Гаметициды и их применение в селекции

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК имени В. И.
ЛЕНИНА

Всесоюзный научно-исследовательский институт информации и технико- экономических исследований по сельскому хозяйству

Обзорная информация М. А, ФЕДИН,Т. А. КУЗНЕЦОВА

ГАМЕТОЦИДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СЕЛЕКЦИИ

Москва — 1977

УДК е3.1.5В7ЛЗ

'Гаметоциды — химические соединения, применение .которых в определенные этапы развития растений приводит к гибели мужского гаметофи-та в результате нарушении метаболических процессов в период формирования пыльцевых зерен.
Действие гаметоцидов на физиолого-биохимиче-ские процессы в клетке аналогично стерилизующей цитоплазме при перемещении в нее ядра, что вызывает мужскую стерильность.
Исследования, проведенные в ряде стран, в том числе и в СССР, позволили выявить ряд химических соединений, которые индуцируют мужскую стерильность у яровой и озимой пшеницы, ржи и других сельскохозяйственных культур.
Использование гаметоцидов позволяет организовать Промышленное .производство гибридных семян зерновых и других сельскохозяйственных культур. Однако полученные гаметоциды вызывают ряд побочных нежелательных явлений: значительное ингибирование роста, задержку 'в прохождении .фенологических фаз и д'р. Поэтому необходим дальнейший поиск новых химических соединений, обладающих гаметоцид-ной активностью.

ВВЕДЕНИЕ

|Рост народонаселения планеты, необходимость повышения темпов производства продуктов сельского хозяйства определяют поиск новых направлений в селекции сортов и гибридов — основных средств сельскохозяйственного производства. В последнее время широкие исследования гетерозиса пшеницы, ржи, ячменя, подсолнечника, сахарной свеклы, хлопчатника, ряда овощных, бахчевых, цветочных, декоративных культур и кормовых трав показали, что гибриды первого поколения этих растений обеспечивают прибавку урожая на 20—25% и более по сравнению с районированными сортами [1,7, 35, 36].

Практическое использование гетерозисного эффекта возможно лишь при условии хорошо налаженного производства гибридные семян в значительном объеме. У ряда культур, обладающих высоким коэффициентом размножения семян и низкой посевной нормой (кукуруза, томаты и др.), производство гибридных семян может быть организовано при ручной кастрации материнских растений с последующим свободным или принудительным опылением. Однако для большинства возделываемых растений этот метод неприменим, так как затраты труда, необходимые для получения гибридных семян первого поколения, не окупаются дополнительно получаемой продукцией.

