Khả năng cạnh tranh của phấn hoa ở ngô: biến đổi trong quần thể và phản ứng với chọn lọc

Theoretical and Applied Genetics - Tập 76 - Trang 601-608 - 1988
E. Ottaviano1, M. Sari-Gorla1, M. Villa1
1Dipartimento di Genetica e di Biologia dei Microrganismi, Università di Milano, Milano, Italy

Tóm tắt

Chọn lọc giao tử có thể đóng một vai trò đặc biệt trong sự tiến hóa của các quần thể thực vật bậc cao. Giả thuyết chính - biểu hiện gen giao tử và bào tử của một phần lớn các gen của thực vật - đã được chứng minh bởi một số nghiên cứu. Phân tích quần thể đã tiết lộ một lượng lớn biến thể về độ thích nghi giao tử của nam giới. Tuy nhiên, dữ liệu hiện có không chứng minh rằng ít nhất một phần biến thể này do biểu hiện gen sau nguyên phân. Bài báo này báo cáo phân tích một quần thể tổng hợp của ngô dựa trên một thí nghiệm chọn lọc giao tử, được thực hiện theo một sơ đồ hồi quy. Sau hai chu kỳ chọn lọc, phản ứng được đánh giá đối với các đặc điểm giao tử và bào tử. Một tham số đại diện cho khả năng sống của phấn hoa và thời gian nảy mầm, mặc dù cho thấy một lượng lớn biến thể di truyền, nhưng không bị ảnh hưởng bởi chọn lọc giao tử, cho thấy rằng biến thể này chủ yếu được điều khiển bởi bào tử. Tỷ lệ tăng trưởng của ống phấn bị ảnh hưởng đáng kể bởi chọn lọc giao tử: 21.6% biến thể di truyền đã được giải phóng nhờ chọn lọc. Phản ứng tương quan cho các đặc điểm bào tử đã được quan sát đối với trọng lượng hạt trung bình: 15.67% biến thể đã được giải phóng. Kết quả là một minh chứng trực tiếp cho thấy khả năng cạnh tranh của phấn hoa do tỷ lệ tăng trưởng ống phấn và sự phát triển của hạt được kiểm soát, ở mức độ đáng kể, bởi các gen được biểu hiện trong cả hai mô. Chúng cũng chỉ ra rằng chọn lọc giao tử ở thực vật bậc cao có thể tạo ra một tỷ lệ tiến hóa cao hơn so với chọn lọc bào tử; do đó, nó có thể phục vụ để điều chỉnh lượng biến thể di truyền trong các quần thể bằng cách loại bỏ một lượng lớn gánh nặng di truyền do sự tái tổ hợp tạo ra.

Từ khóa

#gametophytic selection #maize #pollen viability #genetic variability #higher plants

