Изменчивость и генетический контроль постзиготической

Изменчивость и генетический
контроль постзиготической
репродуктивной изоляции у
растений
Тихенко Н.Д.
Санкт-Петербургский филиал Института
общей генетики им. Н.И. Вавилова
У растений постзиготические баррьеры
могут возникать и после успешного
оплодотворения при отдаленной
гибридизации.
Они выражаются в нарушении развития
семян, гибридной слабости или
стерильности гибридов F1 в результате
взаимодействия генов родительских
геномов.
Эти гены ответственны за межгеномные
взаимодействия на разных стадиях развития
гибридного растения, но не имеют
фенотипического проявления на
Примеры гибридной летальности у растений
1. На стадии проростков в F1 (Crepis capillaris x C. tectorum,
Hollingshead, 1930).
2. На стадии развития зародыша и проростков (Gossipium arboreum x
G. hirsutum, Gerstel,1954; Lee, 1981).
3. На стадии проростков и у взрослый растений в виде гибридной
слабости, стерильности в F1 и F2 (Oriza sativa, intraspecific
crosses, Oka, 1956; Li et al., 1997).
4. Взрослые растения в стадии цветения (Lycopersicon esculentum x
L. hirsutum, Sawant, 1955).
5. В стадии проростков, кущения и у взрослый растений в виде
гибридного некроза, хлороза, гибридной карликововсти у
внутривидовых и межвидовых гибридов пшеницы (Triticum
aestivum, Sears, 1944; Hermsen, 1963, 1967).
6. На стадии проростков (Nicotiana suaveolens x N. tabacum, Lloyd,
1975; Inoue et al., 1996).
Модель видообразования
Добжанского (1937) – Мюллера (1942)
aabb
Aabb
AAbb
AABB
aaBb
x
AaBb
aaBB
AaBB
aaBB
AABb
x
AAbb
AaBb – F1 -жизнеспособные
F1
леталь
F2 – выщепление леталей
aabb
Г. Д. Карпеченко (1935) высказал предположение, что
проявление несовместимости (инконгруентности)
геномов у отдаленных гибридов, выражающееся в их
гибели, может иметь простой генетический контроль.
“Спрашивается, не определяется ли инконгруентность геномов, по
крайней мере некоторых, такими же единичными генами
специфического действия? Мы скрещиваем формы А и В и
получаем гибрид, гибнущий в ранних стадиях развития или
совершенно стерильный, с отсутствием коньюгации хромосом, не
потому , может быть, что геномы А и В генетически весьма не
соответствуют друг другу, многообразно различны, а просто в
следствии того, что в гибриде встречается пара генов,
взаимодействие которых вызывает гибель растений или отсутствие
коньюгации хромосом со всеми последствиями”.
Теория отделанной гибридизации // Теоретические основы селекции
растений/ Ред. Н.И. Вавилов. Т.1. М.; Л., 1935. С. 397-434.
Генетический контроль постзиготической
репродуктивной изоляции у растений
Моногенное наследование
летальность на стадии проростков у межвидовых гибридов рода Triticum (
Sears, 1944) и рода Nicotiana (Lloyd, 1975; Inoue et al., 1996)
Дигенное наследование
Комплементарное взаимодействие доминантных аллелей:
усыхание ветвей в фазе цветения (томаты), гибридная карликовость, некроз, хлороз,
гибридная слабость (пшеница, рис, пшенично-ржаные гибриды), эмбриональная
летальность (хлопок)
Комплементарное взаимодействие рецессивных аллелей:
остановка развития на стадии кущения, гибридная слабость (рис), апикальная
летальность (пшеница)
Взаимодействие доминантных и рецессивных аллелей: стерильность у
межвидовых гибридов рода Mimulus
Хромосомные перестройки, приводящие к гибридной несовместимости:
Хромосомные перестройки, приводящие к
гибридной несовместимости:
1. Конфликтные отношения между геномом пшеницы и
отдельными хромосомами ржи были выявлены May и Appels
(1980). Гибель в стадии кущения растений пшеницы дисомных
по 2RS/2BL транслокации.