В настоящее время в результате использования явления цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) получены гибриды первого поколения пшеницы, сорго, кукурузы, сахарной свеклы, томатов, лука, сладкого перца и налажено массовое производство гибридных семян. Близки к завершению исследования по созданию гибридов ржи и подсолнечника [35]. Наряду с этим при селекции с томатами пытаются применить формы с функциональной мужской стерильностью
[36]. 'Создание мужских стерильных линий, отбор линий — закрепителей стерильности и форм, восстанавливающих фер-тильность, значительно усложнили ведение селекции я семеноводства. Между тем основным недостатком использования системы «ЦМС — восстановление фертильноста» при получении новых гибридных комбинаций скрещиваний является постоянная необходимость создания стерильных аналогов и ана- логов '— восстановителей фертильности новых высокопродуктивных сортов и самоопыленных линий.
Сравнительно недавно для индукции мужской стерильности на растения в определенные фазы развития воздействовали различными физическими факторами
(сокращенный световой день, высокие и низкие температуры и др.) [2, 48, 97,
130]. Несмотря на полученные положительные результаты» ввиду отсутствия технических средств для массового производства гибридных семян эти приемы не были внедрены в практику.
•Определенные успехи в разработке методов мужской стерильности растений были достигнуты с помощью ряда химических соединений — растворов солей феноксиуксусной кислоты, гидразида малеиновой кислоты (ГМ1К), этрела, индо- лилуксусной кислоты (ИУК), нафтнлуксусной кислоты (НУК), гиббереллина
(ГКз) и некоторых других, названных гаметоцидами. Этот термин — производное от двух слов: гамета — по-гречески половая клетка, цидо — по-латински убивать. В настоящее время в ряде стран Европы и в США проводят исследования по выявлению химических соединений, обладающих гаметоцядной активностью к мужскому гамето-фиту растений, и разрабатывают способы их применения для массового производства гибридных семян различных сельскохозяйственных культур. Использование методов химической индукции мужской стерильности у зерновых, технических, овощных и кормовых культур позволит получить семена гибридов первого поколения, вовлекая в селекционный процесс наиболее совершенные сорта без создания их стерильных аналогов и линий, несущих гены восстановления фертильности.
Преодоление трудностей, препятствующих эффективному использованию гаметоцидов, в значительной мере зависит от определения сущности процесса стерилизации, в основе которого лежат конкретные физиолого-биохимические изменения в тканевом метаболизме спорогенеза, вызывающие анормальности в развитии пыльцевого зерна с последующей его абортивностью. В связи с практическими запросами физиология развития пыльцы привлекает особое внимание.
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ, ЦИТОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФОРМИРОВАНИЯ МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА
Мужской гаметофит покрытосеменных растений — микроскопическая структура, которая в период ранних стадий развития окружена тканями пыльника и непосредственно контактирует с клетками тапетума, метаболизм которых тесно связан с развитием пыльцевьгх зерен, особенно в критические периоды преобразования материнских клеток пыльцы в гап-лоидные микроспоры.
Так как наибольшая эффективность действия гаметоцидов приходится на период формирования тетрад и связана с биохимизмом их развития, возникает необходимость в детальной информации о ранних фазах развития пыльцевого зерна в материнской клетке пыльцы.
С помощью электронной микроскопии установлено, что до мейоза материнские клетки пыльцы в пыльниках связаны между собой и с клетками тапетума цитоплазматлческими мостиками (плазмодесмами) [5, 59]. Перед стадией лептотены профазы 1 начинаются преобразовательные процессы в оболочках и мембранах микроспороцитов, которые быстро обволакиваются слоем каллозы, представляющей собой (3-1,3-свя-занный полимер глюкозы [130]. Это соединение локализуется между оболочками материнской клетки пыльцы и клеточной мембраной. С началом стадии лептотены плазмодесмы, соединяющие клетки тапетума и микроспороцитов, исчезают. Слой каллозы продолжает утолщаться, однако некоторые районы оболочек микроспороцитов не покрываются каллозой, здесь соседние материнские клетки пыльцы контактируют друг с, другом с помощью широких цитоплазматичесиих перетяжек, названных цитомиксическими каналами [28]. У большинства видов растений все микроспороциты мейотической профазы взаимосвязаны. Такая цитоплазматическая общность — важнейший фактор поддержания тесной синхронности мейотических стадий. Цитомиксические каналы начинают исчезать к концу мейотической профазы I, а в телофазе I их количество совсем незначительно, к началу же профазы II материнские клетки пыльцы полностью изолируются друг от друга каллозными оболочками. После мейоза каллоза образует между четырьмя гаплоидными спорами тонкую прослойку (стадия тетрад), и каждая спора становится полностью изолированной от других. Предполагают, что в формирование каллозных оболочек вовлечен аппарат Гольджи [137].
Процесс формирования оболочки пыльцевого зерна начинается вскоре после завершения мейоза и протекает между клеточной мембраной я каллозной оболочкой в каждой споре тетрады. Первичным материалом для построения оболочки является примэкзина. После развития прдмэкзины синтезируется предшественник зрелой экзины, морфология которого .зависит от его химического состава. По своим свойствам это вещество сходно с протоспоруллином. На данном этапе кал-лозная оболочка исчезает, споры быстро увеличиваются в размерах (в 3—5 раз) и интенсивно синтезируют спорополле-нин [70, 71]. После освобождения из тетрад в микроспорах формируется интина, содержащая микрофибряллы целлюло-5 зы, которые образуют матрикс с пектиновым материалом, ге-мицеллюлозой и незначительным количеством белка. До полного созревания пыльцевое зерно покрывается различными производными распадающегося тапетума — каротиноидами, липидами, белками и другими соединениями [130]. При дальнейших фазах развития пыльцы эффективность действия га-метоцидов снижается [47, 65, 75, 80, 102].

