеза про розщеплення за дигібридною схемою у відношенні 9:3:3:1 підтверджується.

Таблиця 4. Розщеплення в поколінні F₂ за генами AP1 і TFL1

Комплементарна взаємодія рецесивних алелів ap1-1 і tfl1-2 в F₂ формує новий тип суцвіття у 1/16 рослин, який можна класифікувати як закритий тирс.

Отже, взаємодія рецесивних алелiв ap1-1, bp-1 і tfl1-2 обумовлює появу нових форм суцвіть, які нехарактерні для арабідопсиса - щільного (колосовидного) тирса, цимозних суцвіть (моно-, ди- і плейохазіїв) і закритого тирса. Така поведінка генів в успадковуванні форми квітконосу у арабідопсиса свідчить про те, що генетичний механізм формування суцвіття контролюється взаємодією генів за типом комплементарності.

Генетичний аналіз структури суцвіть Arabidopsis thaliana за кількісними ознаками

Вплив рецесивних алелів генів AP1, BP1 і TFL1 на кількісні ознаки структури суцвіть. Результати досліджень впливу рецесивних алелів ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на кількісні ознаки структури суцвіть при дозріванні (розтріскуванні) першого та всіх стручків представлені у табл. 5, 6, де різниця середніх фенотипових значень ознак є характеристикою сили дії алелів у порівнянні з вихідною лінією N20.

Таблиця 5. Вплив генів на кількісні ознаки структури суцвіть при дозріванні першого стручка

Таблиця 6. Вплив генів на кількісні ознаки структури суцвіть при дозріванні всіх стручків

Достовірно при попарному порівнянні ознак з контролем: відмінності значущі * - 0,01< p <0,05, високо значущі ** - 0,001< p <0,01, максимально значущі *** - p <0,001.

Отримані дані свідчать, що мутантні алелі змінювали кількісні значення ознак суцвіть, а саме: «термін від сівби до дозрівання першого стручка», «кількість зрілих стручків на суцвітті», «маса стручків з суцвіття», «маса решти частини суцвіття», «індекс С», «термін від початку до кінця дозрівання стручків», «маса насіння з рослини», «кількість насіння з суцвіття». Має місце множинний плейотропний ефект мутантних алелiв ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на кількісні ознаки суцвіть, що обумовлює при їх сегрегації одночасну зміну тих особливостей структури квітконоса, які вони детермінують.

Взаємодія рецесивних алелів генів AP1, BP1 і TFL1 за компактністю суцвіття (індекс С). Досліджено взаємодію генів за компактністю суцвіття через розрахунок достовірності епістатичного відхилення та його статистичної похибки. Використаний показник компактності суцвіття (індекс С) є відношенням маси плодів до решти маси частини суцвіття, що оцінюється у момент розтріскування першого зрілого стручка. Чим більший цей індекс, тим компактніше суцвіття, і, навпаки, чим менший цей індекс, тим пухкіше суцвіття.

На підставі отриманих даних встановлено, що рецесивні алелі генів AP1, BP1 і TFL1 з різною силою плейотропно впливають на індекс компактності суцвіття. Рецесивні алелі bp-1 і tfl1-2 є алелями-підсилювачами ознаки «компактність суцвіття», а рецесивний алель ap1-1 - алель-ослаблювач ознаки. Найбільше ущільнює суцвіття мутантний алель bp-1. Фенотиповий прояв алеля bp-1 у 1,5 рази більший в порівнянні з алелем tfl1-2, і в 3,4 рази більший, ніж алеля ap1-1 за вказаною ознакою. Вплив рецесивних алелів за щільністю суцвіття обумовлений епістатично-адитивною сумісною дією. Найбільший ефект спостерігається при адитивній дії алелів короткостебловості bp-1 і tfl1-2 (зменшення висоти стебла в 4,2 рази).

Кореляційний аналіз ознак структури суцвіть. Аналіз середніх фенотипових значень ознак генотипів мутантних ліній показав достовірний взаємозв'язок індексу С з трьома кількісними ознаками, а саме: «термін від початку до кінця дозрівання стручків», «маса насіння з рослини» та «кількість насіння з суцвіття» (табл. 7).

Таблиця 7. Коефіцієнти кореляцій середніх значень ознак мутантних ліній N20, N28, NW30, N3091, Lug 215, Lug 217, Lug 218

Достовірно при попарному порівнянні ознак: відмінності значущі * - 0,01< p <0,05.

