68

GENETICA, BIOLOGIA MOLECULAR I AMELIORAREA

STUDIUL AUTOCOMPATIBILITII POLENULUI LA UNELE GENOTIPURI DE FLOAREA-SOARELUI (HELIANTHUS ANNUUS L.)

Maria DUCA, 1 Angela PORT1, Andrei MIDONI1, Irina ANISIMOVA2,1 Catedra Biologie Vegetal, USM

2 VIR ( - , -, )

Introducere

Pe parcursul evoluiei, n scopul sporirii variabilitii genetice i asigurrii unui spectru mai larg de genotipuri pentru selecia natural, plantele hermafrodite au dezvoltat sisteme moleculare complexe de evitare a autofecundrii prin asigurarea autoincompatibilitii (AIC) polenului.

AIC se manifest la nivel de gameto t i sporo t [9, 26], ind determinat de alelele locusului S (self-incompatibility). Utilizarea formelor mutante a relevat modelul bipartit al locusului S cu gene distincte, care regleaz nsuirile pistilului i ale polenului [5]. S-a constatat, c polenul strin germineaz pe stigmate mult mai repede, are o vitez sporit de naintare prin stil, realiznd fecundarea ntr-un timp de aproximativ dou ori mai scurt comparativ cu propriul polen [24].

Analiza evenimentelor moleculare i a proceselor biochimice care regleaz reacia de autoincompatibilitate la plantele din familiile Brassicaceae, Solanaceae, Rosaceae, Scrophulariaceae i Campanulaceae a pus n eviden interaciuni de tip ligand receptor[9, 19, 20, 23, 26]. Astfel, la Brassica incompatibilitatea polen - pistil este mediat de receptorii protein kinazici [20], la Papaveraceae de ionii de calciu din citosol [4] iar la Gramineae de thioredoxin [10]. De asemenea s-a consatatat, c glycoproteinele cu activitate ribonucleazic (S-ARNase) controleaz reacia de rspuns a fenomenului AIC la majoritatea plantelor dicotiledonate studiate [14].

Formele salbatice din genul Helianthus se caracterizeaz printr-o autocompatibilitate nul (AC) a polenului, iar oarea-soarelui de cultur - prin autoincompatibilitate sporo tic variabil [2, 7, 8], determinat de un sistem genetic complex, coordonat de un numr necunoscut de loci [22, 25]. S-a constatat att prezen unui locus Smultialelic [2], ct i existena a doi loci S multialelici care determin AIC [6, 11, 16]. n cadrul ncrucirilor interspeci ce intervin rearanjri ale diferitelor segmente cromozomale care pot forma duplicaii sau genotipuri hemizigote dup locusul S[1, 17]. Mutaiile alelelor AIC detrmin pierderea funciei (loss-of-function), cauznd astfel autocompatibilitatea polenului [8, 15]. De exemplu, mutaiile genelor S de la Brassica afecteaz formarea complexului proteic receptor-ligand, ceea ce duce la pierderea nsuirilor de inhibiie a germinrii polenului [15].

Interesul pentru investigarea AC/AIC la oarea-soarelui a aprut nc n anii 60 ai secolului trecut [12, 18]. Actualmente, aceast problem constituie un aspect important al programelor de ameliorare [3], ntruct recolta hibrizilor comerciali este determinat att de factori genetici i ziologici care in uieneaz numrul i densitatea orilor,

69

orientarea stigmatului i aglutinarea polenului [13, 21], ct i de frecvena polenizatorilor, redus din cauza unor factori climatici. Lucrarea de fa a avut drept scop determinarea gradului de autocompatibilitate al polenului la diverse linii restauratoare de fertilitate i hibrizi F

1 de oarea-soarelui.

Material i metodeMaterialul de cercetare utilizat a constituit 12 linii restauratoare de fertilitate oferite

de AP MAGROSELECT, or. Soroca (LC 4 Rf, LC Cium Rf, LC Raus Rf, LC 7 Rf, LCod1295Rf, LC 43 Rf, LC 39 Rf, Xenia Rf, Drofa Rf, Valentino Rf) i din colecia VIR, Sankt Peterburg, Rusia (VIR 558 Rf, VIR 681 Rf). Studiul autocompatibilitii polenului n generaia F

1 a cuprins 4 hibrizi comerciali i 8 combinaii hibride ntre

linii cu androsterilitate citoplasmatic i restauratoare de fertilitate diferite, obinute de autori n cadrul cercetrilor. Experienele de cmp (lotul expeimental al Universitii de Stat din Moldova, g. 1) au fost realizate dup metoda parcelelor randomizate n blocuri, ecare parcel prezentnd o suprafa de 39 - 40 m2 (8-10 rnduri de plante cu distana de semnat de 70 x 35 cm.). Gradul de autocompatibilitate a fost studiat n perioada aprilie - septembrie pe parcursul anilor 2007-2009 i apreciat prin raportul dintre numrul mediu de semine viabile pe calatidiu izolat i numrul mediu de semine viabile pe calatidiu polenizat liber, exprimat n %. Datele obinute au fost analizate statistic cu aplicarea criteriului Student [28].

