Characteristics of microsporogenesis in the triploid apple tree and it’s parental form in connection with usage in breeding at the polyploid level
- Authors: Lavrusevich N.G.1, Borodkina А.G.1, Zubkova M.A.1
-
Affiliations:
- Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding
- Issue: No 2 (2024)
- Pages: 15-19
- Section: Crop Production and Selection
- URL: https://gynecology.orscience.ru/2500-2082/article/view/659348
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500208224020047
- ID: 659348
Cite item
Full Text
Abstract
An effective method of creating triploid apple cultivars, which are superior in their characteristics to diploid cultivars, is the crossing of heterochromosomal forms of the type: 2x × 4x, 4x × 2x. In order to provide a wide range of genetic diversity of riploid hybrids, it is necessary to have a large set of tetraploid donor forms of diploid gametes. A limited set of such forms is a limiting factor for this direction of breeding. And the effectiveness of work on obtaining new valuable apple varieties based on the use of the polyploidy method largely depends on their diversity Therefore, the identification of new apple tetraploids, as well as the study of cytoembryological features of their generative structures, the determination of the quality of the formed gametes necessary for successful breeding and for predicting the results of these works are relevant. Meiosis during microsporogenesis was studied in two tetraploid apple forms. To study meiosis during microsporogenesis, temporary pressed specimen were prepared by the acetohematoxylin method; the propionic-lacmoid method was used to determine the ploidy of hybrid offspring. Microscopic studies were carried out on a Nikon-50i microscope at a magnification of 10 x 105 x 40, 10 x 1.5 x 100. The analysis of the course of meiosis during microsporogenesis in apple tetraploid 34-21-39 [30-47-88(4x)×Krasa Sverdlovska(2x)] and its parent form 30-47-88 [Liberty×13-6-106 (Suvorovetz seedling)] showed that the hybrid 34-21-39 was characterized by the most correct course of meiosis. The largest percentage of deviations and the diversity of morphological types of disorders were detected in the form 30-47-88. Common types of violations were noted. Despite the presence of disorders during meiosis in tetraploid forms, microsporogenesis ended with the formation of visually normal one–dimensional pollen: 89% in the form 34-21-39 and 50% in the form 30-47-88. In combinations of crosses involving the studied forms, a high yield of triploid plants was noted. Consequently, the tetraploid apple forms 34-21-39 and 30-47-88 can be recommended for hybridization for the purpose of mass production of triploid seedlings. The results allow us to conclude that the tetraploid apple forms 34-21-39 and 30-47-88 can be used in breeding as pollinators in heteroploid crosses (2x × 4x) to obtain triploid genotypes.
Full Text
Яблоня – ведущая плодовая культура в стране. Для пополнения стандартного сортимента необходимы новые высокоадаптивные, иммунные, устойчивые, урожайные сорта яблони с высоким товарным и потребительским качеством плодов.
Полиплоидия – основная движущая сила в эволюции как диких, так и культурных растений. Полиплоидные организмы часто проявляют повышенный потенциал и в некоторых случаях превосходят своих диплоидных родственников в некоторых аспектах. [14] Доля полиплоидных видов покрытосеменных растений составляет не менее 50%. [2, 4] По мнению А.А. Жученко, преимущество полиплоидных видов растений, проявляющееся в их широком географическом распространении, состоит не только в возможностях онтогенетической адаптации, но и достижении большей генетической (видовая, экотипическая, биогенетическая) изменчивости, обеспечивающей лучшую экологическую специализацию особенностями функционирования систем филогенетической адаптации. [1, 6] Распространенная форма спонтанной полиплоидии – образование полиплоидов с помощью нередуцированных гамет. Примером возникновения полиплоидов путем формирования нередуцированных гамет в естественных условиях считаются триплоидные сорта яблони, такие как Болдуин, Боскопская красавица, Графенштейское. Спонтанные триплоиды, полученные от скрещивания двух диплоидных сортов – Витязь, Рождественское, Юбиляр, Низкорослое. [8]
Использование метода полиплоидии для создания сортов с 3х генотипом – приоритетное направление в селекционных программах ВНИИ селекции плодовых культур. [9, 10] Триплоидия у яблони – наименьший уровень полиплоидии, который дает наибольший хозяйственный эффект. Получены триплоидные сорта от целенаправленных разнохромосомных скрещиваний, характеризующиеся регулярным плодоношением, хорошей товарностью плодов, высокой самоплодностью. [11, 13]
Эффективный прием для разработки триплоидного потомства – скрещивания форм разной плоидности типа 2х × 4х, 4х × 2х. [8] Для этого необходимы тетраплоидные формы (доноры диплоидных гамет). Сами тетраплоиды не пригодны для практического использования из-за низкой зимостойкости, слабой урожайности, но они ценны для селекции. [12] Зарубежные ученые отмечают устойчивость тетраплоидов к стрессам, фитофторозу, парше. [15, 16]
Применяя тетраплоиды в гетероплоидных скрещиваниях, учитывают особенности формирования гамет. Эти знания позволяют селекционерам правильно подобрать исходные формы и наметить объем скрещиваний, чтобы создать гибридный фонд полиплоидов для выделения в дальнейшем из них форм-кандидатов в сорта с триплоидным генотипом.