Tài liệu tham khảo

Beker WA (1975) Manual of quantitative genetics. Washington State University Press, Pullman Bianchi A, Lorenzoni C (1975) Gametophytic factors in Zea mays. In: Mulcahy DL (ed) Gamete competition in plants and animals. North Holland, Amsterdam, pp 257–263 Brewbaker HL (1971) Pollen enzymes and isoenzymes. In: Heslop-Harrison J (ed) Pollen development and physiology. Butterworth, London, pp 156–170 Brink RA, MacGillvrary JH (1924) Segregation of the waxy character in maize pollen and differential development of the male gametophyte. Am J Bot 11:465–469 Clegg MT, Kahler AL, Allard RW (1978) Estimation of life cycle component of selection in an experimental plant population. Genetics 89:765–792 Darwin C (1877) The different forms of flowers on plants of the same species. Appleton, New York Dickinson DB, Hopper JE, Davies MD (1973) A study of pollen enzymes involved in sugar nucleotide formation. In: Loewus F (ed) Biogenesis of plant cell wall polysaccharides. Academic Press, New York, pp 29–48 Falconer DS (1961) Introduction to quantitative genetics. Oliver and Boyd, Edinburgh London Goodnight JH, Speed FM (1978) Computing expected mean squares. SAS Institute, Cary NC Grizzle JE, Starmer CF, Kock GG (1969) Analysis of categorical data by linear models. Biometrics 25:489–504 Haldane JB (1932) The cause of evolution. Harper and Row, New York Haldane JB (1957) The cost of natural selection. J Genet 55:511–524 Harding J (1975) Models for gamete competition and self fertilization as components of natural selection in populations of higher plants. In: Mulcahy DL (ed) Gamete competition in plants and animals. North-Holland, Amsterdam, pp 243–255 Harding J, Tucker CL (1969) Quantitative studies on mating system. II. Method for the estimation of male gametophytic selective values and differential outcrossing rates. Evolution 23:85–95 Heslop-Harrison J (1979) The forgotten generation: some thoughts on the genetics and physiology of Angiosperm gametophytes. In: Davies DR, Hopwood DA (eds) The plant genome. 4th Innes Symp, Norwich, pp 1–14 Heslop-Harrison J, Heslop-Harrison Y (1970) Evaluation of pollen viability by enzymatically induced fluorescence; intracellular hydrolysis of fluoroscein diacetate. Stain Techn 45:115–120 Heslop-Harrison J, Heslop-Harrison Y, Knox RB, Howlett B (1973) Pollen wall proteins: gametophytic and sporophytic fraction in pollen wall of Malvaceae. Ann Bot 37:403–412 Heslop-Harrison Y, Reger BJ, Heslop-Harrison J (1984) The pollen-stigma interaction in the grasses. 6. The stigma (“silk”) of Zea mays L. as host to the pollens of Sorghum bicolor L. (Moench) and Pennisetum americanum L. (Leeke). Acta Bot Neerl 227:205–227 House RL, Nelson OE (1958) Tracer study of pollen-tube growth in cross-sterile maize. J Hered 49:18–21 Johnson CM, Mulcahy DL (1978) Male gametophyte in maize. 2. Pollen vigour in inbred plants. Theor Appl Genet 51:211–215 Jones DF (1928) Selective fertilization. University of Chicago Press, Chicago Kiesselbach TA (1949) The structure and reproduction of corn. University of Nebraska, Lincoln Kock GG, Landis JR, Freeman JL, Freeman DH, Lehnen RG (1977) A general methodology for the analysis of experiments with repeated measurement of categorical data. Biometrics 33:133–158 Lee TD (1984) Patterns of fruit maturation: a gametophyte competition hypothesis. Am Nat 123:427–432 Mascarenhas JP (1975) The biochemistry of angiosperm pollen development. Bot Rev 41:259–314 Mascarenhas JP, Mermelstein J (1981) Messenger RNAs: their utilization and degradation during pollen germination and tube growth. Acta Soc Bot Pol 50:13–20 Mascarenhas NT, Bashe D, Eisenberg A, Willing RP, Xiao CM, Mascarenhas JP (1984) Messenger RNA in corn pollen and protein synthesis during germination and pollen tube growth. Theor Appl Genet 68:323–326 McKenna M, Mulcahy DL (1983) Ecological aspects of gametophytic competition in Dianthus chinensis. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: biology and implications in plant breeding. Elsevier, New York, pp 414–424 Moore CW, Creech RG (1972) Genetic fine structure analysis of amylose-extender locus in Zea mays L. Genetics 70:611–619 Mulcahy DL (1971) A correlation between gametophytic and sporophytic characteristics in Zea mays L. Science 171:1155–1156 Mulcahy DL (1974) Correlation between speed of pollen tube growth and seedling weight in Zea mays L. Nature 249:491–492 Mulcahy DL (1979) The rise of the Angiosperms: a genecological factor. Science 206:20–23 Mulcahy DL (1983) Manipulation of gametophytic population. In: Lange W, Zeven AC, Hogenboom NG (eds) Efficiency in plant breeding. Proc 10th EUCARPIA Congr, Pudoc, Wageningen, pp 167–179 Mulcahy DL, Mulcahy GB, Ottaviano E (1975) Sporophytic expression of gametophytic competition in Petunia hybrida. In: Mulcahy DL (ed) Gamete competition in plants and animals. North Holland, Amsterdam, pp 227–232 Mulcahy DL, Mulcahy GB, Ottaviano E (1978) Further evidence that gametophytic selection modifies the genetic quality of the sporophyte. Soc Bot Fr Actual