Fig. 1. Aplicarea izolatoarelor pentru prevenirea polenizrii ncruciate.

Rezultate i discuiiFloarea-soarelui reprezint o plant alogam, entomo l. Staminele se dezvolt

i ajung la maturitate naintea stigmatului, astfel polenul ind pus n libertate cu mult nainte ca acesta s e receptiv. Mai trziu, cnd stigmatul se matureaz i devine lipicios, anterele sunt deja goale. O astfel de oare pentru a polenizat are nevoie de polenul pus n libertate de o oare mai tnr din propriul calatidiu sau din alte calatidii prin polenizare, mediat de insecte. n timpul maturrii, stigmatul se alungete i este mpins n afara anterelor concrescute. Dac fecundarea nu are loc cu polenul altei ori, vrful stigmatului se bifurc i se rsucete mult spre exterior ( g. 2).

n cazul cnd stigmatele ajung la maturitate cele dou bifurcaii din vrf ating anterele orilor vecine, astfel realizndu-se autopolenizarea.

70

Fig. 2. Imagine i prezentare schematic a unei ori tubulare

Studiul autocompatibilitii liniilor restauratoare de fertilitate. Investigarea autofertilitii a 12 linii Rf a pus in eviden valori care au variat n limite largi, ceea ce a permis clasi carea genotipurilor n 3 grupe n funcie de gradul de autocompatibilitate a polenului: I (< 25%), II (25-50%) i III (>50%), tabelul I.

Tabelul 1. Gradul de autocompatibilitate al polenului la diferite linii Rf

Genotipul Rf AC, %Nivelul de productivitate a polenului

abundent mediu sczutVIR 681 Rf LC od 1295 RfDrofa RfLC 43 Rf

9,29 0,45 9,36 0,90 16,13 0,58 21,21 1,19

++

++

Valentino RfLC Raus RfVIR 558 RfXenia RfLC 39 RfLC 41 Rf

26,30 2,33 27,05 1,51 27,93 1,83 28,15 1,79 29,49 1,44 36,05 1,39

++

++

+

+

LC Cium RfLC 7 Rf

58,70 1,65 62,00 3,28

++

Datele prezentate n tabel indic un grad mediu de autocompatibilitate, cu valori cuprinse ntre 25-36 % pentru 6 genotipuri: LC 41 Rf, Valentino Rf, LC Raus Rf, VIR 558 Rf, Xenia Rf, LC 39 Rf i doar n cazul a 2 genotipuri: LC Cium Rf i LC 7 Rf au fost constatate valori mai mari ale acestui indice: 57,8 - 62,0%.

Se cunoate c gradul de autofertilitate i autopolenizare este mult in uenat i de condiiile de mediu din timpul n oritului. Datele fenologice nregistrate n perioada de n orire a liniilor Rf, au demonstrat o uniformitate a parametrilor morfologici n cadrul liniei i o difereniere dup gradul de pigmentaie al anterelor i capacitatea de producere a polenului n funcie de genotip. Vizual, cantitatea de polen eliberat a fost apreciat pentru majoritatea liniilor ca abundent, i doar n cteva cazuri coninutul diminuat de polen este corelat cu grade de autocompatibilitate reduse, aa cum este la VIR 681 Rf i LC od 1295 Rf. n acelai timp, a fost relevat un singur caz (LC 41 Rf) cnd nivelului sczut al cantitii de polen i corespunde o valoare medie a

71

autofertilitii ( g. 3 tabelul 1). Aceste date indic asupra faptului, c genele care determin AIC manifest, n

special, o aciune de natur ziologic n relaia polen - pistil i mai puin-un efect structural sau corelat cantitativ.

Studiul autocompatibilitii genotipurilor hibride (F1). Evaluarea comparativ

a nivelului de autocompatibilitate a liniilor parentale n diferite combinaii hibride a relevat variaia acestui caracter n funcie de baza ereditar a materialului biologic (tabel 2).

