Изменчивость морфологических признаков и содержания ядерной ДНК гаплоидов и удвоенных гаплоидов в андрогенных каллусных линиях риса (Oryza sativa L.)

Работа актуальна для понимания эволюционных процессов у видов растений. Исследование проведено на гибридах F₁ риса (Oryza sativa L.). Получено 12 каллусных линий с множественной регенерацией (более 60 растений на линии) гаплоидов и удвоенных гаплоидов. Регенерантные растения одной каллусной линии, полученной из одного пыльника риса, разделяли на две–четыре группы в зависимости от объема выборки в порядке их дифференциации на каллусе и высадки на среду укоренения. В первую группу входили растения с порядковым номером 1–30, во вторую – 31–60, в третью – 61–90, в четвертую – 91–120. Измеряли биометрические показатели и содержание ядерной ДНК. Между группами гаплоидов и удвоенных гаплоидов внутри каллусной линии выявлены различия по одному, двум или трем морфологическим признакам (p < 0,05). Внутрикаллусная изменчивость признаков гаплоидов чаще сопровождалась уменьшением значений морфологических признаков с увеличением порядкового номера. На пяти каллусных линиях не обнаружено изменчивости, то есть такое явление не является правилом. Среднее содержание ядерной ДНК удвоенных гаплоидов в четырех группах одной каллусной линии составило 1,03–1,09 пг, у гаплоидов – 0,53–0,58 пг. Внутрикаллусная изменчивость содержания ядерной ДНК выявлена между группами у гаплоидов на одной линии и среди удвоенных гаплоидов одной линии. Обнаружены достоверные отличия гаплоидов одной каллусной линии от трех других каллусных линий гибрида Садко × Кубояр по содержанию ядерной ДНК в сторону увеличения (p < 0,0015). Рассматривается теоретическая возможность появления внутривидовой изменчивости среди растений с небольшим числом хромосом. Предлагается схема геномных преобразований у таких видов: исходное растение (2n) → анеугаплоидные растения (n + 1) → мегаспорогенез и микроспорогенез по типу 0-n, формирование фертильной пыльцы (n + 1) → диплоидное растение (2n + 2). Анеугаплоидная эволюция объясняет внутривидовую изменчивость чисел хромосом среди видов растений с низкой плоидностью. 

1. Агапова Н.Д., Архарова К.Б., Вахтина Л.И., Земскова Е.А., Тарвис Л.В. Числа хромосом цветковых растений флоры СССР: Семейства Aceraceae–Menyanthacea / под ред. А.Л. Тахтаджяна. Ленинград: Наука; 1990.

2. Агапова Н.Д., Архарова К.Б., Вахтина Л.И., Земскова Е.А., Тарвис Л.В., Сафонова И.Н. Числа хромосом цветковых растений флоры СССР: Семейства Moraceae–Zygophyllaceae / под ред. А.Л. Тахтаджяна. Санкт-Петербург: Наука; 1993.

3. Bai C., Alverson W.S., Follansbee A., Waller D.M. New reports of nuclear DNA content for 407 vascular plant taxa from the United States. Annals of Botany. 2012;110(8):1623-1629. DOI: 10.1093/aob/mcs222

4. Barow M., Jovtchev G. Endopolyploidy in plants and its analysis by flow cytometry. In: J. Doležel, J. Greilhuber, J. Suda (eds). Flow Cytometry with Plant Cells: Analysis of Genes, Chromosomes and Genomes. Weinhaim: Wiley-VCH; 2007. p.349-372. DOI: 10.1002/9783527610921.ch15

5. Bennett M.D., Smith J.B. Nuclear DNA amounts in angiosperms. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 1991;334(1271):309-345. DOI: 10.1098/rstb.1991.0120

6. Cistué L., Soriano M., Castillo A.M., Vallés M.P., Sanz J.M., Echávarri B. Production of doubled haploids in durum wheat (Triticum turgidum L.) through isolated microspore culture. Plant Cell Reports. 2006;25(4):257-264. DOI: 10.1007/s00299-005-0047-8

7. De Wet J.M.J. Reversible tetraploidy as an evolutionary mechanism. Evolution. 1971;25:545-548. DOI: 10.1111/j.1558-5646.1971.tb01914.x

8. Grant V. Plant speciation. New York, NY: Columbia University Press; 1981. DOI: 10.7312/gran92318

9. He Y., Wei Q., Ge J., Jiang A., Gan L., Song Z. et al. Genome duplication effects on pollen development and the interrelated physiological substances in tetraploid rice with polyploidy meiosis stability. Planta. 2010;232(5):1219-1228. DOI: 10.1007/s00425-010-1249-z

10. Ilyushko M.V., Romashova M.V. Formation of rice tetraploids in in vitro androgenesis. Russian Agricultural Sciences. 2020;46(4):332-336. DOI: 10.3103/S1068367420040084

11. Ilyushko M.V., Romashova M.V. Variability of rice haploids obtained from in vitro anther culture. Russian Agricultural Sciences. 2019;45(3):243-246. DOI: 10.3103/S1068367419030108

12. Ilyushko M.V., Romashova M.V., Zhang J.M., Deng L.W., Liu D.J., Zhang R., Guchenko S.S. Intra-callus variability of rice doubled haploids generated through in vitro androgenesis. Agricultural Biology. 2020;55(3):533-543. DOI: 10.15389/agrobiology.2020.3.533eng