Ранние этапы развития пыльцы тесно связаны с функциональной активностью тапетума. Цитохимические и ультраструктурные исследования свидетельствуют, что тапетум функционирует как источник питательного материала при развитии пыльцевого зерна. У покрытосеменных установлено два основных типа тапетума: гландулярный, при котором клетки по мере развития пыльцевых зерен дегенерируют до П9лного автолиза, и амебоидный [76]. В последнем клетки теряют свою оболочку, и протопласт тапетума распределяется между развивающимися пыльцевыми зернами, образуя тапетальный периплазмодий [61].
Мембраны такого тапетума могут проникать в экзину пыльцы. Питательный материал транспортируется из клеток та'петума (возможно, предварительно метабо-ли'аируется им) к пыльцевым зернам .[62]. Взаимодействие тапетума и развивающихся микроопор максимально проявляется при растворении каллозных оболочек микроспор. Исчезновение каллозы сопровождается развитием каллазной активности. Энзим локализован в везикулах цитоплазмы тапетума [130].

Исследование (3-1,3-глюканазной активности в течение мей-оза я распада тетрад показало, что активность энзима резко возрастала, начиная со II мейотдческого деления, достигала максимума в фазу освобождения микроспор из тетрад и сохранялась затем в течение 48 ч [82, 131]. Доказательством взаимосвязи между развивающимися пыльцевыми зернами и тапетумом, а также подтверждением кардинальной роли тапетума в образовании пыльцы служат работы по ЦМС [59, Gl, 62, 76].
В связи с тем, что применение гаметоцидов имеет целью индукцию мужской стерильности растений, для выяснения предполагаемых механизмов действия веществ с гаметоцид-'ной активностью необходима сравнительная оценка и анализ морфологических, цитологических и физиолого-биохимиче-ских различий фертильных растений и линий с ЦМС. Сравнительная анатомия и биохимия тканей пыльников нормальных и стерильных растений свидетельствуют, что абортивность развивающихся пыльцевь»х зерен является результатом включения или выключения более чем одного механизма, а также нарушений регуляторных процессов на различных уровнях 6 контролирования метаболических путей [62, 94, 98, 111]. Отмечено, что у всех изученных линий с ЦМС 90% растений обла^-дали нормальным ходом микроспорогенеза до определенной фазы, на которой начиналась абортивность пыльцы, и только у 10% растений анормальность проявлялась еще до стадии, обусловливающей абортивность в результате более ранних нарушений нормальных метаболических циклов. У большинства видов (около 70%) деградация микроспор приходилась на период, начиная с мейоза 1 и включая интерфазу микроспор
[94].

Одной из причин, вызывающих ЦМС растений, являются функциональные нарушения в метаболизме тапетума. Тщательное изучение этой ткани у фертильных и стерильных линий, а также у восстановителей фертильности сорго показало, что у фертильных линий после мейотической профазы I тапетум быстро уменьшался в радиальной протяженности [52]. В стерильных пыльниках радиально расширенный тапетум обусловливает абортивность микроспор, и период его разрастания приходится на стадию вакуолизации микроспоры.
Тапетум стерильных пыльников по протяженности (в ширине) и морфологии имеет более широкую шкалу изменчивости, чем у фертильных линий. 'Размеры ширины тапетума стерильных пыльников связывают с дегенеративными процессами в микроспорах [62, 109, 111].

•При цитологических исследованиях клонов ежи сборной с ЦМС не было отмечено отклонений в развитии пыльника в течение архиспориальной стадии и стадии материнской клетки пыльцы по сравнению с нормальными растениями [94,
117]. Первые признаки различий в развитии появлялись в начальные фазы мейоза, что выражалось в разрушении некоторых микроспороцитов, в результате чего образовывалось малое количество тетрад у растений с ЦМС. Одновременно у стерильных растений наблюдалось более быстрое дегенерирова-ние тапетума, чем у фертильных. При сравнительном исследовании микроспорогенеза и развития пыльцы у фертильных и стерильных растений льна установлено, что стерильность пыльцы у этого растения достигалась анормальным разрастанием клеток тапетума, которые медленно дегенерировали по сравнению с тапетумом фертильных растений, у которых величина этой ткани быстро уменьшалась, особенно после стадии тетрад. Очевидно, преждевременное или позднее включение деградативньгх механизмов тапетума может быть причиной функциональной мужской стерильности. У разных видов растений эти механизмы имеют свой специфический характер, что необходимо учитывать при подборе гаметоцидов, их доз и сроков обработки.
• Цитологические исследования пшеницы показали, что на клеточном уровне ЦМС выражается в уменьшении размеров и числа органелл, характеризующихся низкой физиологической активностью и довольно быстрым дегенерированием [59]. У фертильных пыльцевых зерен органеллы клеток обильны.