Конфликт между геномом пшеницы и чужеродными
хромосомами возникает в пшенично-ячменной дополненной
линии по хромосоме ячменя 1H. У этой линии наблюдаются
глубокие аномалии мейоза, приводящие к полной ее
стерильности (Islam et al 1981; Islam and Shepherd 2000). Ген
ячменя, приводящий к данной аномалии был локализован в
длинном плече хромосомы 1HL.
2.
Новый вариант генетического
анализа,
позволяющий выявлять и
картировать
гены ржи и пшеницы, специфически
экспрессирующиеся у тритикале и
отвечающие за взаимодействие
геномов
исходных видов
Первичные тритикале как модель для изучения
взаимодействия и эволюции генов в геноме
аллополиплоида
Материнская
форма:
 мягкая пшеница
. Chinese Spring,
Отцовская форма:
Набор
автофертильных
инбредных линий ржи из
Петергофской генетической
коллекции
Этапы анализа:
I.
Получение гибридов F1 между линиями ржи с контрастным
проявлением анализируемого признака у соответствующих
пшенично-ржаных гибридов
II. Скрещивание Chinese Spring (CS) с межлинейным гибридом F1
III. Анализ расщепления по маркерам генома ржи и
анализируемому признаку непосредственно у гибридов CS x F1
или у гибридов CS x F2, CS x РИЛ
Выявление межлинейных различий при анализе
гибридов пшеницы Chinese Spring с
инбредными линиями ржи
Новообразования
Число линий*
1. Непрорастающие семена
(эмбриональная летальность)
4(3)
2. Остановка развития в фазе трёх листьев
2(0)
3. Слабые, малокустящиеся растения
2(0)
4. Растения с сильно укороченными междоузлиями
1
5. Растения с «луковыми» листьями
2(0)
6. Растения с «луковыми» листьями и значительной
редукцией элементов колоса
2(0)
7. Хлороз и некроз развитых листьев
7(0)
* - в скобках указано число родственных линий
Проявление гибридной карликовости, слабости и
морфологические изменения листовой пластинки
(«луковые листья» у
Hybrid plants with onion-like leaves (right) and normal
пшенично-ржаных
hybrid plants (left)
амфигаплоидов
Weak plants in F1 (right) and normal hybrid plants (left)
Grass-clamp dwarfness (left) and normal (right) wheatrye hybrids
Эмбриональная летальность (беззародышевые семена),
возникающая при скрещивании мягкой пшеницы с
отдельными линиями ржи
Инбредные линии ржи L2,
L3, line 564 (родственная
В 97 скрещиваниях из101 от
им) и неродственная
60 до 100% семян содержат
линия 535 дают зерновки с
нормальные
недифференцированным
жизнеспособные зародышы.
зародышем
Seeds with normal embryo: 1 – wheat; 2,3 –wheat-rye
hybrids
1
2
3
Embryo lethality in wheat-rye hybrids
Table 1. Embryo development in crosses of common wheats with inbred
rye lines L6, L7 and rye cultivar Volkhova
Parental forms
Rye
L6 (control)
Wheat
12
4
75.0
C.J.L2633
6
0
100.0
18
4
81.8
CS
80
5
94.1
38587
9
2
81.8
Priek.421
4
1
80.0
93
8
92.1
CS
73
26
73,7
Priek.421
39
49
4
24
90.7
67.1
161
54
74,9
Total
Volkhova
Total
Differentiated Undifferentiat
ed
% the seeds
with
differentiated
embryo
Suvon85
Total
L7 (control)
Embryos
Table 2. Embryo development in crosses of different wheat genotypes with
inbred rye lines L2 and L535
Rye line
L2
Wheat
Differentiated
Undifferentiated.
