"SELEKCI)A I SEMENARSTVO"PLANT BREEDING AND SEED PRODUCTION, VOL. VII, No . 3-4 (2000) , STR. 37-41, NOVI SAD

PROBLEMI U KORISCENJU VRSTA RODA HELIANTHUS UOPLEMENJIVANJU GAJENOG SUNCOKRETA: NIVO

PLOIDNOSTI III FILOGENETSKA UDALJENOST?

ATlAGICJOVANKA, SKORIC, D.1

lZVOD: ad 49 vrsta suncokreta koje Cine rod Heliantbus u kolekciji lnstituta jezastupljeno 42. To predstav/ja bogatu banku pozetjnibgena za oplemenjiuace suncokreta.Medutim, primena interspecies bibridizacije u oplemenjiuanjujepracena nizom teskoca. Div/jeurste suncokreta su razlicito ploidne: diploidne, tetra- i beksaploidne, dok je gajeni suncokretdiploidan. Inkompatibiinost It ukr.~tanjlt, pojava steri/nosti, smanjene fertilnosti i ne­pravilnosti u mejozi kod interspecies bibrida su posledicapostojanja razlika u broju i strukturibromozoma. Dugogodisnja tstraziuanja mogucnosti ukrstanja diuljib ursta i gajenogsuncokreta, kao i citogenetske analize ursta i FJ interspecies bibrida pokazuju da je uecaprepreka u koriscenju div/jib srodnika u oplemenjiuanju gajenog suncokreta razlika ufilogenezi nego u broju bromozoma. Ova bipoteza je poturdena postojanjem potpune crossinkompatibilnosti izmedu nekib diploidnib utsegodisnjib vrsta i gajenog suncokreta(Himaximiliani, H.giganteus ...), odnosno uisokim % uspesnib ukrstanja izmedu gajenogsuncokreta i nekib tetra- i belesaploidnib vrsta (Hidecapetalus, Hibirsutus, Hituberosus,Hirigidus, Hiresinosus...) . Filogeneza u rodu Heliantbus je definisana pripadnoscu urstarazlicitim sekcijama, odnosno serijama u okutru roda.

Kljucne reci: suncokret, diulje vrste, interspecies bibridizacija, ploidnost i filogeneza.

UVOD: Na osnovu prethodnih saznanjao interspecies hibridizaciji 1.1 drugim radovimaBorojevic (1976) istice da su razlike 1.1 broju istrukturi hromozoma jedan od ograni­cavajucih faktora kod primene ove metode 1.1

oplemenjivanju biljaka.Inrerspecies hibridizacija 1.1 rodu

He/ianthus se koristi 1.1 oplemenjivanjugajenog suncokreta za prenoscn]e JDzeljnihgena iz divljih srodnika. Vecina aurora je biralavrste odredenog nivoa ploidnosti i ukrstala ihsa gajenim suncokretom, koji je diploidan.Analiziral:i je rezultate 0 rnogucnosti ukrs­tanja , pojavi sterilnosti, smanicne Iertilnosti inepravilnosti 1.1 mejozi na osnovu razlika 1.1

broju i strukturi hromozoma.Citogenetske analize (Chandler et al .,

1986) kod F1 intcrspecics hibrida 1.1 okvirujednogodisnjih vrsta su ukazali na to da bro]hromozoma nije odlucujuCa preprcka ukoriscenju interspecies hibridizacije. Iako scradilo 0 vrstama sa istim brojem hromozoma,autori su utvrdili da se one razlikuju u

strukturi hromozoma (za 0-6 translokacija i0-8 paracentricnih inverzija) .

Heiser i Smith (1964) su pokazalipostojan]e potpune cross inkornpatibilnnstiizrncdu diploid nih jednogod isnjih i dip­loidnih viscgodisrijih vrsta. To su objasnilirazlikama 1.1 genomima ovih vrsta. Do slicnihrezultata je dosla Georgicva-Todorova et al,(1979), Georgieva-Todorova (1984, 1990)ukrstajucl diploidne, tetraploid ne i hek­saploidne vrste sa gajenim suncokretorn, ko]ije diploidan . Pitanje fllogenerskth razlika irazlika u gcnomnoj strukturi pokrenuli suHeiser et al . (1969). Schilling i Heiser (1981)su uspostavih filogenctskc vcze izmedu vrsta1.1 rodu Heliantbus koristeci klaster metod nasumiranim rezultatirna ranijih istrnzlvan]adrugih aurora a mugucnosri ukrstanja , 0

herno- i citotaksonomiji.Naj novija dostignuca 1.1 oblasti mo­

lekularne biologije su omogucila da sekoriscenjem RFLP metoda (Gentzbittcl ct aI.,1992) odrede filogenerski odnosi u rodu

1 DrJOVANKAATIAGIC, visi naucni saradnik, dr SKORICDRAGAN, rcdovan profesor. Naucni nSrilul zaral:lfSlvo i povrtarstvo. Novi Sad

37

Heliantbus, potvrdujuci najvecim delomfilogenczu koju su dali Schilling i Heiser(1981) .

