7.11 Использование технологии получения гаплоидов и удвоенных гаплоидов в селекции

Селекция культур-самоопылителей, как правило, включает получение гибридов между выбранными по определенным показателям родительскими формами и отбор лучших по комплексу признаков растений в последовательных поколениях самоопыления до получения константных (относительно гомозиготных) линий, которые могут рассматриваться в качестве кандидатов в новые сорта. Считается, что у диплоидных видов такие линии могут быть отобраны, в лучшем случае, в F6.

Использование удвоенных гаплоидов может существенно ускорить этот процесс, поскольку позволяет получать гомозиготные линии в течение одного сезона. Гаплоиды, происходящие от гибридов F1, по сути, представляют собой гаметоклональные варианты, сформировавшиеся в результате рекомбинации генетического материала, полученного от родительских генотипов. Удвоение хромосом у них фиксирует сложившееся сочетание генов, переведя их в гомозиготное состояние. По результатам испытания большого количества удвоенных гаплоидов можно отобрать трансгрессивные формы (то есть, превосходящие родителей по каким-либо количественным признакам, например, продуктивности) с новым сочетанием селекционно-ценных генов, например, генов устойчивости к болезням.

Первоначально были опасения, что селекционная ценность удвоенных гаплоидов может быть ниже, чем линий, созданных традиционной селекцией, так как в первом случае имеет место лишь один цикл рекомбинации, а во втором – несколько. Исследования, посвященные изучению этой проблемы, показали, что у линий, отобранных в поздних поколениях самоопыления может быть выше, чем у удвоенных гаплоидов частота рекомбинации между близко расположенными локусами. Однако это, как правило, существенно не сказывается на их селекционной ценности. В большинстве случаев лучшие селекционные линии на основе удвоенных гаплоидов не уступали лучшим селекционным линиям, полученным традиционным методом. Представляется интересной история выведения сорта пшеницы Ets Desprez во Франции. Он был отобран среди всего 64 удвоенных гаплоидов, полученных от гибридов F1 [de Buyser et al., 1987]. Тем не менее, некоторые селекционеры рекомендуют использовать для получения удвоенных гаплоидов не гибриды F1, а F2 или F3.

Использование удвоенных гаплоидов представляет значительный интерес также для селекции перекрестно-опыляемых культур, так как позволяет сократить сроки создания родительских гомозиготных линий для получения гетерозисных гибридов. Удвоенные гаплоиды нашли применение и для повышения эффективности рекуррентного отбора: хорошие результаты были получены в схемах, в которых лучшие по комплексу признаков линии (удвоенные гаплоиды) одного цикла селекции использовали в качестве родительских форм для гибридизации с целью получения гибридной популяции следующего цикла, также предполагающего получение удвоенных гаплоидов.

Как известно, в генетическом пуле перекрестников присутствует большое количество неблагоприятных рецессивных аллелей, которые вызывают инбредную депрессию при самоопылении, затрудняя процесс создания гомозиготных линий методами традиционной селекции. Использование технологии получения удвоенных гаплоидов обеспечивает раннюю элиминацию в популяции этих аллелей. В результате геном удвоенных гаплоидов представляет собой более жизнеспособную комбинацию генов, чем у самоопыленных линий. Получение удвоенных гаплоидов у некоторых перекрестно опыляемых культур, например, сахарной свеклы, позволяет решить проблему, связанную с наличием самонесовместимости, которая затрудняет применение самоопыления для получения инбредных линий. Поддержание таких линий возможно с помощью методов клонального размножения in vitro.

Применение гаплоидной технологии представляет также интерес для повышения эффективности использования в селекции мутагенеза. Перевод в гомозиготное состояние мутаций обеспечивает их проявление и фиксацию уже в первом поколении после мутагенной обработки, благодаря чему не требуется самоопыление для выявления рецессивных мутаций. Мутагенная обработка гаплоидных клеток может применяться в сочетании с клеточной селекцией, что позволяет отбирать ценные мутанты с устойчивостью к различным стрессовым воздействиям, токсинам (например, гербицидам).

Для размножения двудомной культуры спаржи Asparagus officinalis женские формы (XX) скрещивают с мужскими (XY). В результате получается популяция, в которой 50% растений являются женскими и 50% мужскими. Однако коммерческую ценность представляют лишь мужские растения, имеющие низкое содержание волокон. Получение удвоенных гаплоидов на основе мужских растений (XY) сделало возможным создание супер-опылителей (YY), использование которых позволяет получать популяции спаржи, содержащие 100% мужских растений [Corriolis et al. 1990]. Для папайи (Carica papaya), напротив, коммерческую ценность представляют женские растения. Получение удвоенных гаплоидов с помощью культуры пыльников облегчает получение женских чистых линий [Rimberia et al. 2006].

Сорт рапса (Brassica napus) Maris Haplona был первым сортом культурных растений, выведенным с помощью технологии удвоенных гаплоидов. Он поступил в производство в 1972 г. [Thompson 1972]. С тех пор в совершенствовании этой технологии достигнут значительный прогресс и она стала рутинной в селекции многих сельскохозяйственных, декоративных и древесных культур. Использование удвоенных гаплоидов в селекции, особенно полученных с помощью культуры пыльников и микроспор, нашло наиболее широкое применение в Китае, где было создано большое количество новых ценных сортов пшеницы, риса, кукурузы, перца и других культур, многие из которых занимают большие площади. Большой резонанс в научном мире вызвало в свое время появление сорта озимой пшеницы Jinghua No. 1, на выведение которого потребовалось лишь шесть лет, то есть на 4-5 лет меньше по сравнению с традиционной селекцией. За это время были проведены скрещивания, с помощью культуры пыльников на основе гибридов F1 получены удвоенные гаплоиды, проведены их полевые испытания, по результатам которого среди них был отобран сорт. Уже в 1984 г. он занимал 170 тыс. гектаров. К его положительным качествам относится высокая урожайность (4,5-6 т/га), устойчивость к ржавчине, короткостебельность и пригодность к выращиванию в широком диапазоне условий окружающей среды (см. Hu,Huang, 1987).

По приблизительной оценке в настоящее время выращивается более трехсот выведенных с помощью гаплоидной технологии сортов и гибридов пшеницы, ячменя, кукурузы, риса, различных капустных (Brassica ssp), баклажанов, перца, спаржи, табака и других культур [Germana 2011].