Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach

Prepis

1 Bull. Slov. Bot. Spoločn., Bratislava, Supl. 10: , 2004 Príspevok k poznaniu reprodukčných spôsobov v sekcii Ruderalia rodu Taraxacum Contribution to the study of breeding behaviour in the section Ruderalia of the genus Taraxacum LENKA MÁRTONFIOVÁ 1, ĽUBOŠ MAJESKÝ 2 & PAVOL MÁRTONFI 2 1 Univerzita P. J. Šafárika, Botanická záhrada, Mánesova 23, Košice; lenkam@upjs.sk 2 Univerzita P. J. Šafárika, Prírodovedecká fakulta, Ústav biologických a ekologických vied, Katedra botaniky, Mánesova 23, Košice; martonfi@upjs.sk In the genus Taraxacum (x=8) sect. Ruderalia both sexual diploids and apomictic polyploids (diplosporic parthenogenesis) are found. Apomicts can enter sexual processes as pollen donors, through facultative apomixis and B III hybrid formation. The paper is aimed at the study of aneuploid plant (2n=17). The study supported the hypothesis that incompatible pollen in the mixture with the pollen of diploid sexual does not produce polyploid hybrids with diploid sexual. This study allowed the formation of new hypotheses concerning hybridization in Taraxacum: (i) aneuploid pollen of triploid in the mixture with the pollen of diploid does not induce self compatibility in diploid mother, (ii) aneuploid pollen (n=9) of near-diploid plant is fertile, on the contrary to aneuploid pollen grains of apomictic triploids. Keywords: aneuploidy, apomixis, breeding behaviour, Taraxacum sect. Ruderalia. Taraxacum Wigg. je rozsiahly komplikovaný rod s vyše 40 sekciami (Kirschner & Štěpánek 1996). Základné chromozómové číslo x=8. V sekcii Ruderalia Kirschner, H. Øllg. et Štěpánek sú zastúpené rastliny viacerých ploidných úrovní, najčastejšie sú diploidy, ktoré sú sexuálne a triploidy, ktoré sa rozmnožujú obvykle apomikticky, diplosporickou partenogenézou (Asker & Jerling 1992). Tetraploidy sa vyskytujú zriedkavo, rastliny vyšších ploidných úrovní sú vzácne, pravdepodobne tiež apomiktické. Apomiktické rastliny však môžu vstupovať do sexuálnych procesov, a to niekoľkými spôsobmi: a) ako donori peľu pre diploidných sexuálov, s ktorými v experimentálnych podmienkach tvoria hybridy (napr. Morita et al. 1990, Tas & van Dijk 1999), b) ako fakultatívne apomikty, keď sa v jednom úbore popri neredukovaných samičích gamétach vyskytnú i redukované (Richards 1970, Małecka 1973), c) tvorbou B III hybridov. Na základe našich predchádzajúcich štúdií sa ukazuje, že čo sa týka vstupu apomiktov do sexuálnych procesov, v prirodzených podmienkach na lokalitách sa najviac uplatňujú B III hybridy. Fakultatívne apomikty sme napriek rozsiahlym štúdiám nedetekovali (Mártonfiová 2004). Rovnako sme v prírodných podmienkach nezistili polyploidné hybridy medzi diploidmi a apomiktickými donormi peľu. Polyploidné hybridy v experimentálnych podmienkach sú vždy euploidné, aneuploidné peľové zrná sa javia infertilné. Táto práca sa zaoberá aneuploidnou rastlinou 2n=17, ktorej štúdium podporilo niektoré hypotézy vyplývajúce zo štúdia euploiných rastlín a prinieslo i niektoré nové poznatky. 185