Cilj ovog rada je bio da se na osnovuvlsegodjsnjih rezultata 0 mogucnostiukrsranja izmedu divljih vrsta i gajenogsuncokreta i citogenetskih analiza kod vrsta iinterspecies hibrida odredi znacenje nivoaploidnosti u odnosu na filogenetsku pri­padnost ispitivanih vrsta. Rezultari ovog radatreba da ornoguce jasnijc sagledavanjcmogucnosti koriscen]a vrsra roda Heliantbusu oplernenjivanju gajenog suncokreta.

Materijal i metode

Visegodisnji program ukrstanja divljihvrsta sa gajenim suncokrctom je ohuhvatiosve vrste zasrupljene u kolckciji Instltura zaratarstvo i povrtarstvo u Novom Sadu (42vrste) . Svaka vrsta je bila zasrupljena sa vecimbrojem podvrsta i populacija, odnosnokolekcionlh broieva. lzvedena su reclprocnaukrstanja (divlja vrsta x gajeni suncokrer igajeni suncokret x dlvlja vrsta) , Ukrstanja suizvedena klasicnorn metodorn hibridizacije.Kada su divlje vrste korlsceue kao rnajka, nisukastrirani cvctovi zbog visokog % auto­sterllnostl . Gajeni suncokret je u ukrstaniimabio najcesce zastupljen u obliku CMS linija,rede kao polinator, B-analog i restorer linija.Izvrscna je identifikacija F! interspecieshibrida na osnovu morfoloskih osobina icitogerietskih analiza (analiza mejoze ­Georgieva-Todorova, 1976 i analiza vitalnosti

polena . Alexander, 1969) . Oeena muskesrerllnosn Izvrsena je vlzuelrio u polju iiimikroskopskirn preglcdom prasntka 1I

laboratoriji.Nivo ploidnosti kod vrsta (ukrstanih

populacija) odredcn je na osnovu brojahromozoma u dijakinezi (acetokarmin metod- Georgteva-Todorova, 1976) . Na osnovuklasifikacije vrsta unutar roda Heliantbus(Schilling i Heiser, 1981) su koriscenl rezultatio filogenetskirn odnosima, pripadnost vrstaodredenlrn sekcijama i serijama.

Rezultati i diskusija

Od dvanaest jednogodtsnjih vrsta izsekcijc Heliantbus (sve su diploidne) dcser suuspcsno ukrsrene sa gajenim suncokrerom.Mogucnost ukrstanja je bila razlicira (Serna1.). Dobijeni interspecies hibridi F I generacijesu na osnovu morfoloskih osohina hiliuglavnom intermedijarni (cesro prisutnadominacija divlje vrste za precnik glave,duzine cvetne drske Itd .) . Na osnovucitoloskih analiza biljaka F) Interspccicshibrida utvrdeno je da je bilo nepravilnosti uparenju hromozoma (pojava kvadrivalcnata),kao i smanjene fertilnosti do potpune muskesterilnosti . Kod velikog broja ukrstanjaizrnedu gajenog suncokreta i [ednogodisnjihvrsta, Hianruius (divlji), Hiargopbyllus,H ipetiolarts, H ipraecox dobijcne su biljkenekoliko generacija povratruh ukrstanja(BClF l do BC.iF!). lz ovih ukrstanja sudobijeni novi izvori CMS·a i Rf gena.

Sema I. Mogucnost u/erstllnjajednogodisnjih divljih ursta i gajenog suncokretaShem. I , Possibility ofcrossig annual wild species with cultivated sunflower

H.annuus(wild)

H.petiolaris H.argophyllus

,.H.paridoxus

//

//

H.niveus

H.;nomalus

H.deserticolaI

H.bolanderi

_____ pocpuno Werosscompatlbllne"

·crosscomp,ltibi!ne"- - - - deJim;(no "cross incompaubi/neN

• • • • • • • • • • pocpuno "cross Incompaclbilne"

38

Dobijeni rezultati u ovim istrazivanjirnapotvrduju rezultate Chandler et al.(1986),koji su utvrdili da, iako se radi 0 vrstarna saistim brojem hromozoma postoje razlike ustrukturi hromozorna, sto objasnjava pojavunepravilnosti u mejozi kod interspecieshibrida unutar sekcije Heliantbus , Gcor­gieva-Todorova (1990) sumirajucl rezultateis trazivanja 0 rnogucnosti korrscenja jed­nogodisnjih vrsta i gajenog suncokreta,konstatuje da je ova grupa vrsta genetskinajbliza gajenom suncokreru . U njihovomkoriscenju 1I oplemenjivanju se ipak po­javljuju prepre ke tipa inkompatibilnosti uukrstanju, smanjene fertilnosti i potpunesterilnosti.

