Błażej Springer, Andrzej Wojciechowski
Akademia Rolnicza w Poznaniu, Katedra Genetyki i Hodowli Roślin
Zgodność kojarzeniowa w krzyżowaniach między
Brassica napus, B. oleracea i B. campestris
Cross compatibility in the crosses between
B. napus, B. oleracea and B. campestris
Słowa kluczowe: Brassiceae, krzyżowanie oddalone, zgodność krzyżowa, łagiewki pyłkowe,fluorescencja
Key words: Brassiceae, interspecific hybrids, cross compatibility, pollen tubes, fluorescence
W prezentowanej pracy wykonano krzyżowania zwrotne między Brassica napus var. oleifera a B. campestris ssp. sarson i B. oleracea var.
botrytis sub. cymosa. Celem tych krzyżowań
było ustalenie stopnia zgodności kojarzeniowej pomiędzy krzyżowanymi formami na podstawie obserwacji kiełkowania ziaren pyłku i wnikania łagiewek pyłkowych do poszczególnych części słupka oraz na podstawie stopnia wiązania nasion. Ogółem wykonano 730 krzyżowań w 16 kombinacjach. Największą zgodność zaobserwo-wano między B. napus i B. campestris. W przy-padku krzyżowań B. napus z B. oleracea stwier-dzono jednokierunkową zgodność krzyżową.
The reciprocal crosses between four genotypes of B. napus with B. campestris and B. oleracea were attempted with the objective to find out crossability between them. The observations of pollen germination and penetration of pollen tubes into style were made. Generally 730 cross polinations were made in 16 cross combinations. The biggest crossability was observed when
B. napus cultivars were used as a female parent
in all cross combinations. B. napus showed higher cross compatibility B. campestris than with B. oleracea. In the cross B. napus with
B. oleracea unilateral cross compatibility has
been observed.
Wstęp
Krzyżowanie oddalone między uprawnymi a dzikimi gatunkami Brassica jest ważnym sposobem introgresji pożądanych genów do form uprawnych (Wojciechowski i in. 1997). Umożliwia ono realizację nowych zadań przed jakimi staje współczesne rolnictwo i z tych względów stosowane jest w wielu programach hodowlanych (Barcikowska i Maćkowiak 1997; Starzycki i in. 1999). Poprzez krzyżowanie oddalone można przykładowo rozwiązać takie problemy jak uzyskanie form żółtonasiennych rzepaku, a więc charakteryzujących się obniżoną zawartością włóknika przy zachowanej podwyższonej zawartości tłuszczu i białka. Cechy te próbuje się przenieść z niektórych form B. campestris.Błażej Springer ... 328
W ostatnich latach wzrosło także zainteresowanie uprawą rzepaku wysoko-erukowego. Genetycznym źródłem wysokiej zawartości kwasu erukowego mogą być np. rośliny z gatunku B. oleracea, spośród których spotykane są formy o wyższej zawartości tego kwasu niż u rzepaku ozimego (Taylor i in. 1994).
Z powyższych względów w Katedrze Genetyki i Hodowli Roślin AR w Poz-naniu realizowany jest program krzyżowań oddalonych, którego celem jest pniesienie wartościowych cech użytkowych z B. campestris i B. oleracea do rze-paku ozimego.
W oddalonych krzyżowaniach roślin często występują bariery niezgodności kojarzeniowej uniemożliwiające otrzymywanie mieszańcowych nasion. Poznanie tych barier może znacznie przyspieszyć prace hodowlane nad doskonaleniem rzepaku.
Materiał i metodyka
Materiał badawczy stanowiły dwie odmiany: Leo, Mar i dwa rody rzepaku ozimego: MAH 789 i MAH 1690 oraz B. campestris ssp. sarson (rzepik jary żółtonasienny) i B. oleracea var. botrytis sub. cymosa (brokuł).Kontrolowane krzyżowanie zwrotne roślin wykonano w szklarni Katedry Genetyki i Hodowli Roślin Akademii Rolniczej w Poznaniu.
W cyklu badawczym wykonano obserwacje dotyczące oceny zgodności krzy-żowej na podstawie kiełkowania ziaren pyłku (ZP) na znamieniu słupka i wnikania łagiewek pyłkowych (ŁP) do poszczególnych jego części oraz na podstawie stopnia wiązania nasion. Obserwacje kiełkowania ZP i wzrostu ŁP wykonano w słupkach utrwalonych po 6, 12, 24 i 48 godzinach od zapylenia przy zasto-sowaniu techniki fluorescencyjnej według Martin’a (1959).
