СПОСОБ МУТАГЕННОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЯЧМЕНЯ Российский патент 1999 года по МПК A01H1/06 

Предлагаемое изобретение принадлежит к области генетики и селекции и может быть применено для индукции мутаций при создании исходного материала для селекции ячменя.

Получение наследственных изменений у сельскохозяйственных растений возможно с помощью рентгеновских [1] и гамма-лучей [2, 3], лазерного излучения [3,4], химических мутагенов (например, нитрозоэтилмочевины) [3], фитогормонов [3,4,5].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ мутагенной обработки ячменя с использованием гамма-излучения с однократными дозами воздействия 100 и 150 Гр [6].

Однако гамма-излучение при существующем режиме обработки подавляет полевую всхожесть семян, в результате чего значительно снижается выживаемость растений первого поколения (см. табл. 1).

Угнетающее действие гамма-излучения сказывается на продолжительности вегетационного периода, он увеличивается на 4-7 дней. Под влиянием гамма-лучей снижается продуктивная кустистость, длина стебля, завязываемость семян в колосе ячменя.

Среди морфологических и физиологических мутаций в М₂ преобладающими являются формы с рыхлым колосом и его хаотической стерильностью, а также семьи с замедленным процессом развития и созревания.

Предлагаемый способ предусматривает обработку семян ячменя синим светом, полученным от электрической лампы накаливания через интерференционный светофильтр. Длина волны светопотока составляет 455 ± 10 нм, плотность мощности 0,1 мВт/см², продолжительность обработки 60-120 мин.

Синий свет (СС) является регулятором таких жизненных процессов у растений, как фототропизм, движения устьиц, фотоморфогенез и др. Реакции растений на СС осуществляются как через систему фитохрома [7], так и за счет не связанного с фитохромом рецептора [8], который может быть локализован в плазмалемме и в мембранах внутриклеточных органоидов в составе редокс-цепи, включающей в себя флавопротеин и цитохром b₅.

СС вызывает гиперполяризацию мембранного потенциала клеток растений, что приводит к перераспределению фитогормонов. Под влиянием СС изменяются транспортные свойства клеточных мембран. СС усиливает функциональную активность нитратредуктазы, посредством чего увеличивается синтез аминокислот, одновременно при действии СС возрастает поглощение нитратов клетками [9].

Физиологические реакции, обусловленные синим светом, приводят к отклонениям в протекании ряда важных для жизнедеятельности растений процессов. К числу таких отклонений могут принадлежать и нарушения в функционировании ферментов системы репликации и репарации ДНК, работа которых тесно связана с процессом возникновения мутаций [10].

Для иллюстрации способа приводятся следующие примеры.

Воздушно-сухие семена ячменя сорта Дина перед посевом обрабатывали синим светом, продолжительность воздействия составляла 5, 15, 30, 60 и 120 мин. Контролем служили необработанные семена.

В каждом варианте M₁ облучали и высевали 500 зерен (по 125 штук на делянку площадью 1,0 м²).

Обработка семян ячменя синим светом на протяжении 60 мин достоверно повысила их полевую всхожесть (см. табл. 2).

Синий свет не оказал существенного влияния на динамику развития растений в год воздействия.

Мутагенная обработка неоднозначно влияла на продуктивность ячменя в M₁: при экспозициях облучения 30 и 120 мин отмечено достоверное увеличение массы зерна с колоса, а 5- и 60-минутные воздействия существенно снизили данный признак (табл. 3).

В вариантах с облучением наблюдалась тенденция увеличения продуктивной кустистости, длины стебля и колоса.

Во втором поколении, начиная с фазы всходов, проводилось выявление хлорофилльных мутаций ячменя. Они были обнаружены во всех опытных вариантах (табл. 4).