Различный уровень метаболической активности тапетума в нормальных и стерильных пыльниках и продолжительность его функционирования контролируется цитологами реакцией Фёльгена. Ядра клеток тапетума нормальных пыльников интенсивно окрашиваются до формирования материнской микроспоры, после чего окраска прогрессивно уменьшается по мере коллапсирования тапетума. В тканях тапетума стерильных пыльников окрашивание ядер продолжает осуществляться интенсивно после формирования тетрад и незначительно снижается в процессе развития микроспор [94].
Следовательно, функция тапетума неразрывно связана с его определенной ролью при абортивности микроспор. У нормальных пыльников тапетум получает необходимый питательный материал, поставляемый растением, и преобразует его для формирующихся микроспор, что подтверждается поступлением Фёль-ген- положительных веществ в материнскую микроспору во время мейоза [93].
Тапетум стерильных пыльников имеет более низкий уровень метаболической активности, о чем свидетельствует как низкая энзиматическая активность, так и изменение поступления Фёльген-положительного материала в спорогенные клетки в критические периоды их формирования.

В процессе 'химической индукции мужской стерильности может происходить включение тех же механизмов, что и пр.и абортивности мужского гаметофита стерильных аналогов, где стерильность обусловлена ЦМС. Обработка растений кориандра, вики и лука 0,01%-ным раствором ГМК вызывала 100%-ную стерильность у всех трех растений [60, 89, 90]. После нанесения гаметоцида на растения кориандра тапетум увеличивался и существовал вплоть до стадии вакуолизации микроспор. У контрольных растений тапетум дегенерировал после мейоза. У лука Г1МК, включался в процессы формирования пыльцы, способствуя преждевременному дегенерирова-нию спорогенной ткани и материнских клеток пыльцы. У кориандра химическое индуцирование мужской стерильности проявлялось цитологически — размер ядер не изменялся, а клетки тапетума значительно удлинялись.

Предполагают, что вмешательство различных факторов в метаболизм клеток тапетума приводит к деградации и'х содержимого и, в первую очередь, дезокоирибозидов — основ-
8 ного синтетического пула ДйК, необходимого для нормального развития материнской клетки пыльцы и микроспор. Нарушение деятельности тапетума при снабжеаии питательным ^материалом спорогенной ткани, вызванное различными причинами, обусловливает начало процессов деградации материнской клетки пыльцы [134, 137].
Цитологические исследования пыльников растений с аук-син-индуцированной стерильностью, выращенных при продолжительном освещении, показали, что химические и физические факторы могут способствовать преждевременному де- генерированию тапетума с последующим снижением нормального передвижения питательного материала к спорогенной ткани. В процессе нормального развития пыльцы в начальных (самых ранних) этапах микроспорогенеза ткани тапетума разрастаются и только после завершения формирования микроспор в материнской клетке пыльцы дегенерируют. При гормональной индукции мужской стерильности гиббереллином (ГКз) и в условиях длительного естественного освещения
•отмечена обратная корреляция во взаимодействии микроспор .и тапетума.
Большинство микроспор становятся крупными, сильно вакуолизированньши, с ядром, прижатым к клеточной .стенке. Клетки тапетума образуют плотную оболочку вокруг
•полости пыльцевого мешка. Часть микроспор дегенерирует до вакуолизации, но большее их количество абортируется при цветении [94].

Аберрация микроспорогенеза в результате продленного дня, по-видимому, связана с ранним распадом клеток тапетума. Подобный эффект может быть достигнут путем обработки ауксином, высокая концентрация которого обнаружена в тканях растений при длительном фотопериоде [78]. Это подтверждает гипотезу о влиянии фотопериода на пол путем регуляции метаболизма ауксинов в растительных тканях [84, 88].

Считают также, что нарушение функций тапетума в питании развивающихся микроспор не является непосредственной и единственной причиной абортивности пыльцы [46, 107].