Ocenę stopnia kiełkowania łagiewek pyłkowych przeprowadzono w pięcio-stopniowej skali (0–4), gdzie 0 — brak łagiewek, 4 — najliczniejsze łagiewki.
Wyniki
Wyniki obserwacji kiełkowania ziaren pyłku i wzrostu łagiewek pyłkowych przedstawiono w tabeli 1. W poszczególnych kombinacjach krzyżowania zaobser-wowano różną intensywność kiełkowania łagiewek pyłkowych w poszczególnych częściach słupka. Na znamieniu słupka najwcześniej kiełkujące ZP zaobser-wowano w krzyżowaniach zwrotnych B. napus z B. campestris. Przy czym w kombinacji, gdzie B. napus stanowił formę mateczną nieliczne ZP kiełkowały już po 6 godzinach od zapylenia, a w krzyżowaniu odwrotnym dopiero po 12 go-dzinach. W szyjce słupka, po tym samym czasie od zapylenia więcej łagiewek pyłkowych obserwowano również w krzyżowaniach, w których B. napus użyto jakoof pistil in reciprocal crosses of B. napus with B. campestris and B. oleracea
Kiełkowanie ziaren pyłku i wnikanie łagiewek pyłkowych w poszczególne części słupka*
Germination of pollen grains and penetration of pollen tubes in particular parts of pistil*
Forma rodzicielska
Parental form
znamię — stigma szyjka — style zalążnia — ovary wnikanie do zalążków
entering into ovules
Czas od zapylenia [godz.] — Time after pollination [hours]
♀ ♂ 6 12 24 48 6 12 24 48 6 12 24 48 6 12 24 48 B. napus 1 4 4 1 1 3 3 0 0 0 3 1 0 0 0 0 0 4 4 1 0 3 3 1 0 0 1 2 0 0 0 0 0 4 4 1 1 4 4 4 0 0 1 1 0 0 0 0 LEO MAR MAH 789 MAH 1690 B. campestris ssp. sarson 2 4 4 1 1 4 4 1 0 0 3 1 0 0 0 0 B. napus 0 4 3 1 0 3 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 0 3 2 1 0 3 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 0 3 1 1 0 3 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 B. campestris ssp. sarson LEO MAR MAH 789 MAH 1690 0 3 3 1 0 4 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 B. napus 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 LEO MAR MAH 789 MAH 1690 B. oleracea var. botrytis 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 0 1 1 B. napus 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B. oleracea
var. botrytis LEO MAR MAH 789
MAH 1690 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 * — Intensywność kiełkowania ziaren pyłku i wnikania łagiewek pyłkowych oceniana w skali 0–4, gdzie: 0 — brak kiełkowania, 4 — najliczniejsze łagiewki
Intensity of pollen grains germination and pollen tubes penetration evaluated on 0–4 scale, where: 0 — lack of germination/penetration 4 — the largest number of germinated grains/penetrated pollen tubes
Błażej Springer ... 330
formę mateczną. Pomimo, że w zalążni w obu przypadkach obserwowano łagiewki, to jednak w żadnym przypadku nie zaobserwowano wnikania łagiewek do zalążków. Odmienne wyniki otrzymano w krzyżowaniach B. napus × B. oleracea. W tym przypadku kiełkowanie ZP i wzrost łagiewek pyłkowych były znacznie słabsze w porównaniu z krzyżowaniem B. napus z B. campestris. Na znamieniu słupka pierwsze kiełkujące ZP obserwowano dopiero po 24 godzinach od zapylenia i były one mniej liczne w porównaniu z krzyżowaniem B. napus × B. campestris (tab. 1). Również w szyjce słupka rosnące łagiewki pyłkowe obserwowano dopiero po 24 godzinach. W zalążni nieliczne łagiewki pyłkowe obserwowano tylko w krzyżowaniach B. napus × B. oleracea i tylko w tym kierunku krzyżowania tych dwóch form zaobserwowano wnikanie łagiewek do zalążków.
Wszystkie 4 genotypy B. napus zapylane pyłkiem B. campestris zawiązały nasiona (tab. 2). Ogółem z tej kombinacji ze 137 zapylonych kwiatów otrzymano 135 nasion z 50 łuszczyn. W krzyżowaniach odwrotnych, tj. B. campestris × B. napus, z 209 zapyleń otrzymano 16 łuszczyn i 21 nasion. W kombinacji tej nie otrzymano nasion, gdy do zapylania użyto pyłku odmiany Mar.
