Еколого-генетичні основи рекурентного мутагенезу пшениці озимої

Abstract

Дисертаційна робота присвячена пошуку шляхів оптимізації системи формотворчий чинник – його доза чи концентрація – генотип вихідної форми –антропічна екосистема для прогнозування наслідків мутагенної дії вже на перших етапах програм з експериментального мутагенезу, підвищення стабільності рослинних систем в залежності від впливу зовнішніх екогенетичних чинників, з’ясування особливостей реалізації потенціалу агрономічно-цінних ознак в агроекосистемах, що є надзвичайно актуальним питанням, дослідженим в запропонованій роботі, вдосконаленню існуючих методів оцінки вихідного та отриманого матеріалу з метою підвищення ефективності використання екогенетичної варіативності та розширення меж її реалізації, особливостям однократної та рекурентної дії формотворчих чинників та залежності отриманих ефектів від адаптивної відповіді рослинних систем. Метою дисертаційної роботи було обгрунтувати еколого-генетичні основи рекурентного мутагенезу пшениці м’якої шляхом виявлення адаптаційної відповіді системи «генотип-мутагенний чинник» та виявити способи усунення негативних наслідків і використання позитивних ефектів цих адаптаційних генетично-зумовлених механізмів в агроценозах. Були виявлені особливості прояву депресії в першому поколінні в залежності від генотипу, природи та кількості екогенетичного чинника; визначена специфічність дії чинників на клітинному рівні та встановлено її зв’язок з проявом на рівні рослинного організму; виявили особливості та межи реалізації ознак продуктивності та якості, можливості використання потенційних здатностей як в оптимальних так і в граничних умовах; встановили частоту та спектр спадкових змін, особливості їх виникнення в залежності від суб’єкту дії, природи чинника, його дози або концентрації; виявили закономірності прояву позитивних змін за продуктивністю та іншими цінними ознаками; довели можливість створення форм з високими потенційними значеннями агрономічно-цінних ознак та широкими межами їх реалізації; встановили ефективність окремих екогенетичних чинників та їх доз або концентрацій в індукції змін в залежності від генотипу вихідної форми; розробили методи оцінки отриманих форм за окремими цінними ознаками якості та стійкості до абіотичних стресів. Встановлено, що надійними показниками рівню депресії в першому поколінні є схожість та виживання рослин, фертильність пилку, показники структури врожайності (висота рослин, вага зерна з колосу, маса тисячі зерен, а для хімічних чинників також і вага зерна з рослини). Гамма-промені обумовлюють суттєво вищий рівень депресії, ніж хімічні чинники. Для сортів, створених без використання мутагену, характерний однаковий рівень депресії, незалежно від природи екогенетичного чиннику. Рівень депресії зростає зі зростанням кількості чинника з високою кореляцією, при критичних дозах можливе порушення цієї закономірності. Доведено, що у сортів пшениці озимої шкодочинність за окремими параметрами може бути мінімізована за рахунок використання особливостей генотипу. У випадку дії чинником на сорт, отриманий тим самим мутагеном, ймовірна проява стимулюючого ефекту. Виявлено, що високі дози та концентрації екогенетичних чинників викликають високі частоти спадкових змін та підвищують рівень мінливості, але частота мутацій необов’язково зростає лінійно при збільшенні дози чи концентрації. При переході від високих до критичних доз (гамма-промені, від 200 до 250 Гр) ймовірне зниження рівня мінливості та частоти виникнення нових форм. Виявлено, що хімічний мутагенез на клітинному рівні та рівні рослинного організму ефективний для радіомутантів, гамма-промені – для хемомутантів, для сортів, отриманих методом польової гібридизації різниця за природою мутагену не спостерігається. При застосуванні мутагенного чинника, що не використовувався при створені сорту не відбувається ніяких змін за будь-якими показниками на клітинному рівні. Усі параметри схожі з такими ж у сортів, отриманих без мутагенної дії. Доведено, що досліджені сорти характеризуються набагато меншою чутливістю до рекурентної дії тим же мутагеном, за допомогою якого ці сорти були отримані. Радіомутанти менш чутливі до гамма-променів, мутанти, отримані в результаті хімічного мутагенезу, – до повторної дії тим самим хімічним мутагеном. Врожайні лінії отримуються при поєднання екогенетичного чиннику та сорту тільки в тих випадках, коли використовується мутаген інший, ніж був застосований при створені сорту, або використовується сорт, отриманий в результаті рекомбінаційної селекції, без використання жодного мутагенного чинника. Отримано врожайні лінії при використанні гамма-променів у дозі 100 Гр, хімічних чинників НМС 0,0125 % та НЕС 0,01 %. Оптимальним для отримання ліній з високою зерновою продуктивністю є використання помірних доз гамма-променів та хімічних чинників. Використання високих доз та концентрацій має значення для отримання лише системних мутацій, карликів, напівкарликів та ультраранньостиглих форм. Успіх в цьому напрямку не