Таким чином встановлено, що в мутантних ліній A. thaliana збільшення показника компактності суцвіття С призводить до істотних асоційованих змін у значеннях кількісних ознак суцвіття. Перше - зменшується число діб від початку до кінця дозрівання стручків r = -0,87, оскільки щільніше розташування плодів у суплідді призводить до більш дружнього їх дозрівання (табл. 7). Позитивний, у бік збільшення, добір за компактністю суцвіття автоматично супроводжується зменшенням числа діб від початку до кінця дозрівання стручків.

Друге - знижується маса насіння з рослини r =-0,67 (потенційна насіннєва продуктивність суцвіття), оскільки коротшає період цвітіння, плодоутворення, суцвіття формує менше квіток, а потім і плодів. Ось чому, в свою чергу, число діб від початку до кінця дозрівання стручків має високу позитивну кореляцію з масою насіння з рослини r = 0,92.

Третє - одночасно із скороченням потенційної насіннєвої продуктивності суцвіття зменшується кількість насіння з суцвіття (r = -0,67). Тому, позитивний лінійний, майже функціональний зв'язок r=0,99 ознак маси насіння з рослини з кількістю насіння з суцвіття пов'язаний з відсутністю впливу рецесивних алелів на його розмір. Іншими словами, за інтегрованою ознакою «кількість насіння у міліграмі» генетична мінливість відсутня. Близький до функціонального зв'язок між кількістю та масою насіння у суцвітті дозволяє вести добір плюс-форм за кількістю насіння, що значно простіше.

Отже, добір форм за компактністю суцвіття є добором на дружнє цвітіння та рівномірне дозрівання плодів. З іншого боку, в цьому випадку дещо зменшується потенційна насіннєва продуктивність. Проте це не впливає на можливу позитивну роль досліджених рецесивних алелів, що детермінують компактне суцвіття, в селекції олійних культур родини Brassicaceae. Оскільки вирішальне значення при машинному збиранні насіння олійних культур родини Brassicaceae має одночасність дозрівання суцвіття, а не його потенційна продуктивність, в зв'язку з біологічною особливістю нерівномірного дозрівання плодів суцвіття. Подібний негативний вплив мутантних рецесивних алелiв на продуктивність - широко розповсюджене явище в кількісній генетиці рослин (Фолконер, 1985).

Найбільш вдалим поєднанням потенційної насіннєвої продуктивності та компактності суцвіття характеризуються рослини, гомозиготні за рецесивним алелем bp-1 (димутантна лінія NW30). Характерною особливістю прояву дії мутантного алеля bp-1 є збільшення частки плодів і насіння в загальній масі квітконоса за рахунок різкого зменшення довжини міжвузлів і плодоніжок. В результаті проявляється тенденція до синхронного плодоутворення та узгодженого дозрівання плодів в суплідді, відкривається можливість подолати основний недолік олійних культур родини Brassicaceae - нерівномірність дозрівання плодів суцвіття. Компактна форма суцвіть, що формується під впливом дії рецесивного алеля bp-1, зменшує конкуренцію рослин в наземній частині й може сприяти підвищенню врожайності шляхом ущільненням густоти стояння рослин.

Таким чином, пропонується використання мутантного картованого рецесивного алеля арабідопсиса bp-1 в генетико-селекційних програмах щодо створення нових сортів інтенсивного типу олійних рослин родини Brassicaceae.

Аналіз і узагальнення результатів

У роботі викладено результати досліджень з вивчення плейотропного ефекта мутантних генів ap1-1, bp1 і tfl1-2 на будову суцвіття, якісні та кількісні ознаки, які створюють можливість генетичного конструювання господарсько цінної структури суцвіть олійних культур родини Brassicaceae.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне та експериментальне вивчення генетичних механізмів утворення форми суцвіття у Arabidopsis thaliana під впливом рецесивних картованих мутантних алелів. Результати досліджень представляють інтерес для розвитку теоретичних основ генетичного контролю формування суцвіття, прикладних аспектів генетики.

1. Встановлено, що однією з основних функцій мутантного гена ap1-1 A. thaliana є розвиток у квіток додаткових бруньок в пазухах чашолистків. В результаті на базі квіток формуються цимозні структурні флоральні одиниці тирса.

