Полиплоидия.

Лекція № 13

Классификация полиплоидов: автополиплоиды, анеуплоиды, гаплоиды, алополиплоиды. Использование полиплоидов в генетике и селекции. поліплоїдів в генетиці і селекції рослин. Отдалённая гибридизация.

Полиплоидия. Изменение числа хромосом, когда в клетке присутствует более двух гаплоидных наборов, называют полиплоидией. Этот термин был введен Е.Страсбургером в 1910 г.

В свою очередь гаплоидным (n) называют такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Он несет в себе часть наследственной информации родителей. Гаплоидный набор хромосом с локализованными в нем генами Г.Винклер (G.Winkler) в 1920 г. предложил называть геномом.

Возможны следующие причины полиплоидии:

1. Неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе.

2. Деление ядра без деления клетки.

3. Удвоение хромосом без их отделения друг от друга.

Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называют собственно полиплоидами или эуплоидами. Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному, называют гетероплоидами или анеуплоидами. Если организм имел n = 4 хромосомы, 2п= 8, то тетраплоид имеет 4n = 16 хромосом.

Полиплоидизация может также возникать в части клеток в результате нарушения митоза — это соматическая полиплоидия.

Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы, такая полиплоидия назы­вается мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными.

Г.Винклер в 1916г. впервые описал полиплоиды томатов и паслена. К настоящему вре­мени установлено, что около 30 % всех покрытосеменных растений являются полиплоидами. Широко распространена полиплоидия среди растений, возделываемых человеком. У голосеменных растений она редка, хотя встречается у папоротников и мхов. Возможно, полиплоиды, лучше приспособлены к произрастанию в суровых условиях: среди всех видов цветковых растений в арктических широтах полиплоиды составляют более 70 %, на Памире — 86 %, на Алтае — 65 %. У животных встречается главным образом соматическая полиплоидия. Группа видов, которые относятся к одному роду и кариотипы которых составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется полиплоидным рядом, например род Triticum:

Т. топососсит (однозернянка) 2п = 14

Т. durum (твердая) 2п = 28

Т.aestivum (мягкая) 2п = 42

Таким образом, основное число хромосом, или наименьшее гаплоидное число в полиплоидном ряду (x), у пшениц составляет 7, а Т. топососсит называют диплоидом, Т. durum — тетраплоидом и Т. аestivum — гексаплоидом.

Полиплоидные ряды известны и у других растений: пшеницы, овса, розы, земляники, шелковицы, люцерны, сахарного тростника, свеклы, хризантемы, щавеля, хлопчатника.

Автополиплоидия. Полиплоиды, возникающие на основе уве­личения числа наборов хромосом внутри рода, называют автополиплоидами.

Особенности мейоза автополиплоидов. В норме, у диплоидов, в профазе мейоза образуются биваленты. У тетраплоидов в мейозе образуются квадриваленты — группы из четырех конъюгирующих хромосом, и не всегда че­тырем гомологичным хромосомам удается найти друг друга и образовать квадривалент.

Иногда они образуют группу из трех хромосом (тривалент) и унивалент или два бивалента. Наличие квадривалентов, тривалентов и унивалентов в мейозе у тетраплоидов ведет к нарушениям в распределении хромосом и к образованию гамет с измененным числом хромо­сом. Кроме правильного расхождения хромосом в мейозе у автотетраплоида (AAaa) возможно также расхождение хромосом в соотношении 3: 1 и 4: 0. При этом возникнут гаметы ААа и а, Ааа и А, а также ААаа и 0. Часть таких гамет нежизнеспособна. У диплоида Аа (2п) образуются гаметы А и а в соотношении 1: 1. У тетраплоида ААаа (4 n) расхождение гомоло­гичных хромосом в мейозе возможно в соотно­шениях 2: 2, 3: 1, 1: 3, 4: 0, 0: 4.

Даже если расхождение хромосом к полю­сам будет регулярным (2: 2), автотетраплоид, гетерозиготный по аллелям ААаа, образует три типа гамет в соотношении 1АА: 4Аа: 1аа, и расщепление в моногибридном скрещивании будет сильно отличаться от такового у диплоида:

Расщепление по фенотипу в F₂ вместо 3: 1 будет 35: 1, т.е. при моногибридном скрещивании вероятность появления гомозиготных рецессивных форм во много раз ниже, чем у диплоидов. Поэтому селекционеру отбор по признакам рациональнее вести на низком уровне плоидности.

Аллополиплоидия (амфиполиплоидия). Аллополиплоидией называют удвоение или многократное умножение хромосомных наборов различной структуры.

