1,2 лекции (стр. 1 )

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.