Гаметициды и их применение в селекции

'Гаметоциды — химические соединения, применение .которых в определенные этапы развития растений приводит к гибели мужского гаметофи-та в результате нарушении метаболических процессов в период формирования пыльцевых зерен. Действие гаметоцидов на физиолого-биохимиче-ские процессы в клетке аналогично стерилизующей цитоплазме при перемещении в нее ядра, что вызывает мужскую стерильность.

Исследования, проведенные в ряде стран, в том числе и в СССР, позволили выявить ряд химических соединений, которые индуцируют мужскую стерильность у яровой и озимой пшеницы, ржи и других сельскохозяйственных культур. Использование гаметоцидов позволяет организовать Промышленное .производство гибридных семян зерновых и других сельскохозяйственных культур. Однако полученные гаметоциды вызывают ряд побочных нежелательных явлений: значительное ингибирование роста, задержку 'в прохождении .фенологических фаз и д'р. Поэтому необходим дальнейший поиск новых химических соединений, обладающих гаметоцид-ной активностью.

ВВЕДЕНИЕ

|Рост народонаселения планеты, необходимость повышения темпов производства продуктов сельского хозяйства определяют поиск новых направлений в селекции сортов и гибридов — основных средств сельскохозяйственного производства. В последнее время широкие исследования гетерозиса пшеницы, ржи, ячменя, подсолнечника, сахарной свеклы, хлопчатника, ряда овощных, бахчевых, цветочных, декоративных культур и кормовых трав показали, что гибриды первого поколения этих растений обеспечивают прибавку урожая на 20—25% и более по сравнению с районированными сортами [1,7, 35, 36].

Практическое использование гетерозисного эффекта возможно лишь при условии хорошо налаженного производства гибридные семян в значительном объеме. У ряда культур, обладающих высоким коэффициентом размножения семян и низкой посевной нормой (кукуруза, томаты и др.), производство гибридных семян может быть организовано при ручной кастрации материнских растений с последующим свободным или принудительным опылением. Однако для большинства возделываемых растений этот метод неприменим, так как затраты труда, необходимые для получения гибридных семян первого поколения, не окупаются дополнительно получаемой продукцией.

В настоящее время в результате использования явления цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) получены гибриды первого поколения пшеницы, сорго, кукурузы, сахарной свеклы, томатов, лука, сладкого перца и налажено массовое производство гибридных семян. Близки к завершению исследования по созданию гибридов ржи и подсолнечника [35]. Наряду с этим при селекции с томатами пытаются применить формы с функциональной мужской стерильностью [36]. 'Создание мужских стерильных линий, отбор линий — закрепителей стерильности и форм, восстанавливающих фер-тильность, значительно усложнили ведение селекции я семеноводства. Между тем основным недостатком использования системы «ЦМС — восстановление фертильноста» при получении новых гибридных комбинаций скрещиваний является постоянная необходимость создания стерильных аналогов и ана-

логов '— восстановителей фертильности новых высокопродуктивных сортов и самоопыленных линий.

Сравнительно недавно для индукции мужской стерильности на растения в определенные фазы развития воздействовали различными физическими факторами (сокращенный световой день, высокие и низкие температуры и др.) [2, 48, 97, 130]. Несмотря на полученные положительные результаты» ввиду отсутствия технических средств для массового производства гибридных семян эти приемы не были внедрены в практику.

•Определенные успехи в разработке методов мужской стерильности растений были достигнуты с помощью ряда химических соединений — растворов солей феноксиуксусной кислоты, гидразида малеиновой кислоты (ГМ1К), этрела, индо-лилуксусной кислоты (ИУК), нафтнлуксусной кислоты (НУК), гиббереллина (ГКз) и некоторых других, названных гаметоцидами. Этот термин — производное от двух слов:

гамета — по-гречески половая клетка, цидо — по-латински убивать. В настоящее время в ряде стран Европы и в США проводят исследования по выявлению химических соединений, обладающих гаметоцядной активностью к мужскому гамето-фиту растений, и разрабатывают способы их применения для массового производства гибридных семян различных сельскохозяйственных культур. Использование методов химической индукции мужской стерильности у зерновых, технических, овощных и кормовых культур позволит получить семена гибридов первого поколения, вовлекая в селекционный процесс наиболее совершенные сорта без создания их стерильных аналогов и линий, несущих гены восстановления фертильности.

Преодоление трудностей, препятствующих эффективному использованию гаметоцидов, в значительной мере зависит от определения сущности процесса стерилизации, в основе которого лежат конкретные физиолого-биохимические изменения в тканевом метаболизме спорогенеза, вызывающие анормальности в развитии пыльцевого зерна с последующей его абортивностью. В связи с практическими запросами физиология развития пыльцы привлекает особое внимание.

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ, ЦИТОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА

Мужской гаметофит покрытосеменных растений — микроскопическая структура, которая в период ранних стадий развития окружена тканями пыльника и непосредственно контактирует с клетками тапетума, метаболизм которых тесно связан с развитием пыльцевьгх зерен, особенно в критические

периоды преобразования материнских клеток пыльцы в гап-лоидные микроспоры. Так как наибольшая эффективность действия гаметоцидов приходится на период формирования тетрад и связана с биохимизмом их развития, возникает необходимость в детальной информации о ранних фазах развития пыльцевого зерна в материнской клетке пыльцы.

С помощью электронной микроскопии установлено, что до мейоза материнские клетки пыльцы в пыльниках связаны между собой и с клетками тапетума цитоплазматлческими мостиками (плазмодесмами) [5, 59]. Перед стадией лептотены профазы 1 начинаются преобразовательные процессы в оболочках и мембранах микроспороцитов, которые быстро обволакиваются слоем каллозы, представляющей собой (3-1,3-свя-занный полимер глюкозы [130]. Это соединение локализуется между оболочками материнской клетки пыльцы и клеточной мембраной. С началом стадии лептотены плазмодесмы, соединяющие клетки тапетума и микроспороцитов, исчезают. Слой каллозы продолжает утолщаться, однако некоторые районы оболочек микроспороцитов не покрываются каллозой, здесь соседние материнские клетки пыльцы контактируют друг с, другом с помощью широких цитоплазматичесиих перетяжек, названных цитомиксическими каналами [28]. У большинства видов растений все микроспороциты мейотической профазы взаимосвязаны. Такая цитоплазматическая общность — важнейший фактор поддержания тесной синхронности мейотических стадий. Цитомиксические каналы начинают исчезать к концу мейотической профазы I, а в телофазе I их количество совсем незначительно, к началу же профазы II материнские клетки пыльцы полностью изолируются друг от друга каллозными оболочками. После мейоза каллоза образует между четырьмя гаплоидными спорами тонкую прослойку (стадия тетрад), и каждая спора становится полностью изолированной от других. Предполагают, что в формирование каллозных оболочек вовлечен аппарат Гольджи [137].

Процесс формирования оболочки пыльцевого зерна начинается вскоре после завершения мейоза и протекает между клеточной мембраной я каллозной оболочкой в каждой споре тетрады. Первичным материалом для построения оболочки является примэкзина. После развития прдмэкзины синтезируется предшественник зрелой экзины, морфология которого .зависит от его химического состава. По своим свойствам это вещество сходно с протоспоруллином. На данном этапе кал-лозная оболочка исчезает, споры быстро увеличиваются в размерах (в 3—5 раз) и интенсивно синтезируют спорополле-нин [70, 71]. После освобождения из тетрад в микроспорах формируется интина, содержащая микрофибряллы целлюло-5