Цель работы – изучение микроспорогенеза у тетраплоидов яблони и возможности использования их в качестве исходных форм в селекции с применением полиплоидов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в лаборатории цитоэмбриологии Всероссийского научно-исследовательского института селекции плодовых культур (ВНИИСПК). Микроспорогенез изучали у двух тетраплоидных форм яблони: 34-21-39 и 30-47-88, которые получены в лаборатории селекции яблони ВНИИСПК.
Форма 34-21-39 выделена в гибридном потомстве от скрещивания тетраплоидной формы 30-47-88 в качестве материнского родителя и диплоидного сорта Краса Свердловска (отцовский компонент). Родительская форма 30-47-88 (Либерти × 13-6-106) обладает геном иммунитета к парше Vf (Rvi6).
Цитологические исследования проводили по общепринятым методикам. Временные давленные препараты приготавливали ацетогематоксилиновым методом. [5, 7]
Брали для исследования (фиксировали) генеративные почки с момента появления стадии зеленого конуса. При обнаружении в окрашенных пыльниках стадии профазы фиксировали ежедневно до завершения мейоза. Фиксатор – уксусный алкоголь (три части 96% этилового спирта и одна ледяной уксусной кислоты). Материал промывали 96% этиловым спиртом, заливали 70% этиловым спиртом для хранения.
Чтобы определить плоидность гибридного потомства яблони от гетероплоидных скрещиваний применяли пропионово-лакмоидный метод. [3, 5]
Микроскопические исследования осуществляли на микроскопе «Nikon-50i» при увеличении 10х1,5х40, 10х1,5х100. Фотографии сделаны фотокамерой Nikon DS-Fi 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнительный анализ микроспорогенеза у тетраплоидной формы яблони 34-21-39 и ее материнской формы 30-47-88 показал, что наиболее правильным ходом мейоза отличался гибрид 34-21-39, по сравнению с родительской. Число нарушений у него меньше, и микроспороциты с нормальной картиной деления составляют на разных стадиях от 77,5 до 88,7%. Наибольший процент отклонений у формы 30-47-88 – 19,9 (телофаза-I)…51,3% (метафаза-II), в зависимости от стадии микроспорогенеза. Больше всего нарушений у одной и другой отмечено на стадии метафаза-II (рис. 1).
Рис. 1. Характеристика микроспорогенеза у тетраплоидных форм яблони
Количество мейотических аномалий и их морфологическое разнообразие взаимосвязаны между собой. Чем правильнее течение редукционного деления, тем меньше разнообразие отклонений в нем, например, у формы 34-21-39 (4х). Наоборот, у тетраплоида 30-47-88 наибольший процент аномалий в ходе мейоза и разнообразие морфологических типов нарушений больше (табл. 1).
