4 Использование в селекции анеуплоидов

Анеуплоиды, в частности нуллисомики (2n – 2), моносомики (2n – 1), трисомики ( 2n + 1) и другие формы, вначале не находили практического применения. Но уже достаточно давно к ним возник огромный интерес. Это стало возможным благодаря работам Сирса (1953, 1954гг.), который впервые создал полную серию из 21 моносомной линии и серии других анеуплоидов у сорта пшеницы Чайниз Спринг. На их основе удалось генетически и цитологически идентифицировать каждую хромосому пшеницы.

Создание серий моносомных, трисомных и нуллисомных линий открыло совершенно новые возможности для генетического анализа и использования его результатов в селекции. Теперь, после создания таких серий можно сравнительно легко определять генный состав ее хромосом, локализовать любой ген в определенной хромосоме и осуществлять замещение одних хромосом другими, с учетом вклада каждой отдельной хромосомы. Это прежде всего касается таких признаков как устойчивость растений к заболеваниям, качество зерна, высота стебля и многих других.

Благодаря этим исследованиям открываются возможности для генетической инженерии, т.е. манипулирования с отдельными хромосомами и фрагментами хромосом с целью систематического объединения у одной особи отдельных хромосом с особо благоприятными наследственными факторами. Например, сорту яровой пшеницы Тетчер, который в хромосомах 3, 13, и 19 содержит по одному гену устойчивости к бурой ржавчине, путем замещения хромосом 10 и 20 удалось добавить еще два гена устойчивости, благодаря чему базис устойчивости был существенно усилен и расширен.

Моносомные серии получают также у табака, овса, хлопчатника, риса и др. культур.

Не подлежит сомнению, что в будущем селекция пшеницы и ряда других культур в значительной мере будет опираться на использование анеуплоидных серий.

5 Гаплоидия и ее значение в селекции

Гаплоидия. Использование гаплоидии в селекции растений

Гаплоиды — это особи обычно диплоидных или аллополиплоидных видов, в соматических клетках которых содержится в 2 раза меньше хромосом, чем у исходных форм. При этом из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна хромосома.

Использование гаплоидных растений позволяет решать целый ряд как теоретических, так и практических вопросов:

1. Гаплоидия у высших растений дает возможность глубже изучать их генетику и эволюцию (разработка закономерностей наследования количественных признаков; полученные из гаплоидов гомозиготные линии могут служить в качестве генетических констант для изучения варьирования сильно модифицирующих признаков; использование гаплоидов позволяет более эффективно проводить селекцию на устойчивость к болезням и решать другие задачи).

2. Она может быть использована для определения геномного состава видов и уточнения их таксономического положения, изучения влияния дозы геномов в полиплоидных рядах, выяснения происхождения и генетических причин апомиксиса и для решения других вопросов.

3. На этом явлении основаны методы получения из гаплоидов гомозиготных диплоидных линий, а также наиболее удачных рекомбинаций генов при комбинационной селекции (эффективность комбинационной селекции возрастет в сотни раз при разработке способа массового получения гаплоидов для последующего перевода их на диплоидный уровень).

*Впервые на перспективность применения гаплоидов для решения селекционных задач указал в 1929 г. Г.Д.Карпеченко.

Путем удвоения числа хромосом у гаплоидов можно сразу получать гомозиготные линии, на создание которых при селекции на гетерозис у перекрестноопыляющихся культур приходится затрачивать от 7-10 лет.

Первая методика работы и практическое использование гаплоидии для ускоренного выведения гомозиготных диплоидных линий была осуществлена в 1949 г. Чейзом. Предложенные им принципы и полученные тестеры кукурузы (специальные линии) широко применяются в селекции этой культуры. Для экспериментального получения гаплоидных растений могут быть использованы специальные линии (тестеры), температурные воздействия, ионизирующая радиация, ультрафиолетовое излучение, метод культуры тканей с использованием пыльцы и пыльников и др.

Методы получения гаплоидов

Внутривидовое опыление. В этом случае способность к образованию гаплоидов находится под генетическим контролем со стороны материнского и отцовского растений. Метод отличается высокой надежностью, но мало распространен, так как требует специального подбора скрещиваемых форм (рапс и перец).

Межвидовое опыление. При данном методе из-за несовместимости яйцеклетка не оплодотворяется спермием, центральное ядро — оплодотворяется, эндосперм развивается, стимулируя развитие яйцеклетки. Данным методом можно также получить андрогенные гаплоиды.

Интерес к получению гаплоидов при межвидовых скрещиваниях возрос в результате использования «гаплопродюсеров», впервые открытых в Канаде у ячменя. Реципрокные скрещивания культурного и многолетнего луковичного ячменя позволяют получить большое число гаплоидов. Метод прост и надежен. Гаплоиды легко идентифицировать по морфологическим признакам. В данном случае хромосомы элиминируют в начале развития зародыша.

