Ввудение –первая лекция

1,2 лекции
Введение, изучение геномного состава мягкой пшеницы – 4 часа
Цитогенетика – наука, изучающая связь явлений наследственности с поведением
и структурой хромосом. При цитогенетическом анализе производят параллельные
генетические и цитологические исследования изучаемых форм. Цитологически в
основном анализируют поведение хромосом в мейозе и митозе, а также морфологию
хромосом и различные типы их перестроек.
Анализ мейоза дает очень важную информацию о генетическом родстве хромосом
изучаемых форм. Главный характерный для мейоза процесс – это конъюгация
гомологичных хромосом. Гомология хромосом определяется родством их отдельных
участков и локализованных в них генов, притяжение которых друг к другу и
обусловливает притяжение хромосом. Если происходят существенные изменения в
структуре хромосом и генов, то хромосомы становятся негомологичными, не будут
конъюгировать и образовывать пары (биваленты). Образование бивалентов необходимо
для регулярного расхождения хромосом к полюсам, обеспечивающего полный
гаплоидный набор хромосом в гаметах, а также для рекомбинации расположенных в
хромосомах генов. Отсутствие конъюгации хромосом, наблюдающееся у отдельных
гибридов, приводит к нерегулярному расхождению хромосом, образованию
анеуплоидных гамет, в которых число хромосом не соответствует гаплоидному. Эти
гаметы часто бывают нежизнеспособными, что обусловливает стерильность, а если они
жизнеспособны, то в потомстве возникают анеуплоидные растения, плодовитость и
жизнеспособность которых обычно снижена.
Открытие этих явлений объяснило бесплодие отдаленных гибридов и позволило
разработать методы восстановления «их плодовитости (получение амфидиплоидов). На
основе данных изучения поведения хромосом стало возможным понять также необычные
расщепления, которые наблюдались при скрещивании разных видов пшеницы,
различающихся по числу хромосом.
В последние двадцать лет большое внимание уделяется использованию
анеуплоидных форм в селекционной работе. У таких сложных полиплоидных форм, как
пшеница, очень трудно обычными генетическими методами(изучением закономерностей
расщепления) определить влияние отдельных хромосом на развитие того или иного
признака. Использование же анеуплоидов, у которых отсутствуют определенные
хромосомы кариотипа пшеницы, позволяет это сделать. Очень важно, что у пшеницы, так
же как и у других полиплоидов (овса, хлопчатника, табака), растения с потерей или добавлением одной хромосомы выживают.
В последние годы за рубежом получены серии анеуплоидных линий пшеницы,
которые позволяют изучать влияние отдельных хромосом на развитие хозяйственно
важных признаков (устойчивость к заболеваниям, полеганию, урожайность, качество
зерна, мужская стерильность и т. д.) и направленно заменять хромосомы, не несущие
нужных генов, хромосомами, содержащими таковые (межсортовое замещение хромосом).
Значительны успехи цитогенетики за последние годы и в изучении отдаленных
гибридов. Вскрыты причины недостаточной озерненности ряда амфидиплоидов,
разрабатываются методы ее повышения, а главное, используются необычайно тонкие
цитогенетические методы для передачи отдельных признаков от других видов и родов
пшенице. Эти методы предусматривают вставки участков хромосом отдаленных форм,
несущих нужные гены (например, устойчивости к ржавчине), в хромосомы пшеницы. Для
этого используются ионизирующие излучения, служащие тонким микрохирургическим
инструментом, а кроме того, получение необычной конъюгации хромосом путем удаления
одной из хромосом кариотипа пшеницы - 5В. Оказалось, что при отсутствии этой
хромосомы начинают конъюгировать друг с другом не вполне гомологичные хромосомы,
что способствует обмену участками между ними (кроссинговеру). Таким путем также
удается вводить в кариотип пшеницы нужные гены.
Курсу цитогенетики пшеницы посвящены в настоящее время очень большое число
работ, главным образом зарубежных исследователей, которые очень слабо освещены в
отечественной литературе. Программа предлагаемой вниманию слушателя поможет
заполнить этот пробел.
Глубокое изложение затронутых проблем и вопросов обеспечивается на основе
книги “Цитогенетика пшеницы и ее гибридов”, написанные коллективом сотрудников
ИЦИГ СО РАН. Книга будет служить ценным пособием для селекционеров, генетиков, а
также заинтересует исследователей, работающих в различных областях биологии,
преподавателей и студентов биологических и сельскохозяйственных высших учебных
заведений.
Мягкая пшеница (Тriticum aestivum L.) является основным хлебным растением
мира. Она обеспечивает хлебом более половины населения земного шара, поэтому в
мировом производстве пшеницы се удельный вес превышает 90%. В связи с этим многих
исследователей интересовало и продолжает интересовать происхождение мягкой
пшеницы.
В 1913 г. была издана работа Шульца (Schulz, 1913), в которой описывалась
история зерновых культур. На основании морфосистематических исследований виды,
входящие в род Тr. aestivum, были разделены Шульцем на три группы: однозернянки,
полбы (эммеры) и спельты.
Новый период в изучении пшеницы начался с 1918 г., когда Сакамура (Sakamura,
1918) впервые правильно установил число хромосом у разных видов пшениц.
Аналогичные данные были получены Саксом и 1922 г. (Sах, 1922). Ранее считали, что
диплоидные виды пшеницы имеют 2п—16, а тетра-плоидные 2п = 22. Сакамура и Сакс
обнаружили, что однозернянки имеют в соматических клетках 14, пшеницы группы
полбы 28, а спельты 42 хромосомы. Сходные результаты получил Кихара (Кihara, 1924),
изучая мейоз. При исследовании как диких, так и культурных видов пшеницы было найдено, что основное число хромосом в роде Тгiticum x = 7.
Таким образом, результаты цитологических исследований полностью подтвердили
разделение рода Тгiticum на три группы, которое провел Шульц на основании изучения
морфологических признаков. Интересно, что для групп однозернянок и полбы были
найдены дикорастущие предки, в то время как для группы спельты дикорастущий предок
обнаружен не был. Возник вопрос, какой вид дикой пшеницы был предшественником
культурной мягкой? Существует ли он в природе или вымер? Поскольку для пшениц был
установлен полиплоидный ряд с числами 7, 14 и 21 хромосома, встал вопрос, не являются
ли пшеницы группы полбы и спельты аутополиплоидами?
В 1922 г. Сакс (Sах, 1922), исследуя мейоз у гибридов F1 между Т. топососсит I. X
Т. turgidum L., обнаружил семь бивалентов и семь унивалентов, что указывало на наличие
у Т. turgidum одного генома, общего с геномом Т. топососсит, и другого, отличающегося
от него. Позднее к такому же выводу пришел Кихара (Кihara, 1924).
Геном группы однозернянки Кихара обозначил символом А. На основании
цитологического анализа межвидовых гибридов было установлено, что пшеницы группы
полбы имеют второй геном, отличный от А, этот геном был назван В геномом. Более
поздние работы Кихары (Кihara, 1954; Кihara, Yаmashita, 1956) и ряда других
исследователей иными путями подтвердили аллополиплоидную природу пшениц группы
полбы: 28-хромосомные пшеницы, полученные в результате воздействия колхицина на
пшеницы однозернянки, но были похожи на пшеницы группы полбы. Аллотетраплоидныe
формы могли произойти лишь в результате гибридизации между двумя разными видами с
последующим удвоением числа хромосом. Для решения вопроса, имеют ли разные
пшеницы группы полбы одинаковый геномный состав, Кихара провел межвидовые
скрещивания в пределах группы полбы. При изучении конъюгации хромосом у гибридов
F1 он установил образование в мeтафазе I мейоза 14 бивалентов. Наличие 14 бивалентов
свидетельствует о том, что разные пшеницы группы полбы имеют одинаковый геномный
состав.
Но есть ли геном А у пшениц группы, спельта? При анализе мейоза у гибридов F1
Т. sре1tа L. Х Т. топососсит Мельбурн и Томпсон (Меlburn, Тhompson, 1927) обнаружили
образование пяти бивалентов, а Лонглей и Сандо (Longley, Sando,1930) в аналогичных
скрещиваниях — семи бивалентов. Таким образом, было установлено, что геном А входит
в кариотип пшениц как группы полбы, так и группы спельты.
Более поздние исследования показали, что диплоидные виды пшениц
представлены группами, генетически достаточно родственными, в результате чего у
межвидовых гибридов F1 плодовитость не снижается.
На основании генетических и цитологических исследований Райли и Белл
(Riley,Bell,1958) установили, что Т. thaoudar Reut. является наиболее примитивным
диплоидом и, по-видимому, наиболее близкой формой к донору генома А. Следовательно,
донором генома А мягкой пшеницы нужно считать Т. thaoudar, а не Т. топососсит. Если
это заключение верно, то первый тетраплоид Тгiticum был дикорастущей формой, как
считает Райли (Riley, 1965), поскольку оба родительских вида этого тетраплоида —
дикорастущие.
Далее оставалось выяснить, обладает ли пшеница группы спельты кроме генома А,
привнесенного от Т. thaoudar , также геномом В, имеющимся у группы полбы. С этой
целью Кихара скрещивает разные виды группы полбы с видами группы спельты. У
пентаплоидного гибрида F1, Т. ро1опiсит I,. X Т. spelta он наблюдает в мейозе
образование 14 бивалентов и 7 унивалентов. Таким образом, было установлено, что Т.
spelta имеет два общих с Т. ро1опiсит генома (А и В) и третий геном, отличающийся от
этих двух. Он был назван Кихарой D геномом. Некоторые авторы обозначают его буквой
С, однако обозначение D распространено шире. Сходные картины поведения хромосом в
мейозе у аналогичных гибридов наблюдал и Сакс. Геном D типичен для пшениц группы
спельты. Следовательно, пшеницы группы спельты имеют геномную формулу ААВВDD.
В результате изучения расщепления и подсчета числа хромосом в потомстве
пентаплоидных гибридов было установлено, что только формы с 28 и 42 хромосомами
остаются константными в последующих поколениях. Потомство же гибридов с
промежуточным числом хромосом имеет пониженную плодовитость, и в дальнейших
поколениях выщепляются растения с константным числом хромосом. Отсюда Кихара
(Кihara, 1954) делает вывод, что «для поддержания репродуктивных и физиологических
функций на нормальном уровне семихромосомный набор должен быть полным». Такой
набор назвали геномом.
Таким образом, стало ясно, что поведение хромосом у межвидовых гибридов с
разным числом хромосом подчиняется определенным правилам.
В результате проведенных исследований было установлено, что одним из предков
мягкой пшеницы должна быть тетраплоидная пшеница с геномным
составом ААВВ,
поэтому стали искать тот вид, который мог быть донором генома D.
Работы Сорокиной (Сорокина, 1935а, б), Шиманн (Shieman,1948) и других
исследователей
показали, что род Аеgilops находится в весьма близком родстве с
пшеницей. Он, как и род Тгiticum, имеет полиплоидный ряд, виды которого содержат 14,
28 и 42 хромосомы, т. е. основное число хромосом у рода Аеgilops, как и у рода Тгiticum, х
= 7. Кроме того, при сравнительном изучении морфологии
различных видов
пшеницы и ее диких сородичей обнаружено, что многие признаки, отличающие пшеницы
спельта от группы полбы, практически имеются у всех видов рода Аеgilops. Поэтому
большинство авторов считают, что гексаплоидные пшеницы являются аллополиплоидами,
возникшими от скрещивания тетраплоидных видов рода Тгiticum и диплоидных видов
рода Аеgilops. С целью выяснения, какой именно вид эгилопса был донором генома В,
подробно изучили признаки, отличающие пшеницы спельты от пшениц группы полбы.
Основных признаков оказалось три: полая соломина, ломкость колосового стержня и
лопатчатая колосковая чешуя. Эти признаки спельта должна была получить от эгилопса.
Обнаружены три вида эгилопса, которые имели полую соломину и характерную ломкость
колоса — Ae. Crassa Boiss., Ae. Cylindrical Host. и Ае. squarrosa L., но только у Ае.
squarrosa была овально-лопатчатая колосковая чешуя с широким плечом типа Т. Зреlta.
Первое цитологическое доказательство наличия D генома у эгилопса было
получено К. Саксом и X. Саксом (Sах K., Sах H-, 1924) при анализе гибридов
гексаплоидных пшениц с Ае. culindrica у которых в метафазе мейоза обычно образовывалось 7II + 21I. Позже Блейер (Вlеiег, 1928) обнаружил, что гибриды, полученные от
скрещивания тетраплоидных пшениц с Ae. cylindrica почти не имеют бивалентно.
Следовательно, Аe. cylindrica, имеет геном D, отсутствующий у твердых пшениц.
Геномный анализ. Аe. cylindrical показал, что его геном С произошел от Ае.
cаиdata L._ (2n=14), а геном D — от Аe. (2n=14). Следовательно, геном D мягкой
пшеницы произошел от Ае. squarrosa.
Чтобы проверить эти теоретические предположения, Сирс скрестил Ае.. squarrosa с
Т. Dicoccum Schrank, и в 1939 г. (Sears, 1939) получил единственный гибрид, который
имел все признаки Т. spelta, но был полностью стерилен. В 1941 г., в результате
колхицинирования гибрида FI Т. dicoccoides var. spontaneo-villosum X,Ae. Squarrosa, Сирc
(Sears, 1941) впервые создал синтетическую пшеницу, имеющую все таксономические
признаки Т spelta. Она была самофертильной. Мейоз у синтетической пшеницы был
незначительно нарушен, а у ее гибридов, полученных от скрещивания с Т. aestivum, из 150
исследованных метафаз I 69 имели 21 бивалент. Гексаплоидную пшеницу получила
Сорокина от скрещивания Ае. ventricosa Tausch. X Т. durum (Сорокина, 19356).