Tabelul 2. Autocompatibilitatea polenului la diferite genotipuri de oarea-soarelui

Genotipul F1

Autocompatibilitatea Genotipul Rf

pentru F1

pentru Rf

Drofa ASC x Drofa Rf 50,66 0,87 16,13 0,58 Drofa Rf LCDrofa ASC x LC Raus Rf 33,92 1,08 27,05 1,51 Raus RfDrofa ASC x LC 7 Rf 22,71 2,00 62,00 3,28 LC 7 RfDrofa ASC x LC od1295 Rf 21,92 1,30 9,36 0,90 LC od 1295 RfDrofa ASC x LC 43 Rf 24,80 1,13 21,21 1,19 LC 43 RfDrofa ASC x VIR 681 Rf 44,96 0,69 9,29 0,45 VIR 681 RfLC 40 ASC x Xenia Rf 30,40 1,59 28,15 1,79 Xenia RfXenia ASC x Xenia Rf 68,34 1,58 28,15 1,79 Xenia RfValentino ASC x Valentino Rf 22,62 1,20 26,30 2,33 Valentino RfLC 40 ASC x LC Raus Rf 25,46 1,42 27,05 1,51 Raus Rf

Conform valorilor nregistrate, din cei 6 hibrizi de generaia nti rezultai din ncruciarea diferitelor linii Rf cu una i aceeai linie ASC, 5 au valori superioare nivelului de AC al liniei paterne. Cele mai semni cative diferene au fost constatate la combinaiile cu VIR 681 Rf, LC od1295 Rf i Drofa Rf, gradul de AC ind mai mare fa de cel al formei paterne de 2-5 ori. Linia LC 7 Rf, n combinaie cu aceiai form matern determin reducerea gradului de autocompatibilitate de cca 3 ori.

Aceste date conduc la concluzia c citoplasma steril nu are o in uen evident asupra nsuirii de autocompatibilitate. Pe de alt parte, analiza altor dou combinaii hibride care au n comun una i aceeai linie Rf: LC 40 ASC x Xenia Rf i Xenia ASC x Xenia Rf a relevat valori egale ale F

1 cu cele ale formei paterne (LC 40 ASC x Xenia

Rf) sau o sporire de dou ori, asa cum este cazul hibridului omologat Xenia F1. Aceste

uctuaii de valori evideniaz complexitatea determinismului genetic al fenomenului de autocompatibilitate a polenului la oarea-soarelui.

Astfel, conform observaiilor efectuate se impune necesitatea determinrii gradului de autocompatibilitate pentru ecare hibrid n parte, chiar dac la unii dintre acetea anumite linii parentale sunt comune sau posed grade de autocompatibilitate similar.

Este important de menionat, c doi din hibrizii omologai - Drofa i Xenia au cel mai nalt grad de autocompatibilitate (50,6 i 68,34, respectiv) n comparaie cu hibrizii experimentali i chiar cu liniile lor paterne, demonstrnd o corelare pozitiv dintre productivitate i autocompatibilitate ( g. 4).

O posibil cauz a nivelului diminuat al AC la hibridul Valentino, similar cu cel al liniei paterne poate condiiile climaterice din ultima perioad de timp, n special,

72

precipitaiile i temperaturile medii atipice care au in uenat negativ ntr-o msur mai mare aceast combinaie hibrid, a crei perioad vegetativ este mai indelungat.

Fig. 3. Capacitatea de formare a polenului la plantele fertile de oarea-soarelui Nivel abundent (A), mediu (B) i sczut (C).

Fig. 4. Variaia autofertilitii polenului la genotipurile hibride (F1) omologate

Concluzii

Din dousprezece linii Rf investigate, ase genotipuri: LC 41 Rf, Valentino Rf, LC Raus Rf, VIR 558 Rf, Xenia Rf, LC 39 Rf au prezentat un grad de autocompatibilitate a polenului de 25-36 % i doar n cazul a dou genotipuri: LC Cium Rf i LC 7 Rf au fost constatate valori mai mari ale acestui indice: 57,8 - 62,0%.

Evaluarea comparativ a nivelului de autocompatibilitate a liniilor parentale n diverse combinaii hibride a relevat variaia acestui caracter n funcie de baza ereditar a materialului biologic. Cele mai semni cative diferene au fost constatate la combinaiile cu VIR 681 Rf, LC od1295 Rf i Drofa Rf , gradul de AC ind mai mare comparativ cu cel al formei paterne de 2-5 ori. Linia LC 7 Rf n combinaie cu aceeai form matern determin reducerea gradului de autocompatibilitate de cca 3 ori.