Наибольший спектр хлорофилльных мутаций наблюдался в варианте "синий свет 120 минут". Здесь встречались мутации типа claroviridis, отличающиеся от исходного типа светло-зеленой окраской растений; viridostriata с чередующимися на листьях продольными зелеными и светло-зелеными полосами; xanthotigrina, у которых имело место чередование поперечных зеленых и желтых полос на листовых пластинках; xanthoviridis, имеющие нормально окрашенную листовую пластинку с желтой верхушкой; а также мутации, характеризующиеся скачкообразным изменением окраски растения на стадии образования 2 - 3-го листа - от зеленой к желтой (viridoxanthoterminalis) и от зеленой к белой (viridoalboterminalis). В варианте "СС 30 минут" была выделена мутация типа chloina, отличающаяся зеленовато-желтой окраской растений, а в вариантах с продолжительностью облучения 15 и 60 мин - мутации типа veridamaculata, у которых на листовых пластинках были отдельные желтые и белые пятна с нечеткими краями.

Кроме хлорофилльных мутаций синий свет индуцировал и другие типы изменений. К их числу принадлежат отклонения от исходного сорта по форме куста (стелющаяся и промежуточная), интенсивности побегообразования, длине стебля, ширине листовых пластинок, степени образования воскового налета, времени наступления фаз кущения и колошения, длине колоса, количеству колосков в колосе, массе зерна с колоса, устойчивости к полеганию и пониканию колоса и другие (табл. 5).

Наибольшее число типов морфологических и физиологических изменений обнаружено в варианте с максимальной дозой мутагена.

Многие выделенные семьи характеризуются целым комплексом мутантных признаков, где сочетаются хлорофилльные аномалии, отклонения в морфологии различных частей растения и изменения в протекании ряда жизненных процессов, сказывающихся на динамике развития мутанта, его цветении и образовании антоцианов. Данная особенность может быть объяснена плейотропным действием мутантного гена или одновременным мутированием нескольких генов.

Ряд отобранных мутантов ячменя представляет интерес как исходный материал для селекции (табл. 6).

Мутант 2-6 получен от обработки семян синим светом с экспозицией 5 мин. В отличие от исходного сорта Дина данный мутант более энергично кустится (в 2,2 раза) и имеет более длинный колос.

Мутант 3-3 создан воздействием на семена ячменя синим светом в течение 15 мин. Обладает хлорофилльной аномалией viridoxanthoterminalis. Относительно сорта Дина дает достоверное снижение общей и продуктивной кустистости (в 2,7 и 3,8 раза соответственно), длины стебля (на 27,3 см), количества колосков и массы зерна с колоса.

Мутант 4-12 выделен в варианте "СС 30 минут". Имеет антоциановую пигментацию ушек и нервов зерновок, что несвойственно исходному сорту. Формирует длинный колос (8,2 см), у него увеличено количество колосков и больше масса зерна с колоса. Созревает на три дня позднее контроля.

Мутант 5-8 получен в результате 60-минутного облучения семян ячменя синим светом. Несет хлорофилльную мутацию viridoalboterminalis. Существенно превышает контроль по общей кустистости (в 1,6 раза) и по длине колоса.

Мутант 5-11 отобран в варианте "СС 60 минут". Характеризуется достоверным снижением длины стебля относительно исходного сорта (на 11,5 см), длинным колосом (7,6 см), большим количеством колосков и массой зерна с колоса (1,16 г). Продолжительность вегетационного периода на 4 дня больше, чем у сорта Дина.

Мутант 6-29 создан путем обработки семян ячменя синим светом в течение 120 мин. Продуктивная кустистость мутанта больше, чем у стандарта. Длина колоса и масса зерна с него существенно выше, созревание наступает на 2 дня позднее.

Все описанные мутанты принадлежат к разновидности нутанс.

Связь между мутагенной эффективностью синего света и его дозой можно установить путем анализа частот морфологических и физиологических мутаций по вариантам опыта во втором поколении (табл. 7).