Позднее путем скрещивания различных видов пшениц группы полбы с Ае.
squarrosa и последующим удвоением числа хромосом было синтезировано несколько
гексаплоидных пшениц. Так, в 1943 г. Томпсон, Бриттен и Хардинг (Тhompson et al., 1943)
синтезировали гексаплоидную пшеницу в результате удвоения числа хромосом у
гибридов F1 (Т. turgidum n =14 X Ae. squarrosa п =7). Новая синтетическая форма имела
большинство, но не все отличительные признаки группы спельты и была плодовитой. В
1946 г. Мак Фадден и Сирc (Мс Fadden, Sears, 1946) получили новую искусственную пшеницу, удвоив число хромосом гибрида тетраплоидной пшеницы с Ае. squarrosa. Таким же
путем Кихарой с сотр. Kihara, Lilienfeld, 1949; Kihara et al., 1957) было синтезировано несколько гексаплоидных пшениц: АВD Т. dicoccoides var. spontaneo-nigrum X; АВD Т.
dicoccoides var. spontaneo-nigrum X Ae; АВD Т. turgidum var. stramineum X Ае. squarrosa;
АВD Т. pеrsicum var. stramineum X Ае. squarrosa; АВD T. persikum var. fuliginosum X Ae.
squarrosa; АВD Т. rientale X Ае. squarrosa.
Из всех синтезированных аллогексаплоидов наиболее похожей на мягкую пшеницу
была пшеница, полученная от удвоения числа хромосом у гибрида Т. pеrsicum X Ае.
squarrosa. На основании этого Кихара считает, что гексаплоидная пшеница произошла в
результате спонтанного скрещивания Т. pеrsicum с Ае. squarrosa.
Танака (Тanaka, 1959), изучая самофертильные гибриды первого поколения от
скрещивания разных пшениц группы полбы с Ае. squarrosa var. strangulata и Ае. squarrosa
var. Мееуri, установил, что у этих гибридов большинство семян возникало в результате
слияния, реституционных гамет. Полученные данные показывают, что эти гибридные
комбинации имеют большую вероятность быть предками гексаплоидных пшениц, чем
другие. Эти факты подтверждают высказанное Кихарой предположение относительно
происхождения мягких пшениц.
Юн Ихирио Табуши (Jun-Ichirio Tabushi, 1956) изучал мейоз гибридов F1 (Т.
persicum var. stramineum X Ae. squarrosa X Т. aestivum сорт Нории 25, имевших геном
АВD. Фертильность пыльцы у гибридов была 80%, озерненносгь 84,2%. В мейозе
наблюдали нормальную конъюгацию.
Таким образом, почти одновременно и независимо Мак Фадден и Сирс,
Кихара и другие исследователи получили синтетическую гексаплоидную пшеницу
путем скрещивания тетраплоидной пшеницы с Ае. squarrosa. Морфологическое
сходство таких пшениц с Ае. squarrosa и отсутствие нарушений при конъюгации
хромосом в менозе гибридов между естественными и искусственными гексаплоидамн
подтверждают, что Ае. squarrosa действительно является донором D генома. Однако
последнее звено в цепи доказательств — исследование конъюгации хромосом в менозе у
гибридов F1 между гексаплоидноп пшеницей и Ае. squarrosa — отсутствовало. Этот
пробел был ликвидирован
благодаря
исследованиям Ранли и Чепмсна (Riley,
Chapman, 1960), создавшими в результате опыления растений мягкой пшеницы сорта
Чайниз Спринг пыльцой Ае. squarrosa гибрид, у которого в F1 наблюдали образование
семи бивалентов, в среднем па 100 клеток— 6,56. Так было получено последнее
доказательство эквивалентности хромосом генома Ае. squarrosa
D геному мягкой
пшеницы и установлено, что у мягкой пшеницы геном А произошел от Т. thaoudar , а
геном D —от Ae. squarrosa . Поскольку в ареале распространения тетраплоидной
пшеницы Ае. squarrosa встречается как сорняк, в условиях возделывания в результате
гибридизации легко могла получиться первая гексаплоидная пшеница. Кихара и
Лилиенфельд (Kihara, Lilienfeld, 1949) предполагают, что такая первая гексаплоидная
пшеница должна была легко обмолачиваться, а не иметь тип спельты, как думают Мак
Фадден и Сирс. Однако прямого доказательства этому нет.
Относительно генома В до сих пор в литературе имеются противоречивые
суждения.
Пето (Peto, 1936), Вакар (Bakar, 935) и Матсумура с сотр. (Matsumura,
Muramatsu, 1956; Matsumura, Sakamoto, 1958), исходя из данных конъюгации хромосом
в мейозе гибридов F1 от скрещивания гексаплоидных пшениц с полиплоидными видами
Agropyron, считают, что геном В произошел от рода Agropyron. Мак Фадден и Сирc
полагали, что наиболее вероятным источником В генома может' быть вид A. triticeum
Gaertn, поскольку он один имеет признак легкого обмолота. Мак Кей (Mak Кеу, 1954)
считает, что этот признак у пшеницы мог возникнуть в результате мутации. Гипотеза
Мак Фаддена и Спрса долго
господствовала
в литературе. Однако против этой
гипотезы говорят результаты исследований Авдулова (Авдулов, 1931) и Матсумуры и
Сакамото (Matsumura, Sakamoto,1955), показавших, что у А. triticeum хромосомы с
субтерминальными центромерами, в то время как хорошо известно, что хромосомы
генома В имеют медианные и субмедианные перетяжки.
Данные исследований Танака (Tanaka, 1955) показывают, что Ае. longissima S. et M.
(2п =14) и Ае. Sharonenis Eig. (2 n = 14) имеют некоторые морфологические признаки
полбы и спельты. Однако конъюгация хромосом у гибридов этих видов с Т. turgidum
настолько неполная, что их геномы не могут быть гомологами генома В полбы и спельты.
Саркар и Стеббинс (Sakar, Stebbins, 1956) па основании сравнительного
анатомического изучения двух диплоидных форм — Т. топососсит и Т. aegilopoides
Link. - с тетраплоидными видами - Т. dicoccum, T. dicoccoides Korn. B T.durum Derf., а
также с несколькими видами Аеgilops пришли к заключению, что тетраплоидная пшеница
является амфидиплоидом, произошедшим от скрещивания Т. топососсит и Ае.
speltoides var. ligustica. Авторы также полагают, что в кариотипе тетраплоидной пшеницы
во время эволюции призошло так много структурных изменений хромосом, что в
настоящее время по изучению конъюгации хромосом у гибридов трудно установить,
действительно ли Ае. speltoides Tausch. является исходной формой для тетраплоидных
пшениц.
Сирс (Sears, 1950), изучая гибриды, полученные от скрещивания Т. топо-соссит и
Т. dicoccoides с Ае. bicornis (Forsk.) Jaub et Spoch. (геном SB) и Ае speltoides var. ligustica.
(геном S S), обнаружил, что геном В Ае. speltoides более сходен с геномом А, чем с
геномом В пшеницы, поскольку гибриды Т. топососсит X Ае. speltoides в среднем
образуют 6,59 бивалента на клетку и мало вероятно, чтобы геном SB был бы столь же
родствен геному В, как геному А. Путем изучения конъюгации было также установлено,
что геном В Ае. bicornis значительно сходен с В геномом пшениц. В настоящее время
Сирс полагает, что Ае. bicornis был донором генома В, поскольку амфидиплоид Т.
топососсит X
Ае. bicornis имеет значительное морфологическое сходство с Т.
dicoccoides. Возможно, что настоящий донор В генома был промежуточной формой
между Ае. dicoccoides и Ае. bicornis .
Происхождение В генома от Ае. speltoides в настоящее время признается
большинством, но не всеми учеными. Так, японские авторы Ямашита, Танака и Кояма
(Уamashita et al., 1956), излагая схему происхождения мягкой пшеницы, высказывают
мнение, что предок В генома неизвестен.
Поскольку в результате дальнейшего изучения мягкой пшеницы было установлено,
что 1 и 6 хромосомы генома В имеют спутники, Райли и др. (Riley et al., 1958)
использовали этот факт как диагностический признак. Сравнение кариотипов диплоидных
видов Аеgilops показало, что только два вида — Ае. Аеgilops (2п =14) и Ае. mиtica Boiss
(2n = 14) - имеют две пары спутничных хромосом. Однако Ае. mиtica по морфологии
совершенно непохож на донора генома В, поэтому наиболее вероятно, что донором этого
генома является Ае. speltoides.
На основании изложенных выше данных исследователи пришли к выводу, что
мягкая пшеница является сложным аллогекслплоидом, в состав которого входят как дикая
однозернянка, так и два вида эгилопса — Ае speltoides и Ае. squarrosa.
Изучение местообитания диплоидных предков пшеницы показало, что ареалы
распространения Ае. speltoides и диких и культурных диплоидных форм Тгiticum
совпадают, здесь же распространен и дикий тетраплоид Т. dicoccoides.
Учитывая, что геном А тетраплоидов произошел от дикой, а не от культурной
диплоидной формы, Райли делает вывод, что первый тетраплоид возник задолго до
введения пшеницы в культуру и что дикие и диплоиды, и тетраплоиды стали возделываться одновременно.
По его мнению, филогения мягкой пшеницы основывается на двух процессах —
генетической дивергенции и полиплоидной конвергенции.
Генетическая дивергенция заключается в том, что все виды произошли от общего
прототипа. Диплоидные формы, попав в равные эколого-географические условия югозападной и юго-центральной Азии и приспособившись к ним, дали начало разным
диплоидным видам.
Прототип (2n=14)
Диплоидная дивергенция
Aegilops
Triticum (2n=14)
AA
Ae. squrrosa (2х=14)
DD
Ae.speltoides (2x=14)
ВВ
Triticum (4x=28)
AABB
T. aestivum (6x=42)
AABBDD
Полиплоидная конвергенция
Скрещивание диплоидного вида пшеницы с Ае. squarosa с последующим
спонтанным удвоением числа хромосом дало начало плодовитому тетраплоиду.
Поскольку каждый шаг эволюции, по-видимому, сопровождается приспособлением к
новым окружающим условиям среды, возникают новые виды, но уже на тетраплоидном
уровне. Следовательно, вполне возможно, что все тетраплоидные виды имеют
монофилетическое происхождение (от одного общего предка) и, так же как и диплоидные,
возникли в результате генетической дивергенции.
Полиплоидная конвергенция предусматривает скрещивание тетраплоида с Ае.
squarosa и последующее спонтанное удвоение числа хромосом, что привело к появлению
гексаплоидной пшеницы. В настоящее время нет четкого доказательства ни поли-, ни
монофилетического происхождения гексаплоидов. Ниже приведена схема филогении
мягкой пшеницы по Райли (Riley, 1965):
3 лекция
Виды пшениц и формулы их геномов – 2 часа
После того как было установлено, что мягкая пшеница имеет два генома рода
Аеgilops , возникла необходимость пересмотра прежней классификации. В результате
этого пересмотра род Тгiticum был объединен с родом Аеgilops. В таблице 1 приводится
классификация, разработанная Боуденом (Bowden, 1959, 1966) и несколько измененная
Моррисом и Сирсом.
Таблица 1
Виды пшениц и формулы их геномов (Моррис, Сирс, 1968)
Вид
Формула *
Прежнее название
Диплоидные пшеницы
T.boeoticum Boiss. (T. aegilopoides)
A
(Link.)=T.thaoudar Reut. +
Т.
mоnососсum L.)
T. speltoides (Tausch.)
Ae.speltoides (Tausch.) (Ae.aucheri
S (=B?)
Boiss. - Ae. ligustica )
B
B
T. bicorne Forsk.
Ae.bicornis (Forsk.) Jaub. Et Spach.)
S (=B ?)
T. longissimum (Schweif. et S1 (=B1?)
Ae.Longissima
S.
et
M.
=
Muschli)
Ae.sharonensis Eig.
T. tripsacoides (Jaub. Et Spash. ) Mt (=B??)
Ae. mutica Boiss.
T. tauschi (Coss.)
Ae. Squarrosa L., T.aegilops R. et S.
D
T. comosum (Sibth.)
Ae. comosa (S. et. S.) =
M
Ae.Heldreichii Holzm.
T. uniaristatum (Vis.)
Ae. uniaristata Vis.
Mu
T. dichasians (Zhuk.)
Ae.caudata L.
C
T. umbellulatum (Zhuk.)
Ae. umbellulata Zhuk.
Cu
Аллополиплоидные пшеницы
T. turgidum L. var. dicoccoides AB
Ae.dicoccoides Korn.
(Korn.)
Группа сортов
T. dicoccum L.
AB
T. timopheevii (Zhuk.) var. AB, Aβ , Ag
T. turgidum L. var timopheevii
timopheevii
(Zhuk.) = T.turgidum var tumanianii
(Jakubz.=T.dicoccoides
var.
nudiglumis
T. timopheevii var. zhukovskyi AAB, AAβ , AAg
T. turgidum L. var timopheevii
(Men et. Er.)
(Zhuk.)
T. aestivum L.
T. aestivum + другие культурные
ABD
сорта (табл. 2)
Т. mоnососсum L.
Другие аллополиплоиды
Ae.ventricosa.Tausch.
DMu
1
1 2
Ae. crassa Boiss.
D M, D D M
Ae. crassa Boiss. subsp. vavilovi
DMS1
Zhuk.
T. juvenale Thell.
Ae. juvenalis (Thell.) Eig.
DMCu
u 1
T. cotschyi (Boiss.)
Ae. cotschyi Boiss.+ Ae.variabilis
CS
Eig.
u
T. ovatum (L.)
Ae. ovata L.
CM
T. triaristatum (Willd.) Gordet CuM
Ae. triaristata Willd.
u
u
Gren
C MM
T. macrochaetum (Schuttl.) et CuM
Ae.biuncialis Vis.