Filogenia predstavlja minos izmcdugrupa organizarna koji [e odraz njihoveevolucione istorije (King, 1974) . Ras­pravljajuci 0 filogenczi u rodu HcliantbusHeiser ct al, (1969) koriste metod de­tcrminacije generalizovanih iii primitivnihkarakteristika (osobine koje se nalaze kodveclne iii svih pripadnika srodnih taksona inaslcduju sc bcz promene 1I odriosu nazajednickog predka) . Primenjen ova] metodna rod Heliantbus ukazu]e da Sll vrste jedva

ekvivalentni entitcti, jcr postoji : (1.) Razlicitupriroda vrsta (jcdnogodisnje i visegodisn]c) :(2 .) Razlicita ploidnost (diploidne i po­liploidne vrste); (3 .) Raspored i prisustvoodredenih primitivnih karakteristika (jeziCasticvctovi, norrnalno razvijeni do sasvimreducirani, rasporcd Iistova nasprarnan donalzrnenican ltd .).

Heiser et al. (1969) konstatuju da[ednogodisnje vrstc (sa izuzetkom ponekih)su podloznije evolucionirn promenama negovlsegodlsn]e. Filogenetske veze izmedu[eclnogodtsnjih vrsta pokazali su Chandler etal, (1986) na osnovu mogucnosti ukrstanja icitogcnctskih analiza, Schilling i Heiser(1981) na osnovu 42 karakteristike iGentzbittel et al. (1992) na osnovu ({I'Ll'metoda.

Za prenosen]c pozeljnih gena (narocltootpornosti na razlicitc prouzrokovace bolestikod suncokreta) korisccne su sve vlsegodlsn]evrste iz kolekcije (30 vrsta) . U kolckciji nisuzastupljene vrste iz se kcije Ciliares(H.arizonensis , H.ci/iaris , Hilaciniatus,H.cusickii i Hgraci!entus), jer su opasnekorovske vrste.

Tab. 1. VaegodHnje raalicltr) plotdne urste uspesn» ukritene sa gajenim suncokretomTab. 1. Perennial species of different ploidy leue! successful b.y crosses toitb cultioated snnflotoer

Vrsta Or. pnpulaci]a Ploidnost (2n) Sckcija SerijaSpecies No . of popular. Ploidy level (2n) Section Series

Hirnollis 4 34 Dluaricatt Corona solis

lLsalicifolius 2 34 Diuaricati Corolla solis

Fl.maxtmiliani 7 34 Dtuaricati Corolla solis

Hioccidentalis 3 34 Diuaricat i Atrornbentes

11.Ill/Itallit 3 34 Diuaricati Corona so/is

li.smitbi 2 34 iii 102 Diuaricatt Mtcrocepbali

Flulecapetalus 5 68 Dluaricat i Corona solis

Hiblrsutus 3 68 Dioaricat i Corona solis

fl.strurnosus i'l 68 iii 102 Dinaricati Corona solis

ll.laeuigatns 5 68 iii 102 Diuaricat i Microcephali

JI.,.jgidlls 7 102 Diuaricati Atrorubeutes

If. tuberosus 7 102 Diuaricati Corolla solis

I I. resinosus 2 102 Diuaricati Corolla sol is

fl.eggerlii 1 102 DilJ(l1'ic(/li Corolla solis

Iz rezultata 0 uSpeSnll11 ukrstanjimaizme(111 gajenog suncokreta i visegodisnjihvrsta (Tab. 1) moze sc konstarovati da jelIspcSno lIkrsteno 6 diploid nih vrsta , 4tetraploidnc i 4 heksaploidne vrste. lJkrstenepoplllacije vrste H.smitbii SlI bile

39

heksaploidne, iako su po sistcmatici dip­loidne. Kod tetraploidnih vrsta JJ.strumos/ls i

H. /aevig(/tus veti broj poplllacija jc hinheksaploidan.

Sto se tice filogeneze. taksonomskcpripadnosti moze se vidcti da su sve llkrstane

vrste iz sekcije Diuaricati, najveci broj iz serijeCorona solis (10), zatim iz serije Atrorubentes(2) i serije Microcephali (2) (Tab. 1).