Диплоидный ячмень луковичный может стимулировать развитие гаплоидов у пшеницы. Во многих странах созданы сорта ячменя путем получения гаплоидов и обработки их колхицином.

Путем гибридизации аутотетраплоидного ячменя и тетраплоидного ячменя луковичного созданы серии трисомиков ячменя, используемые в генетических исследованиях и для генных изменений. Для получения дигаплоидов культурного картофеля применяют межвидовые опыления. Гаплоиды томата можно получать путем его опыления пыльцой перца.

Облучение семян, растений и пыльцы. Для облучения часто применяют лучи рентгена или улучи ⁶⁰Со. Облучение прежде всего вызывает нарушение развития спермиев. Такая пыльца теряет способность к оплодотворению и стимулирует партеногенез яйцеклетки. У большинства культур пыльцу облучают при ее формировании. С помощью этого метода получили гаплоиды пшеницы, кукурузы, картофеля, табака, томата. Для культур, устойчивых к радиации (например, из семейства капустных), облучение неэффективно.

Опыление недоразвитой пыльцой. Стимуляция развития гаплоидов этим методом обнаружена у риса и табака.

Задержка опыления. Наивысший выход гаплоидов при использовании этого метода их создания получен у пшеницы однозернянки при задержке опыления на 9 дней, кукурузы — на 7, томата — на 6 дней. При этом яйцеклетка может потерять способность к оплодотворению и развивается партеногенетически или дегенерирует, что ведет к образованию зародыша из синергид, антипод или спермия.

Температурные воздействия. Повышенные температуры (40, 45, 50 °С) способствовали получению гаплоидов у кукурузы и льна, пониженные (—3 °С) у ржи.

Применение химических веществ и мутагенов. У кукурузы выход гаплоидов повышает обработка рылец пестиков гидразидом малеиновой кислоты в концентрации 50 мг/л.

Получению дигаплоидов у картофеля способствует обработка пыльцы колхицином с сахарозой и борной кислотой. Стимулируют гаплоидию химические мутагены — нитрозоэтилмочевина, этиленимин, галогенизированные аминокислоты — парафлуорофенилаланин и хлорамфеникол. Под действием данных веществ гаплоидные клетки активно растут. Обработке подвергают растения, которые будут применяться для опыления.

Полиэмбриония (близнецовый метод). Гаплоиды среди растений-близнецов, развивающихся из дву- или многозародышевых семян, обнаружены у сельскохозяйственных культур, относящихся к 64 семействам (кукурузы, ячменя, ржи, риса, овса, льна, хлопчатника, картофеля, перца, свеклы, спаржи, тимофеевки, ежи, мятлика и др.). Частота появления гаплоидов среди растений-близнецов незначительна.

Гаплоидный близнец, в отличие от диплоидного, растет медленно, образуя слаборазвитое растение. Обнаружение гаплоидов среди растений-близнецов — очень трудоемкая работа.

Использование ядерно-цитоплазматической разнокачественности. Влияние чужеродной цитоплазмы на выход гаплоидов впервые обнаружили у кукурузы, опыляя линии кукурузы с цитоплазмой теосинте пыльцой обычных линий. Количество гаплоидов при этом повышалось в 1,3 раза.

Получение андроклинных гаплоидов из культуры пыльцевых клеток и пыльников. Данный метод разработан сравнительно недавно и очень перспективен для получения гаплоидов многих культур. При получении гаплоидов этим методом пыльцу в состоянии микроспор или одноядерной пыльцы, а также зрелые пыльники культивируют в стерильных условиях на питательных средах, состоящих из макро- и микроэлементов с органическими добавками, при определенной температуре и освещенности. Таким методом получены гаплоиды у табака, риса, ячменя, кукурузы, рапса, спаржи и других культур. Однако у таких культур, как рожь, овес, лен, картофель, конопля, томат, перец и др., использование этого метода для получения гаплоидов не имело успеха. Для получения гомозиготных диплоидов гаплоидные растения подвергают колхицинированию.

ОБНАРУЖЕНИЕ ГАПЛОИДОВ

1. Использование специально выведенных линий кукурузы («маркеры Чейза»), из которых одни были гомозиготны по ряду рецессивных генов (a, lg), проявляющихся на ранних этапах развития, а другие — по аллеломорфным к ним доминантным генам (A, Lg). Если семена завяжутся без оплодотворения, т. е. в результате апомиксиса, то сеянцы будут обладать рецессивными признаками материнской линии, обусловленные аллелями а и lg.

2. Чтобы выделить только гаплоидные растения, у сеянцев с маркированными

рецессивными признаками фиксируют корешки и подсчитывают в них число хромосом.

14