Huet
T. columnare (Zhuk.)
Ae.columnaris Zhuk.
CuM
u
T. triunciale (L.)
Ae.triuncialis L.
CC
T. cylindricum Ces.
Ae.cylindrica Host.
CD
T. ventricosum Ces.
T. crassum (Boiss.)
T. syriacum (Bowden)
• Каждая буква обозначает набор (геном) из семи пар хромосом.
Исследование гексаплоидной группы пшениц показало, что основные видовые
различия обусловлены одним геном, исключая Т.vavilovii, которая, возможно, отличается
от Т. spelta по крайней мере двумя рецессивными генами (цит. по Моррису и Сирсу, 1968).
Таблица 2
Вид
Т. mоnососсum L.
T. turgidum L.
Сортовые группы в роде Triticum
Сортовая
основано на
виде
Группа
---Т. mоnососсum L.
dicoccon
Т. dicoccon Schrank
(Т. dicoccon Schr.)
Durum
T.durum Desf.
turgidum
T. turgidum L.
polonicum
carthlicum
T. timopheevii* (Zhuk.)
var. timopheevii;
var. zhukovskyi (Men. et Er)
T. aestivum L.; T. spelta Thell.
Vavilovii
Aestivum
Compactum
Sphaerococcum
•
T. polonicum L.
T. carthlicum
Nevski
(T. persicum Vav.)
T. timopheevii
T. zhukovskyi
Men. et Er
T. spelta L.+ T. macha Dek. et Men.
T. vavilovii Jakubz.
T. aestivum L., T. vulgare Host.,
T. sativum Lam.
T. compactum Host.
T. sphaerococcum Perc.
Культурные сорта в этих видах еще ш> сгруппированы.
Название в
практике
Однозернянка
Эммер
Твердая
Английская,
ветвистая
Польская
Персидская
Нет
Нет
Спельта (полба)
Нет
Мягкая
Карликовая
Круглозерная
или
Остальные четыре вида можно охарактеризовать так: спельта—qq cc SS имеет ломкую
полупрочную ось, пленчатые семена; мягкая — QQ cc SS легко обмолачивается, имеет
прочную ось колоса, тенденцию к компактности; у круглозерной- QQ cc ss компактные
колосья, шаровидные семена; у карликовой — QQ CC SS компактные колосья.
Ген Q является супрессором спельтоидности и локализован в геноме А, гены С и S
находятся в геноме D и ответственны за компактность колоса и круглозерность
соответственно. Поэтому в настоящее время все гексаплоидные виды рассматриваются
как подвиды Т. aestivum (табл.2).
Таким образом, усилиями многих исследователей были воспроизведены основные
этапы эволюции мягкой пшеницы.
Следующей важной проблемой было определение генетической структуры мягкой
пшеницы.
4 лекция
Открытие, изучение и использование анеуплоидов – 2 часа
Сложная геномная структура мягкой пшеницы и большое число групп сцепления
затрудняют проведение генетического анализа пшеницы обычными методами,
пригодными для изучения диплоидных видов, таких как ячмень, кукуруза и др. Растения
мягкой пшеницы с 42 хромосомами в соматических клетках, образующих 21 бивалент в
мейозе, являются дисомиками (2п), т.е. хромосома набора имеет себе пару. Отсутствие
одной хромосомы (2n=I) образует моносомик, в соматических клетках такого растения 41
хромосома, а в метафазе мейоза наблюдается 20 бивалентов и I унивалент (20”+II).
При утере двух гомологичных хромосом (2n-2=40,20”) возникает нуллисомик.
Добавление к основному набору одной хромосомы создает трисомик (2n+2=44,22”).
Растение пшеницы, у которого в результате поперечного деления унивалента в районе
центромеры, утерено одно плечо, называется монотелоцентриком (МТ=2n=40+T=20”+T).
Дителоцентрик – растение с 42 хромосомами в наборе, но в одной из
гомологичных пар утеряно одно плечо у обеих гомологов (ДТ=2n=40+TT=20”TT).
Моноизосомик – (20”+i); дителотрисомик- (20”+(t”)Iш ; монотелотрисомик- (2”+tIш). Выше
перечисленные обозначения анеуплоидов у Triticiantae приняты в соответствии с
международной номенклатурой.
Появление анеуплоидов у пшеницы отмечено многими исследователями. Еще в
1938 году Love получил несколько различных моносомиков в потомстве от скрещиваний
между T. durum (2n=28) и T.vulgare (2n=42). Кихара описал моносомики в производных
гибридов T. polonicum L. {2n=28}x T.spelta {2n=42} и описал поведение унивалентной
хромосомы в мейозе. При использовании серии анеуплоиов, а также созданных на их
основе полных наборов моно – и дителоцентрических линий была проведена генетическая
идентификация всех хромосом. Благодаря этому стало возможным судить о генетическом
вкладе каждой из хромосом в наследовании различных признаков пшеницы, локализовать
гены в хромосомах. При наличии полных наборов моносомных линий стали возможными
межсортовое и чужеродное замещение и добавление любой пары хромосом в
реципрокный сорт от разных доноров других сортов, видов и родов.
5 лекция
Первоначальная нумерация хромосом и отнесение их к соответствующим
геномам –2 часа
При идентификации хромосом по их принадлежности к разным геномам Сирс
сначала установил хромосомы генома Д, входящие в кариотип пшеницы. Для этого он
скрещивал моносомные растения, относящиеся к различным линиям по недостающей
хромосоме, с полбяной пшеницей T.dicoccum {2n=28}. Подсчет бивалентов и унивалентов
в растениях F1 помог выявить, относится ли хромосома к геному Д или к А и В геномам.
Если образовался моносомик по Д геному, то в метафазе I мейоза насчитывали 6
унивалентов, если – по А или В геномам, то – 8. Ниже приведена схема идентификации
хромосом мягкой пшеницы, относящихся к разным геномам:
Геном А
гаметы
гаметы
моно-АВД
х А1В1
677
77
F1моно-АА1А1ВВ1Д
6II+II+7II+7I=13II+8I
Геном В
гаметы
гаметы
моно-АВД
х А1В1
767
77
F1моно-АА1ВВ1ВД
7II+6II+II+7I=13II+8I
Геном Д
гаметы
гаметы
моно-АВД
х А1В1
776
77
F1моно-АА1ВВ1Д
7II+7II+6I=14II+6I
Для разделения хромосом А и В геномов Окамото (19620 применил другую
методику, использовав полученные к тому времени моно-телоцентрические линии у сорта
Чайниз Спринг. Четырнадцать моноцентрических линий, относящихся к геномам А и В
были опылены синтезированным амфидиплоидом ААДД (T. aegilopoides x Ae. squrrosa
2n=4x=28). Если у исследуемого растения F1 был в наличии телоцентрик из А генома, то
он конъюгировал с А хромосомой амфидиплоида и образовывал неравный
гетероморфный бивалент, если имелся телоцентрик из В генома, то он конъюгировал и
был в виде одноплечего унивалента. Так удалось идентифицировать все хромосомы,
относящиеся к А и В геномам.
6 лекция
Установление семи гомеологичых групп хромосом у T. aestivum – 2 часа
Е.Р.Сирс в 1954 году создал серии анеуплоидов, включающих нуллисомики,
трисомики, тетрасомики, моно-и дителоцентрики по всем хромосомам мягкой пшеницы –
Чайниз Спринг. Эта работа позволила ему разработать новую номенклатуру хромосом,
разделив их на гомеологические группы по геномам (табл.1).
Таблица 1
Нумерация хромосом мягкой пшеницы по их принадлежности к определенному
геному и гомеологичной группе
Геном А
новая
IA
2А
3А
4А
5А
6А
7А
Геном В
старая
XIV
II
XII
IV
IX
VI
XI
новая
IB
2В
3В
4В
5В
6В
7В
Геном Д
старая
I
XIII
III
VIII
V
Х
VII
новая
IД
2Д
3Д
4Д
5Д
6Д
7Д
новая
ХVII
ХХ
ХУI
ХУ
ХVIII
XIX
XXI
Он показал, что гомеологичные хромосомы способны до известной степени
компенсировать отсутствующую хромосому. На основании явлений компенсации все
хромосомы T.aestivum были разбиты на следующие семь групп: 1) ХIV, I, ХVII; 2) ХIII, II,
XX; 3) ХII, III, ХVI; 4) IV, VIII, ХV; 5) IХ, V, ХVIII; 6) VI, Х, ХIХ; 7) XI, VII, XXI.
Способность одной хромосомы в экстра дозе компенсировать нарушение,
обусловленное отсутствием другой, является показателем сходства их генетической
активности. Три хромосомы каждой из семи групп, обладающие такой способностью
были названы гомеологичными. Распределение гомеологичных хромосом по группам и
геномам показало, что каждая гомеологичная группа содержит по одной хромосома из
каждого генома (А,В,Д) и что каждый геном имеет по одной хромосоме из каждой
гомеологичной группы. Все хромосомы А и В геномов T.aestivum были объединены и
пронумерованы от I до XIV, а хромосомы Д генома, произошедшего от Ae. squrrosa были
обозначены цифрами от ХV до ХХI.
Длительное время хромосомы мягкой пшеницы нумеровались римскими
цифрами. Е.Р.Сирс (1958), исходя из данных проведенных исследований, предложил
обозначить их арабскими цифрами с указанием генома. Такое обозначение более удобно,
поскольку сразу видно, к какому геному относится данная хромосома.
7 лекция
Стабильность нуллисомиков и моносомных линий – 2 часа
Нуллисомики вследствие ярко выраженных у них фенотипических различий и
цитологической стабильности, представляет собой наиболее удобный материал для
различных целей, включая создание новых моносомных серий и замещение хромосом.
Все гаметы нуллисомиков лишены одной опреелнной хромосомы, и в случае конъюгации
их потомство от самоопыления является однородным нуллисомиком. Однако их част не
удается поддержать, так как большинство из них стерильны по женской или мужской
линиям. Ниже приведена характеристика нуллисомных, моносомных, тетра и трисомных
линий по Сирсу (1954):
Гомеологичная группа I (хромосомы: IВ(I), IА (XIV), IД (ХVII))
Нуллисомики уступают по росту нормальным растениям, имеют более рыхлые
колосья и более жесткие чешуи. Полностью стерильны по мужской и женской линии.
Наиболее существенное действие оказывает нуллисомия по хромосоме IД. Тетрасомики
имеют слегка имеют слегка ослабленную фертильность, особенно по хромосоме IА.
Моносомики и трисомики при благоприятных условиях нормально фертильны.
Гомеологичная группа 2 (хромосомы: 2В (II), 2А (XII), 2Д (ХХ))
Резко отличающаяся группа. Все три нуллисомика резко выраженные карлики, с
сильно пониженной кустистостью. Все мужские фертильны, но стерильны по женской
линии. Колосья имеют тонкие чешуи и являются полностью безостыми. Все три
тетрасомика визуально неразличимы, имеют низкие стебли, узкие листья, увеличенную
длину остей, чешуи несколько плотнее, чем у нормальных растений. Трисомики
отличаются от нормальных по более узким листьям и более длинным остям.
Моносомики имеют более грубые колосья, чем нормальные растения, слегка
укороченные ости и в обычных условиях, сниженную фертильность. В этой группе
максимальное влияние оказывает хромосома 2В, наиболее слабое – хромосома 2Д.
Гомеологичная группа 3 (хромосомы: 3В (III), 3А(XII), 3Д (XVI))
Нуллисомики этой группы отличаются в фазе всходов по узким, коротким,
жестким листьям. Зрелые нуллисомные растения- карлики с узкими листьями и
короткими колосьями фертильны по мужской и женской линии, но по нулли 3Д
фертильность в обоих случаях очень низкая. Моносомики, трисомики и тетрасомики
близки к номальным, но у тетрасомиков снижена фертильность особенно в верхней части
колоса. Тетрасомики запаздывают с созреванием. Максимальное влияние оказывает
хромосома 3Д, минимальное - 3А.
Гомеологичная группа 4 (хромосомы: 4В (VIII), 4A (IV), 4Д (ХV))
Это наиболее гетерогенная из всех 7 групп. Хромосомы 4А (IV) и 4Д (ХV)
обладают сходным действием, хромосома 4В (VIII) резко отличается от них. Нуллисомики
по всем трем хромосомам имеют узкие листья и нежные стебли. Зрелые растения
карликовые и мужские стерильные.
Гомеологичная группа 5 (хромосомы: 5В (V), 5A (IХ), 5Д (ХХIII))
Хромосомы этой группы имеют общую тенденцию увеличивать диаметр стебля и
ширину листьев. Все нуллисомики имеют узкие листья и тонкие стебли, у тетрасомиков
стебли толще, чем у нормальных растений. Все нуллисомики позднеспелые. Их колосья
уменьшенного размера и имеют мелкие чешуи и зерно. Они фертильны по женской линии
и стерильны по муской. Хромосома 5Д оказывает наиболее сильное влияние, хромосома
5А немного более сильное, чем хромосома 5В.
Гомеологичная группа 6 (хромосомы: 6А (Х), 6A (VI), 6Д (ХIХ))
Нуллисомики этой группы характеризуются узкими листьями, нежными
стеблями и узкими, выступающими колосковыми чешуями, придающими колосьям
странный вид. Все три нуллисомика женские фертильны, хотя фертильность может
снижаться вследствие пистиллоидности. Нулли 6А и особенно, нулли 6Д до некоторой
степени мужски фертильны. Моносомики, трисомики и тетрасомики мало отличаются от
нормальных. Хромосома 6Д наименее существенна в этой группе, хромосома 6В
возможно наиболее существенна. Нуллисомики по этой хромосоме у безостого сорта
Чайниз Спринг имеют длинные ости.
