Способ индукции эпигенетической изменчивости у мягкой пшеницы
Владельцы патента RU 2322801:
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области генетики и селекции и может быть использовано при создании исходного материала для селекции сельскохозяйственных растений. Семена пшеницы перед посевом замачивают в водном растворе тритона Х-100 с концентрацией 0,01-0,1% в течение 18-24 часов, а вегетирующие растения обрабатывают однократно в период колошения 0,1% водным раствором тритона Х-100. Такая обработка обеспечивает индукцию направленных положительных эпигенетических изменений у растений пшеницы. 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области генетики и селекции и может быть использовано при создании исходного материала для селекции сельскохозяйственных растений.
Планируемое селекционером сочетание хозяйственно-ценных признаков и высокой адаптивности к экстремальным факторам внешней среды часто не совпадает с требованиями, которые природа предъявляет к растениям. В связи с этим такие сочетания в природе крайне редки и их направленное создание требует огромных усилий и материальных затрат. Поэтому разработка любых способов, облегчающих поиск нужных признаков и свойств у селектируемых растений, актуальна.
В настоящее время накапливается все больше фактов, указывающих на высокую частоту эпигенетической изменчивости, которая достигает 50% и более (Эпигенетика растений. Сб. научных тр. Новосибирск, 2005, с.373). Это значительно выше частоты мутаций, которые возникают случайно и которым подвержены единичные особи; частота мутаций очень мала, 1:100000 (Голубовский М. Постоянство и непостоянство в мире генов // Знание-сила, 1986, №3, С.21-23). Тот факт, что эпигенетическая изменчивость может закрепляться и передаваться в следующие поколения, т.е. наследоваться, делает ее эффективным инструментом в селекционном процессе.
Влияние внешних факторов на эпигенетическую изменчивость впервые продемонстрировал Алан Даррант (Durrant A. Induction and growth of flax genotrophs // Heredity, 1971, V.27, P.277-298). В 1962 году он сообщил, что при выращивании сорта прядильного льна Стормонт Сирус в течение пяти недель в отапливаемой теплице на фоне разных минеральных удобрений и с дальнейшей пересадкой растений в поле в следующем поколении при выращивании в обычных условиях проявились три типа растений, отличающихся по высоте, габитусу и сухой массе: «большой тип», в два раза превосходящий исходный сорт по указанным признакам, «малый тип» - в два раза ниже исходного, и третий тип - идентичный исходному сорту. Повторные испытания потомства полученных растений, проводимые в разных условиях минерального питания, также привели к получению растений «большого» и «малого» типов, которые сохранили свои отличительные признаки. Среди потомства растений, идентичных исходному сорту, вновь появлялись формы, относящиеся к большому и малому типам. Полученные растения А.Даррант назвал большим (L), малым (S) и пластичным (PI) генотрофами.
Известен способ индукции эпигенетической изменчивости у растений мягкой пшеницы путем обработки семян поверхностно-активным веществом - алхидином, представляющим собой полимерный проантоцианидин, выделенный из верблюжьей колючки (Чунетова Ж.Ж., Шулембаева К.К., Омирбекова Н.Ж. Изучение цитогенетической и морфометрической изменчивости мягкой пшеницы под влиянием ПАВ \\ Журнал Вестник КазНУ «Биология», 2005, с.188-192).
Обработка семян водным раствором алхидина (0,01%) индуцирует у растений мягкой пшеницы наследуемые изменения, выражающиеся в появлении в M1 высокорослых, мощных растений, с продуктивной кустистостью и различными морфологически измененными признаками, отличающимися от исходных сортов. Все типы индуцированных изменений, охватывающие как морфологические, так и качественные и количественные признаки пшеницы, возникшие в M1, наследовались в последующих поколениях М2-M4. Однако к настоящему времени получение алхидина из природного сырья связано с большими техническими и материальными трудностями.
Наиболее ближайшим к предлагаемому способу - прототипом является способ индукции эпигенетической изменчивости у мягкой пшеницы путем обработки семян и вегетирующих растений 0,005-0,1% водными растворами никотиновой кислотой (НК), синтезированной из растительного сырья. Вегетирующие растения 2-3 раза опрыскивали 0,1% водным раствором НК в период колошения - налив зерна (Богданова Е.Д. Эпигенетическая изменчивость, индуцированная никотиновой кислотой, у Triticum aestivum L. // Генетика, 2003, т.39, №9, с.1221-1227).
Действие природной НК выражается в появлении одного определенного типа изменчивости. Форма, полученная из сорта Казахстанская-126 (К-126) обработкой НК, обладающая измененными морфологическими признаками (высота растения, размер узлов, антоциановая окраска стебля, опушенность листьев) и обозначенная Генотроф-1 (Г-1), стабильна, реверсии к исходному типу на протяжении 63 поколений не отмечено.