залежить від генотип-мутагенної взаємодії. За ефективністю мутагени розподіляються таким чином (від високої до низької): гамма-промені → НМС → НЕС → ДМС, ДАБ. Показано, що частота хромосомних аберацій безпосередньо залежить від таких факторів як генотип, доза чи концентрація, природа чинника, при цьому суб’єкти мутагенної дії (вихідні сорти) чітко групуються за цими показниками, в залежності від методу їх отримання. Частота хромосомних аберацій суттєво знижується при дії того ж самого чинника, що був застосований при отриманні даного сорту, незалежно від природи. Доведено наявність сильного зв'язку між рівнем депресії та частотою хромосомних аберацій в першому поколінні та мінливістю в наступних поколіннях. Майбутню успішність використання того чи іншого суб’єкту екогенетичної дії можна спрогнозувати уже в першому поколінні Показано, що співвідношення в спектрі між фрагментами та мостами є надійним показником природи чинника і більше 1 при дії хімічних мутагенів та менше 1 – гамма-променів. В спектрі при дії хімічних чинників більш ймовірне виникнення комплексних змін (декількох хромосомних перебудов одночасно). Гамма-промені індукують видимі зміни з більшою частотою та будь-якого типу з найвищим рівнем мінливості. Серед хімічних чинників вищий влив на усі параметри від депресії до частоти та спектру мутації має ДМС, потім НМС, НЕС, ДАБ. Показано, що хімічні чинники мають свої, властиві або частково властиві лише їм якості при індукції окремих типів мутацій. Для індукції ранньостиглих форм варто використовувати НЕС, стерильності – ДМС, низькостеблових форм – НМС та ДМС, мутантів з крупним зерном – ДАБ, форм, стійких до хвороб НЕС та ДАБ. Для індукції системних мутацій, мутацій за структурою колосу та взагалі при генетичних дослідженнях для максимальної варіативності отриманих форм варто вживати ДМС. Для створення нових продуктивних форм доведена перевага серед хімічних мутагенів нітрозосечовин низьких концентрацій. При підвищенні дози чи концентрації чиннику кількість різких морфологічних мутацій зростає та характерна більша ймовірність отримання комплексних мутацій (дві чи три змінені ознаки у однієї рослини чи лінії). Морфотип отриманих мутантів все менш схожий на вихідну форму. Серед хімічних мутагенів лише дія ДМС схожа з дією гамма-променів за спектром та частотою змін окремої ознаки в середньому за мінливістю. Хімічні мутагени є більш ефективними ніж гамма-промені, коли необхідна висока ймовірність отримання мутації за окремою ознакою. Для дії мутагену характерним є послаблення прояву певної ознаки ніж її посилення, незалежно від того, яку роль відіграє ця ознака в життєдіяльності рослини. Ймовірність виникнення нової ознаки, якої не було у батьківської форми, мінімальна. Розроблено основи використання специфічності дії чинників за частотами певних ознак в спектрі та мутабільністю окремих сортів. Виникнення певних мутаційних випадків залежить від сорту. Може спостерігатися як різке суттєве збагачення, так і звуження спектру мутацій, особливо для хімічних чинників. Найбільш впливовим фактором при аналізі частоти мутацій є фактор «генотип», потім «доза» чи «концентрація» мутагену, потім – «природа» мутагену. Для сучасних сортів пшениці м’якої озимої характерна невелика частка спонтанних мутацій, за виключенням сортів, отриманих методом термомутагенезу. Встановлена залежність між активністю гідрофобних зв’язків та формуванням якості білку; вміст білку у ліній з високою потенційною якістю знижується при обробці колоса в період наливу зерна розчинами речовин, що знижують кількість мембранозалежних рибосом. Запропоновано експрес-метод оцінки посухостійкості сортів та ліній озимої пшениці за співвідношенням активності фотосистем, що дає можливість швидко і надійно визначити вихідний матеріал для селекції на посухостійкість. Встановлено, що кращими за посухостійкістю виявилися лінії пшениці м’якої озимої за меншим співвідношення ФС-ІІ та ФС-І. Чим більш досконалий вихідний сорт чи лінія тим більша ймовірність отримання кращої лінії з поліпшеними зміненими ознаками. Доведена можливість отримання форм що поєднують високу екологічну пластичність та здатні максимально реалізовувати наявний високий генетичний потенціал агрономічно-цінних ознак, здатні ефективно використати як сприятливі агроекологічні умови, так і підвищити ефективність використання чинників в несприятливих умовах. The dissertation is dedicated to finding the ways to optimize the system of forming factor – its dose or concentration – genotype of the initial form – antropical ecosystem for predicting the effects of mutagenic activity in the early stages of programs on experimental mutagenesis, enhancement of the stability of plant systems depending on the influence of external ecogenetic factors, identification of peculiarities of fulfillment of the potential of agronomically valuable features in agroecosystems is an extremely topical issue, studied in this paper, which also considers the problem of improvement of existing methods of assessment of the source and