13. Ilyushko M.V., Skaptsov M.V., Romashova M.V. Nuclear DNA content in rice (Oryza sativa L.) regenerants derived from anther culture in vitro. Agricultural Biology. 2018;53(3):531-538. DOI: 10.15389/agrobiology.2018.3.531eng

14. Jauhar P.P., Xu S.S., Baenziger P.S. Haploidy in cultivated wheats: Induction and utility in basic and applied research. Crop Science. 2009;49(3):737-755. DOI: 10.2135/cropsci2008.08.0462

15. Kasha K.J., Hu T.C., Oro R., Simion E., Shim Y.S. Nuclear fusion leads to chromosome doubling during mannitol pretreatment of barley (Hordeum vulgare L.) microspores. Journal of Experimental Botany. 2001;52(359):1227-1238. DOI: 10.1093/jxb/52.359.1227

16. Хохлов С.С., Тырнов В.С., Гришина Е.В., Давоян Н.И., Зайцева М.И., Звержанская Л.С., Селиванов А.С., Суханов В,М., Шишкинская H.A., Гусева А.И. Гаплоидия и селекция. Москва: Наука; 1976.

17. Kikuchi S., Takaiwa F., Oono K. Variable copy number DNA sequences in rice. Molecular and General Genetics. 1987;210(3):373-380. DOI: 10.1007/BF00327185

18. Кириллова Г.А. Явление гаплоидии у покрытосеменных растений. Генетика. 1966;2:137-147.

19. Кунах В.А. Геномная изменчивость соматических клеток растений. 2. Изменчивость в природе. Биополимеры и клетка. 1995;11(6):5-40.

20. Кунах В.А. Геномная изменчивость соматических клеток растений. 4. Изменчивость в процессе дедифференцировки и каллусообразования in vitro. Биополимеры и клетка. 1998;14(4):298-319. DOI: 10.7124/bc.0004DB

21. Kuznetsova O.I., Ash O.A., Gostimsky S.A. The effect of duration of callus culture on the accumulation of genetic alteration in pea Pisum sativum L. Russian Journal of Genetics. 2006;42(5):555-562. DOI: 10.1134/s1022795406050139

22. Levin D.A. Why polyploidy exceptionalism is not accompanied by reduced extinction rates. Plant Systematics and Evolution. 2019;305(1):1-11. DOI: 10.1007/s00606-018-1552-x

23. Lewis H. Speciation in flowering plants. Science. 1966;152(3719):167-172. DOI: 1026/science.152.3719.167

24. Ochatt S.J. Flow cytometry in plant breeding. Cytometry. 2008;73(7):581-598. DOI: 10.1002/cyto.a.20562

25. Raven P.H., Thompson H.J. Haploidy and angiosperm evolution. The American Naturalist. 1964;98(901):251-252. DOI: 10.1086/282324

26. Scowcroff W.R. Somaclonal variation: The myth of clonal uniformity. In: B. Hohn, E.S. Dennis (eds). Genetic Flux in Planta. Wien: Springer; 1985. p.217-245. DOI: 10.1007/978-3-7091-8765-4

27. Скапцов М.В., Смирнов С.В., Куцев М.Г., Шмаков А.И. Проблемы стандартизации в проточной цитометрии растений. Turczaninowia. 2016;19(3):120-122. DOI: 10.14258/turczaninowia.19.3.9

28. Stebbins G.L. A brief summary of my ideas on evolution. American Journal of Botany. 1999; 86(8):1207-1208. DOI: 10.2307/2656985

29. Stebbins G.L. Chromosomal variation and evolution. Science. 1966; 152(3728):1463-1469. DOI: 10.1126/science.152.3728.1463

30. Stebbins G.L. Polyploidy, hybridization, and the invasion of new habitats. Annals of the Missouri Botanical Garden. 1985;72(4):824-832. DOI: 10.2307/2399224

31. Takhtajan A. Flowering plants. Dordrecht: Springer; 2009. DOI: 10.1007/978-1-4020-9609-9

32. Тахтаджян А.Л. Макроэволюционные процессы в истории растительного мира. Ботанический журнал. 1983;68(12):1593- 1603.

33. Цаценко Л.В., Мосунов С.А. Гаметы с соматическим числом хромосом: механизмы их формирования и роль в эволюции автополиплоидных растений (обзор иностранной литературы). Сельскохозяйственная биология. 2008;43(1):16-25.

34. Тырнов В.С. Гаплоидия у растений. Саратов: Саратовский университет; 2005.

35. Wu Y., Sun Y., Sun S., Li G., Wang J., Wang B. et al. Aneuploidization under segmental allotetraploidy in rice and its phenotypic manifestation. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131(6):1273-1285. DOI: 10.1007/s00122-018-3077-7

36. Zagorska N.A., Shtereva L.A., Kruleva M.M., Sotirova V.G., Baralieva D.L., Dimotrov B.D. Induced androgenesis in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.). III. Characterization of the regenerants. Plant Cell Reports. 2004;22(7):449- 456. DOI: 10.1007/s00299-003-0720-8

37. Zeyl C., Vanderford T., Carter M. An evolutionary advantage of haploidy in large yeast populations. Science. 2003;299(5606):555-558. DOI: 10.1126/science.1078417

38. Zheng K.L., Castiglione S., Biasini M.G., Biroli A., Morandi C., Sala F. Nuclear DNA amplification in cultured cells of Oryza sativa L. Theoretical and Applied Genetics. 1987;74(1):65-70. DOI: 10.1007/BF00290085