В 1925 г. два американских генетика Т. Гудспид (T. Goodspeed) и Дж.Клаусен (J. Clausen) получили вид табака с 72 хромосомами в ре­зультате гибридизации 48- и 24-хромосомных видов. Фертильные аллополиплоиды в ре­зультате межродовых скрещиваний получил Г.Д.Карпеченко в 1927 г. на растениях. Аллополиплоид у животных от межвидового скре­щивания шелкопрядов Bombix mori и B. mandarina впервые в 1961 г. получили Б.Л.Астауров и В.Н.Верейская.

Г.Д.Карпеченко использовал в скрещиваниях два вида из разных родов — Brassica oleacea (капуста) и Raphanus sativus (редька). У обоих видов диплоидное число хромосом 2п = 18. Гибрид имел 18 хромосом, был мощным, сильно цвел, но семян не образовывал. Отдельные гаметы были нередуцированными, т.е. имели по 9R и 9В хромосом. От них получились устойчивые фертильные аллополиплоидные (или амфидиплоидные) ра­стения с 4п = 36, которым автор дал новое ви­довое название — Рафанобрассика.

Аллополиплоидия широко распространена в природе. Известны многие полиплоидные виды и у возделываемых растений. Детально изучены пути формирования аллополиплоидов среди пшениц. Естественный аллополиплоид (2n =42) Triticum aestivum (пшеница мягкая, или хлебная) является одним из основных хлеб­ных растений мира. Она имеет геном ААВВDD. Для 35 % населения Земли это основной про­дукт питания. Естественный аллотетраплоид Т. durum (пшеница твердая, или макаронная) имеет 2n = 28. Единственный возделываемый диплоидный вид Т. топососсит (пшеница однозернянка) имеет 14 хромосом.

Анеуплоидия. Организм с набором 2 п - 1 называют моно­сомиком, 2л + 1 — трисомиком, 2п + 2 — тетрасомиком, 2п + 3 — пентасомиком, 2л - 2 — нуллисомиком.

В 1954 г американский ученый Е.Сирс после 15 лет работы создал на базе сорта пше­ницы «Чайниз Спринг» коллекцию нуллисомиков, моно-, три- и тетрасомиков.

У организмов, у которых нет дублирующих геномов, как у пшеницы, потеря целой хромосомы, т.е. образование нуллисомиков, почти всегда детальна. Летальны также потери больших кусков хромосом. У дурмана добавление одной хромосомы тоже ведет к изменению фенотипа – формы семенной коробки.

Гаплоидия. Гаплоидия — это явление уменьшения чис­ла хромосом, когда в наборе соматической или половой клетки каждая пара гомологичных хромосом представлена лишь одной из них. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гашплоидный набор негомо­логичных хромосом.

Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле спорообразующих грибов, бактерий и одноклеточных водорослей.

У высших растений гаплоид впервые был обнаружен у дурмана в 1921г., затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы. В настоящее время гаплоидия известна для 71 вида из 39 родов и 16 семейств. Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

1. Проявляются рецессивные гены, так как их не прикрывают доминантные аллели.

2. По внешнему виду, как правило, они сходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их.

3. Гаплоиды перекрестноопылителей мало­жизнеспособны в отличие от гаплоидов самоопылителей.

4. Клетки имеют меньший размер, что мо­жет объясняться уменьшением дозы генов.

5. Гаплоиды почти бесплодны, так как у них в мейозе не образуются полноценные гаметы, хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет в процессе, самоопыления образуется диплоид, гомозиготный по всем генам. Растения, полученные от гаплоида путем вегетативного размножения, имеют фенотип, полностью соответствующий генотипу.

В гаплоидных тканях растений можно улавливать полезные и устранять летальные рецессивные соматические мутации.

Искусственное получение полиплоидов. Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию: изменение тем­пературы, радиация, действие наркотиков, механические воздействия — пасынкование, декапитация.

И.И.Герасимов в 1898-1901 гг. впервые экспериментально получил тетраплоидные клетки водоросли спирогиры после воздействия на исходные клетки парами эфира, высокой температурой и др.

Особенно популярен колхицин — алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего — Colchicum autumnale. Впервые его применили А.Блексли, О.Эйвери и Б.Небел в 1937 г. Колхицином обрабатывают точки роста растений или инъецируют его животным в воднои растворе. Этот алколоид парализует расхождение хромосом к полюсам (ингибирует просоединение молекул тубулина к микротрубочкам), но не препятствует их репродукции.