Najveci broj vrsta iz grupe diploid nihvtsegodlsnlth nije uspesno ukrsten sa gajenimsuncokrerom (16) (Tab.2) .

Najeesce su pripadale sekciji Diuaricati(serijama Angustifolii (7), Corona so/is (3) ,Microcephali (2), Atrorubentes (2)), sekcijiAgrestes (1) i sekciji Pumi/i (1). Trebanapomenuti da su znatno manje bilezastupljene u programu ukrstanja vrste lzsekcije Diuaricati; serije Atrorubentes(H.atrorubens i H.si/phioides) i serijeAngustifo/ii (H.angustifo/ius, H carnosus ,Hifloridanus, Hibeteropbyllus, Hitongifoltus,Hradu/a i II.simu/ans), jer kasno cvetaju unasim klimatskirn uslovima.

Po morfolosklm karakteristikama biljkeF1 interspecies hibrida nastale ukrstanjernvisegodisnjih vrtsa i gajenog suncokreta subile najceScc u tipu divljegroditelja i zadrzalesu mogucnost vegetativnog razrnnozavanja.Rezultatl citogenetskih analizc kod ovih F1

interspecles hibrida su pokazali da se %nepravilnosti u mcjozi, pojava sterilnosti ismanjene ferrilnosti ne mogu povezati sanivoom ploidnosti ukrStenih vrsta. Slicnorezultatlma Heiser i Smith (1964), Ge­orgieva-Todorova (1990) utvrdeno jc da segenom jednogodiSnjih diploid nih vrsrarazlikuje od genoma viscgodisnjih diploidnihvrsta. S druge strane veca kornpatibilnost uukrstanju, manje nepravilnosti u mejozi kodukrstanja sa tetraploidnim, a narocito sanekim heksaploidnim vrstarna ukazuju namogucnost postojanja auropoliploidije urodu He/ianthus. Tako sc u interspecieshibridizaciji pojavljuje sluca] nejednakogbroja hromozoma, ali postojanja homolognihgcnoma. Iz tih razloga Georgieva-Todorova(1984 i 1990) predpostavlja da u koriscenjurazllcito ploidnih visegodisnjih vrsta 1I

oplernenjivanju gajenog suncokreta (dip­loidan) vecu prepreku prcdstavlja razlicitafilogeneza, nego nivo ploidnosti. Rezultatiistrazivanja u ovum radu to potvrduju.

Tab. 2 . visegodiinje razlicito ploidne urste feoje nisu ukritene sa gajenim suncokretomTab. 2. Perennial species ofdifferent plaid)' level nonsuccessful by crossed with cultivated sunflower

Vrsta Ploidnost (2n) Sekcija SerljaSpecies Ploidy level (2n) Section Series

H.agrestis 34 Agresstes

Hipumilus 34 Ciliares Purn ili

Hicalifornicus 34 Dioartcati Corona solis

Higiganteus 34 Diuaricati Corona sotis

Higrosseserratus 34 Diuaricati Corona solis

H.g/aucophy/lus 34 Divaricati Microcephali

H.microcephalus 34 Divaricati Microcephali

H.atrorubens 34 Divaricati Atrorubentes

Hutlpbtotdes 34 Divaricati Atrorubentes

Hiangustifoiius 34 Diuaricati Angustifoli i

Hicarnosus 34 Diuaricati Angustifolii

Il.floridanus 34 Diuaricati Angustifolii

H.beteropbyllus 34 Diuaricati Angustifoli!

Hdongifolius 34 Diuaricati Angustifolii

H iradnla 34 Diuaricati Angustifolii

Hisimulans 34 Diuaricati Angustifolii

Filogenetski odnosi medu vrstarna urodu Heliarubus korisceni u ovom radu su onikoje su uspostavili Schilling i Heiser (1981) iGentzbittel et al. (1992). Medutirn, vazno jenapomenuti zapazanje Heiser et al. (1969) dazamnoge rodove nisu izradeni filogenetskidijagrami, jer se ne mogu precizno odrediti

40

primitivni karakteri kod vesta. Sto se tice rodaHeliantbus autori smatraju da ako se iskljuciveci broj vrsta koje lzazivaju diskusiju da Ii Sll

vrstc , subrodovi mogu predstavljati fllo­genetsku grupu . S druge strane vrste unutarserija ne moraju biti monofiletskog porekla.Serija Atrorubentes uz iskljucivanje vrste

Hicarnosus i diploidni predstavnici serijeGigantei (Corona solis) Cine dobre mono­fllctske grupe.