2 Materiál a metódy Rastliny rodu Taraxacum sect. Ruderalia boli zbierané na území mesta Košíc a pestované v Botanickej záhrade UPJŠ. Aneuploidná rastlina (T118, 2n=17) bola zbieraná na lokalite Košice Kavečany, , leg. Mártonfiová. Herbárové položky sú uložené v herbári KO. Hybridizácie boli uskutočnené otretím dvoch úborov rôznych rastlín o seba zvyčajne v priebehu 3 po sebe idúcich dní. Pred aj po krížení boli úbory zaizolované izolačnými sáčkami z hustej nylonovej tkaniny. Boli uskutočnené nasledujúce kríženia: diploid diploid; diploid triploid, aneuploid triploid, aneuploid zmes peľu z diploida a triploida. Získané semená boli zbierané spolu s izolačnými sáčkami a boli analyzované prietokovou cytometriou metódou FCSS (Matzk et al. 2000) flow cytometric seed screen, ktorá umožňuje analýzu pomeru obsahu DNA v embryu a endosperme semien. Pre analýzy bolo použitých 30 semien z úboru, alebo všetky semená z príslušného kríženia, ak ich bolo menej ako 30. Semená boli rozsekané v tlmiacom roztoku s roztokom fluorescenčného farbiva DAPI. Analýzy boli urobené na Partec Ploidy Analyzer PA-II (Partec GmbH, Münster, Nemecko) na Botanickom ústave AV ČR v Průhoniciach. Výsledky a diskusia Na základe vlastných experimentov i literatúry citovanej nižšie vieme, že pri opelení diploidnej (2n=16) rastliny rodu Taraxacum sect. Ruderalia peľom iných diploidných rastlín vzniká potomstvo sexuálne embryá sú diploidné (2n=16) a endosperm triploidný (3n=24). Analýza prietokovou cytometriou je na obr. 1 2C pík predstavuje embryonálnu DNA, 3C pík endospermálnu, množstvo DNA je v pomere 2: 3. Obr. 1. FCSS potomstva kríženia dvoch diploidných rastlín. Fig. 1. FCSS of the progeny of hybridization of two diploid plants. Potomstvo triploidných rastlín vzniká obvykle apomikticky, embryo (3C) vznikne bez pohlavného procesu a endosperm (6C) je autonómny, množstvo DNA je potom v pomere embryo: endosperm=3: 6 (Obr. 2). Takto vzniká potomstvo materinského genotypu, čo vedie ku vzniku pomerne stabilných apomiktických mikrodruhov. Situácia však nie je taká jednoduchá, pretože apomiktické rastliny môžu vstupovať do sexuálnych procesov. Opelenie diploidnej sexuálnej rastliny peľom apomiktického triploida v experimentálnych podmienkach máva rôznu úspešnosť, často sa však podarí získať potomstvo (Jenniskens et al. 1985, Sterk 1987, Tas & van Dijk 1999). Toto sexuálne vzniknuté potomstvo je obvykle zmesou diploidov, 186

3 triploidov, prípadne tetraploidov (Obr. 3). Pík 2C sa vzťahuje k diploidnému embryu, pík 3C je zloženým píkom triploidného endospermu diploidného potomstva a embrya triploidných hybridov. Tieto sú výsledkom oplodnenia haploidnej samičej gaméty eudiploidným peľom apomiktického triploida (hybrid typu n+2n). Tetraploidný pík reprezentuje endosperm triploidného potomstva, vo výsledkoch niektorých analýz je však väčší, zjavne zahŕňa i embryo tetraploidného hybrida (typu n+3n). Diploidné potomstvo z tohto typu kríženia v % prípadov nie je hybridné (Morita 1990, Tas & van Dijk 1999), je výsledkom samoopelenia indukovaného inkompatibilným peľom triploida (mentor efekt inkompatibilného peľu, Morita 1990). Aneuploidy sa v potomstve z tohto typu kríženia nevyskytovali, čo je silnou podporou hypotézy, že v prípade triploidných rastlín sa oplodnenia sa zúčastňujú iba euploidné peľové zrná. Obr. 2. FCSS potomstva apomiktickej triploidnej rastliny. Fig. 2. FCSS of the progeny of apomictic triploid plant. Obr. 3. FCSS potomstva diploidnej rastliny opelenej triploidným apomiktom. Fig. 3. FCSS of the progeny of diploid plant pollinated by triploid apomict. 187

4 Autoinkompatibilná aneuploidná rastlina T118, 2n=17 bola použitá v nasledujúcich typoch hybridizačných experimentov. a) opelenie aneuploidnej rastliny apomiktickým triploidom (6 krížení, obr. 4). Na základe poznatkov o mechanizmoch meiózy sa očakávalo, že táto rastlina bude produkovať gaméty (samčie i samičie) s dvoma chromozómovými počtami 8 (n) a 9 (n+1). Ukázalo sa, že i v prípade aneuploidnej rastliny dochádza k indukcii samoopelenia inkompatibilným peľom triploida, keďže pík v diploidnej oblasti je zložením troch píkov reprezentuje embryá s chromozómovými počtami 16 (8 +8 ), 17 (8 +9, 9 +8 ) a 18 (9 +9 ). V prípade, že by k indukcii samoopelenia nedochádzalo, boli by v diploidnej oblasti len dva píky pre embryá s chromozómovými počtami 16 (8 +8 ) a 17 (9 +8 ). V triploidnej oblasti je pík kombináciou píkov pre endosperm 16, 17, 18 chromozómových embryí, v niektorých prípadoch je kombinovaný s píkmi pre embryá triploidných hybridov, analogická je situácia v tetraploidnej oblasti. Obr. 4. FCSS potomstva z kríženia aneuploidnej rastliny s triploidom. Fig. 4. FCSS of the progeny coming from hybridization of aneuploid plant with triploid. b) opelenie aneuploidnej rastliny zmesou peľu diploida a triploida (simulácia opelenia v prírodných populáciách, 6 krížení, obr. 5). FCSS ukazuje dva embryonálne píky v diploidnej oblasti a dva zodpovedajúce endospermálne píky v triploidnej oblasti. Žiadne píky pre polyploidné hybridy sa nevyskytli. Neprítomnosť polyploidných hybridov podporuje hypotézu, že peľ triploida v zmesi s peľom diploida je neúčinný, nezúčastňuje sa oplodnenia. Keďže diploidné potomstovo kríženia diploidov a triploidov zväčša nie je hybridné (pozri úvod), dá sa predpokladať, že množstvo diploidných hybridov pri opelení zmesou peľu (ak vôbec vznikajú) je zanedbateľné. Keďže sú v diploidnej oblasti prítomné iba dva píky, je zrejmé, že triploidný peľ v zmesi s funkčným diploidným peľom neindukuje samoopelenie. 188