% of the seeds
with
differentiatiated
embryo
Ch. Spring
0
307
0.0
Priekul.421
0
206
0.0
43241**
0
31
0.0
38587**
0
46
0.0
08034**
0
23
0.0
Krasnaya zvezda *
0
33
0.0
Suvon 85*
0
13
0.0
C.J.L2633*
0
22
0.0
0
681
0.0
Ch. Spring
0
255
0.0
Priekul.421
0
81
0.0
0
336
0.0
Total
L535
Total
Embryos
Table 3. Segregation for embryo development in crosses of two common
wheat cultivars with rye hybrids
Rye hybrid
differentiated
undifferentiated
Chi2
1:1
L2xL6
63
67
74
71
0,73
0,116
L6xL2
66
343
82
319
1,73
0,88
L2xL7
91
90
0,00
L7xL2
66
76
0,70
L2xL6
104
101
0,04
L7xL2
132
84
144
87
0,52
0,512
F1
1016
1044
0,38
L6xL535
130
149
1,29
F1
130
149
1,29
Parental forms
Wheat
Chinese
Spring
Priekulsskaya 421
Total
Chinese
Spring
Total
Embryos
Ген ржи
блокирующий развитие зародыша в
скрещиваниях мягкой пшеницы с рожью
был назван
Eml (Embryo lethality)
(Voylokov, Tikhenko, 2002)
Table 4. Test for allelism of Eml mutations, carrying by lines L2 and L535
Parental forms
Wheat
Number of
seeds
Rye hybrid
L535 x L2
Embryos
differentiated
undifferent.
Priekul‘skaya p.1
421
p.2
p.3
p.4
p.5
p.6
175
366
197
175
282
317
0
0
0
0
0
0
175
366
197
175
282
317
Chinese
Spring
136
104
126
0
0
0
136
104
126
1878
0
1878
Total
p.1
p.3
p.4
Conclusion: lines L2 and 535 carry the same allele of Eml gene.
Хромосомная локализация гена Eml
•Серия РИЛ( F5) была получена от скрещивания Л2 х Л7
•Молекулярные маркеры для всех хромосом ржи были
проанализированы у каждого растения гибридной
популяции F2 (Л2 х Л7)
•75 линий РИЛ (F5) по одному растению от каждой линии
были вовлечены в скрещивания с мягкой пшеницей
Chinese Spring
Xpsr160
Xwg110c
9.
4
11,4
Xgwm9596R
Xpsr915
Eml
C
0.0
26,5
Xgwm1103-6R
Xgwm732-6R
Xgwm751-6R
17,2
8,6
Xpsr1203
Xpsr687a
6R
Цитологическое и гистологическое
исследование аномальных
пшенично-ржаных зародышей
Методом гибридизации in situ (GISH) ис использованием
TUNEL test (terminal deoxynucleotidyltransferase-
mediated dUTP nick-end labelling) было показано, что
остановка развития гибридного зародыша не является
следствием элиминации хромосом одного из
родителей или апоптоза.
Эмбриональная культура незрелых
зародышей
Wt St 5
St3
mut St3
Wt
CS St 6 1mm
CS St 5 wt
mut
Через 20 дней в культуре in vitro
Через 4 дня в культуре in vitro
Гистологический анализ
Гибридные зародыши анализировали в
возрасте 10, 16 и 20 дней после опыления
У гибридных аномальных зародышей
отсутствует апикальная меристема
am
rm
норма
аномальный зародыш
Согласно Т. Добжанскому (1937) летальность или
стерильность у отдалённых гибридов может быть
результатом комплементарного взаимодействия генов
родительских видов.
Исходя из этого положения, комплементарная аллель
гена Eml ржи в геноме мягкой пшеницы может быть
выявлена при скрещивании линии Л2 (носитель гена
Eml) с серией нулли-тетрасомных линий CS.