Doi din hibrizii omologai - Drofa i Xenia au cel mai nalt grad de autiocompatibilitate (50,66 i 68,34%, respectiv) n comparaie cu hibrizii experimentali i chiar cu linile lor paterne, demonstrnd o corelare pozitiv dintre productivitate i autocompatibilitate.

Exprimm sincere mulumiri dr. habilitat Rotaru Tudor (AP Magroselect, or. Soroca, Republica Moldova) pentru seminele de oarea-soarelui oferite cu amabilitate. Cercetrile au fost efectuate n cadrul proiectului bilateral 08.820.04.19RF.

73

Bibliogra eBURKE J.M., LAI Z., SALMASO M., NAKAZATO T., TANG S., HEESACKER A., KNAPP 1.

S.J., RIESEBERG L.H. Comparative mapping and rapid karyotypic evolution in the genus Helianthus.//Genetics, 2004, vol. 167, p. 449457.

FERNANDEZ-MARTINEZ J., KNOWLES P.F.2. Inheritance of sel ncompatibility in wild sun ower. //In: Proc. 8th Int Sun ower Conf. Minneapolis, Int Sun ower Assoc, Paris, 1978, p. 484489.

FICK G.N. 3. Selection for self-fertility and oil pecentage in development of sun ower hybrids.// In: Proc 8th Int Sun ower Conf. Int Sun ower Assoc., Paris, 1978, p. 418422.

FRANKLIN-TONG V.E., RIDE J.P., TREWAVAS A.J., FRANKLIN F.C.H.4. The self-incompatibility response in Papaver rhoeas is mediated by cytosolic free calcium.// Plant J, 1993, vol. 4, p. 163177.

GOLZ, J.F., CLARKE A.E., NEWBIGIN E.5. Mutational approaches to the study of self-incompatibility: revisiting the pollen-part mutants. //Ann. Bot., 2000, vol. 85, p. 95103.

HABURA E.C.H6. . Parasterilitat bei sonnenblumen. //ZP anzenzuecht. 1957, vol. 37, p. 280298.

HEISER C.B.7. Variation and subspeciation in the common sun ower, Helianthus annuus.// Am. Midl.Nat., 1954, vol. 51, p.287305.

HISCOCK S.J., MCINNIS S.M8. . Pollen recognition and rejection during the sporophytic self-incompatibility response: Brassica and beyond. //Trends Plant Sci, 2003, vol. 8, p. 606613.

LEE, H.S., Huang S.S., Kao T.9. S-proteins control rejection of incompatible pollen in Petunia in ata.// Nature, 1994, vol. 367, p. 550563.

LI X., PAECH N., NIELD J., HAYMAN D., LANGRIDGE P.10. Self-incompatibility in the grasses: evolutionary relationship of the S gene from Phalaris coerulescens to homologous sequences in other grasses.// Plant Mol. Biol., 1997, vol. 34, p. 223232.

LOFGREN J.R., NELSON L.11. Breeding for self incompatibility in sun owers.//In:Proc 2nd Sun ower Res Workshop. Fargo, Natl. Sun ower Assoc., Paris, 1977, p. 24.

LUCIANO A., KINMAN M.L., SMITH J.D.12. Heritability of self-incompatibility in the sun ower (Helianthus annuus). //Crop. Sci., 1965, vol. 5, p.529532.

MILLER J.F., FICK G.N.13. The genetics of sun ower. //In: Schneiter AA (ed) Sun ower technology and production. Crop. Science Society of America, Madison, 1997, p. 441495.

NANDI O.I., CHASE M.W., ENDRESS P.K14. . A combined cladistic analysis of angiosperms using rbcL andnonmolecular data sets.// Ann. Mol. Bot. Garden, 1998, vol. 85, p. 137212.

NASRALLAH J.B15. . Recognition and rejection of self in plant reproduction.// Science, 2002, vol. 296, p. 305308.

OLIVIERI A.M., LUCCHIN M., PARRINI P.16. Self-sterility and incompatibility in sun ower.// In: Proc 12th Int . Sun ower Conf. Int Sun ower Assoc, Paris, 1988, p. 339343.

RIESEBERG L.H., Van FOSSEN C., DESROCHERS A.17. Hybrid speciation accompanied by genomic reorganization in wild sun owers. //Nature, 1995, vol. 375, p. 313316.

RUSSELL W.A18. . A study of the relationships of seed yield, oil content, and other agronomic characters with sun ower inbred lines and their topcrosses. //Can. J. Agric. Sci., 1952, vol. 33, p. 291314.

SASSA H., Hirano H., Ikehashi H.19. Self-incompatibiity-related RNAses in styles of Japanese pear (Pyrus serotina Rehd). //Plant Cell Physiol., 1992, vol. 33, p. 811814.