Zakljucak

Koriscenje divljih vrsra u oplerne­njivanju gajenog suncokreta prati niz teskoca :cross inkornpatibilnost, smanjena fertilnost ipotpuna sterilnost. One su posledica razlika univou ploidnosti i filogenezi ukrstanih vrsta,Rezultati istrazivanja u ovom radu, uzrezulrare iz literature pokazuju da sufilogenetski odnosi medu ukrsranlrn vrstamaisro tako znacajni, a mozda i znacajniji negorazlike u nivou ploidnosti.

LITERATURA

ALEXANDER, M. l~, (1969): Differential stain­ing of aborted and non-aborted pollen.Stain Technol. 11:117-123.

BOROJEVIC, S., BOROJEVIC, K., (1976) :Genetika. Poljoprivredni fakultet ,Univerzitet u Novom Sadu.

CHANDLER, j . M., JAN, C. c., BEARD, B. H.,(1986) : Chromosomal differentarionamong the annual Heliantbus sp .Sistematic Botany, 11(1),354-371.

GENTZBI1 °fEL, L., PERRAUI:f, A., NICOLAS, P. ,(1992): Molecular Phylogeny of theHdianthus Genus, Based on Nuclear Re-

strlction-Fragment-Length polymorphism(RFLP). Mol. BioI. Evol. 9(5) :872 -892 .

GEORGIEVA-TODOROVA, j ., (1976) :Interspecies relationships in the genusHe/iantbus (in Bulgarian) . Bulgarian Acad­emy of sciences, Sofia.

GEORGIEVA-TODOROVA, j ., (19M) :Interspecific Hybridization in the GenusHeliantbus L.Z.Pflanzenz ditg. 93:265-279.

GEORGIEVA:rODOROVA, J., (1990): Geneticand Cytogenetic Investigation of the GenusHe/iantbus L. (in Bulgarian) . BulgarianAcad. Sci. Sofia .

GEORGIEVA-TODOROVA, J., IAKOVA, M .,BOHOROVA, N., (1979) : Hybridization ofDiploid Suntlower, Heliantbus annuus(2n = 34), with some Tetraploid HeliantbusSpecies. Z. Pflanzenz chtg. 83 , 340-349

HEISER, c. 13. , SMITH, D. M., (1964) : Speciescrosses in Heliantbus. II polyploid species .Rhodora 68 : 34 4·358 .

HEISER, CH. B., SMITH , D.M., AND MARTIN,W, 1969: The North American Sunflower(He/iantbus). Mem. Torrey; Bot. Club,22(3) :1-218.

KING, R., (1974) : A dictionary of genetics. Ox­ford University Press, New York.

SCHILLING, E. E., AND HEISER, Cll . B., (19Hl) :Infrageneric c1asification of Heliantbus(Compositae). Taxon 30(2) :393-403.

PROBLEMS ASSOCIATED WITH THE USE OF Heliantbus SPECIES FOR THE BREEDINGOF THE CULTIVATED SUNFLOWER: PLOIDY LEVEL OR PHYLOGENETIC DISTANCE?

jOVANKAATLAGIC, SKORlC , D.

SUMMARY

Of the 49 species that comprise the genus Heliantbus, 42 are present in the wild species col­lection at the Institute ofField and Vegetable Crops. This is a rich bank of desirable genes for sun­flower breeders. However, numerous problems are associated with the use of interspecific hybrid­ization. The wild sunflower species are either di-, tetra- or hexaploid , while the cultivated sun­flower is diploid . Consequences ofdifferences in chromosome number and structure are incom­patibility at crossing and the occurrence of sterility, reduced fertility and meioti c irregularities ininterspecific hybrids. Long-term studies on the crossability ofwild species and the cultivated formand cytogenetic analyses ofwild species and F1 interspecific hybrids have shown that phylogeneticdifferences pose larger problems to the use ofwild species in sunflower breeding than the differ­ences in the number of chromosomes. This hypothesis was confirmed by the fullcross-incompatibility observed between several diploid perennial species (H. utaximiliani, H.giganteus ..,) and the cultivated sunflower and high percentages ofsuccessful en isses between thecultivated sunflower and some tetra- and hexaploid species (Hcdecapetatus. Hibirsutus,H.tuberosus , Hirigtdus , H resinosus...). The phylogenesis of the genus Heliantbus classifies thespecies int<> different sections, i.e ., series within the genus.

Key words : sunflower, wild species, interspecific hybridization, ploidy. phylogenesis.

41