При сравнительных исследованиях пыльцы и развития
•пыльников линий пшеницы с ЦМС и нормальных растений установлено, что деградативные процессы в развивающихся пыльцевых зернах начинаются с несбалансированного поступления питательных веществ в тапетум в результате нарушений функциональной активности васкулярной системы тычиночных нитей
[31, 32, 87]. Последние у стерильных растений имели слабо дифференцированные васкулярные тяжи (либо они отсутствовали), в то время как у нормальных тычинок сосудистые элементы были хорошо дифференцированы на

9 ксилему и флоему. Наблюдаемое снижение аккумулирования крахмала в тканях тапетума и отсутствие запасного крахмала в зрелых микроспорах является следствием редукции передвижения растворов (в частности углеводов) в тычинки стерильных растений [87]. Нарушение структуры васкулярных элементов при воздействии веществ с гаметоцидной активностью может быть одним из аспектов их действия, тем более, что обработка гаметоци.д'а'ми, как правило, сопровождается уменьшением размеров пыльников и длины тычиночных нитей [20, 59].

Преждевременное деградирование тапетума 'или. более длительное существование интактных клеток тапетума в пыльниках с мужской стерильностью, индуцированной химическими препаратами, по-видимому, является результатом взаимосвязи химически активных веществ с деградативными энзимами (несвоевременная их индукция или блокирование) [56,
60, 74].

При исследовании причин абортивности пыльцы установлено повышение активности кислых фосфатаз в тканях нормальных пыльников до стадии тетрад, после которой активность энзимтав резко снижалась с последующим дегенерирова-нием тапетума [56]. В тканях стерильных пыльников активность энзимов была гораздо ниже, и набухший тапетум раздавливал микроспоры [82].

.Подобный дисбаланс в энзиматической системе стерильных пыльников был отмечен S. Izhar и R. Frankel [82] при сравнительном изучении каллазной активности. В связи с тем, что период развития каллазной активности четко установлен во времени и имеет определенный оптимум кислотности (р.Н 5), авторы измерили in vivo pH различных стадий микроспорогенеза. У фертильных пыльников вплоть до поздней стадии тетрад р.Н составляла около 7, затем снижалась до 6, что сопровождалось растворением каллозы. В пыльниках растений линий с ЦМС pH обычно или низкая — тогда энзиматический распад каллозы материнской клетки пыльцы начинается раньше нормальных сроков, или высокая — тогда наблюдается сильная активность энзима, начиная с профазы 1 в течение всего мейоза, вызывая цитологические нарушения. Преждевременное повышение каллазной активности может быть причиной немедленного разрушения материнской клетки пыльцы. Торможение энэиматической активности кал-лазы блокирует распад каллозной оболочки материнских клеток пыльцы, в результате микроспоры теряют свои нормальные очертания и деградируют.

Эти исследования позволили выявить новые причины абортивности пыльцы и показали, что в основе индукции мужской
10 стерильности лежит дисбаланс в четко скоординированные биохимических реакциях и нарушения в последовательности -„.нзиматических циклов.
Изменение четкого ритма энзиматической активности каллазы приводит к деградации развивающихся микроспор [2, 3, 4]. Экспериментально установлено, что период формирования тетрад является наиболее эффективным для применения препаратов с гаметоцидной активностью.
.Возможное участие гаметоцидов в процессах, обусловливающих торможение или .преждевременное освобождение микроспор из материнской клетки пыльцы, вероятно, связано с влиянием соединений с гаметоцндными свойствами на уровни энзиматической активности каллазы. Своевременная индукция и развитие каллазной активности — критический период для нормального развития мужского гаметофита.
Для успешных поисков новых веществ, обладающих гаметоцидной активностью, необходимо располагать достаточной информацией о метаболизме спорогенной ткани и тапетума, а также о взаимосвязи вх обмена. Электронно- микроскопические наблюдения показали, что при нормальной метаболической взаимосвязи между клетками тапетума и развивающимися пыльцевыми зернами не наблюдается никаких аномалий [78]. Согласно имеющимся данным трудно определить, тапетум или спороциты являются 'инициатором -в нарушении взаимосвязи.
Одним из возможных путей выяснения механизма индукции мужской стерильности является исследование биохимической активности тканей. При исследовании пыльников и экстр-актов листьев пшеницы установлено, что мужская сте' рильность пыльцы сопровождается репрессией активности терминальных оксидаз. Уровень активности цитохромоксида-зы в тканях фертильных растений по сравнению со стерильными гораздо выше [18, 27].
Подобное явление отмечено в тканях растений с генетической мужской стерильностью [46]. Цитохромоксидаза — неотъемлемый компонент мито-хондрий, поэтому низкую активность дыхательных энзимов растений с ЦМС можно объяснить дисбалансом митохондри-альных энзиматических систем [128].
Митохондрии, выделенные из стерильного материала (проростки пшеницы с
ЦМС), характеризовались более высокой окислительной фосфорилазной активностью, чем мито-хондрии из проростков с нормальной цитоплазмой [129].
Биохимические исследования и наблюдения электронной микроскопии подтвердили, что мужская стерильность тесно связана с изменением функционального состояния этих структур клетки {15, 16, 63]. Восстановление фертильности в линиях

