Гаметициды и их применение в селекции

резко снижалась с последующим дегенерирова-нием тапетума [56]. В тканях стерильных пыльников актив¬ность энзимов была гораздо ниже, и набухший тапетум раз¬давливал микроспоры [82].

.Подобный дисбаланс в энзиматической системе стериль¬ных пыльников был отмечен S. Izhar и R. Frankel [82] при сравнительном изучении каллазной активности. В связи с тем, что период развития каллазной активности четко уста¬новлен во времени и имеет определенный оптимум кислотно¬сти (р.Н 5), авторы измерили in vivo pH различных стадий микроспорогенеза. У фертильных пыльников вплоть до позд¬ней стадии тетрад р.Н составляла около 7, затем снижалась до 6, что сопровождалось растворением каллозы. В пыльни¬ках растений линий с ЦМС pH обычно или низкая — тогда энзиматический распад каллозы материнской клетки пыльцы начинается раньше нормальных сроков, или высокая — тог¬да наблюдается сильная активность энзима, начиная с про¬фазы 1 в течение всего мейоза, вызывая цитологические на¬рушения. Преждевременное повышение каллазной активности может быть причиной немедленного разрушения материнской клетки пыльцы. Торможение энэиматической активности кал-лазы блокирует распад каллозной оболочки материнских кле¬ток пыльцы, в результате микроспоры теряют свои нормаль¬ные очертания и деградируют.

Эти исследования позволили выявить новые причины абор¬тивности 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 энзимати¬ческой активности каллазы приводит к деградации развива¬ющихся микроспор [2, 3, 4]. Экспериментально установлено, что период формирования тетрад является наиболее эффек¬тивным для применения препаратов с гаметоцидной актив¬ностью.

.Возможное участие гаметоцидов в процессах, обусловли¬вающих торможение или .преждевременное освобождение микроспор из материнской клетки пыльцы, вероятно, связано с влиянием соединений с гаметоцндными свойствами на уров¬ни энзиматической активности каллазы. Своевременная ин¬дукция и развитие каллазной активности — критический пе¬риод для нормального развития мужского гаметофита.

Для успешных поисков новых веществ, обладающих гаме¬тоцидной активностью, необходимо располагать достаточной информацией о метаболизме спорогенной ткани и тапетума, а также о взаимосвязи вх обмена. Электронно-микроскопиче¬ские наблюдения показали, что при нормальной метаболиче¬ской взаимосвязи между клетками тапетума и развивающи¬мися пыльцевыми зернами не наблюдается никаких аномалий [78]. Согласно имеющимся данным трудно определить, тапе¬тум или спороциты являются 'инициатором -в нарушении взаимосвязи.

Одним из возможных путей выяснения механизма индук¬ции мужской стерильности является исследование биохими¬ческой 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 стериль¬ными 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 вы¬сокой окислительной фосфорилазной активностью, чем мито-хондрии из проростков с нормальной цитоплазмой [129]. Био¬химические исследования и наблюдения электронной микро¬скопии подтвердили, что мужская стерильность тесно связа¬на с изменением функционального состояния этих структур клетки {15, 16, 63]. Восстановление фертильности в линиях

11

с ЦМ'С сопровождается одновременным устранением откло¬нений 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 меха¬низмами индукции мужской стерильности. Предполагается, что включение последних вызывает репрессию синтеза белков внутренней мембраны митохондрий [63, 114].

Однако было бы ошибочным считать, что только функцио¬нальная активность митохондрий является основой возникно¬вения цитоплазматической мужской стерильности. Ее индук¬ция базируется на изменениях в широком диапазоне биохими¬ческих реакций, обусловливающих нарушения в молекуляр¬ных компонентах различных клеточных структур и цитоплаз¬мы, что сопровождается появлением белков с анормальной эн-зиматической активностью. В результате этих изменений воз¬никает дисбаланс в энзиматических системах или же полное их блокирование[8, 15, 20,82].

Для получения ЦМС путем химической индукции у сель¬скохозяйственных культур необходимо детальное изучение метаболизма ДНК, РНОК и белка в стерильном и фертильном материале с цитологическим и цитохимическим сопоставлени¬ем полученной информации. Изменения в содержании ДНК, РНК и белка в пыльниках кукурузы изучали методами цито¬химии 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 основ¬ном в тканях тапетума. Торможение роста и параллельно син¬теза этих молекулярных структур в спорах начинается в пе¬риод третьего пика, при дегенерировании тапетума. В настоя¬щее 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 проис¬ходит в течение мейотической профазы, включая стадию па-хитены материнской клетки пыльцы. В тканях тапетума на¬копление 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% при¬годится на рибосомальную РНК — на формы 16S и 28S. Ак¬кумулирование форм p:PHiK 4S и 5S осуществляется иначе, чем основных форм pPlHK, и пик их аккумуляций наблюдает¬ся в конце интерфазы микроспор [112].

В пыльцевом зерне основной синтез PHiK, ДНК и белка происходит на более поздней стадии — после митоза в мик¬роспорах. .В цитоплазме пыльцевого зерна синтез всех форм РНК полиостью прекращается в последние 48 ч формирова¬ния пыльцы [94]. Биосинтез нуклеиновых кислот и процессы, связанные с их обменом, претерпевают определенные измене¬ния под влиянием соединений с гаметощидными свойствами.

Установлено, что у фертильных соцветий кукурузы интен¬сивный синтез ДНК осуществляется на ранних этапах мик-роспорогенеза, но по мере завершения формирования пыль¬цы наступает торможение синтетических процессов [20]. При обработке растений гаметоцидами (0,15%-ным раствором три-атаноламиновой соли ГМК или 0,8%-ным раствором натри¬евой соли сф-дихлоризомасляной кислоты (FW-450), комби¬нированно 0,8%-ным раствором FW-450 и 0,1%-ным раство¬ром гнббереллина) содержание ДНК на всех этапах форми¬рования пыльцы несколько увеличилось независимо от при¬меняемого гаметоцида. Это объясняется торможением кле¬точного растяжения под влиянием обработки гаметоцидами, в результате чего уменьшаются размеры клеток в спороген¬ной ткани и пересчет на взятую навеску дает завышенное со¬держание ДНК, не связанное с процессами аккумуляции нук¬леиновых кислот [34].

Комбинированная обработка с гиббереллином (FW-450 + +гиббереллин) вызывает качественные изменения в молеку¬лах 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 репро¬дуктивных органах кукурузы [26]. Параллельно было уста¬новлено, что формы проявления стерильности (морфологиче-ские_йзменения) находились в зависимости от применяемого вещества. Применение ГМК на кукурузе вызывало торможе¬ние образования РНК, и гаметоцид выступал здесь как ин¬гибитор синтеза РН.К, обусловливая торможение клеточного удлинения. Морфологически это выражалось в уменьшении размеров соцветий, отсутствии в большинстве случаев колос¬ков 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 нормаль¬но [20, 26].

У фертильных растений высокое содержание PiHIK отмече¬но на более ранних этапах формирования пыльцы я дальней¬ший синтез РНК осуществлялся более активно [94, 98, 137].

Специфичность действия гаметоцида обусловлена раз¬личными факторам.и: близостью его химических характери¬стик к аналогам синтетических пулов клетки; возможностью энэиматического преобразования в клеточной системе в суб¬страт-подобный продукт ил;и в активный промежуточный ме¬таболит определенных энздматических систем; наличием гор¬мональных свойств или конформационного подобия с моле¬кулами индукторов 'или репрессоров. Воздействие препаратов с гаметоцидными свойствами связано с физико-химическими характеристиками