Гомеологичная группа 7 (хромосомы: 7В (VII), 7A (ХI), 7Д (ХХI))
Нуллисомики этой группы мало отличаются от нормальных растений в начале
развития. Зрелые различимы по незначительному уменьшению мощности развития и
высоты и некоторым особенностям колос. Фертильность нулли 7А и 7Д почти
нормальная, у 7В уменьшенная в связи с пистиллоидностью. Моносомики и трисомики в
основном нормальные, все тетрасомики имеют уменьшенные размеры и фертильность.
Они относятся к самым слабым по развитию из всех серий.
Нуллисомики по всем группам являются карликами и полукарликами: их высота
колеблется от 1/3 до 1/5 высоты нормальных растений, листья их короче и уже листьев
нормальных растений за исключением нуллисомиков по хромосоме 2А (2 группа),
растения которой имеют короткие, но широкие листья. Нуллисомики 2 группы фертильны
по мужской линии, но стерильны по женской, полностью стерильны в группе 1, мужски
стерильны по группам 4 и 5, фертильность заметно снижена по сравнению с нормальными
растениями в группах 6 и 7. В группах 6 и 7 фертильность снижется в связи с
пистиллоидностью. Нуллисомики по группам 4,5,6 имеют тонкую, нежную соломинку.
Интересно отметить, что нуллисомики Чайниз Спринг по хромосомам 4В и 6В
имеют длинные прямые ости. Отмечено, что у нуллисомиков по хромосоме 4А (4 группа)
4Д пыльники растрескиваются, пыльца имеет нормальный вид, но не способна к
оплодотворению.
Тетрасомики часто имеют пониженную фертильность. Особенно это проявляется
у тетрасомиков по хромосомам 4а, 7А, 1В и 2В. В условиях, благоприятных для развития
растений, большинство моносомиков сорта Чайниз Спринг не отличаются от дисомиков,
но при менее благоприятных обстоятельствах они отклоняются от нормальных в сторону
соответствующих им нуллисомиков. У одних сортов пшеницы фенотипы моносомиков
могут более отклоняться от нормы, чем у других.
Из всего набора моносомных линий Чайниз Спринг только две, а именно 5А и
5Д, фенотипически отличаются от дисомиков.
8 лекция
Методы создания серий моносомных линий – 2 часа
Использование анеуплоидов для генетических исследований пшеницы
проводится в основном по трем направлениям: 1) создание новых серий моносомных
линий у перспективных сортов; 2) моносомный анализ качественных и количественных
признаков; 3) замещение хромосом.
Новые серии моносомных линий создаются для сортов, наиболее
приспособленных к определенным природным условиям, а также для тех, по которым в
дальнейшем предполагается создание замещенных линий. Чаще всего это делают на
основе набора анеуплоидов сорта Чайниз Спринг. В современной практике моносомные
линии любого сорта получают путем возвратных скрещиваний с каждым из моносомиков.
Работа ведется по следующей схеме:
1.Растения Чайниз Спринг, моносомные по каждой из 21 хромосомы,
скрещиваются с сортом, у которого создается новая серия. Моносомные растения
используются в качестве материнской формы. В потомстве появляются растения двух
типов – моносомные и дисомные по данной хромосоме.
2.Отобранные путем цитологического анализа растения все линий скрещивают
вновь с тем же сортом, т.е. осуществляются первое возвратное скрещивание, или первый
беккросс. Потомство от него получается опять смешанное, состоящее из моносомиков и
дисомиков.
3.Моносомные растения в каждом поколении скрещивают возвратно с тем же
сортом не менее шести раз до воссоздания генотипа скрещиваемого сорта. Полученный в
шестом беккроссе моносомик генетически почти идентичен отцовскому сорту.
Унивалентная хромосома, как правило, остается идентичной материнскому сорту.
Представленный ниже рисунок поясняет создания серии моносомных линий (рис. 2):
1
Рис.2. Схема создания
новой серии моносомных
линий яровой мягкой
пшеницы сорта
Казахстанская 126 (1моносомные линии яровой
пшеницы Чайниз Спринг, 2Казахстанская 126, 3моносомные линии яровой
пшеницы сорта
Казахстанская 126
2
2n-1=41
2n=42
2n-1=41
2n=42
3
2n-1=41
2n=42
Работа с анеуплоидами пшеницы требует постоянного контроля количества
хромосом в клетках каждого растения, так как моносомные растения при благоприятных
условиях выращивания не отличаются о дисомных по генотипу. Исключение составляют
растения Чайниз Спринг по хромосоме 5А, которые имеют спельтоидный колос, на что
указывали многие исследователи. Моносомные растения по хромосоме 5Д при обычном
весеннем посеве отличаются от нормальных позднеспелостью. В новой серии
моносомных линий по сорту Казахстанская 126 выделены 6 хромосом: 3А, 5А, 7А, 4В, 6В
и 5Д, каждая из которых несет отдельно маркерные гены, определяющие треугольный
вырез у основания ости, спельтоидный тип колоса, узкоскошенное скошенное плечо,
остистость у гибридов F1, позднеспелость соответственно, что также дает возможность
выделять моносомики по фенотипу без цитологического анализа. Несмотря на то, что
иногда удается выделить моносомные растения без цитологического анализа,
исследования с использованием анеуплоидов требует постоянной и кропотливой работы
по цитологическому контролю количества хромосом.
9 лекция
Возникновение линии с телоцентрическими и изохромосомами – 2 часа
Другой вид цитологических нарушений, обнаруженных Сирсом в кариотипе
пшеницы Чайниз Спринг привел к созданию телоцентрической хромосомы.
Неправильные поперечные деления хромосом – унивалентов в районе центромеры как в
первом, так и во втором делениях мейоза приводят к утере одного из плечей хромосомы и
образованию телоцентрической хромосомы. Телоцентрические хромосомы часто
образуют затем изохромосомы. Последние формируются при редупликации
телоцентрических хромосом и развертывании образовавшихся при удвоении хроматид на
1800 (рис. 1). Телоцентрические хромосомы можно идентифицировать в М1 по их малому
размеру и отсутствие изгиба, но легче всего телоцентрики иденифицировать в А1, когда
они располагаются между двумя полюсами под прямым углом к оси веретена, с
центромерой в терминальном положении.
разрыв
А
Б
В
Г
Д
Рис. 1. Вероятное происхождение изохромосом из унивалентов. А- исходоне
состояние и разрыв хромосомы; Б и В – телоцентрические хромосомы; Г и Д –
возникновение изохромосомы
Изохромосому значительно легче отметить в М1, чем в А1. Обычно, она лежит
вне пластинки и бывает толще, чем цельная моносома, форма ее варьирует от круглой до
овальной в зависимости от длины плеча, по которому она образовалась.
Влияние 5В хромосомы мягкой пшеницы на конъюгацию хромосом - 2 часа
Выше было показано, что гомеологичные хромосомы, происходящие от разных
диплоидных предков мягкой пшеницы генетически родственны. Однако в мейозе
конъюгации между гомеологичными хромосомами разных геномов не наблюдается, а
всегда образуется 21 бивалент в результате конъюгации только гомологичных хромосом.
Отсутствие конъюгации между гомеологичными хромосомами объясняется подавлением
процесса конъюгации между ними активностью 5В хромосомы.
Сирс и Окамото (1958), Райли и Чепман (1958) было установлено, что в
присутствии 5В хромосомы у мягкой пшеницы в конъюгацию вступает только гомологи, а
в отсутствие ее образуются мультиваленты. Ими также было установлено, что механизм
управляющий образованием только бивалентов, эффективен и в гемизиготном состоянии.
Поскольку изучение всех остальных нуллисомиков не обнаружило влияние на мейоз,
сходного с действием 5В хромосомы, был сделан вывод, что ген, подавляющий
конъюгацию гомеологичных хромосом, не дублирован ни водной другой хромосоме
T.aestivum. Знание этой системы позволяет в какой-то мере использовать ее в
практической селекции. Так отсутствие 5В хромосомы пшеницы при межродовых
скрещиваниях может облегчить передачу генов, ответственных за хозяйственно-ценные
признаки от близких родов мягкой пшеницы. Следовательно, генетические разнообразие
ржи, эгилопса и пырея может быть использовано для улучшения пшеницы.
10 лекция
Использование серий нуллисомиков и моносомиков для генетического
анализа – 4 часа
Для создания серии анеуплоидов изучение количественных признаков связанных
с продуктивностью растений, осуществлялось исключительно путем гибридологического
анализа. Однако, изучение генетики количественных признаков традиционным методом
гибридологического анализа не дает возможности локализовать гены, контролирующие
эти признаки в определенных хромосомах .
При проведении моносомного анализа, сорт по которому предстоит выявить
генетический эффект отдельных хромосом в развитии определенного признака,
скрещивают с каждой из 21 моносомных линий используемых в качестве женского
родителя. Из популяции дисомиков и моносомиков в поколении F1 цитологически
идентифицируются и выделяются момносмные растения, у которых унивалентная
хромосома происходит от исследуемого сорта – донора. Если моносомный родитель
гомозиготен по рецессивному аллелю и рецессивный признак проявится в определенной
линии в гемизиготном состоянии (моносомном), то анализ моносомных растений в
поколении F1 позволяет локализовать рецессивный ген, контролирующий исследуемый
признак.
Локализацию доминантного гена в определенной хромосоме моно провести
только в расщепляющемся поколении F2 по отклонению от ожидаемого соотношения
доминантных и рецессивных фенотипов. Если признак контролируется одним
доминантным геном в подавляющем большинстве семей F2
будет наблюдаться
расщепление по фенотипу в отношении 3:1. Если исследуемый признак контролируется
двумя генами, то в поколении F2 будет наблюдаться расщепление по фенотипу в
отношении 9:7 (9:3:3:1); 13:3 или 15:1. Потомство F2 резко отличающееся по соотношению
выщепенцев от ожидаемого позволяет выделить «критические» хромосомы несущие гены,
оказывающие влияние на проявление признака.
Для проверки соответствия полученных данных теоретически ожидаемым
применяют метод хи-квадрат (х2). В процессе создания новой серии моносомных линий
сорта Казахстанская 126 были локализованы гены контролирующие ряд количественных и
качественных признаков у исходного сорта Казахстанская 126.
Качественный признак
Пример 1. Окраска колоса. Целью работы является локализация гена Rg у сорта
Казахстанская 126 с помощью метода моносомного анализа. На основании изучения
гибридов F2 от скрещивания моносомных линий Чайниз Спринг с Казахстанской 126.
Изучаемый сорт Казахстанская 126 относится к разновидности var. ferrugineum,
следовательно, он должен иметь в гомозиготном состоянии ген Rg и генотип сорта в
отношении окраски Rg Rg. Сорт Чайниз Спринг – T.aestivum L.var.lutescens Al., его
генотип –rgrg.
Ниже представлены генотипы и фенотипы моносомных и дисомных гибридов F1
сорта Чайниз Спринг и Казахстанская 126:
Дисомики
Чайниз
Спринг
Казахстанская 126
Rg
Rg
Rgrg
красный
Rgrg
красный
Rg
Rg
Rgrg
красный
Rgrg
красный
Моносомики
Моно-IВ
Чайниз
Спринг
rg
Казахстанская 126
Rg
Rg
-
Rgrg
красный
Rg красный
Rgrg
красный
Rg красный
По данным этой таблицы видно, то гибриды F1 теоретически должны иметь
красные колосья, как у дисомных, так и у моносомных растений, если это не меняет
выраженности в геми- и гетерозиготном состоянии.
При анализе F2 отмечено варьирование по интенсивности окраски колоса.
Гибриды дисомных растений Ч.С. х Каз.126 расщеплялись в соотношении 15
окрашенных: I белый (х2=0,34), что говорит о наличии двух генов определяющих окраску
колоса.
Таблица 2 - Наследования признака окраски колоса в популяциях F2
Данные
опытные
ожидаемые q
отклонения d
d2
q
Х2 = Σ d 2
q
опытные
ожидаемые q
отклонения d
d2
q
Х2 = Σ d 2
q
опытные
Хром
о
сома
2А
Частота классов
красный
белый
124
121,88
2,12
4,49 =0,04
121,88
6
8,12
-2,12
4,49 =0,55
8,12
Общий
объем
выборки
130
Х2 при 15:1
0,59
0,04+0,55=0,59
2В
112
105
7
49 = 0,46
105
0,46+7= 7,46
0
7
7
49 = 7
7
112
7,46*
6А
102
13
115
4,99*
ожидаемые q
отклонения d
d2
q
Х2 = Σ d 2
q
опытные
контр
оль
ожидаемые q
отклонения d
d2
q
107,8
5,8
33,64 = 0,31
107,8
0,31+4,68=4,99
7,18
5,8
33,64 =4,68
7,18
124
10
125,62
1,62
2,64 = 0,02
125,62
8,37
1,62
2,64 =0,32
8,37
134
0,34
Х2 = Σ d 2
0,02+0,32=0,34
q
*- Х2 0,95=3,80; Х2 0,99=6,60
Критическими хромосомами являются IВ и 6А. Следовательно, Казахстанская
126 по окраске колоса имеет генотип Rg I Rg I Rg 3 Rg 3.
Количественный признак
Пример 2. Высота растений. За последние 30 лет внимание селекционеров всего
мира привлекает создание высокопродуктивных сортов пшеницы интенсивного типа с
урожайностью порядка 60-80 и выше ц/га. В связи с этим проведен ряд исследований
имевших целью локализовать в определнных хромосомах гены контролирующие высоту
сорта Каз.126. Создание короткостебельных сортов является наиболее эффективным
приемом повышения устойчивости к полеганию при орошении и высоких дозах
удобрений.
По характеру наследования длины стебля пшеницы имеется обширный
фактический материал, свидетельствующий о полигенном характере наследования этого
признака.