11 с ЦМ'С сопровождается одновременным устранением отклонений в структуре цитоплазматических органелл и различных нарушений в метаболических процессах [27, 46]. Получены дополнительные доказательства в подтверждение гипотезы, что изменения в метаболизме митохондрий связаны с механизмами индукции мужской стерильности. Предполагается, что включение последних вызывает репрессию синтеза белков внутренней мембраны митохондрий [63,
114].

Однако было бы ошибочным считать, что только функциональная активность митохондрий является основой возникновения цитоплазматической мужской стерильности. Ее индукция базируется на изменениях в широком диапазоне биохимических реакций, обусловливающих нарушения в молекулярных компонентах различных клеточных структур и цитоплазмы, что сопровождается появлением белков с анормальной эн-зиматической активностью. В результате этих изменений возникает дисбаланс в энзиматических системах или же полное их блокирование[8, 15, 20,82].

Для получения ЦМС путем химической индукции у сельскохозяйственных культур необходимо детальное изучение метаболизма ДНК, РНОК и белка в стерильном и фертильном материале с цитологическим и цитохимическим сопоставлением полученной информации. Изменения в содержании ДНК, РНК и белка в пыльниках кукурузы изучали методами цитохимии и микроденситометрии
[101]. В процессе спорогенеза различали три пика интенсивного синтеза нуклеиновых кислот. Первый пик соответствует премейотическому периоду и ранней профазе, второй — приходится на интервал между поздним мейозом и стадией тетрад, третий (наименьший) — соответствует периоду, предшествующему митозу микроспор. В течение первого пика установлена самая высокая скорость роста спорогенной ткани и тапетума при активном синтезе молекулярных компонентов в обеих тканях. Во втором пике активный синтез
ДНК, PlHiK и белка осуществляется в основном в тканях тапетума. Торможение роста и параллельно синтеза этих молекулярных структур в спорах начинается в период третьего пика, при дегенерировании тапетума. В настоящее время тапетум рассматривают как возможный источник предшественников нуклеиновых кислот для формирующихся микроспор, которые получают материал для синтеза в форме растворимых предшественников или в форме ДНК с низким молекулярным весом [111, 130].

Основная аккумуляция PlHiK в спорогенной ткани происходит в течение мейотической профазы, включая стадию па-хитены материнской клетки пыльцы. В тканях тапетума накопление РНК приходится на тот же период (профаза—зи-12 готена—пахитена) [98]. Таким образом, сразу после синтеза ДНК на ранних этапах спорогенеза до митоза в микроспо-пах продуцируется РНК спорогенной ткани, причем 75% пригодится на рибосомальную РНК — на формы 16S и 28S.
Аккумулирование форм p:PHiK 4S и 5S осуществляется иначе, чем основных форм pPlHK, и пик их аккумуляций наблюдается в конце интерфазы микроспор [112].
В пыльцевом зерне основной синтез PHiK, ДНК и белка происходит на более поздней стадии — после митоза в микроспорах. .В цитоплазме пыльцевого зерна синтез всех форм РНК полиостью прекращается в последние 48 ч формирования пыльцы [94]. Биосинтез нуклеиновых кислот и процессы, связанные с их обменом, претерпевают определенные изменения под влиянием соединений с гаметощидными свойствами.
Установлено, что у фертильных соцветий кукурузы интенсивный синтез ДНК осуществляется на ранних этапах мик-роспорогенеза, но по мере завершения формирования пыльцы наступает торможение синтетических процессов [20]. При обработке растений гаметоцидами (0,15%-ным раствором три-атаноламиновой соли ГМК или 0,8%-ным раствором натриевой соли сф-дихлоризомасляной кислоты
(FW-450), комбинированно 0,8%-ным раствором FW-450 и 0,1%-ным раствором гнббереллина) содержание ДНК на всех этапах формирования пыльцы несколько увеличилось независимо от применяемого гаметоцида. Это объясняется торможением клеточного растяжения под влиянием обработки гаметоцидами, в результате чего уменьшаются размеры клеток в спорогенной ткани и пересчет на взятую навеску дает завышенное содержание ДНК, не связанное с процессами аккумуляции нуклеиновых кислот [34].
Комбинированная обработка с гиббереллином (FW-450 + +гиббереллин) вызывает качественные изменения в молекулах ДНК, что приводит к нарушениям митозов и деградации ядра. Отмечено, что растворы ГМК и FW-450 по-разному влияют на интенсивность биосинтеза РНК в мужских репродуктивных органах кукурузы [26]. Параллельно было установлено, что формы проявления стерильности (морфологиче-ские_йзменения) находились в зависимости от применяемого вещества. Применение ГМК на кукурузе вызывало торможение образования РНК, и гаметоцид выступал здесь как ингибитор синтеза РН.К, обусловливая торможение клеточного удлинения. Морфологически это выражалось в уменьшении размеров соцветий, отсутствии в большинстве случаев колосков на латеральных веточках и в редукции листьев. Споро-генные ткани или совсем не формировали пыльцы, или она была нежизнеспособна. Действие FW-450 при данной концен-