2. Вперше доведено, що пряму гомеозисну заміну за Бетсоном одних органів квітки на інші мутантний ген ap1-1 не викликає. Тому зарахування гена APETALA1 до гомеозисних генів є помилковим.

3. Виявлено, що мутантний ген bp-1 забезпечує формування суцвіття в вигляді щільної китиці, що наближається до колоса.

4. З'ясовано, що мутантний ген tfl1-2 сприяє утворенню закритого типу суцвіття, що має обмежений ріст, у якого головна вісь закінчується квіткою.

5. Вперше встановлено, що комплементарна взаємодія рецесивних алелiв обумовлює більш складні структурні типи суцвіть: а) алелi ap1-1 і bp-1 разом забезпечують утворення щільного (колосовидного) тирса; б) внаслідок прояву алелiв bp-1 і tfl1-2 формуються цимозні суцвіття (моно-, ди- і плейохазії); в) вплив алелiв ap1-1 і tfl1-2 обумовлює утворення закритого тирса.

6. Доведено, що мутантні алелі ap1-1, bp-1 і tfl1-2 впливають на більшість досліджених кількісних ознак структури суцвіть; має місце множинний плейотропний ефект генів на процес дозрівання квітконосу.

7. Вперше визначено, що рецесивні алелі генів AP1, BP1 і TFL1 з різною силою плейотропно впливають на індекс компактності суцвіття. Рецесивні алелі bp-1 і tfl1-2 є алелями-підсилювачами, а рецесивний алель ap1-1 - алелем-ослаблювачем ознаки «компактність суцвіття».

8. Виявлено, що сумісний вплив рецесивних алелiв ap1-1, bp-1 і tfl1-2 на щільність суцвіття обумовлений епістатично-адитивною взаємодією. Найбільший ефект спостерігається при адитивній дії алелiв короткостебловості bp-1 і tfl1-2 (зменшення висоти стебла в 4,2 рази).

9. Встановлено істотну кореляцію (на рівні -0,7 - 0,9) між компактністю суцвіття, числом діб від початку до кінця дозрівання стручків, масою та кількістю насіння з рослини. Встановлений факт може використовуватися для добору за показником компактності суцвіття найбільш ефективних форм для селекції олійних хрестоцвітих культур з покращеною структурою суцвіття.

ПРОПОЗИЦІЇ ДЛЯ СЕЛЕКЦІЙНОЇ ПРАКТИКИ

Для створення нових сортів інтенсивного типу олійних рослин родини Brassicaceae, пристосованих до механізованого збирання насіння, в генетико-селекційних програмах пропонується використовувати мутантний рецесивний алель арабідопсиса bp-1, що відкриває можливість подолати основний недолік олійних культур родини Brassicaceae - нерівномірність дозрівання плодів суцвіття.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Соколов И. Д. Строение соцветий гомозиготной линии ар1-1 арабидопсиса Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) / И. Д. Соколов, Т. В. Сова, Л. И. Сигидиненко, С. Ю. Наумов, В. Е. Харченко, С. Г. Хаблак // Збірн. наук. праць Луганського НАУ. - 2005. - № 48 (71). - С. 78-82 (Частка авторства - 20%, особистий внесок здобувача - проведення дослідів, аналіз та узагальнення результатів, участь в оформленні статті).

2. Харченко В. Е. Строение соцветий у экотипа Landsberg и мутантных линий Landsberg erecta, bp-1 и pt арабидопсиса Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) / В. Е. Харченко, И. Д. Соколов, Г. Ш. Пилавов, С. Г. Хаблак, С. Ю. Наумов // Збірн. наук. праць Луганського НАУ. - 2005. - №52 (75). - С. 25-30 (Частка авторства - 20%, особистий внесок здобувача - проведення дослідів, аналіз та узагальнення результатів, участь в оформленні статті).

3. Соколов И. Д. Совместное влияние мутантных алелей ap1-1 и bp-1 на архитектуру соцветия арабидопсиса (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) / И. Д. Соколов, С. Г. Хаблак, Е. И. Сыч, Л. И. Сигидиненко // Вісн. Укр. тов-ва генетиків і селекціонерів. - 2005. - Т. 3, №1-2. - С. 48-56 (Частка авторства - 40%, особистий внесок здобувача - проведення дослідів, аналіз та узагальнення результатів, участь в оформленні статті).

4. Соколов И. Д. Модификационное изменение архитектуры соцветия у исходной линии Landsberg erecta араб...