1,2 лекции (стр. 9 )

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 М1.

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 М1 у кото­рых лишь 1/4 часть колоса несет признаки спельтоидности. Пока трудно объяснить частое появление в М1 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.