Не все селекционные задачи можно решать путем межсортовой гибридизации. В частности, при селекции картофеля на устойчивость к раку, вирусным и некоторым другим болезням из всего разнообразия сортов культурного вида не удалось найти подходящих доноров устойчивости, которые можно было бы использовать в качестве одного из компонентов скрещивания. Но такие формы были выявлены среди других видов картофеля. Поэтому уже давно стоит задача научиться передавать селекционным путем полезные признаки одного вида иным родственным видам. Это касается не только картофеля, но и многих других сельскохозяйственных культур. Среди диких видов имеется немало таких, которые обладают весьма ценными свойствами: иммунитетом к болезням, исключительной засухоустойчивостью, высоким содержанием питательных и других полезных веществ и т. д., чего часто недостает многим культурным растениям.

Передачу полезных признаков и свойств от диких видов культурным, на первый взгляд, осуществить несложно: скрестить культурное растение с диким и в последующих поколениях отобрать нужные формы. Но такие попытки чаще всего заканчивались неудачей. Причина заключается в том, что большинство культурных растений создавалось на протяжении нескольких тысячелетий, и по биологическим особенностям они сильно отличаются от своих предков. Поэтому скрещивание культурных растений с дикими, как правило, либо трудно осуществимо, либо не дает нужного сочетания признаков и свойств. Поэтому отдаленная гибридизация и нашла широкое применение в селекции лишь сравнительно недавно, хотя первые межвидовые скрещивания были проведены еще в XVIII в.

Успешно проводил с 1884 г. межвидовые и межродовые скрещивания многих культур И. В. Мичурин. В 1988 г. впервые получили плодовитый гибрид между пшеницей и рожью. Мировую известность приобрели исследования Г. Д. Карпеченко по скрещиванию капусты и редьки, в которых он впервые указал путь преодоления бесплодия отдаленных гибридов и синтеза на их основе новых межвидовых форм. Развернутые в начале 30-х гг. работы академика Н. В. Цицина по скрещиванию пшеницы с пыреем и другими видами открыли широкие перспективы для практического использования метода отдаленной гибридизации в селекции. В дальнейшем такие работы были развернуты в ряде других стран (США, Канада, Австралии и др.). Большое значение для использования отдаленной гибридизации имела разработка метода культуры клеток и тканей в стерильных условиях.

В настоящее время отдаленную гибридизацию зерновых, кормовых, технических, плодовых и ягодных культур проводят в широких масштабах в СНГ и других странах.

И. В. Мичурин считал метод отдаленной гибридизации главным в своей работе. В последующие годы наиболее глубокое развитие метод отдаленной гибридизации получил в работах по экспериментальной полиплоидии растений и в новых работах по сочетанию отдаленной гибридизации с радиационной селекцией растений.

Скрещивание отдаленных форм во многих случаях ведет к появлению стерильных гибридов. Это ставит предел селекционной работе, так как ограничивает возможности получения новых форм.

Для многих растительных организмов задача преодоления стерильности гибридов, получаемых от отдаленных скрещиваний, была решена путем экспериментальной полиплоидии. Как было указано выше, образование половых клеток (гамет) связано с процессом мейотического деления. Мейоз основан на явлении расхождения гомологичных хромосом, которые в обычной соматической клетке представлены парами. Когда мы имеем дело с гибридами, полученными при отдаленном скрещивании, то в этом случае ядро гибрида состоит из двух разных гаплоидных наборов. Каждая из хромосом не имеет себе гомологичного партнера, чтобы вступить с ним в конъюгацию и этим обеспечить нормальное расхождение одной половины хромосом в одну и другой в другую дочернюю клетку. У таких гибридов расхождение хромосом в мейозе при созревании половых клеток происходит случайно, что приводит к хаотическому распределению хромосом. В результате гаметы с нарушенной ядерной структурой часто погибают. Если же такие гаметы сливаются в процессе оплодотворения, то гибнут зиготы, возникшие при таком оплодотворении. Гибрид оказывается стерильным.

Генетическая теория ясно указывала путь, при помощи которого можно преодолеть стерильность гибридов первого поколения. Для этого необходимо удвоить число хромосом в гибриде. В результате такого удвоения клетки гибрида получат ядра, которые будут сочетать в себе целиком оба диплоидных ядра исходных видов.Г. Д. Карпеченко различает два вида скрещиваний: скрещивание близких форм (сорта одной разновидности и близкие разновидности), которые имеют одинаковое количество хромосом и сходное их строение, хромосомы у гибридов первого поколения (F1) образуют нормальные эквиваленты. Такие формы обычно отличаются друг от друга сравнительно небольшим количеством альтернативных признаков, и во втором поколении (F2), полученном от их скрещивания, идет простое расщепление, строго следующее правилам наследственности, установленным Г. Менделем и Т. Морганом.