Обработка семян ячменя синим светом на протяжении 5 мин индуцировала 3,52% мутантных семей, что существенно превысило фоновый уровень спонтанного мутагенеза, зафиксированный в контроле. Увеличение экспозиции мутагена до 15 и 30 мин не привело к достоверному росту частоты мутаций, однако существенный подъем частоты наследственных изменений обнаружен при переходе от 30- к 60-минутной продолжительности облучения. После воздействия на семена ячменя синим светом в течение 120 мин частота мутаций составила 7,67%, что находится на уровне варианта "СС 60 минут" (t_d=0,86).

Таким образом, предлагаемый для обработки семян физический фактор синий свет в сравнении с прототипом является новым мутагенным фактором для семян и растений ячменя, обеспечивающим во втором поколении больший абсолютный выход мутаций и более широкий спектр селекционно-ценных наследственных изменений.

Список литературы
1. Chaundhuri K.L. High yielding X-ray mutation of jute (Carchorus olitorius Linn) // Annu. rep. simitted to the Indian Cent. Jute Cummittee. 1948. P. 18... 21.

2. Gustafsson A. Productive mutations indused in barley by ionizing radiations and chemical mutagens // Hereditas. 1963. Vol.50. P.211...263.

3. Козаченко М. Р. , Манзюк В.Т. Получение мутантов ярового ячменя при сочетании красного лазерного излучения с химическими мутагенами или проникающей радиацией // Применение низкоэнергетических физических факторов в биологии и сельском хозяйстве / Тез. Всесоюз. науч. конф. Киров, 1989. С.77... 78.

4. Дудин Г. П. Изменчивость ячменя под влиянием лазерного излучения и бензиладенина // Сельскохозяйственная радиобиология / Кишиневск. с.-х. ин-т. Кишинев, 1990. С.23...28.

5. Виленский Е.Р. Фитогормоны и генетический гомеостаз // 2 Съезд Всесоюз. об-ва физиологов растений, Минск, 24... 29 сент. 1990 / Тез. докл. Ч.2. М., 1992. С.40.

6. Пуртова И.В. Создание исходного материала ярового ячменя с использованием физических мутагенных факторов, парааминобензойной и абсцизовой кислот / Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. с.-х. наук. СПб, 1993. 20 с. -прототип.

7. Casal J.J., Smith H. Effects of blue light pretreatments on internode extension growth in mustard seedlings after the transition to darkness: analysis of the interaction with phytochrome // J. Exp. Bot. 1989. Vol.40. N217. P.893...899.

8. Volkenburgh E. V., Cleland R.E., Watanabe M. Light- stimulated cell expansion in bean (Phaseolus vulgaris L.) leayes. II. Quantity and quality of light required // Planta. 1990. Vol.l82. Nl. P.77...80.

9. Полевой В.В., Саламатова Т.С. Физиология роста и развития растений. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991.240с.

10. Питиримова М.А. Постмутагенное восстановление и мутационная изменчивость ячменя // Применение низкоэнергетических физических факторов в биологии и сельском хозяйстве / Тез. Всесоюз. науч. конф. Киров, 1989. С 32...33.

Изобретение относится к области генетики и селекции и может быть использовано для индукции мутаций при создании исходного материала для селекции ячменя. Техническим результатом изобретения является увеличение выхода селекционно-ценных морфологических и физиологических мутаций у растений ячменя во втором поколении после обработки электромагнитным излучением. Семеня ячменя обрабатывают синим светом с длиной волны 455 ± 10 нм и плотностью мощности 0,1 мВт/см², полученным от электрической лампы накаливания через интерференционный светофильтр, на протяжении 60 - 120 мин. 7 табл.

Способ мутагенной обработки семян ячменя, включающий воздействие на семена электромагнитным излучением, отличающийся тем, что на семена воздействуют синим светом с длиной волны 455 ± 10 нм и плотностью мощности 0,1 мВт/см² на протяжении 60 - 120 мин.