Tabela 2 Efektywność krzyżowań pomiędzy B. napus, B. campestris i B. oleracea
The efficiency of crosses between B. napus, B. campestris and B. oleracea Formy rodzicielskie
Parental forms Liczba — Number of
♀ ♂ zapylonych kwiatów pollinated flowers otrzymanych łuszczyn obtained siliques otrzymanych nasion obtained seeds B. napus LEO MAR MAH 789 MAH 1690 B. campestris ssp. sarson 60 29 12 36 22 12 6 10 19 38 23 55 B. campestris ssp. sarson B. napus LEO MAR MAH 789 MAH 1690 56 45 45 63 9 4 2 1 16 0 2 3 B. napus LEO MAR MAH 789 MAH 1690 B. oleracea var. botrytis 34 29 36 67 3 0 0 4 0 0 0 4 B. oleracea var. botrytis B. napus LEO MAR MAH 789 MAH 1690 39 56 60 63 0 1 0 0 0 0 0 0
W krzyżowaniach B. napus z B. oleracea zaobserwowano jednokierunkową niezgodność. Z krzyżowań B. napus × B. oleracea otrzymano tylko 4 nasiona w kombinacji, w której formą mateczną była linia MAH 1690 (B. napus). Krzyżowanie odwrotne było całkowicie nieefektywne — nie otrzymano nasion.
Dyskusja
O możliwości skrzyżowania dwóch odległych systematycznie form decydują właściwości i stopień homologii ich genomów. Bariery otrzymywania roślin mieszańcowych z krzyżowań oddalonych dzielą się na prezygotyczne — przed zapłodnieniem i postzygotyczne — po zapłodnieniu (Michalik 1996). W praktyce hodowlanej stosuje się różnego rodzaju techniki umożliwiające pokonanie barier niekrzyżowalności, które w swojej pracy przedstawili Khush i Brar (1992).W niniejszej pracy celem było określenie stopnia zgodności krzyżowej B. napus z B. campestris i B. oleracea. Wykonano krzyżowania zwrotne między 4 genotypami B. napus a B. campestris i B. oleracea. Kiełkowanie łagiewek pyłkowych w poszczególnych częściach słupka oraz wiązanie nasion zależało od kierunku krzyżowania. W przypadku krzyżowań B. napus i B. oleracea zaobser-wowano jednokierunkową niezgodność. Ten efekt jest opisywany przez wielu autorów w krzyżowaniach różnych gatunków Brassica (Harrison i Darby 1955, Wojciechowski 1985, Batra i in. 1990, Guandimeda i in. 1992, Nanda i Shivanna 1993, Choudhary i Joshi 1999).
We wszystkich kombinacjach krzyżówkowych większą zgodność krzyżową obserwowano, gdy formą mateczną był gatunek o wyższym stopniu ploidalności (B. napus). Podobne obserwacje poczyniło wielu autorów m.in. Choudhary i Joshi (1999), Quazi (1988), Olsson (1960), Ramanujan i in. (1943).
Odmienne od powyższych wyniki dotyczące zgodności krzyżowej między formami 2n i 4n opisali Wojciechowski i in. (1997). Obserwowali oni w krzy-żowaniach B. napus × B. oleracea wyraźnie lepsze kiełkowanie łagiewek pyłko-wych, gdy gatunek o niższym poziomie ploidalności (diploidalny B. campestris) był formą mateczną.
Wśród barier postzygotycznych, które utrudniają otrzymywanie nasion najczęściej wymienia się zamieranie mieszańcowych zarodków na skutek zaburzeń w rozwoju bielma (Wojciechowski 1985, Olsson 1960). Ponadto Wojciechowski podaje, że przyczyną zamierania zarodków może być przerost tkanki somatycznej, która odcina rozwijającemu się zarodkowi dopływ substancji odżywczych.
Reasumując: najwyższą zdolność kojarzeniową wykazały krzyżowania B. napus z B.campestris. W krzyżowaniu zwrotnym tych gatunków obserwowano penetrację łagiewek pyłkowych w poszczególnych częściach słupka, jednak były one nieliczne, co znalazło odbicie w liczbie zawiązanych nasion.
Błażej Springer ... 332
W przypadku krzyżowań B. napus i B.oleracea w obu kierunkach krzyżowań w słupku obserwowano nieliczne łagiewki pyłkowe. Pojedyncze nasiona otrzymano tylko z kombinacji B. napus (MAH 1690) × B. oleracea.