После уборки проведено измерение растений моносомных и дисомных
популяций F2 от скрещивания всех моносомных линий Чайниз Спринг с Казахстанской
126.
Измерения проводились на главном побеге с точностью до 0,5 см. от узла до
основания колоса. Результаты измерений растений F2 приведены в таблице 3.
Таблица 3
Высота растений F2 от скрещивания моносомных линий Чайниз Спринг с сортом
Казахстанская 126
Моносомные,
дисомные
гибриды F2 и
родительские
формы
МоноIА
IВ
Всего растений
М+m
+ от контроля
t
225
229
79,54+0,22
101,21+ 0,11
-13,88
+7,79
53,38*
43,28*
2А
3В
4В
7А
Чайниз Спринг
Казахстанская
126
F2 (Ч.С. х
Каз.126)
130
158
178
180
111
112
77,65+ 0,15
72,15+ 0,13
71,09+ 0,14
69,87+ 0,11
87,59+ 0,09
97,92+ 0,14
223
93,42+ 0,09
-15,77
-21,27
-22,33
-24,55
75,10*
111,95*
111,65**
175,39**
*- достоверное различие между средними значениями гибридных
популяций и контроля при Р =0,99
**- при Р =0,999
t – коэффициент Стьюдента
Как видно из таблицы 3, у сорта Каз.126 на развитие длины стебля существенно
влияют гены, расположенные в хромосомах 7А и частично в хромосомах второй, третьей
и четвертой гомеологичных групп, вероятно эти хромосомы несут основные гены,
влияющие на высоту растения.
11 лекция
Метод создания серий с межсортовым замещением хромосом – 2 часа
После получения набора моносомных линий желаемого сорта хромосомы от
других сортов могут быть перенесены путем создания линий с замещением хромосом.
Будут рассмотрены 3 метода получения замещенных линий, которые обсуждались в
широко известных работах Сирса и Унрау с сотр. Эти методы различаются в основном
типом анеуплоида, который используется в качестве материнской родительской формы
для повторных скрещиваний. Материнскую или отцовскую форму, используемую
многократно при возвратных насыщающих скрещиваниях, называют «Повторным
родителем». В первом методе таким «повторным родителем» является нуллисомик, во
втором методе – моносомик (унивалент при этом – целая двуплечая хромосома), в третьем
методе – монотелоцентрик (унивалент- телоцентрическая, одноплечая хромосома).
Основная схема замещения хромосом одинакова для всех трех методов.
Метод 1.
1 этап. Нуллисомик Чайниз Спринг, у которого отсутствует определенная пара
хромосом, скрещивается в качестве материнского компонента с избранным сором
донором.
2 этап. Все растения F1 – моносрмики, причем унивалентная хромосома
происходит от сорта донора. Моносомики F1 по данной хромосоме скрещивают как
отцовский компонент с нуллисомиком (♀) Чайниз Спринг («повторный родитель»).
3 этап. В пототстве ВСI от первого возвратного насыщающего скрещивания с
«повторным родителем» имеются два типа растений: примерно 94-99% моносомиков с
унивалентной хромосомой от сорта –донора и 1-6% нуллисомиков. Пыльцой моносомных
растений снова опыляют соответствующие нуллисомики Чайниз Спринг. Подобные
насыщающие скрещивания проводят шесть-восемь раз в зависимости от того, насколько
сильно различают меду собой генотипы сортов донора и реципента.
После заключительного беккросса моносомики самоопыляют и в последующем
поколении отбирают дисомные растения (примерно 24%), у которых в соматических
клетках содержится 40 хромосом от Чайниз Спринг и одна пара хромосом от сорта –
донора. Для получения полной серии замещения подобная работа должна проводиться по
каждому из 21 нуллисомиков.
Описанный метод 1 имеет ограниченное применение, так как большинство
нуллисомиков, за исключением 7В,7Д, 1В представляют собой растения стерильные, что
затрудняет их свободное использование в скрещиваниях.
Метод 2
1этап. В каждой из моносомных линий реципентного сорта отбирают
моносомное растение и опыляют его донорским сортом. Из смешанного потомства F1
путем цитологического анализа выделяют моносомики.
2этап. Проводится самоопыление моносомиков F1, отбирают дисомики, которые
гомозиготны по хромосоме донора.
3этап. Применяют возвратное скрещивание моносомиков каждой линии с
гомозиготным по донорской хромосоме дисомиком F2. Соответствующий моносомик при
этом представляет собой «повторного родителя».
4 этап. Потомство от беккроссов снова изучают цитологически, отбирают
моносомики и их дисомное потомство, получаемое от самоопыления, скрещивают с
соответствующим моносомиком реципентного сорта, который используют как
материнскую форму. Эти процессы самоопыления и скрещивания повторяют до тех пор,
пока генотип реципента по 20 хромосомам не восстанавливается на 98-99% через 12
чередующихся поколений беккросса самоопыления: унивалентная хромосома от сорта
донора остается неизменной. Ниже представлена схема замещения хромосом:
Р: (♀) 20II К.126 + IК.126 х ♂21II тимштейн
дисомик
моносомик
20К.126
+ 1 К.126
20 К.126+1 тимштейн
20 тимштейн
1 тимштейн
20тимштейн
ВСI 20II К.126 + I К.126 х К.126 + I тимштейн
20 тимштейн
Последний тип скрещивания повторяют в течение пяти-шести поколений. На
заключительном этапе отбираю моносомики, после их самоопыления выделяют в
потомстве дисомики 20II К.126 + III тимштейн.
Метод 3
Реципентной формой является серия монотелоцентрических линий.
Схематично работу по методу 3, когда реципентном избрана серия
монотелоцентриков Чайниз Спринг (Ч.С.), а сортом – донором Казахстанская 126
(Каз.126), можно изобразить следующим образом:
Р: ♀ 20II Ч.С. + Тело – Ч.С. х ♂ 21II К.126
дисомик
моносомик
20 Ч.С. + Тело Ч.С.
20 Ч.С. + I К.126
20 К.126
I К.126
20 К.126
ВСI 20II Ч.С. + Тело Ч.С. х 20 Ч.С. + I К.126
20 К.126
Последний тип скрещивания повторяют в течение 5-6 поколений. В
заключительном этапе отбирают моносомики, после их самоопыления выделяют в
потомстве дисомики 20II Ч.С. + I К.126.
12 лекция
Замещение хромосомы, вовлеченной в реципрокную транслокацию – 2 часа
Влияние транслокации на процесс замещения хромосом показано на примере
скрещивания моносомика Чайниз Спринг по хромосоме Х (♀) с сортом Тэтчер (♂). У
моносомных растений F1 в метафазе I образовалось 19 бивалентови цепь из трех хромосом
IV о Чайниз Спинг, IV-X и X-IV от Тэтчер.
Если хромосомы в метафазе I образуют цепь из трех хромосом, то в результате их
расхождения в анафазе 20- хромосомные гаметы гибрида будут нести хромосому IV от
Чайниз Спринг, а 21 – хромосомные гаметы – хромосомы с транслоцированными
сегментами IV-X и X-IV от сорта Тэтчер. Поскольку при самоопылении гибридов F1 эти
21 хромосомные гаметы образуют потомство дисомики, используемые для
беккроссирования с моно- Х Чайниз Спринг, моносомные растения в F1 и последующих
поколениях беккросса будут иметь следующую хромосомную конституцию: 19 II + цепь
их трех хромосом. В участках хромосом IV сорта Чайниз Спринг, будет происходить
кроссинговер в F1 и во всех поколениях беккроссах и гены, полученные от сорта донора
будут замещаться аллелями от Чайниз Спринг. Замещающаяся хромосома от Тэтчер,
гомологичная паре хромосом Х сорта Чайниз Спринг, будет делиться между двумя
парами хромосом IV-X и X-IV. Схему замещения хромосом можно изобразить
следующим образом:
РI моно-Х Чайниз Спринг (♀) х Тэтчер (♂)
F1 19 Ч.С. + Ч.С. IV
+ Т.Х- IV
19 Т.
Т. IV-X
В F1 и последующих беккроссах с моно-Х чайниз Спринг (♀) при опылении
наиболее вероятно функционирют следующие типы гамет: IV-X + X-IV; Ч.С. IV + X-IV;
Ч.С. IV + IV- X. В потомстве беккросса образуются моносомики трех типов:
19 Ч.С.
19 Т.
+ Ч.С. IV
Т. IV-X
+ Х- IV;
19 Ч.С.
19
+ Ч.С. IV
Ч.С.IV
+ Х- IV;
19 + Ч.С. IV
+ IV- Х.
19
Ч.С.IV
У каждого из моносомиков образуется в метафазе I цепь из трех хромосом.
Частота кроссинговера будет зависеть от степени сходства транслоцированных сегментов
с соответствующими участками гомологичных хромосом анеуплоидной пшеницы.
13 лекция
Метод реципрокного замещения хромосом – 2 часа
Возможность создания моносомных линий с одновременным получением серий с
теплоцентрическими хромосомами и реципрокным замещением обсуждается в работах Ло
(1968). Автор предлагает при создании моносомных линий скрещивать изучаемый сорт с
моносомиками Чайниз Спинг, а затем использовать моносомное растение F1 не только
для возвратного скрещивания с исходным сором, но и одновременно скрещивать
момносомики из F1 с дителоцентриком Чайниз Спринг по хромосоме, переводимой в
моносомное состояние. Ниже приведена схема одновременного создания моносомной и
монотелоцентрической линий:
В результате получаемые монотелоцентрические растения позволяют
одновременно проверять отобранный в F1 моносомик для выявления «смены унивалента»
и начать работы по замещению гемизиготной линией Чайниз Спринг. Замещение может
проводиться вместе с беккрссированием для получения моносомной серии, н будет
задерживаться на год, т.е. отставать на одно поколение. В результате можно создать
полную серию моносомных линий у сорта А и на одно поколение позже – 21 линию
монотелоцентриков. Эта методика сокращает время на создание реципрокного замещения
хромосом. Возможность проведения такой схемы замещения будет зависеть от того: 1)
будет ли у других сортов жизнеспособны растения, у которых утеряны плечи хромосом и
замещены телоцентрической хромосомой от Чайниз Спринг;
Моносомик Чайниз Спринг
х
сорт А
F1 моносомик
х
сорт А
Моносомик ВС1
х
сорт А
Моносомик ВС2
х
сорт А
Моносомик ВС3
х
сорт А
моносомик сорта А
моносомик F1
х
дителоцентрик Чайниз Спринг
моносомик ВС1
х
монотелоцентрическая линия
2) будут ли монотелоцентрические линии достаточно фертильными при
использовании их пыльцы для опыления.
моносомик ВС2
х
монотелоцентрическая линия
моносомик ВС3
х
монотелоцентрическая линия
монотелоцентрическая линия А
14 лекция
Метод создания серий с межсортовым замещением хромосом – 2 часа
После получения набора моносомных линий желаемого сорта хромосомы от
других сортов могут быть перенесены путем создания линий с замещением хромосом.
Будут рассмотрены 3 метода получения замещенных линий, которые обсуждались в
широко известных работах Сирса и Унрау с сотр. Эти методы различаются в основном
типом анеуплоида, который используется в качестве материнской родительской формы
для повторных скрещиваний. Материнскую или отцовскую форму, используемую
многократно при возвратных насыщающих скрещиваниях, называют «Повторным
родителем». В первом методе таким «повторным родителем» является нуллисомик, во
втором методе – моносомик (унивалент при этом – целая двуплечая хромосома), в третьем
методе – монотелоцентрик (унивалент- телоцентрическая, одноплечая хромосома).
Основная схема замещения хромосом одинакова для всех трех методов.
Метод 1.
1 этап. Нуллисомик Чайниз Спринг, у которого отсутствует определенная пара
хромосом, скрещивается в качестве материнского компонента с избранным сором
донором.
2 этап. Все растения F1 – моносрмики, причем унивалентная хромосома
происходит от сорта донора. Моносомики F1 по данной хромосоме скрещивают как
отцовский компонент с нуллисомиком (♀) Чайниз Спринг («повторный родитель»).
3 этап. В пототстве ВСI от первого возвратного насыщающего скрещивания с
«повторным родителем» имеются два типа растений: примерно 94-99% моносомиков с
унивалентной хромосомой от сорта –донора и 1-6% нуллисомиков. Пыльцой моносомных
растений снова опыляют соответствующие нуллисомики Чайниз Спринг. Подобные
насыщающие скрещивания проводят шесть-восемь раз в зависимости от того, насколько
сильно различают меду собой генотипы сортов донора и реципента.
После заключительного беккросса моносомики самоопыляют и в последующем
поколении отбирают дисомные растения (примерно 24%), у которых в соматических
клетках содержится 40 хромосом от Чайниз Спринг и одна пара хромосом от сорта –
донора. Для получения полной серии замещения подобная работа должна проводиться по
каждому из 21 нуллисомиков.
Описанный метод 1 имеет ограниченное применение, так как большинство
нуллисомиков, за исключением 7В,7Д, 1В представляют собой растения стерильные, что
затрудняет их свободное использование в скрещиваниях.
Метод 2
1этап. В каждой из моносомных линий реципентного сорта отбирают
моносомное растение и опыляют его донорским сортом. Из смешанного потомства F1
путем цитологического анализа выделяют моносомики.
2этап. Проводится самоопыление моносомиков F1, отбирают дисомики, которые
гомозиготны по хромосоме донора.
3этап. Применяют возвратное скрещивание моносомиков каждой линии с
гомозиготным по донорской хромосоме дисомиком F2. Соответствующий моносомик при
этом представляет собой «повторного родителя».