Таблица 1. Морфология нарушений в ходе мейоза у тетраплоидных форм яблони
Стадия мейоза | Тетраплоидная форма яблони | |
34-21-39 | 30-47-88 | |
тип нарушения | ||
Метафаза-I | Забегание, выбросы | Забегание, выбросы, диффузное распределение хромосом, микроверетено, комбинация из двух типов нарушений |
Анафаза-I | Отставание, выбросы, мост | Отставание, выбросы, мост, сверхчисленные веретена, комбинация из двух типов нарушений |
Телофаза-I | Микроядра | Микроядра |
Метафаза-II | Забегание, выбросы, комбинация из двух типов | Забегание, выбросы, сверхчисленные веретена, неравные веретена деления, асинхронность деления, дегенерация хроматина, отсутствие хроматина, диффузное распределение хроматина, комбинация из двух типов нарушений |
Анафаза-II | Отставание, выбросы, мост | Отставание, выбросы, сверхчисленные веретена, мост, асинхронность деления, комбинация из двух типов нарушений |
Телофаза-II | Сверхчисленные ядра, микроядра | Сверхчисленные ядра, микроядра, асинхронность деления, дегенерация хроматина |
Тетрады | Пентады, гексады, гептады | Пентады, гексады, гептады |
Для тетраплоидных форм 34-21-39 и 30-47-88 общие типы нарушений на стадиях метафаза-I и метафаза-II – выбросы и преждевременное забегание хромосом до начала анафазного движения в основной группе (рис. 2 а, в). На стадиях анафаза-I и анафаза-II наблюдаются отставания (рис. 2б), мосты и выбросы хромосом, приводящие в дальнейшем к формированию сверхчисленных фигур деления и, как следствие этого, образование дополнительных ядер и микроядер на стадиях телофаза-I и телофаза-II и сверхчисленных микроспор на стадии тетрад (рис. 2 г-е). У изученных форм полиады представлены пентадами, гексадами, гептадами (рис. 2 д, е). Количество аномальных тетрад у гибридной формы 34-21-39 составляет 22,3%, родительской формы 30-47-88 – 46,4%.
Рис. 2. Аномальное деление в ходе микроспорогенеза: а – метафаза-I, забегание хромосом, 30-47-88; б – анафаза-I, отставание хромосом, 30-47-88 (4х); в – метафаза-II, выбросы хромосом, 30-47-88; г – телофаза-II сверхчисленные ядра 34-21-39; д – пентада, 34-21-39; е – гексада, 30-47-88
Несмотря на наличие нарушений в ходе мейоза у изученных тетраплоидных форм микроспорогенез завершается формированием достаточного количества визуально нормальной одномерной пыльцы – 89% (форма 34-21-39) и 50% (30-47-88).
Данные характеристики мейоза подтверждаются результатами анализа плоидности гибридного потомства, полученного с участием этих форм (табл. 2).
Таблица 2. Плоидность гибридного потомства
Гибридная семья | Количество сеянцев, шт. | В том числе, шт./% | |
диплоиды | триплоиды | ||
Гирлянда (2х)×34-21-39 (4х) | 160 | 32/20 | 128/80 |
Созвездие (2x) ×30-47-88(4x) | 250 | 54/21,6 | 196/78,4 |
Гирлянда (2x) ×30-47-88 (4x) | 330 | 73/22,1 | 257/77,9 |
Приокское ×30-47-88 (4x) | 208 | 59/24,4 | 149/71,6 |
Краса Свердловска ×30-47-88 (4x) | 77 | 13/16,9 | 64/83,1 |
Во всех комбинациях скрещиваний отмечен большой процент растений с триплоидным генотипом: 80% – с тетраплоидной формой 34-21-39, 71,6…83,1% – 30-47-88. Следовательно, тетраплоидные формы яблони 34-21-39 и 30-47-88 можно рекомендовать для включения в селекцию на полиплоидном уровне с целью массового получения триплоидных сеянцев.
Выводы. Тетраплоидные формы яблони 34-21-39 и 30-47-88 могут быть включены в селекционную работу в качестве опылителей в гетероплоидных скрещиваниях (2х × 4х) для получения триплоидных генотипов.
About the authors
N. G. Lavrusevich
Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding
Author for correspondence.