SCHOPFER C.R., Nasrallah M.E., Nasrallah J.B.20. The male determinant of self-incompatibility in Brassica.// Science, 1999, vol. 286, p. 16971700.

SEGALA A., SEGALA M., PIQUEMAL G.21. Recherches en vue dameliorer le degre dautogamie des cultivars de tournesol. I.Lautogamie et lautocompatibilite pollinique. //Ann. Amelior. Plant., 1980, vol. 30, p. 151159.

SONALI D.G., ADAM F.H., CARRIE A.F., JASON A., KENT B., STEVEN J.K.,22. The self-incompatibility locus (S) and quantitative trait loci for self-pollination and seed dormancy in sun ower. //Theor. Appl. Genet. 2005, vol. 111, p. 619629.

STEPHENSON A.G., WINSOR J.A., RICHARDSON T.E., SINGH A., KAO T.H.23. Effects of style age on the performance of self and cross pollen in Campanula rapunculoides. //in : Angiosperm pollen and ovules. Springer-Verlag, New York, 1992, p. 117121.

74

VRNCEANU A.V., STOENESCU F.M., SCARLAT A.24. In uena diferiilor factori genetici i de mediu asupra autocompatibilitii polenului la oarea-soarelui.// Genetica, 1979, vol. XLIV, p. 15-28.

VRANCEANU A.V., STOENESCU F.M., SCARLAT A.25. The in uence of diferent genetic and environmental factors on pollen self-compatibility in sun ower. //In: Proc 8th Int Sun ower Conf. Int. Sun ower Assoc, Paris, 1978, p. 453465.

XUE Y.B., CARPENTER R., DICKINSON H.G., COEN E.S.26. Origin of allelic diversity in Antirrhinum S locus RNases. //Plant Cell, 1996, vol. 8, p. 805814.

XUE Y.B., CARPENTER R., DICKINSON H.G., COEN E.S. 27. Origin of allelic diversity in Antirrhinum S locus RNases.// Plant Cell, 1996, vol. 8, p. 805814.

.28. . . , , 1979, 414 .

STUDIUL DIVIDERILOR MITOTICE N MERISTEMELE RADICULARE LA ORZ N DIVERSE CONDIII DE

INFECII VIRALE Andronic Larisa, Jacot A., Grigorov Tatiana, Bujoreanu V.

Institutul de Genetic i Fiziologie a Plantelor al AMIntroducere

Estimarea particularitilor proliferrii celulelor vegetale, inclusiv a celor meristematice, cuprinde multiple aspecte privitor la reactivitatea plantelor fa de diveri factori [28]. Celulele meristematice sunt celule ce reacioneaz rapid i activ la factorii endo- i exzogeni [27]. Conservatismul proceselor proliferative asigur posibilitatea utilizrii diferitor parametri a dividerilor mitotice n studiile de monitoring. Conform datelor mai multor autori, n cercetrile citogenetice n calitate de test-sistem comod i sensibil servete orzul - cultur bine studiat din punct de vedere genetic [18]. Orzul dispune de apte perechi de cromozomi pentru care sunt descrise i localizate mai multe gene i mutaii ale acestora. Tot odat, orzul reprezint gazda virusului mozaicului dungat al orzului, patogen pentru care au fost descrise efecte genetice, aa cum ar inducerea de triploizi i aneuploizi la orz [15] i gru [9]. Virusul mozaicului dungat al orzului (VMDO) este rspndit n toate rile cultivatoare de cereale, inclusiv Moldova, provocnd maladii majore la orz i gru ce contribuie la reducerea recoltei cu cca 25%. Particulele virusului mozaicului dungat al orzului au fost descrise n toate esuturile plantelor infectate [7]. nc n 1967 Gardner [3] a descris prezena virionilor VMDO n polen i ovule, precum i n interiorul nucleelor. Experimental virusul poate propagat prin polen i semine n proporie de 60-80% n dependen de tulpin i genotipul gazdei [6]. Conform rezultatelor cercetrilor noastre anterioare virusul mozaicului dungat al orzului contribuie la majorarea frecvenei schimburilor ntre cromatidele surori, inducnd un efect clastogen.

Pentru extinderea studiului genotoxic cauzat de infeciile virale la plantele de cultur ne-am propus drept scop a aprofunda cercetrile citogenetice ale dividerilor mitotice n cazul infectrii cu VMDO separat sau n complex cu razele gama factor pentru care modul de in uen asupra sistemelor biologice este bine studiat.