13 трации'не вызывала значительных изменений в синтезе ДНК и PiHK, процессы спорогенеза у кукурузы протекали нормально [20, 26].
У фертильных растений высокое содержание PiHIK отмечено на более ранних этапах формирования пыльцы я дальнейший синтез РНК осуществлялся более активно [94, 98, 137].
Специфичность действия гаметоцида обусловлена различными факторам.и: близостью его химических характеристик к аналогам синтетических пулов клетки; возможностью энэиматического преобразования в клеточной системе в субстрат-подобный продукт ил;и в активный промежуточный метаболит определенных энздматических систем; наличием гормональных свойств или конформационного подобия с молекулами индукторов 'или репрессоров.
Воздействие препаратов с гаметоцидными свойствами связано с физико- химическими характеристиками соединений (высокая электрофильность, способность к хелатированию и т. д.), в результате которых могут изменяться р1Н клетки и 'ионная сила в критические стадии развития спорогенной ткани
[82].
Исследования влияния этрела на мейотические процессы в спорогенной ткани пыльников пшеницы Triticum aestivum L. показали, что индукция мужской стерильности связана с распадом этрела в растительных тканях с выделением этилена, молекулы которого обладают гормональными свойствами [47, 97].
Предполагают, что этилен, как и многие гормоны, влияет на функциональное состояние мембран, изменяя активность РНК полимеразы. Таким образом он может воздействовать на процессы транскрипции, особенно участков ДНК, ответственных за синтез долгоживущих мРНК, транскрибирующихся до мейоза, но необходимых для нормального течения мейотических процессов[58, 98].
'В результате возможных нарушений в синтезе различных форм PlHiK при включении гаметоцида в метаболизм клетки неизбежно возникают анормальности в синтезе белка. В нормально развивающейся спорогенной ткани и в микроспорах активный синтез белка приходится на раннюю мейотическую профазу, его активность несколько снижается в зиготене — пахитене и совсем незначительна в период формирования тетрад [101]. Тапетум как ткань проявляет очень высокую метаболическую активность в течение всего периода микроспо-рогенеза вплоть до полного автолиза, поэтому отводить тапе-туму только секреторную роль — значит ограничить его многообразные физиологические функции [108]. Отмечено, что пул ДНК тапетума недостаточен, чтобы служить источником для формирующихся микроспор [98]. Возможно, тапетум снабжает микроспоры растворимыми ДНК предшественниками,
14 как это было показано с экзогенно добавленным меченым ти-мидином, который быстро проникал в ткани тапетума и включался в ДНК микроспор [72]. Наиболее вероятно, что синтез РНК в тапетуме и микроспорах материнской клетки пыльцы независим. Однако это не исключает, что тапетум, особенно в ранний период формирования микроспор, частично поставляет предшественников РНК в спорогенную ткань [94]. В тапетуме имеется довольно большой рибосомальный пул, который, по-видимому, полностью деградирует вместе с ним или может поставлять предшественников РНК для последнего периода синтеза РНК в развивающихся спорах [101].