obtained material in order to increase the efficiency of using ecogenetic variability and extending the limits of its implementation, as well as the peculiarities of the one-time and recurrent effects of form-forming factors and the dependence of the effects obtained on the adaptive response of plant systems. The purpose of the dissertation was to justify the ecological-genetic basis of recurrent mutagenesis of bread wheat by identifying the adaptive response of the genotype-mutagenic factor system and to identify ways of avoiding the negative effects and utilizing the positive effects of these adaptive genetically determined mechanisms in agrocenoses. The peculiarities of manifestation of depression in the first generation were revealed, depending on the genotype, nature and quantity of the ecogenetic factor; the specificity of the factors acting on the cellular level and its relationship with the manifestation at the level of the plant has been established; the features and limits of implementation of production and quality attributes have been defined, the possibility of using potential capabilities both in optimal and in the boundary conditions; the frequency and range of hereditary changes, peculiarities of their occurrence depending on the subject of action, the nature of the factor, its dose or concentration have been established; the patterns of manifestation of positive changes in terms of productivity and other selectively valuable features have been identified; to prove the possibility of creating forms with high potential values of agronomically valuable features and wide limits of their implementation; the efficiency of certain ecogenetic factors and their doses or concentrations in inducing changes, depending on the genotype of the original form have been established; to develop methods for evaluating the received forms on the basis of certain valuable attributes of quality and resistance to abiotic stresses. It was established that the reliable indices of the level of depression in the first generation are the similarity and survival of plants, pollen fertility, indicators of yield structure (height of plants, weight of grain head, weight of one thousand grains, and for chemical factors – the weight of grain per plant). Gamma rays cause a significantly higher level of depression than the chemical factors. The varieties created without the use of mutagen are characterized by the same level of depression, regardless of the nature of ecogenetic factor. The level of depression increases with an increase in the number of highly correlated factors, and with critical doses this pattern interruption may occur. It has been proved that in winter wheat varieties the harmfulness by individual parameters can be minimized by using the genotype peculiarities. In the event of a factor affecting the variety, obtained by the same mutagen, a stimulating effect may possibly occur. High doses and concentrations of ecogenetic factors have been found to cause high rates of hereditary changes and increase variability, however the frequency of mutations does not necessarily increase linearly with increasing dose or concentration. In the transition from high to critical (gamma rays, from 200 to 250 Gy), the decrease in variability and frequency of new forms appearing is possible. It was discovered that the chemical mutagenesis is effective on the cell and whole plant level for radio-mutants, gamma rays – for chemo-mutants, for varieties obtained by the method of field hybridization the difference by mutagen nature is not observed. With the application of a mutagenic factor that was not used for the creation of a variety, no changes occur by any indicators at the cellular level. All parameters are similar to those of the varieties obtained without the mutagenic action. It has been proved that the studied varieties are characterized by much less sensitivity to the recurrent action of the same mutagen, through which these varieties have been obtained. Radio-mutants are less sensitive to gamma rays, the mutants obtained as a result of chemical mutagenesis, - to a repeatable action by the same chemical mutagen. The yielding lines are obtained by combining the ecogenetic factor and the variety only with the use mutagen other than the one used at the creation of the variety, or with the use of a variety obtained as a result of recombination selection, without the use of any mutagenic factor. Productive lines were obtained using gamma rays at a dose of 100 Gy, chemical factors of NMU (nitrosomethylurea) of 0.0125% and NEU (nitrosoethylurea) of 0.01%. The use of moderate doses of gamma rays and chemical agents is optimal for obtaining high grain yielding lines. The use of high doses and concentrations is important for obtaining systemic mutations, dwarfs, half-carcasses and ultra-early forms only. The success in this area does not depend on genotype and mutagenic interaction. By efficiency the mutagens are distributed in the following way (from high to low): gamma rays → NMU → NEU → DMS, DAB. It has been shown that the frequency of chromosomal aberrations directly depends on such factors as genotype, dose or concentration, nature of the factor, while subjects of mutagenic action (initial varieties) are clearly grouped according to these parameters, depending on the method of their obtaining. The frequency of chromosomal aberrations is significantly reduced by the effect of the same factor that was used in obtaining this variety, regardless of its nature. A strong relation between the level of depression and the frequency of chromosomal aberrations in the first generation and the variability in subsequent generations has been proved. Future success in the use of any given subject of ecogenetic action can be predicted as early as in the first generation It has been shown that the ratio in the spectrum between fragments and bridges is a reliable indicator of the nature of the factor and is over 1 under the influence of chemical mutagens and less than 1 – when exposed to gamma rays. In the spectrum under the influence of chemical factors, a more likely occurrence of complex changes (several chromosomal rearrangements simultaneously) is more likely. Gamma rays induce visible changes with a higher frequency and of any type with the highest variability. Among the chemical factors, DMS, then NMU, NEU, and DAB exercise the greatest effect on all parameters, from depression to the frequency and spectrum of mutation. It has been shown that chemical factors have their own, inherent or partially intrinsic features at the induction of certain types of mutations. For the induction of early forms it is necessary to use NEU, for sterility – DMS, short-stemmed forms – NMU and DMS, mutants with large grain – DAB, forms resistant to diseases – NEU and DAB. For the induction of system mutations, mutations according to the structure of the head, and generally during the genetic studies, for the maximum variation of the obtained forms it is necessary to use DMS. To create new productive forms, low concentration nitrosoureas have been shown to be advantageous among the chemical mutagens. With the increase in dose or concentration of the factor, the number of abrupt morphological mutations increases, and is characterized by a greater likelihood of complex mutations (two or three modified characteristics in one plant or a line). Morphotype of the mutants obtained is less similar to the initial form. Among chemical mutagens, only the DMS action is similar to that of gamma rays by spectrum and the frequency of changes in a single characteristic on the average in variability. Chemical mutagens are more effective than gamma rays when a high probability of a mutation is needed by an individual characteristic. The action of mutagen is characterized by the weakening display of a certain characteristic, rather than its intensification, regardless of the role of this characteristic in the life of a plant. The probability of a new characteristic, which was not intrinsic in the parental form, is minimal. The bases of using the specificity of the factors action according to the frequency of certain features in the spectrum and the mutability of individual varieties have been developed. The occurrence of certain mutations depends on the cultivar. Both sharp significant expansion and narrowing of the spectrum of mutations can be observed, especially in terms of chemical factors. The most influential factor in analyzing the frequency of mutations is the "genotype" factor, the second one is the "dose" or "concentration" of the mutagen, and then the "nature" of the mutagen. Modern varieties of soft winter wheat are characterised by a small proportion of spontaneous mutations, except for the varieties obtained by the method of thermomutagenesis. The dependence between the activity of hydrophobic bonds and the formation of the quality of the protein is established, the protein content in the lines with high potential quality is reduced at the head procession during the period of grain filling with solutions of substances that reduce the number of membrane-dependent ribosomes. An express method for assessing the drought resistance of varieties and lines of winter wheat by the ratio of photosystem activity has been proposed, which allows quick and reliable determination of the source material for selection for drought resistance. It has been found that the best drought-resistant lines were the soft winter wheat lines, at a lower ratio of FS-II and FS-I. The better the original variety or line is the greater the likelihood of getting a better line with improved altered characteristic. The possibility of obtaining forms that combine high ecological plasticity and are able to maximize the existing high genetic potential of agronomically valuable features that can be used effectively as favourable agroecological conditions and increase the efficiency of use of factors under adverse conditions has been proved.