При скрещивании далеких форм (далекие географические расы и различные виды) дело обстоит иначе. Даже по внешнему виду такие формы сильно отличаются друг от друга. Еще больше их внутренние различия (различия их генотипов), т. к. у них даже внешне сходные признаки часто определяются различными наследственными факторами. В связи с этим при отдаленных скрещиваниях расщепление приобретает очень сложный характер. Кроме того, при таких скрещиваниях часто наблюдается сильная стерильность, зависящая от неспособности «гомологичных» хромосом отцовского и материнского родителя образовывать нормальные биваленты и от несовместимости цитоплазмы одного родителя с определенными элементами ядра другого родителя. Г. Д. Карпеченко подразделяет отдаленные скрещивания на конгруентные (латинское — соответствовать, совпадать) и инконгруентные скрещивания. Конгруентные скрещивания, как определял Г. Д. Карпеченко: «...когда родительские формы, несмотря на большое различие в генах, имеют «соответственные» хромосомы, которые могут комбинироваться у гибридов без понижения жизнеспособности и фертильности их, по крайней мере в большинстве случаев». К инконгруентным скрещиваниям он относил такие, при которых большая часть гибридов оказываются частично или совсем стерильными или имеют «ненормальности в развитии». Хорошим примером конгруентных отдаленных скрещиваний могут служить гибриды от скрещивания японской разновидности ячменя с афганской формой, полученные Г. Д. Карпеченко.

Гибриды второго и последующих поколений от этих скрещиваний имели большое многообразие. Аналогичное поведение гибридов Г. Д. Карпеченко и его сотрудники обнаружили при скрещивании других географически отдаленных рас ячменя и иных культурных растений (пшеница, чечевица, горох и т. д.). Такое сложное расщепление при отдаленных конгруентных скрещиваниях является следствием того, что географически отдаленные разновидности и близкие виды отличаются друг от друга многими десятками и сотнями генов (эти различия возникли во время независимой эволюции далеких рас и видов после их изоляции друг от друга). Вполне вероятно, что многообразные комбинации такого числа генов обусловливают очень сложное расщепление во втором поколении и в последующих и приводят к резкому усилению или ослаблению некоторых признаков и возникновению новых признаков и свойств. Вместе с тем такие скрещивания обеспечивают у гибридов резко выраженную гибридную мощность. Конгруентные скрещивания географически отдаленных форм еще задолго до опубликования работы Г. Д. Карпеченко нашли широкое применение в селекционной работе И. В. Мичурина, где они обеспечивали, особенно у яблони и груши, сочетание положительных признаков скрещиваемых далеких географических форм и резко выраженный гетерозис полученных таким образом гибридов.

При отдаленных инконгруентных скрещиваниях, в дополнение к очень сложному расщеплению, характерному для конгруентных скрещиваний, наблюдается еще и стерильность, часто очень сильно выраженная. Стерильность отдаленных гибридов зависит от нескольких причин. Так, у отдаленных гибридов между 42-хромосомными мягкими пшеницами и 28-хромосомными твердыми пшеницами стерильность обусловлена разницей чисел хромосом у исходных форм. Хорошим примером стерильности отдаленных гибридов между формами с одинаковым количеством хромосом (18) могут служить гибриды между редькой и капустой, полученные и изученные Г. Д. Карпеченко. Единичные семена, образуемые гибридами первого поколения, чаще всего возникают в результате соединения нередуцированных мужских и женских гамет, имеют 36 хромосом и заключают двойной набор хромосом редьки и капусты (18 хромосом редьки + 18 хромосом капусты). Такие гибриды вполне плодовиты, имеют резко выраженную гибридную мощность, по внешнему виду занимают промежуточное положение между редькой и капустой и стойко сохраняют эти особенности во всех последующих поколениях. Исследования Г. Д. Карпеченко с такими гибридами хорошо демонстрируют не только своеобразные особенности поведения отдаленных гибридов такого типа, приводящие к образованию константно-промежуточных гибридов, которые во многих случаях дают начало не только новым видам, но даже и новым родам, но вместе с тем показывают значение удвоения числа хромосом как надежного способа устранения стерильности и закрепления основных свойств таких гибридов, что имеет большое значение для селекции растений.

Последователями Г. Д. Карпеченко позднее было получено значительное количество таких константно-промежуточных отдаленных гибридов у самых различных растений, причем некоторые из них уже дали начало очень ценным новым сортам.