Na podstawie uzyskanych wyników wydaje się celowym, aby w przyszłych badaniach nad otrzymywaniem mieszańców oddalonych dla ominięcia barier prezygotycznych zastosować zapylanie na skracane słupki oraz kultury zarodków in vitro dla wyeliminowania barier postzygotycznych.
Wnioski
1. Największą zgodność kojarzeniową obserwowano w krzyżowaniach pomiędzyB. napus i B. campestris, a najmniejszą między B. oleracea i B. napus
2. Krzyżowane genotypy wykazywały większą zgodność kojarzeniową, gdy gatunek amfidiploidalny był formą mateczną
3. W krzyżowaniach B. napus × B. oleracea zaobserwowano jednokierunkową zgodnością krzyżową
Conclusion
1. The biggest compatibility among crossed species has been observed betweenB. napus and B. campestris, the least in B. oleracea and B. napus cross combinations.
2. Better crossabillity was observed when B. napus cultivars were used as a female parent in cross combinations.
3. Crossing of B. napus and B. oleracea showed unilateral cross compatibility.
Literatura
Batra V., Prakash S., Shivanna K.R. 1990. Intergeneric hybridization between Diplotaxis siifolia,a wild species and crop brassicas. Theor. Appl. Genet., 80: 537-541.
Barcikowska B. Maćkowiak M. 1997. Pigmentacja okrywy nasiennej – F2 żółtonasiennych form
Brassicaa juncea Coss. × B. carinata Braun. Rośliny Oleiste, XVIII (1): 99-102.
Choudhary B.R., Joshi P. 1999. Interspecific hybridization in Brassica. Proceedings of the 10th International Rapeseed Congress, Canberra, Australia.
Guandimeda H.R., Prakash S., Shivanna K.R. 1992. Intergeneric hybridization between
Enarthro-carpus lyratus, a wild species and crop brassicas. Theor. Appl. Genet., 83: 655-662.
Khush G.S., Brar D.S. 1992. Overcoming the barriers in hybridization. In: „Distant hybridization of crop plants”. Kalloo C. And Chowdhurt J.B. (eds), Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Budapest, 49-61 – cytat za Wojciechowski A. 1997.
Martin F.W. 1959. Staining and observing pollen tubes by means fluorescence. Stain Technol., 34: 125-128.
Michalik B. 1996. Otrzymywanie mieszańców międzygatunkowych i międzyrodzajowych. W: „Zasto-sowanie metod biotechnologicznych w hodowli roślin”. Praca zbiorowa, Drukrol – Kraków, 36-46. Nanda Kumar P.B.A., Shivanna K.R. 1993. Intergenetic hybridization between Diplotaxis siettiana
and crop brassicas for the production of alloplasmic lines. Theor. Appl. Genet., 85: 770-776. Olsson G. 1960. Species crosses within the genus Brassica. II Artificial Brassica napus L. Hereditas,
46: 351-386.
Quazi M.H. 1988. Interspecific hybrids between Brassica napus L. and B. oleracea L. developed by embryo culture. Theor. Appl. Genet., 76: 309-318.
Ramanujam S., Srinvasachar D. 1943. Cytogenetical investigations in the genus Brassica and the artificial synthesis of Brassica juncea. Indian Journal of Genetics & Plant Breeding, 3: 73-88. Starzycki M., Starzycka E., Krzymański J., Matuszczak M. 1999. Alloplazmatyczny rzepak ozimy
otrzymany z krzyżowań oddalonych w rodzinie Brassicaceae. Rośliny Oleiste, XX (1): 43-58. Taylor D.C., Mackenzie S.L., McCourdy A.R., Mc Vety P.B.E., Giblin E.M., Pass E.W., Stone S.J.,
Scarth S., Rimmer S.R., Pickard M.D. 1994. Stereospecific Analyses seed Triacyglycerols from High Erucic Acid Brassiceae. Detection of Erucic Acids at the Sn-2 Position in Brassica
olearcea Genotypes. JAOCS, 71/2: 163-167.
Wojciechowski A. 1985. Interspecific hybrids between Brassica campestris L. and B. oleracea L. I. Effectiveness of Crossing, Polen Tube Growth, Embriogenesis. Genetica Polonica, 26/4: 423-436.
Wojciechowski A., Nowak K., Olejniczak J. 1997. Wstępne wyniki krzyżowań międzygatunkowych pomiędzy Brassica napus, B. campestris i B. fruticulosa. Rośliny Oleiste, XVIII (1): 91-98.