4 этап. Потомство от беккроссов снова изучают цитологически, отбирают
моносомики и их дисомное потомство, получаемое от самоопыления, скрещивают с
соответствующим моносомиком реципентного сорта, который используют как
материнскую форму. Эти процессы самоопыления и скрещивания повторяют до тех пор,
пока генотип реципента по 20 хромосомам не восстанавливается на 98-99% через 12
чередующихся поколений беккросса самоопыления: унивалентная хромосома от сорта
донора остается неизменной. Ниже представлена схема замещения хромосом:
Р: (♀) 20II К.126 + IК.126 х ♂21II тимштейн
дисомик
моносомик
20К.126
+ 1 К.126
20 К.126+1 тимштейн
20 тимштейн
1 тимштейн
20тимштейн
ВСI 20II К.126 + I К.126 х К.126 + I тимштейн
20 тимштейн
Последний тип скрещивания повторяют в течение пяти-шести поколений. На
заключительном этапе отбираю моносомики, после их самоопыления выделяют в
потомстве дисомики 20II К.126 + III тимштейн.
Метод 3
Реципентной формой является серия монотелоцентрических линий.
Схематично работу по методу 3, когда реципентном избрана серия
монотелоцентриков Чайниз Спринг (Ч.С.), а сортом – донором Казахстанская 126
(Каз.126), можно изобразить следующим образом:
Р: ♀ 20II Ч.С. + Тело – Ч.С. х ♂ 21II К.126
дисомик
моносомик
20 Ч.С. + Тело Ч.С.
20 Ч.С. + I К.126
20 К.126
I К.126
20 К.126
II
ВСI 20 Ч.С. + Тело Ч.С. х 20 Ч.С. + I К.126
20 К.126
Последний тип скрещивания повторяют в течение 5-6 поколений. В
заключительном этапе отбирают моносомики, после их самоопыления выделяют в
потомстве дисомики 20II Ч.С. + I К.126.
15 лекция
Цитогенетика мутантов пшеницы – 2 часа
Влияние транслокации на процесс замещения хромосом показано на примере
скрещивания моносомика Чайниз Спринг по хромосоме Х (♀) с сортом Тэтчер (♂). У
моносомных растений F1 в метафазе I образовалось 19 бивалентови Химический и
радиационный мутагенез используется в селекционной работе с растениями главным
образом как метод повышения разнообразия исходного материала для гибридизации.
Однако имеется ряд коммерческих сортов, которые были получены путем
непосредственного использования возникшего в эксперименте мутанта после
соответствующего отбора внутри мутантной линии и испытания ее в различных агротехнических и экологических условиях.
Больше всего подобных сортов у ячменя; у мягкой пшеницы в производство
выпущены четыре мутантных сорта, два из которых (Стадлер и Льюис) получены в
США опытной станцией Миссури в 1964 г. Мутанты, послужившие основой для
создания этих сортов, возникли после облучения семян тепловыми нейтронами. Оба
сорта высокоурожайные, устойчивые к полеганию, раннеспелые; сорт Стадлер, кроме
того, отличается хорошей зимостойкостью и прекрасным зерном. Два сорта созданы
в Индии Сваминатаном- N. Р. 836 (1961 г.) и Шарбати Сонора (1967 г.). Для
получения первого сорта был взят мутант, возникший после γ-облучения семян, а в
основе второго — мутант, полученный после комбинированного воздействия на семена γи ультрафиолетовыми лучами. Сорт N. Р. 836 остистый, высокоурожайный, устойчивый к
листовой ржавчине; Шарбати Сонора устойчив к полеганию, раннеспелый, с янтарной
окраской зерна, высоким содержанием в зерне белка, богатого лизином (3—4 г лизина
на 100 г белка, у исходного мексиканского сорта Сонора 64—2,2 г на
100 г
белка).
Два мутантных сорта твердой пшеницы, названные Кастельфузано и
Кастельпорциано, получены в Италии Скараччиа Муньоцца после облучения семян
тепловыми нейтронами. Оба сорта районированы в 1969 г. и отличаются высокой
урожайностью и устойчивостью к полеганию. Есть сообщение о том, что в скором
времени тем же автором будет выпущен третий сорт (Scarascia Mugnozza), 1968).
В СССР получено много перспективных мутантов мягкой пшеницы, главным
образом устойчивых к полеганию и различным грибным заболеваниям. Один мутантный
сорт Новосибирская 67 (Институт цитологии и генетики Сибирского отделения АН
СССР, автор И. В. Черный) проходит государственное сортоиспытание.
Таким образом, мутагенез оказался перспективным и в селекции пшеницы —
растения, имеющего очень сложную генетическую природу. Однако, до сих пор работы
по мутагенезу, проводившиеся с пшеницей, большей частью были довольно
примитивными. После воздействия различными мутагенами — излучениями и
химическими соединениями — отбирали в последующих поколениях мутанты,
описывали их и оценивали, исходя из возможности использования в селекции. Иногда
это делалось в разных экологических условиях, что, конечно, важно; иногда мутанты
использовали для гибридизации. Таким путем удалось иайти эффективные мутагенные
воздействия (Khvostova et al., 1965; Шкварников и др. 1967; Зоз 1966, 1969) и
установить некоторые особенности действия мутагенов на основе фенотипа
выделяемых мутантов (Эйгес, 1965; Шкварников и др., 1967; Зоз, 1966, 1969).
Однако для дальнейшей разработки эффективных методов экспериментального
мутагенеза этого мало. Необходимо знать генетическую природу возникающих
изменений, что имеет огромное значение и для подбора эффективных и специфически
действующих мутагенов, и для расширения и углубления понимания природы самих
пшениц. Первый аспект уже достаточно хорошо разработан для ячменя, генетика и
цитология мутантов которого необычайно полно и подробно изучается шведскими
учеными (Густафссон, 1968; Хагберг, 1968). Генетическое и цитологическое изучение
мутантов показало, например, что эректоидные формы ячменя могут возникать при
мутировании по крайней мере 26 разных локусов хромосом ячменя, а мутанты с
измененным восковым налетом — при мутировании 44. Мутабильность отдельных
локусов под воздействием разных мутагенов неодинакова. Особенно резки различия
между локусами по реакции на излучения с высокой ЛПЭ, т. е. линейной потерей
энергии (нейтроны, α-частицы), а из химических мутагенов —на сульфонаты
(Wettstein, Lundquist, 1968). ЭТИ данные о специфичности реакции определенных
участков хромосом на действие мутагенов очень важны при разработке методов
направленного мутагенеза.
Второй важный вопрос связан с использованием в селекции перестроек
хромосом. Шведскими исследователями показана перспективность применения в
селекции Линий с транс локациями и инверсиями, которые часто приводят к появлению
высокожизнеспособных и урожайных форм. Кроме того, разрабатываются методы
использования транслокаций с близко расположенными разрывами для получения
дупликаций, т. е. линий с удвоенными определенными локусами хромосом, что
позволит направленно усиливать желательный признак, например активность фермента
амилазы у ячменя.
Большое значение исследования мутантов для создания естественной
классификации пшениц показывают работы Мак Кея (Мас Кеу, 1966, 1968), Важно
также цитогенетическое изучение мутантов для полного понимания структуры пшеницы, для выявления всех потенциальных возможностей ее геномов (Swaminathan, 1966),
так как о наличии в хромосомах тех или иных генов можно узнать, только получив их
мутации. Поэтому лишь выявление большого количества мутаций у пшениц разной
плоидности, локализация мутантных генов, исследование взаимодействия мутантных
генов с разными условиями внешней среды (экология генов), с различными сочетаниями
других генов (влияние генотипической среды) могут вскрыть все возможности этого
очень важного культурного растения для использования его в сельском хозяйстве.
Сложная генетическая природа пшениц отражается и на особенностях их
мутирования. Доказано, что в трех геномах, входящих в состав генотипа мягкой
пшеницы, имеются гомеологичные хромосомы (см. гл. I), поэтому, очевидно, они несут
целый ряд одинаковых генов. Если это так, то в М 2 после воздействия мутагенами
должны выявляться лишь такие рецессивные мутации, которые происходят в генах, не
дублированных в гомеологичных хромосомах, т. е. лишь в тех, по которым мягкая
пшеница диплоидна. Если же гены повторяются в разных гомеологичных хромосомах,
то их мутации в М2 не выявятся. Это положение хорошо иллюстрируется частотой
хлорофильных мутаций, которые часто встречаются в опытах с 14- и 28хромосомными пшеницами и очень редки после воздействия мутагенами на 42хромосомные (Stadler, 1929; Swaminathan, 1966). Причина cостоит в том, ЧТО гены, обеспечивающие развитие хлорофилла, дублированы по крайней мере в двух геномах: D и,
видимо, А. Однако у некоторых индийских сортов 42-хромосомной пшеницы
хлорофильные мутации выявляются в М2. Вероятно, эти сорта имеют соответствующие
гены в диплоидном состоянии. Таким образом, опыты по мутагенезу позволяют
выявить, дублированы ли генй в гомеологических геномах у разных сортов мягкой
пшеницы. Наличие дублированных аллельных генов в разных геномах приводит и к
другому своеобразному явлению: 42-хромосомные пшеницы легче выносят потери и
дупликации
участков хромосом, я также нехватку целых хромосом (см. гл. III).
Подобное смягчающее влияние полиплоидии на выражение и проявление мутаций Мак
Кей (Мас Кеу, 1954, 1968) называет «буферностью».
Методы цитогенетического анализа мутантов пшеницы
В настоящее время всеми авторами, работающими по мутагенезу, условно принято
классифицировать возникающие наследственные изменения как макро- и микромутации.
Макромутациями называют изменения настолько резкие, что их удается выделить в М 2
в виде отдельных измененных растений. Необходимо отметить, что для отбора мутаций
нужно сеять потомство растений М1 (развивающихся из семян, обработанных
мутагенами) по семьям, считая за семью потомство отдельных колосьев. В сплошном
посеве выделить мутанты очень трудно, можно заметить лишь очень резкие уклонения,
которые у пшеницы часто связаны с крупными нарушениями хромосомного аппарата.
Микромутации — это слабые изменения какого-либо признака, которые удается
обнаружить, подвергая материал биометрической обработке. Данные литературы (Qаиl,
Aestveit, 1966; Borojevic, 1966; Scossiroli, 1968) показывают, что отбор можно начинать в
М3, которое получают, высевая потомство отдельных растений М 2. Однако лучше даже
в М3 отбор не вести, а высеять семена растений из каждой семьи в М 4 на нескольких
делянках (в двух-трех повторностях), а затем уже проводить отбор среди этих семей по
желательному признаку, для чего, конечно, необходима биометрическая обработка данных. В настоящее время убедительно показано, что воздействие мутагенами создает
большое генотипическое разнообразие и отбор по количественным признакам в
потомстве растений, обработанных мутагенами, дает положительные результаты, в то
время как в контрольных популяциях он малоэффективен или совсем неэффективен
(Scossiroli, 1968).
Отбираемые по фенотипу в М2 макромутации имеют различную генетическую
природу. Растения с одним и тем же фенотипом могут ловиться при изменении разных
генов (точковые мутации), а также вследствие крупных перестроек хромосом: утери
участков (нехватка), удвоения их (дупликация), обменов ими (транслокация), а также
утери или (реже) добавления целых хромосом. Эти различные изменения могут иметь
весьма сходный фенотипический эффект, что будет видно в дальнейшем при описании
отдельных типов мутантов. Однако первое указание на природу возникшего
изменения могут дать следующие тесты: 1) анализ пыльцы у мутантов и 2) наличие
или отсутствие расщепления в мутантных линиях. Отсутствие стерильной пыльцы и
константность мутантной линии обычно свидетельствуют о том, что возникшее изменение
представляет собой точковую мутацию. Подтверждением этого должен быть анализ
мейоза (бивалентов) на стадиях диакинеза и метафазы. Наличие 21 бивалента закрытого
типа у мутантов мягких пшениц подтверждает вывод о точковой природе мутации,
причем входящие в состав бивалентов гомологичные хромосомы по размеру и морфологии одинаковы (рис. 10). Следующим подтверждением будет расщепление в F2 при
скрещивании мутантов с исходной формой: наличие простого менделевского
расщепления (3:1, 1 : 2 : 1 ) свидетельствует о монофакториальной природе мутации.
Необходимо отметить, что у выделяемого мутанта часто оказывается измененным
ряд признаков. Так, например, мутант с интенсивно сизым восковым налетом на листьях
и соломине, выделенный у озимой пшеницы ППГ 186 в наших опытах, имеет, кроме того,
измененные колосковые пленки, форму куста и колоса. При скрещивании с исходной
формой оказалось, что все эти признаки наследуются независимо. Таким образом, у
выделенного мутанта произошло несколько независимых мутаций разных генов.
При наличии крупных перестроек хромосом большей частью выявляется
частичная стерильность пыльцы (у растений, гетерозиготных по транслокациям и
крупным инверсиям) и расщепление в мутантных линиях, благодаря тому, что у мягких
пшениц выживают растения с нехватками и дупликациями. Примером может быть
расщепление в мутантных семьях спельтоидов и скверхедов.
При наличии транслокации в гетерозиготном состоянии в диакинезе и метафазе I
мейоза наблюдаются кольца из четырех хромосом (рис. 11). Наличие крупных
инверсий приводит к появлению в анафазе I мейоза определенного процента клеток с
мостами и фрагментами, возникающими в результате перекреста в гетерозиготной
инверсии. Мелкие инверсии, дупликации, нехватки могут обусловливать ослабление
конъюгации хромосом и снижение частоты хиазм; тогда увеличивается количество
бивалентов открытого типа. При потере значительного участка хромосомы или при
большой дупликации могут быть обнаружены гетероморфные биваленты, в которых
конъюгирующие хромосомы имеют разную длину. Наконец, при утере целой
хромосомы выявляются 20II и II а при добавлении лишней хромосомы— 20II + II (рис. 12).