Bot 1–2:57–60 Nelson OE (1952) Non reciprocal cross sterility in maize. Genetics 37:101–124 Ottaviano E, Mulcahy DL (1986) Gametophytic selection as a factor of crop plant evolution. In: Barigozzi C (ed) The origin and domestication of cultivated plants. Elsevier, Amsterdam, pp 101–120 Ottaviano E, Sari-Gorla M (1979) Genetic variability of male gametophyte in maize. Pollen genotype and pollen-style interaction. In: Israeli-Italian Joint Meeting Genet Breed Crop Plants. Monogr Genet Agraria IV, Roma, pp 89–106 Ottaviano E, Sari-Gorla M, Mulcahy DL (1980) Pollen tube growth rate in Zea mays: implications for genetic improvement of crops. Science 210:437–438 Ottaviano E, Sari-Gorla M, Pé M (1982) Male gametophytic selection in maize. Theor Appl Genet 63:249–254 Ottaviano E, Sari-Gorla M, Arenari I (1983) Male gametophyte competitive ability in maize. Selection and implications with regard to the breeding system. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: biology and implications for plant breeding. Elsevier, New York, pp 367–373 Ottaviano E, Petroni D, Pé E (1988) Gametophytic expression of genes controlling endosperm development in maize. Theor Appl Genet 75:252–258 Paterniani E (1969) Selection for reproductive isolation between two populations of maize, Zea mays L. Evolution 23:534–547 Pearce SC (1983) The agricultural field experiments. Wiley, New York Pfahler PL (1965) Fertilization ability of maize pollen grain. 1. Pollen sources. Genetics 52:513–526 Pfahler PL (1967) Fertilization ability of maize pollen grains. 2. Pollen genotype, female sporophyte and pollen storage interactions. Genetics 57:513–521 Pfahler PL (1975) Factors affecting male transmission in maize (Zea mays L.). In: Mulcahy DL (ed) Gamete competition in plants and animals. North Holland, Amsterdam, pp 115–124 Pfahler PL (1983) Comparative effectiveness of pollen genotype selection in higher plants. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: biology and implication for plant breeding, Elsevier, New York, pp 361–366 Rao CR (1973) Linear statistical inference and its applications. Wiley, New York Sacher R, Mulcahy DL, Staples R (1983) Developmental selection for salt tolerance during self pollination of Licopersicon x Solarium F1 for salt tolerance of F2. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: biology and implications for plant breeding. Elsevier, New York, pp 329–334 Sadras VO, Hall AJ, Schlichter TM (1985) Kernel set of the uppermost ear of maize. 1. Quantification of some aspects of floral biology. Maydica 30:37–48 Sari-Gorla M, Ottaviano E, Faini D (1975) Genetic variability of gametophytic growth rate in maize. Theor Appl Genet 46:289–294 Sari-Gorla M, Frova C, Binelli G, Ottaviano E (1986) The extent of gametophytic-sporophytic gene expression in maize. Theor Appl Genet 72:42–47 Schlichting CD, Stephenson AG, Davis LE, Winsor JA (1987) Pollen competition and offspring variance. Evol Trend Plant 1:35–39 Schwartz D (1960) The analysis of a case of cross-sterility in maize. Proc Natl Acad Sci 36:719–724 Searcy KB, Mulcahy DL (1985a) Pollen selection and the gametophytic expression of metal tolerance in Silene dioica (Caryophyllaceae) and Mimulus guttatus (Scrophulariaceae). Am J Bot 72:1700–1706 Searcy KB, Mulcahy DL (1985b) Pollen tube competition and selection for metal tolerance in Silene dioica (Caryophillaceae) and Mimulus guttatus (Scrophulariaceae). Am J Bot 72:1695–1699 Searle SR (1971) Linear models. Wiley, New York Ter-Avanesian DV (1978) The effect of varying the number of pollen grains used in fertilization. Theor Appl Genet 52:77–79 Tanksley SD, Zamir D, Rick CM (1981) Evidence for extensive overlap of sporophytic and gametophytic gene expression in Lycopersicion esculentum. Science 213:453–455 Vasek FC, Harding J (1976) Outcrossing in natural populations. 5. Analysis of outcrossing, inbreeding and selection in Clarkia exilis and Clarkia tembloriensis. Evolution 30:403–411 Willing RP, Mascarenhas JP (1984) Analysis of complexity and diversity of mRNAs from pollen and shoots of Tradescantia. Plant Physiol 75:865–868 Yamada M, Murakami K (1983) Superiority in gamete competition of pollen derived from F1 plant in maize. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: biology and implications for plant breeding. Elsevier, New York, pp 389–395 Zamir D (1983) Pollen gene expression and selection: applications in plant breeding. In: Tanksley SD, Orton JJ (eds) Isozymes in plant genetics and breeding. Elsevier, Amsterdam, pp 313–330 Zamir D, Vallejos EC (1983) Temperature effects on haploid selection of tomato microspores and pollen grains. In: Mulcahy DL, Ottaviano E (eds) Pollen: Biology and Implication for Plant Breeding. Elsevier, New York, pp 335–341 Zamir D, Tanksley SD, Jones RA (1981) Low temperature effect on selective fertilization by pollen mixture of wild cultivated tomato species. Theor Appl Genet 59:235–238 Zamir D, Tanksley SD, Jones RA (1982) Haploid selection for low temperature tolerance of tomato pollen. Genetics 101:129–137