Роль тапетума в белковом синтезе может быть объяснена с точки зрения синтеза специфических энзимов, связаннь1х с мейозом или другими процессами в спорогенной ткани. Допустимо участие тапетума и в распределении белкового резерва. Высокая пропорция piPHK в его тканях свидетельствует о синтезе белков de novo, часть ,из которьгх откладывается как запасные в микроспорак
[28, 137]. Обработка гаметоцидными препаратами вызывает репрессию синтетических процессов белка в результате вмешательства этих физиологически активных веществ во взаимосвязь процессов ДНК— РНК—белок
[13, 19,29, 30, 104, 120]. Выяснение сущности процессов индукции мужской стерильности лежит в этой области. Эффект ГМК на ростовые процессы посредством действия ингибитора на обмен нуклеиновых кислот — экспериментально установленный факт [29]. Значительное влияние оказывает
ГМК на рибосомальную фракцию РНК путем изменений в процессах биосинтеза ДНК
[19]. Возможно, что специфичность действия ГМК проявляется на уровне репрессии синтеза биокаталитически активных белков именно той фракции, которая ответственна за синтез и распад ДНК. При воздействии ГМК наступает уменьшение фосфорелированных богатых лизином гистоновых фракций, количество которых в активноделящихся клетках при нормальных физиологических условиях значительно выше. Такое изменение в соотношении гистоновых фракций оказывает влияние на матричную активность ДНК, что приводит к нарушению мейотического цикла. Не исключено, что изменение соотношения форм гистонов под влиянием ГМК создает условия для атаки и расщепления ДНК'азой доступных участков ДНК, о чем свидетельствует возросшая активность этого энзима у растений, обработанных ГМК [19].

ГМК как гаметоцид не проявляет высокой селективности действия, так как параллельно оказывает влияние на мери-стематическую ткань, где стимулирует процессы распада и ингибирует синтетическую активность клеток [29].
Очевидно,

15
'этим объясняются негативные эффекты, наблюдаемые при опрыскивании растений растворами ГМК: задержка в росте и развитии, морфологические аномалии и т. д. [20, 125].

Изменения в деятельности центров, программирующих природу синтезируемых белков и регулирующих их синтез, при включении механизмов стерильности вызывают сложные сдвиги в ферментативных системах. Низкая активность различных энзиматшческих комплексов стерильных аналогов озимой пшеницы и угнетение активности окислительно-восстановительных процессов, лежащих в основе метаболизма, проявляются на ранних этапах формирования ,и развития микроспор [6, 128]. Дезорганизация в энзиматических системах вызывает дисбаланс в аминокислотном, углеводном и нуклеиновом пулах.

Хлорированные производные аляфатических карбоновых кислот, применяемые в качестве гаметощидов, вызывают накопление в тканях пыльников большого количества аминокислот (а-аланина, р-аланина, аспарагиновой, глутаминовой, се-рина и др.), одновременно резко снижается содержание про-лиаа [8, 26,
43].

При сравнительных исследованиях мужской стерильности у различных видов растений отмечены изменения в соотношении отдельных аминокислот в аминокислотном пуле. Количественный и качественный состав аминокислот обусловлены механизмами цитоплазматической регуляции и спецификой метаболизма растения. Так, в стерильных пыльниках сорго по сравнению с фертильными установлена анормальная акку^-муляция глицина и заниженное содержание аспарагиновой .кислоты, серина и аланина. М. W. Brooks, J. S.
Brooks и -L. Chien [52] считают, что в данном случае специфическим признаком, обусловливающим мужскую стерильность, является блокирование глицина в синтезе пурина. У других линий сорго с ЦМС обнаружено повышенное содержание трео-нина по сравнению с фертильными растениями. Пыльники последних включали больше аланина, глутаминовой кислоты и тирозина [43].
Вероятно, от типа стерильности и этапа, на котором возникают нарушения в синтетических процессах .клетки, зависит накопление или ингибирование образования определенных аминокислот.

.Сравнительные исследования содержания аминокислот у различных растений с разными формами мужской стерильности (функциональной, цитоплазматической и ядерной) показали, что во всех случаях было высокое содержание аспа-рагина' и низкое — пролина по сравнению с фертильными растениями [26, 43, 46].
Последующие эксперименты подтвер-

дили, что пыльники стерильных аналогов линий, полученных на основе цитоплазмы Т. timopheevi, характеризовались
-высоким содержанием свободного аспарагина и низким

Вернуться