Недостатком известного способа является труднодоступность натуральной никотиновой кислоты (НК), синтезируемой из растительного сырья, поскольку в настоящее время доступна только синтетическая НК, сырьем для которой являются синтетические β-пиколины. Синтетическая никотиновая кислота характеризуется низкой биологической активностью. Испытания на колеоптильных пробах показали, что синтетическая никотиновая кислота не имеет биологической активности, необходимой для получения эпигенетических изменений (Богданова Е.Д. Генетическая изменчивость пшеницы, индуцированная никотиновой кислотой и ее производными: дис. ... докт. биол. наук. Новосибирск: Ин-т цитологии и генетики СО РАН, 1992, 331).
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка нового способа индукции эпигенетической изменчивости и повышение его эффективности.
Поставленная техническая задача достигается предлагаемым способом, заключающимся в следующем.
Семена пшеницы перед посевом замачивают в водном растворе неионного детергента Тритона Х-100 (октил-фенил-полиэтиленгликолевый эфир) с концентрацией 0,01-0,1% в течение 18-24 часов. Вегетирующие растения в период колошения однократно обрабатывают 0,1% водным раствором Тритона Х-100.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
Семена яровой пшеницы сорта Алем перед посевом обработали 0,1% водным раствором Тритона Х-100 в течение 18 часов. Из 100 обработанных семян получено 22 растения, которые в фазу колошения были обработаны 0,1% раствором Тритона Х-100. У всех обработанных растений изменилась морфология колоса, наблюдалось появление скверхедных и плотных колосьев с удвоенными колосками типа duospiculum - дополнительный колосок в позиции над основным (фиг.1). Среди 22 выживших растений отмечена 100% изменчивость морфологии колоса, были выделены следующие 4 типа изменчивости морфологии колоса: 5 скверхедных колосьев с удвоенными колосками (22,7%); 2 скверхедных колоса без удвоенных колосков (9,1%); 6 плотных колосьев с удвоенными колосками (27,3%); 9 длинных рыхлых колосьев с удвоенными колосками (40,9%).
На фиг.1 представлено изображение полученных плотных и скверхедных колосьев с удвоенными колосками, где 1 - сорт Алем (контроль), а 2 - сорт Алем, обработанный 0,1% раствором Тритона Х-100.
Пример 2.
Семена яровой пшеницы сорта Алем перед посевом обработали (замачивали) 0,01% водным раствором Тритона Х-100 в течение 24 часов. Из 100 обработанных семян получено 44 растения, которые в фазу колошения были обработаны 0,1% раствором Тритона Х-100.
В первом поколении среди 44 обработанных растений отмечена 100% изменчивость морфологии колоса и были выделены 5 типов изменчивости морфологии колоса: 14 плотных колосьев с удвоенными колосками (31,8%); 13 среднеплотных колосьев с удвоенными колосками (29,5%); 5 длинных рыхлых колосьев с удвоенными колосками (5%); 3 среднеплотных колоса без удвоенных колосков (6,8%); 9 рыхлых удлиненных колосьев без удвоенных колосков (20,5%).
На фиг.2 представлено изображение рыхлых удлиненных колосьев без удвоенных колосков, где 1 - сорт Алем (контроль), а 2 - сорт Алем, обработанный 0,01% раствором тритона Х-100.
У всех растений первого поколения, полученных после обработки семян и вегетирующих растений 0,01-0,1% раствором Тритона Х-100, был проведен анализ таких элементов продуктивности, как длина колоса, количество колосков и зерен в нем. Результаты представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что контрольный сорт Алем сам по себе имеет высокую озерненность колоса, а обработанные Тритоном Х-100 растения превосходят его по этому показателю. Это особенно хорошо заметно у колосьев скверхедного типа. Также отмечается увеличение плотности колоса и числа зерен в нем. Все измененные растения, как и исходный сорт Алем, относятся к разновидности лютесценс.
От измененных растений первого поколения были получены без применения обработки Тритоном Х-100 растения следующего, т.е. второго поколения, воспроизводившие признаки измененных растений. У этих растений был проведен анализ таких элементов продуктивности, как длина колоса, количество колосков и зерен в нем. Результаты представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что опытные растения второго поколения, полученные без обработки Тритоном Х-100, сохраняют изменения, появившиеся в первом поколении, под влиянием Тритона Х-100. Растения второго поколения, как и растения первого поколения, превосходят образцы контрольных растений по озерненности колоса. Также отмечается увеличение плотности колоса. Все измененные растения, как и исходный сорт Алем, сохранили разновидность лютесценс.
На фиг.3 представлено изображение второго поколения скверхедных колосьев с удвоенными колосками, где 1 - сорт Алем (контроль), а 2 - характерная выделенная линия 99-19.
На фиг.4 представлено изображение второго поколения плотных колосьев без удвоенных колосков, где 1 - сорт Алем (контроль), а 2 - характерная выделенная линия 99-17.
В третьем поколении появившиеся изменения проявляются стабильно, и потомство отдельного растения представляет собой выровненную линию.