Все перечисленные выше методы анализа позволяют с относительной точностью
определить тип возникшей мутации, т. е. включить ее в одну из больших групп
(точковую мутацию, перестройку хромосом или анеуплоидию). Точная же локализация
мутаций, т. е. определение, в какой именно хромосоме произошло изменение, у
пшеницы очень затруднено из-за ее сложной полиплоидной природы. (В первую очередь
необходимо скрестить между собой сходные по фенотипу мутанты, чтобы выяснить,
изменился у них один .и тот же локус или разные (тест на аллелизм). Аллельными, т. е.
связанными с изменениями одного и того же локуса, оказались все
проанализированные до настоящего времени спельтоиды. Мутанты с измененным
восковым налетом, длиной остей могут быть связаны с мутациями различных генов,
локализованных в разных хромосомах. Определить, в какой именно хромосоме
пшеницы произошла данная мутация, можно лишь при использовании моносомного
анализа (см. гл. Ш).
Ниже излагаются данные о цитогенетической природе отдельных типов мутантов,
найденных у мягких пшениц.
Цитогенетический анализ мутантов с измененной формой колоса
Спельтоиды. Наиболее часто встречающимися у мягких пшениц мутантами,
особенно после воздействия на семена ионизирующими излучениями (рентгеновыми,
γ-лучами, быстрыми нейтронами), являются спельтоиды, скверхеды, компактоиды
(Khvostova еt аl., 1965). Основная работа, в которой подробно изучалась цитогенетика
этих мутантов, принадлежит Мак Кею (Маc Кеу, 1954). Особенно подробно им изучены
спельтоиды. Это мутации обычно доминантные или полудоминантные, поэтому их
иногда удается выделить и в М1 после обработки семян мутагенами. Довольно часто
признаки спельтоидности (рыхлый колос, жесткие колосковые чешуи) выявляются лишь
в половине колоса, что указывает на химерную структуру растения М 1.
Иногда появляются формы, у которых лишь чешуи спельтоидного типа, а зерна
мутации не несут (об этом можно судить по тому, что в потомстве данное изменение
не наследуется). За образование колосковой чешуи и зерен ответственны два слоя —
дерматоген и субдерматоген. Данные по облучению свидетельствуют о том, что между
мутациями, возникающими в этих двух слоях, существует очень высокая корреляция;
видимо, эти слои дифференцируются позже и, возможно, происходят из одной клетки
зародыша. Результаты анализа химер у ячменя показали, что зачаток колоса в
зародыше состоит из 1—4 клеток (Еriksson, 1965), в связи с этим можно ожидать
.появления химерных растений М 1 у которых лишь 1/ 4 часть колоса несет признаки
спельтоидности. Пока трудно объяснить частое появление в М 1 нехимерных растений с
доминантными мутациями, возникающих после воздействия химическими мутагенами
па семена пшеницы (Зоз, 1966, 1969; Сальникова, Зоз, 1966). Нехимерные мутанты с
доминантными признаками в М1 после воздействия излучениями появляются
чрезвычайно редко.
Спельтоидные формы возникают сравнительно часто у мягких пшениц и в
естественных условиях без воздействия мутагенами; частота естественных спельтоидных
мутантов, по данным разных авторов, составляет 1,0—0,1%. При внутривидовых и
межвидовых скрещиваниях пшениц они появляются несколько чаще (1,9—0,3%). В
экспериментах наиболее часто спельтоиды возникают после воздействия разными видами ионизирующих излучений, в частности быстрыми нейтронами. О частоте их
возникновения после воздействия химическими мутагенами сведения противоречивы.
По данным Эйгес (1965), они появлялись редко после воздействия на семена озимой
пшеницы ППГ 186 этиленимином в концентрациях 0,01—0,04% и чаще после
воздействия более сильными концентрациями (0,07—0,1%). О редком появлении
спeльтоидов после обработки химическими мутагенами сообщает Мак Кей (Маc Кеу,
1962, 1968).
Зоз (1969) наблюдала зависимость частоты спелътоидов oт длительности
экспозиции
при обработке
этиленимином
и N-нитрозоэтилмочевиной. Ею
установлено, что с увеличением времени экспозиции от 12 до 24 час. частота спельтоидов
повышалась.
Цитогенетические исследования показали, что появление спельтоидов во всех
проанализированных случаях связано с одним и тем же локусом определенной
хромосомы. В настоящее время благодаря применению моносомного анализа точно
установлено, что этот локус находится в длинном плече хромосомы 5А. У Т. аestivum,
Т. соmpactum, Т. sphaerococcum в этом локусе имеется доминантный аллель (2,
тормозящий развитие признаков спельтоидности, т. е. рыхлости колоса, жесткости
колосковых чешуи, тонкой длинной соломины.
Появление спельтоидных мутантов может быть связано с утерей либо целой
хромосомы, несущей этот ген, либо ее участка, несущего ген Q, либо с точковой
мутацией доминантного аллеля Q в рецессивный q. Появление спельтоидных мутантов в
ряде случаев не зависит от потери участка хромосом, поскольку увеличение дозы
рецессивного гена q дает определенный эффект, обусловливающий у растений тип колоса от спельтоидного к более плотному. Это доказывает, что рецессивный ген q
обладает определенной активностью, но действие его лишь более слабое
(гипоморфный аллель). Получая растения с лишними хромосомами 5А (или лишними
длинными ее плечами), несущими доминантный или рецессивный аллель гена Q,
Мураматсу (Мuramatsu, 1963) выяснил следующие закономерности в опытах с
пшеницей сорта Чайниз Спринг. При наличии одного гена Q (моносомия по 5А
хромосоме, утеря локуса Q или гетерозиготность по этому локусу — Qq) растение будет
спельтоидом. Увеличение дозы гена Q приводит к развитию или скверхедного типа колоса
(QQ), или субкомпактоидного (QQQ) или компактоидного (QQQQ) типа (рис. 13).
Увеличение дозы гена q приводит к тому же эффекту, но, поскольку действие этого гена
слабое, лишь накопление пяти генов q дает скверхедный тип колоса. Таким образом,
действие пяти генов q эквивалентно действию двух генов Q, т. е. действие одного аллеля
Q сильнее эффекта аллеля q в 2,5 раза.
Следовательно, в этой работе доказывается, что некоторые мутанты спельтоидного
типа связаны не с нехваткой в локусе Q, а лишь с ослабленным действием аллеля.
Автор предлагает нехватки по Q обозначить символом q —.
Локус Q оказывает плейотропный эффект, в значительной степени определяемый
генотипической средой. Так, у сорта Чайниз Спринг гомозиготы QQ дают
скверхедный фенотип, а у других пшениц для развития скверхедности нужна большая
доза гена Q. Уменьшение дозы генов Q и q приводит к более сильному выражению
признаков спельты.
Рис. 13. Эффект дозы генов Q и q (Миramatsu, 1963)
1— нуллисомик. по хромосоме 5А, ген Q отсутствует; 2—моносомик по хромосоме
5А, одна доза гена Q; 3— дисомик по хромосоме 5А, две дозы гена Q; 4 — трисомик по
хромосоме 5А, три дозы гена Q; ,5— тетрасомик по хромосоме 5А, четыре дозы гена
Q; б—спельта, две дозы гена q; 7—три-спельта, три дозы гена q; 8- тетра-спельта,
четыре дозы гена q; 9 — колос растения с пятью дозами гена q; 10 — колос растения с
шестью дозами гена q.
Гетерозиготы Qq могут быть по одним признакам ближе к спелые, по другим — дальше, поэтому трудно говорить о доминировании гена Q, степень его зависит
от генотипической среды. Т.spelta отличается от спельтоидов (как мутантов, так и форм,
выщепляющихся при скрещиваниях) ломким колосовым стержнем и трудной
обмолачиваемостью: по-видимому, развитие этих признаков зависит не от гена Q, а
от других генов. По мнению Сваминатана (Swaminata, 1966), ген Q влияет на размер,
форму и тургор клеток, что в свою очередь обусловливает рост растений, толщину
соломины, размер листовой пластинки, рыхлость колоса и жесткость чешуи.
Очевидно, локус Q состоит из дупликаций с аддитивным действием. Кукук
(Kuckuck, 1959) высказал предположение, что аллель Q мог возникнуть из q в
результате неравного кроссинговера, как ген Ваr у дрозофилы, и представляет собой
дупликацию. Если принять это предположение, то исходным аллелем должен быть ген
q, т. е. Т. vulgare должна была возникнуть из Т.spelta (о роли изучения мутаций для
понимания эволюции пшениц будет сказано ниже).
Итак, спельтоиды — комплексная группа мутантов, хотя их появление всегда
связало с локусом длинного плеча хромосомы 5А. В случае генной мутации возникают
константные нерасщепляющиеся линии. Если спельтоидные мутанты появляются у
безостых форм в результате нехватки участка 5А хромосомы, то в следующих
поколениях в мутантных линиях часто выщепляются остистые спельтоиды. Это
объясняется тем, что деления захватывает в некоторых случаях не только генQ, но и
расположенный в том же плече доминантный ген В1, тормозящий развитие остей.
Гомозиготные по нехватке растения имеют спельтоидный фенотип и остистый колос.
Иногда в мутаытных линиях наблюдается сложное расщепление — появление наряду со
спельтоидами, скверхедов и растений с нормальной формой колоса. Такое расщепление
связано с наличием взаимной транслокации. Хорошо известно, что у особей,
гетерозиготных по транслокации, возникают гаметы с нехватками определенных
локусов и с дупликациями этих же участков. У пшеницы, благодаря ее сложной
аллополиплоидной природе, выживают гаметы и зиготы с нехватками л дупликациями.
Из зигот с нехватками развиваются растения спельтоидного типа, из зигот с
дупликациями — скверхедного, из сбалансированных — нормального типа (рис, 14).
Этот тип расщепления впервые описан Мак Кеем (Мас Кеу, 1954). Если появление
спельтоидов связано с утерей целой 5А хромосомы (моносомией), то у гетерозиготных
спельтоидов будет 41 хромосома, а у гомозиготных — 40. В этом случае при расщеплении
наблюдается дефицит гомозигот; отношение спельтоидов к нормальным растениям
варьирует от 3,5 : 1 до 10 : 1, чаще всего 4 : 1. Цитологический анализ спельтоидов,
полученных послевоздействия различных мутагенов на семена, подтвердил наличие
разных типов среди этих мутантов. В классической работе Мак Кея (Мас Кеу, 1954)
указывается на обнаружение в мейозе, у гетерозиготных спельтоидов неравных
бивалентов (нехваток): колец из четырех хромосом (транслокации) и 20II и 1I
(моносомики). У константных нерасщепляющихся спельтоидов, полученных под
действием ионизирующих излучений, как показали исследования Мак Кея, мейоз
протекает без нарушений. Цшеге (Zshege, 1963) изучила мейоз у трех спельтоидов,
индуцированных химическими мутагенами. У всех форм были найдены нехватки: 20II
+ 2 фрагмента разной длины или 20II и одна изохромосома, образовавшаяся из
фрагмента.
Значительную работу по анализу мутантов, полученных у японской пшеницы
Шинчугана, проделали Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967; Ichikawa,
1967). Большинство из 20 исследованных спельтоидов имело нехватки (гетероморфные
биваленты или телоцентрики). Скрещивание этих линий с серией моносомиков показало,
что все нехватки относились к хромосоме 5А. Среди спельтоидов была найдена одна
моносомная
форма,
а
один
гомозиготный
спельтоид
отличался
слабой
жизнеспособностью, хотя у него было обнаружено нарушений в мейозе.
Эйгес было изучено цитологически пять спельтоидов, возникших у озимой пшеницы
ППГ 186 после воздействия этиленимином в высоких концентрациях. Два из них
оказались моносомиками, содержащими 20II и 1I , у одного была нарушена конъюгация
двух бивалентов, а у двух форм наблюдали нормальную конъюгацию хромосом (21II) и
малый процент тетрад с нарушениями; видимо, появление последних было связано с
генными мутациями.
Имеющийся материал по цитогенетическому анализу спельтоидных мутантов
слишком мал для того, чтобы можно было говорить о появлении того или другого типа
спельтоидов при действии излучений или химических мутагенов.
С к в е р х е д ы . Как указывалось выше, появление форм со скверхедным колосом
нередко бывает связано с дупликацией гена Q. В частности, это наблюдается в линиях
с гетерозиготными транслокациями, захватывающими этот локус. В таких линиях,
благодаря механизму нехватки-дупликации, выщепляются как скверхеды, так и
спельтоиды. Цшеге (Zschege, 1963) обнаружила при цитологическом анализе
скверхедов тетрасомики (22II или 1I или 19 II + 1I), у шести растений нарушений в
мейозе выявлено не было. Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967) при
анализе нерасщепляющихся скверхедов дупликаций не нашли; три линии были
гомозиготными по нехватке; у двух полностью отсутствовало короткое плечо хромосомы
5А, т. е. одна линия была дителосомной, другая — моносомной.
Кроме того, этими авторами были исследованы компактоиды, расщепляющиеся на
компактоиды, скверхеды и растения с обычной для мягкой пшеницы плотностью
колоса. У шеста таких линий хромосом было больше, чем 42. У одной линии со
сложным расщеплением оказалось, что компактоиды (высота 30см) являются
пентасомиками (2n=45), субкомпактоиды (высота 50 см) — тетрасомиками (2n=44),
скверхеды (высота 70 см) — трисомиками (2п = 43). В данном случае ясно видно влияние
дозы хромосомы на выражение признака. Скрещивание с моносомными линиями сорта
Чайниз Спринг показало, что у компактоида и субкомпактоида лишними хромосомами
являются хромосомы 5А. У одного из мутантов была выявлена изохромосома,
состоящая из длинных плеч хромосомы 5А. Таким образом, в этих тщательно
цитогенетически проанализированных случаях компактоиды, субкомлактоиды и
выщепляющиеся скверхеды всегда имели дупликацию длинного плеча или всей
хромосомы 5А. У скверхедов из линий, где компактоидов не обнаружено, было утеряно
короткое плечо хромосомы 5А.