Два набора нулли-тетрасомных линий CS были скрещены
с линией Л2 (носителем мутантной аллели) и линиями Л6
и Л7 (носителями аллели дикого типа).
Две нулли-тетрасомные линии N6AT6B и N6AT6D в
скрещиваниях с линией Л2 давали 66,7 и 71,4%,
соответственно, гибридных семян с нормальным
дифференцированным
зародышем.
Это
позволяет
сделать заключение, что хромосома 6А пшеницы несёт
ген комплементарный гену Eml ржи.
Исходя из этого положения, новый ген пшеницы был
назван Eml-6A, а комплементарный ему ген ржи Eml-6R.
CS x L6
CS x L2
28 days after cultivating in vitro
The age of the embryos 16 days after pollination
CS x L6
CS x L2
CS x L2
Заключение: эмбриональная летальность, вызываемая геном ржи Eml
может быть успешно преодолена с помощью органогенеза в каллусной
культуре
Модель
для изучения функционирования гена Eml в геноме отдаленного гибрида
Блокировка развития гибридного зародыша
Культура
зародышей
методом прямой
регенерации на
среде Kruse
CS x L2
Культура
зародышей
через
каллусогенез с
последующей
регенерацией
на среде с
цитокининами
Преодоление эмбриональной летальности через соматический эмбриогенез в
культуре in vitro
Итоги и перспективы изучения гибридной
эмбриональной летальности
 Ген Eml ржи локализован в хромосоме 6R и сцеплен с двумя SSRмаркерами
 Эффект гена Eml проявляется в гетерозиготе
 Гибель пшенично-ржаных зародышей не связана с фрагментацией
хроматина или потерей хромосом одного из родителей.
 Ген пшеницы Eml-6A (несовместимый гомеоаллель) комплементарный
гену Eml-6К ржи локализован в хромосоме 6A
 Эмбриональную летальность нельзя преодолеть с помощью культуры
изолированных зародышей методом прямого эмбиогенеза, но
жизнеспособные растения пшенично-ржаных гибридов F1 можно получить
через регенерацию в каллусной культуре
 Получение амфидиплоидов из растений-регенерантов и анализ
эмбрионального развития у первичных тритикале (CS x Л2)
 Делеционное картирование гена Eml-6A с помощью гибридов между
линиями CS, несущими делеции в хромосоме 6А с линий ржи Л2
Новообразования, выявленные у пшенично-ржаных
гибридов (F1) и первичных тритикале (С1)
Морфологическое
проявление
Отдаленный
гибрид
(F1 или С1)
Число линий
ржи носителей генов
Генетический
контроль
Хромосомная
локализация
Эмбриональная
летальность
F1
4
Комплемен,
взаим.
генов
6R, 6A
Гибридная карликовость
F1
2
моногенный
Не установлена
Гибридная слабость
F1
2
Не изучен
Не установлена
Сближенные
междоузлия
F1
1
Не изучен
Не установлена
Луковые листья и
редукция колоса
F1
2
Не изучен
Не установлена
Луковые листья
С1
2
Не изучен
Не установлена
Хлороз и некроз
(леталь)
F1
3
Не изучен
Не установлена
F1, С1
4
Не изучен
Не установлена
С1
8
Не изучен
Не установлена
Хлороз и некроз нижних
листьев
Стерильность
Рабочие группы:
СанктПетербургсккий
Государственный
Университет
А.В. Войлоков
Leibniz-Institute of Plant Genetics and Crop Plant
Research, Gatersleben
A. Börner
A. Houben
F. Matzk
T. Rutten
J. Keller
D. Gernand
M. Pürschel
Н.Д. Тихенко
A. Senula
K. Kumke
H. Büchner
Н.В. Цветкова
R. Voss
С.Н. Прияткина
J. Marlow
M. Hantschmann H. Block
Пшенично-ржаные и внутривидовые гибриды
пшеницы и родительские формы
Пшенично-ржаные и внутривидовые гибриды пшеницы и
родительские формы