Таким образом, предлагаемый способ индукции эпигенетической изменчивости путем обработки только одного, первого, поколения семян и вегетирующих растений мягкой пшеницы водным раствором неионного детергента Тритон Х-100 (октил-фенил-полиэтиленгликольный эфир) в сравнении с прототипами является новым, эффективным способом индукции направленных положительных эпигенетических изменений.
| Таблица 1 СПОСОБ ИНДУКЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ | |||
| Вариант опыта | Длина колоса, см | Число колосков | Число зерен в колосе |
| Алем (контроль) | 12,4±0,2 | 20,0±0,4 | 61,0±1,2 |
| Колосья растений, обработанных 0,1% водным раствором Тритона Х-100 | |||
| скверхедные с удвоенными колосками | 10,9±0,2 | 25,0±0,2 | 75,0±1,9 |
| скверхедные без удвоенных колосков | 12,5±0,1 | 25,0±0,3 | 77,0±1,3 |
| плотные с удвоенными колосками | 11,1±0,2 | 24,3±0,1 | 73,0±1,7 |
| длинные рыхлые с удвоенными колосками | 13,0±0,2 | 20,3±0,4 | 67,0±1,2 |
| Колосья растений, обработанных 0,01% водным раствором Тритона Х-100 | |||
| плотные с удвоенными колосками | 12,0±0,3 | 26,0±0,7 | 69,0±1,9 |
| среднеплотные с удвоенными колосками | 10,6±0,2 | 21,0±0,5 | 62,0±1,3 |
| длинные рыхлые с удвоенными колосками | 12,9±0,3 | 20,0±0,2 | 66,0±0,8 |
| среднеплотные без удвоенных колосков | 12,0±0,3 | 22,0±0,3 | 67,0±1,1 |
| рыхлые без удвоенных колосков | 12,0±0,3 | 20,0±0,2 | 68,0±1,9 |
Доверительная вероятность Р=0,95
| Таблица 2 СПОСОБ ИНДУКЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ | |||
| Вариант опыта | Длина колоса, см | Число колосков | Число зерен в колосе |
| Алем (контроль) | 12,1±0,1 | 23,6±0,5 | 62,4±1,4 |
| Колосья растений второго поколения, полученных без обработки Тритоном Х-100 от опытных растений первого поколения, обработанных 0,1% водным раствором Тритона Х-100 | |||
| 99-5 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 12,4±0,3 | 22,8±0,4 | 70,0±0,8 |
| 99-8 (рыхлые с удвоенными колосками) | 12,4±0,1 | 21,8±0,4 | 78,0±1,8 |
| 99-9 (плотные без удвоенных колосков) | 10,6±0,5 | 24,4±0,5 | 80,4±2,3 |
| 99-14 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 12,4±0,5 | 23,4±0,5 | 70,4±0,5 |
| 99-15 (скверхедные с удвоенными колосками) | 13,3±0,1 | 22,8±0,4 | 73,2±1,3 |
| 99-17 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 12,6±0,1 | 22,4±0,5 | 67,4±1,4 |
| 99-19 (скверхедные с удвоенными колосками) | 11,7±0,1 | 23,4±0,5 | 69,4±2,3 |
| Колосья растений второго поколения, полученных без обработки Тритоном Х-100 от опытных растений первого поколения, обработанных 0,01% водным раствором Тритона Х-100 | |||
| 99-22 (скверхедные с удвоенными колосками) | 13,0±0,5 | 24,6±0,5 | 69,0±1,8 |
| 99-25 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 13,7±0,1 | 24,4±0,5 | 78,8±2,2 |
| 99-31 (скверхедные с удвоенными колосками) | 13,1±0,1 | 24,6±0,5 | 71,6±1,4 |
| 99-32 (рыхлые с удвоенными колосками) | 13,1±0,1 | 22,2±0,4 | 76,0±1,8 |
| 99-34 (скверхедные с удвоенными колосками) | 13,2±0,4 | 24,6±0,5 | 72,0±1,8 |
| 99-35 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 11,6±0,1 | 21,2±0,5 | 70,4±2,3 |
| 99-37 (рыхлые с удвоенными колосками) | 13,3±0,1 | 22,8±0,4 | 77,2±1,3 |
| 99-41 (среднеплотные с удвоенными колосками) | 12,7±0,1 | 22,8±0,4 | 75,6±2,3 |
| 99-48 (рыхлые с удвоенными колосками) | 13,7±0,1 | 21,4±0,5 | 75,8±1,3 |
| 99-52 (рыхлые с удвоенными колосками) | 12,6±0,1 | 20,8±0,4 | 73,0±1,8 |
| 99-54 (среднеплотные без удвоенных колосков) | 13,2±0,1 | 23,2±0,4 | 83,8±1,3 |
Доверительная вероятность Р=0,95
Способ индукции эпигенетической изменчивости у мягкой пшеницы, включающий обработку семян и вегетирующих растений водным раствором биологически активного вещества, отличающийся тем, что обработку семян проводят в водном растворе тритона Х-100 с концентрацией 0,01-0,1% в течение 18-24 ч, а обработку вегетирующих растений осуществляют в фазе колошения однократно водным раствором тритона Х-100 с концентрацией 0,1%.