О наличии в коротком плече хромосомы 5А гена, потеря которого ведет к
скверхедности, предположение было сделано еще раньше (Smith еt аl., 1950). Видимо,
наличие этого гена стимулирует развитие рыхлого колоса.
Ишикава сообщает об обнаруженном им различии между сортом Чайниз Спринг и
японским сортом Шинчунага:
Сорт
Шинчунага
Чайниз Спринг
Трисомик по 5А
хромосоме
Скверхед
Субкомпактоид
Тетрасомик по 5А
хромосоме
Субкомпактоид
Компактоид
Пентасомик по 5А
хромосоме
Компактоид
-
Эти различия могут быть связаны, как с разной активностью у этих сортов гена
Q (5А), так и других сходных генов — q2 (5В), q3 (5D); они могут быть обусловлены
также и другими эффектами генотипической среды, поскольку сам сорт Чайниз
Спринг име'ет скверхедный колос.
Рыхлоколосые мутанты. Семь мутантов этого типа (часть из них с
укороченной соломиной) были изучены
Цшеге (Zschege, 1963), Лишь у одного не было обнаружено изменений в мейозе, два
были нуллисомиками, один имел 19II +1 или 2 унивалента, один — гомозиготную
нехватку и два были тетрасомиками. Сходные по фенотипу мутанты, полученные в двух
линиях под действием излучений и исследованные Ишикава, оказались идентичными: они
были нуллисомиками по одной и той же хромосоме, при этом моносомный анализ
выявил, что у них утеряна хромосома 6D.
П л о т н о к о л о с ы е м у т а н т ы (но не скверхеды и не комлактоиды) в опытах
японских авторов оказались либо нуллисомиками (карлики), либо моносомиками, либо
это были линии с телоцентрическими хромосомами и гомозиготными нехватками.
Д ру г и е т и п ы м у т а н т ов. Описанные выше типы мутантов почти исчерпывают
разнообразие форм, возникающих обычно при облучении. Встречаются еще растения с
короткой соломиной, колос у которых не изменен. Мак Кей (Мас Кеу, 1954) пишет, что
такие формы могли бы иметь практическое значение, так как укорочение соломины
часто сопровождается ее утолщением. Однако большая часть таких мутантов имеет
пониженную урожайность и связана с нехватками и моносомией. Полученные под
действием быстрых нейтронов в опытах с озимой пшеницей ППГ 186
короткосоломистые формы, названные нами эректоидами (Слой Чень-Мань, 1964;
Khvostova еt аl., 1965), также оказались большей частью малоплодовитыми и
неконстантными. Малоперспективны и эректоидные формы, выделенные Эйгес у ППГ
186 после воздействия этиленимином в высоких концентрациях, они неконстантны.
Цитологический анализ показал, что они являются моносомиками.
Таким образом, мутанты пшеницы с резко измененным фенотипом (drastic
mutations), наиболее часто возникающее под действием быстрых нейтронов, оказались
связанными с нарушениями хромосом. Мутанты такого же типа возникали и в опытах
Эйгес под действием этиленимина в высоких концентрациях. Низкие концентрации
вызывали появление мутантов с менее резкими изменениями фенотипа («мягкие» мутации), резких было мало (Эйгес, 1965). При наличии «мягких» мутаций плодовитость
не снижается, мутантные линии константны, пыльца нормальная, в мейозе нарушений не
наблюдается. Такие формы появляются, видимо, главным образом в результате
точковых мутаций, и именно они представляют наибольший интерес для селекции.
После воздействия γ-лучами на семена пшеницы ППГ 186 возникло также довольно
большое количество подобных мутантов (Можаева, 1961, 1965). К ним относятся
формы с повышенной устойчивостью к грибным заболеваниям, прочной соломиной и
непроникающим колосом, измененным восковым налетом, остистые, раннеспелые и т. д.
Подобные точковые мутации локализуются сейчас в определенных хромосомах
пшеницы методом моносомного анализа. Так, работы ряда авторов (Allan, Vogel, 1960;
Tsunewaki, 1962, 1964; Driscoll, Jensen, 1964) показали, что на образование воскового
налета влияют хромосомы 2А, 4В и 6В; есть данные о влиянии на этот признак также
хромосомы 2В.
На развитие остей влияют хромосомы 5А (ингибитор развития остей, названный
B 1 ), 6В (ингибитор В 2 ) и 4В (ген Нd. По данным Батиа и Сваминатана (Вbatia,
Swaminathan, 1963), европейские и североамериканские безостые пшеницы имеют
супрессор В1, а азиатские — В2. Пшеницы с длинными зачатками остей имеют супрессор
В1 с короткими — В2, полностью безостые — два доминантных супрессора В1 В2 или
B1 Нd; у таких пшениц полностью остистые мутанты обычно не возникают. Индийские
авторы считают, что остистые мутанты представляют практический интерес, так как
они меньше повреждаются птицами и более урожайные.
Довольно часто появляются в экспериментах мутанты более ранне- и позднеспелые,
чем исходные сорта. Дрискол и Дженсен (Driscoll, Jensen, 1964) методом моносомного
анализа установили у сорта Селл 507s влияние на этот признак всех трех хромосом
группы 5: хромосома 5D несколько затягивала развитие пшеницы, 5В, наоборот,
способствовала раннеспелости, влияние хромосомы 5А было менее ясное, но в ней
найден ген, влияющий на длительность периода яровизации. Хромосомы 1А и 7D
несколько затягивали развитие растений. Под действием этилметансульфоната и его
производных у двух сортов озимой пшеницы Капелли-Деспре и Старке возникли три
яровых мутанта (два у первого сорта и один — у второго). Различия их с исходной
формой имели монофакториальную природу. Скрещивание с моносомиками Чайниз
Спринг показало, что мутации сорта Капелли-Деспре локализованы в хромосоме 5А, а
у Старке — в хромосоме 5D (Maia еt аl., 1967).
Озимые формы возникали из яровых в опытах Цшеге. Цитологически она их не
изучала, но при скрещиваниях ею установлено, что эти мутанты имеют
монофакториальную природу.
Влиянию отдельных хромосом на устойчивость к заболеваниям .посвящена большая
литература. Так, например, указывается на наличие у разных сортов пшеницы генов
устойчивости к стеблевой ржавчине, локализованных в хромосомах 1А, 2А, 6А, 2В, 4В,
6В, 1D, 2D, 3D, 6D (Knott, Anderson, 1956; Sears еt аl., 1957; Burnham, 1962; см. также
гл. V).
В опытах с химическими мутагенами рядом авторов отмечено возникновение
мутантов типа Т. sphaerococcum 1963; Zschege, Swaminathan, 1966; Макарова и др.,
1966; Черный, 1968). Цшеге изучила три возникших в ее опытах сферококкоида. Все
они были тетрасомиками. Скрещивание с моносомиками Чайниз Спринг показало, что
ген, дающий дозовый эффект, локализован в хромосоме 3D.
Мутации, систематика и эволюция пшениц
Изложенные выше данные о природе мутаций у пшениц, а также о так
называемых «системных», или «таксономических», мутациях, которые переводят
возникшие мутанты из одной разновидности в другую и даже из одного вида в другой, позволили Мак Кею поставить вопрос о пересмотре систематики пшениц (Маc
Кеу, 1966, 1968). Особенно четко бросается в глаза любому исследователю,
работающему в области экспериментального мутагенеза у пшениц, искусственность
классификации пшениц на разновидности. Конечно, эта классификация удобна, так как
если написано, например, о какой-либо форме vаг. erythroapermum, то каждый
селекционер сразу поймет, каким комплексом морфологических признаков обладает
эта
пшеница.
Однако
различия
между
разновидностями,
полученными
экспериментальным путем, генетически очень элементарны (остистость — безостость,
белая окраска колоса — красная окраска и т. д.) и часто определяются мутацией
одного гена, тогда как генетические различия между природными разновидностями и
даже экологическими расами обычно имеют более сложную природу — они
полигенны. Поэтому нет ничего удивительного в том, что вновь возникающие мутанты
приходится часто относить к другой разновидности.
Однако с накоплением экспериментальных данных оказалось, что условны также
границы между некоторыми видами. Все виды 42-хромосомных пшениц легко
скрещиваются друг с другом и дают плодовитое потомство. В последние годы появляется все больше сообщений о мутантах, которые приходится относить к другому
виду по сравнению с исходной формой.
Таковымутанты типа Т. сотрасtum, Т. sphaerococcum, Т. vavilovi, Т. spelta. Выше
были изложены данные о природе различий между мутантами и исходной формой.
Скрещивания между видами также показывают, что основные различающие их
признаки наследуются моногенно. Мак Кей приводит следующие простые генетические
формулы для 42-хромосомных пшениц, которые он предлагает отнести к виду Т.
Aestivum: vulgare, сотрасtum QQ CC SS, sphaerococcum QQccss,spelta qq cc SS.
Виды пшениц: macha, vavilovi Zhurovsky имеют формулы qq cc SS, но отличаются от
спельты по другим генам. Характерный для vavilovi признак удлинение колосового
стержня обусловлен геном (или генами), который, видимо, может проявить свое
действие только в отсутствие гена Q (Маc Кеу, 1968).
Мутанты типа Т. vavilovi были получены экспериментально (Ваrabas, 1959;
Scarascia еt аl., 1961; Prabhakara, Swaminathan, 1963 а, b). Поскольку ген Q
локализован в хромосоме 5А, т. е, в геноме, полученном от дикой однозернянки, естественно, что он может встречаться у пшениц на всех уровнях плоидности. Мак Кей
(Маc Кеу, 1966) считает, что однозернянки и все 28-хромосомные пшеницы, кроме
саrthlicum, имеют ген q и лишь саrthlicum — ген Q.
Ген С локализован в геноме D, хромосоме 2D (Unrаu, 1950), поэтому он может
встречаться только у гексаплоидных пшениц.
Ген S локализован в хромосоме 3D (Sears, 1947). Однако мутанты типа
spaerococcum были получены не только у мягкой пшеницы (Swaminathan еt аl.,
1963; Макарова и др., 1966), но и у твердой (Schmidt, Johnson 1963; Bozzini, 1964), что
свидетельствует о наличии гомологичного локуса в другом геноме. Скрещивания
показали аллелизм мутантного гена мягких пшениц гену 5. Т. spaerococcum. Но,
кроме того, у Т. Vulgare была обнаружена и доминантная мутация с признаками
spaerococcum. Эта мутация была неаллельной гену S.
Мутанты спельтоидного типа были экспериментально получены у следующих 42хромосомных пшениц: Т. Vulgare, Т. сотраctum, Т. spaerococcum, Т. vavilovi;
компактоидного — у первых трех; сферококкоиды и вавиловоиды — у Т.vulgare.
Мутанты типа vulgare выделены у Т. сотраctum, Т. Spaerococcum. При скрещивании с
Т. сотрасtuт было выявлено их моногенное наследование.
На основе анализа мутаций, полученных у разных видов пшениц, Сваминатан
(Swaminathan еt аl.,1966) составил родословную гексаплоидных пшениц, которую,
конечно, нельзя считать окончательно доказанной.
В настоящее время наибольший интерес представляет получение мутаций у
пшениц разной плоидности и их цитогенетический анализ. Подобные работы,
безусловно, прольют свет на происхождение разных видов пшениц и их родство; кроме того, весьма перспективно устранение нежелательных признаков у диких форм путем
экспериментального получения мутаций перед скрещиванием их с культурными
пшеницами.
Цепь из трех хромосом IV о Чайниз Спинг, IV-X и X-IV от Тэтчер.
Если хромосомы в метафазе I образуют цепь из трех хромосом, то в результате их
расхождения в анафазе 20- хромосомные гаметы гибрида будут нести хромосому IV от
Чайниз Спринг, а 21 – хромосомные гаметы – хромосомы с транслоцированными
сегментами IV-X и X-IV от сорта Тэтчер. Поскольку при самоопылении гибридов F1 эти
21 хромосомные гаметы образуют потомство дисомики, используемые для
беккроссирования с моно- Х Чайниз Спринг, моносомные растения в F1 и последующих
поколениях беккросса будут иметь следующую хромосомную конституцию: 19 II + цепь
их трех хромосом. В участках хромосом IV сорта Чайниз Спринг, будет происходить
кроссинговер в F1 и во всех поколениях беккроссах и гены, полученные от сорта донора
будут замещаться аллелями от Чайниз Спринг. Замещающаяся хромосома от Тэтчер,
гомологичная паре хромосом Х сорта Чайниз Спринг, будет делиться между двумя
парами хромосом IV-X и X-IV. Схему замещения хромосом можно изобразить
следующим образом:
РI моно-Х Чайниз Спринг (♀) х Тэтчер (♂)
F1 19 Ч.С. + Ч.С. IV
+ Т.Х- IV
19 Т.
Т. IV-X
В F1 и последующих беккроссах с моно-Х чайниз Спринг (♀) при опылении
наиболее вероятно функционирют следующие типы гамет: IV-X + X-IV; Ч.С. IV + X-IV;
Ч.С. IV + IV- X. В потомстве беккросса образуются моносомики трех типов:
19 Ч.С.
19 Т.
+ Ч.С. IV
Т. IV-X
+ Х- IV;
19 Ч.С.
19
+ Ч.С. IV
Ч.С.IV
+ Х- IV;
19 + Ч.С. IV
+ IV- Х.
19
Ч.С.IV
У каждого из моносомиков образуется в метафазе I цепь из трех хромосом.
Частота кроссинговера будет зависеть от степени сходства транслоцированных сегментов
с соответствующими участками гомологичных хромосом анеуплоидной пшеницы.