Email: lavrusevich@orel.vniispk.ru
PhD in Agricultural Sciences
Russian Federation, Zhilin village, Oryol regionА. G. Borodkina
Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding
Email: lavrusevich@orel.vniispk.ru
Junior Researcher
Russian Federation, Zhilin village, Oryol regionM. A. Zubkova
Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding
Email: lavrusevich@orel.vniispk.ru
Junior Researcher
Russian Federation, Zhilin village, Oryol regionReferences
- Zhuchenko A.A. Adaptivnaya sistema selekcii rastenij (ekologicheskie osnovy). M.: RUDN, 2001. T. I. 780 s.
- Zhuchenko A.A. Ekologicheskaya genetika kul’turnyh rastenij i problemy agrosfery (teoriya i praktika). M.: Agrorus, 2004. T. I. 690 s.
- Kaptar’ S.G. Uskorennyj propionovo-lakmoidnyj metod prigotovleniya i okrashivaniya vremennyh citologicheskih preparatov dlya podscheta hromosom u rastenij // Citologiya i genetika. 1967. T. 1. № 4. S. 87–90.
- Parfenov V.I., Dmitrieva S.A. Rol’ poliploidii v evolyucii rastenij v usloviyah umerennogo klimata i ravninnogo rel’efa (na primere flory Belorussii) // Izvestiya AN BSSR. ser. biol. nauk. 1991. № 3. S. 39.
- Pausheva Z.P. Praktikum po citologii rastenij. Moskva: Kolos, 1980. 304 s.
- Pershina L.A. O roli otdalennoj gibridizacii i poliploidii v volyucii rastenij // Informacionnyj vestnik VOGIS. 2009. T. 13. № 2. S. 336–344.
- Sedov E.N. Selekciya i novye sorta yabloni. Orel: VNIISPK, 2011. 624 s.
- Sedov E.N., Sedysheva G.A., Krasova N.G. i dr. Dostoinstva i perspektivy novyh triploidnyh sortov yabloni dlya proizvodstva// Sadovodstvo i vinogradarstvo. 2017. № 2. S. 24–30.
- Sedov E.N., Sedysheva G.A., Serova Z.M. Selekciya yabloni na poliploidnom urovne. Orel: VNIISPK, 2008. 368 s.
- Sedov E.N., Yanchuk T.V., Korneeva S.A. Novye diploidnye, triploidnye, immunnye k parshe i kolonnovidnye sorta yabloni v sovershenstvovanii sortimenta // Vestnik rossijskoj sel’skohozyajstvennoj nauki. 2022. № 1. S. 25–31. doi: 10.30850/vrsn/2022/1/25-31
- Sedov E.N., Yanchuk T.V., Korneeva S.A. Cennye donory diploidnyh gamet dlya sozdaniya triploidnyh sortov yabloni // Vestnik rossijskoj sel’skohozyajstvennoj nauki. 2020. № 3. S. 13-17. doi: 10.30850/vrsn/2020/3/13-17
- Programma i metodika sortoizucheniya plodovyh, yagodnyh i orekhoplodnyh kul’tur/ Pod red. E.N. Sedova i T.P. Ogol’covoj. Orel: VNIISPK, 1999. 608 s.
- Yanchuk T.V., Sedov E.N., Korneeva S.A., Veprinceva M.V. Turgenevskoe i trener Petrov – novye triploidnye sorta yabloni selekcii VNIISPK // Vestnik rossijskoj sel’skohozyajstvennoj nauki. 2022. № 6. S. 66–69. doi: 10.31857/2500-2082/2022/6/66-69
- Sattler M.C., Carvalho C.R., Clarindo W.R. The polyploidy and its key role in plant breeding // Planta. 2016. № 2432. P. 281–296. doi: 10.1007/s00425-015-2450-x
- Švara A., Ilnikar K., Carpentier S. et al. Polyploidy affects the development of Venturia inaequalis in scab-resistant and -susceptible apple cultivars // Scientia Horticulturae. 2021. 290 p. doi: 10.1016/j.scienta.2021.110436
- Wójcik D, Marat M, Marasek-Ciołakowska A et al. Apple Autotetraploids – Phenotypic Characterisation and Response to Drought Stress // Agronomy. 2022. Vol. 12. 161 p. doi: 10.3390/agronomy12010161
Supplementary files