5 Obr. 5. FCSS potomstva aneuploidnej rastliny opelenej zmesou diploidného a triploidného peľu. Fig. 5. FCSS of the progeny of aneuploid plant pollinated by the mixture of diploid and triploid pollen. c) opelenie eudiploidnej rastliny (2n=16) zmesou peľu aneuploidnej rastliny (2n=17) a triploidnej rastliny (2n=24), obr. 6. Vznik embryí s dvoma chromozómovými počtami 16 (8 +8 ) a 17 (8 +9 ) svedčí o fertilnosti aneuploidného peľu rastliny s 2n=17, na rozdiel od aneuploidného peľu triploidného apomikta, ktorý sa javí infertilný (Jenniskens et al. 1985, Hughes & Richards 1988, Tas & van Dijk 1999). Obr. 6. FCSS potomstva diploidnej rastliny opelenej zmesou peľu aneuploidnej rastliny (2n=17) a triploidnej rastliny. Fig. 6. FCSS of the progeny of diploid plant pollinated by the mixture of pollen of aneuploid plant (2n=17) and triploid one. Štúdium aneuploidnej rastliny (2n=17) prinieslo niektoré nové poznatky a podporilo niektoré hypotézy vyplývajúce z doterajších poznatkov o hybridizácii v rode Taraxacum: 189

6 (i) inkompatibilný peľ triploida indukuje aj u aneuploidnej rastliny samoopelenie (ii) inkompatibilný peľ triploida v zmesi s funkčným peľom diploida samoopelenie u aneuploidnej rastliny nevyvoláva. Tento fakt vedie k formulácii hypotézy, že takýto zmiešaný peľ neindukuje samoopelenie u diploidných sexuálov všeobecne. (iii) inkompatibilný peľ triploida v zmesi s funkčným peľom diploida neprodukuje s aneuploidnou matkou polyploidné hybridy (iv) na rozdiel od aneuploidných peľových zŕn apomiktov sú aneuploidné peľové zrná aneuploidného sexuála plne funkčné. Z uskutočnených experimentov je zrejmé, že existujú mechanizmy, ktoré by mohli aneuploidiu v populáciách diploidných rastlín úspešne udržiavať. Avšak aneuploidia je v prirodzených populáciách vzácna, pravdepodobne kvôli nízkej vitalite potomstva so zmeneným chromozómovým počtom. Poďakovanie Práca vznikla v rámci projektu s podporou Vedeckej grantovej agentúry VEGA (č. 1/9206/02). Literatúra Asker S. E. & Jerling L., 1992: Apomixis in Plants. CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo. Hughes J. & Richards A. J., 1988: The genetic structure of populations of sexual and asexual Taraxacum (dandelions). Heredity 60: Jenniskens M. P. J., den Nijs J. C. M. & Sterk A. A., 1985: Crossability and hybridization of taxa of Taraxacum section Taraxacum from central and western Europe. Proc. Kon. Ned. Akad. Wetensch., ser. C, 88: Kirschner J. & Štěpánek, J., 1996: Modes of speciation and evolution of the sections in Taraxacum. Folia Geobot. Phytotax., 31: Małecka J., 1973: Problems of the mode of reproduction in microspecies of Taraxacum section Palustria Dahlstedt. Acta Biol. Cracov., Ser. Bot., 16: Mártonfiová L., 2004: Possible pathways of the gene flow in the genus Taraxacum section Ruderalia. Pl. Syst. Evol. (submitted). Matzk F., Meister A. & Schubert I., 2000: An efficient screen for reproductive pathways using mature seeds of monocots and dicots. The Plant Journ., 21(1): Morita T., Menken S. B. J. & Sterk A. A., 1990: Hybridization between European and Asian dandelions (Taraxacum section Ruderalia and section Mongolica). 1. Crossability and breakdown of self-incompatibility. New Phytol., 114: Richards A. J., 1970: Eutriploid facultative agamospermy in Taraxacum. New Phytol., 69: Sterk A. A., 1987: Aspects of the population biology of sexual dandelions in the Netherlands. In: Huiskes A. H. L., Bloom C. W. P. M., Rozema J. (eds), Vegetation between land and sea. Junk Publishers, Dordrecht, pp Tas I. C. Q. & van Dijk P. J., 1999: Crosses between sexual and apomictic dandelions (Taraxacum). I. The inheritance of apomixis. Heredity, 83: