Полиплоидия, как метод селекции

 

В 1892 году русский ботаник И.И. Герасимов исследовал влияние температуры на клетки зеленой водоросли спирогиры и обнаружил удивительное явление - изменение числа ядер в клетке. После воздействия низкой температурой или снотворным (хлороформом и хлоралгидратом) он наблюдал появление клеток без ядер, а также с двумя ядрами. Первые вскоре погибали, а клетки с двумя ядрами успешно делились. При подсчете хромосом оказалось, что их вдвое больше, чем в обычных клетках. Так было открыто наследственное изменение, связанное с мутацией генотипа, т.е. всего набора хромосом в клетке. Оно получило название полиплоидии, а организмы с увеличенным числом хромосом - полииплоидов.

В природе хорошо отлажены механизмы, обеспечивающие сохранение постоянства генетического материала. Каждая материнская клетка при делении на две дочерние строго распределяет наследственное вещество поровну. При половом размножении новый организм образуется в результате слияния мужской и женской гаметы. Чтоб сохранилось постоянство хромосом у родителей и потомства, каждая гамета должна содержать половину числа хромосом обычной клетки. И в самом деле, происходит уменьшение в два раза числа хромосом, или, как назвали ученые редукционное деление клетки, при котором в каждую гамету попадает только одна из двух гомологичных хромосом. Итак, гамета содержит гаплоидный набор хромосом - т.е. по одной от каждой гомологичной пары. Все соматические клетки диплоидны.

Полиплоидия (от греч. polyploos - многократный и eidos - вид), кратное увеличение числа наборов хромосом в клетках организмов. В естественных условиях возникает под влиянием различной природных факторов (резкая смена температур, действие ионизирующей радиации и др.), а также при естественной гибридизации. В основе механизма действия этих факторов лежит не расхождение

 

хромосом в митозе (т. н. митотическая полиплоидия, напри-мер, у голосеменных) или в мейозе (мейотическая полиплоидия). При поли-плоидии нормальный диплоидный набор хромосом (2 n), свойственный соматическим клеткам большинства организмов, увеличивается кратно гаплоидному набору (n), свойственному половым клеткам.

 

Полиплоидизация - перспективный метод в селекции лесных пород, ведущий к улучшению существующих и созданию новых, более совершенных форм. Искусственные триплоиды тополя, берёзы, ольхи и других древесных пород, получаемые скрещиванием диплоидных и тетраплоидных форм и отличающиеся быстрым ростом, прочной и устойчивой к гнилям древесиной, декоративностью, высоко ценятся в лесоразведении и озеленении.

 

Полиплоидия – это естественный природный процесс видо- и формообразования, ведущий к улучшению существующих и возникновению новых более совершенных форм растений. Изучение некоторых разновидностей и сортов культивируемых древесных растений показало, что по своей генетической природе они являются аллополиплоидамми древних гибридных видов. Между количеством хромосом и свойствами полиплоидных форм не всегда наблюдается прямая связь. Часто диплоидные особи оказываются значительно лучше полиплоидов, полученных от них. Например, тетраплоидные формы березы, тополей, вязов, ольхи и робинии лжеакации растут медленнее диплоидных, а триплоидные особи оказались более быстрорастущими. Существует известный оптимум числа хромосом, обеспечивающий наиболее эффективный рост и накопление практически ценных для селекции качеств. У древесных растений оптимальным уровнем полиплоидии считается триплоидный. Например, триплоидная исполинская осина (Populus tremula var gigas) характеризуется быстрым ростом, увеличенным размером клеток и органов, устойчивостью к грибным заболеваниям. Разработаны методы массового искусственного получения триплоидной осины. Растения с очень большим числом хромосом нередко имеют пониженную жизнеспособность.

 

Больше полиплоидов среди лиственных пород (особенно в семействах ивовых, берёзовых, розовых, бобовых и др.), меньше - среди хвойных. Около трети всех видов покрытосеменных возникло за счёт полиплоидии (среди голосеменных только 4,5% видов - полиплоиды). Полиплоидия ведёт к образованию гетерозисных форм, характеризующихся мощностью развития, усиленным и быстрым ростом, накоплением в тканях ценных химических соединений и т. д. Однако повышение плоидности, ведущее к усилению мощности растений, имеет определенные границы. Так, у цитрусовых деревьев (апельсин, мандарин, лимон) искусственная полиплоидия вызывает карликовость.

 

Особенно большое значение в селекции растений, в том числе и древесных, имеет восстановление фертильности (плодовитости) аллополиплоидов.

 

Фертильность определяется порядком прохождения мейоза. У тетраплоидных особей в клетках растения существуют два набора гомологичных хромосом, которые в мейозе группируются по четыре хромосомы. Четыре гомологичные хромосомы могут расходиться к противоположным полюсам следующим образом: 2 и 2, 2 и 3, 3 и 1. Дочерние клетки в результате мейоза могут получить неполный или избыточный набор хромосом. Гаметы с несбалансированным набором хромосом, как правило, погибают. Такому стерильному дереву с нарушенным процессом образования гамет можно вернуть плодовитость (фертильность) и вмешательством в процесс формирования кариотипа зародыша семян. Это имеет большое значение при отдаленной гибридизации для восстановления фертильности в последующих поколениях ценных гибридов.

 

Существует правило: если диплоид фертильный, то образованный от него тетраплоид может быть стерильным; если же диплоид стерильный, то производный тетраплоид может быть фертильным. Наряду с этим замечено, что если в первом гибридном поколении (F1) диплоидный гибрид стерилен или образует варьирующее потомство, то при удвоении числа хромосом он может стать фертильным и хорошо размножаться, так как в этом случае все члены одного набора хромосом полностью соответствуют своим двойникам в другом наборе хромосом. Например, полученный гибрид с диплоидным набором хромосом имеет негомологичные хромосомы вследствие скрещивания отдаленных в систематическом отношении видов. В результате хромосомы не образуют во время мейоза необходимых гомологичных пар и не распределяются равномерно по полюсам. Вместо этого они могут мигрировать к полюсам в сочетании: 2 и 0, 1 и 1, 0 и 2. В каждом случае яйцеклетка или пыльцевое зерно получает несбалансированные наборы хромосом и погибает. Однако если число хромосом гибрида удваивается и образующаяся тетраплоидная особь имеет два полных набора хромосом (по 2п в каждом), получаются гаметы с гомологичными наборами хромосом. В мейозе хромосомы образуют пары и равномерно распределяются в дочерние клетки.

 

Анализируя все вышесказанное можно сделать вывод: при полиплоидии в ядрах клеток растений происходит увеличение числа хромосом в кратном отношении к гаплоидному (п), при этом с увеличением числа хромосом на один набор 2 + 1 = 3 появляются триплоидные растения, при 2 + 2 = 4 – тетраплоиды и т.д. Увеличение числа хромосом может быть неограниченно большим, но наиболее эффективны небольшие их величины.

 

Полиплоиды могут возникать в естественных условиях под влиянием природных факторов: резких смен температур, космической радиации, гроз, бурь, ливней, града и т.п.

 

Полиплоидия может быть митотического (изменяется набор хромосом в соматических клетках) и мейотического (изменяется набор хромосом в половых клетках) происхождения, последняя бывает реже.

 

Все полиплоиды могут быть объединены в четыре группы:

 

1 автополиплоиды – организмы, имеющие увеличение гаплоидного набора более, чем в два раза хромосом одного и того же вида.

 

2 аллополиплоиды – особи, возникающие на основе объединения или умножения двух или нескольких целых геномов, принадлежащих разным видам или родам.

 

3 анеуплоиды – организмы, имеющие уменьшенное или увеличенное число хромосом некратное основному числу хромосом вида.

4 гаплоиды – организмы, имеющие в соматических клетках не увеличенное, а уменьшенное число хромосом.

Следовательно, в селекционной работе с древесными растениями полиплоидия приобретает значение, как метод восстановления фертильности

 

и преодоления явления несовместимости при отдаленной межвидовой гибридизации.

 

Существует ряд методов получения полиплоидов. Так методы получения аллоплоидов можно разделить на две группы: опыление предуцированными гаметами и индуцирование мутагенами. При нормально протекающем мейозе хромосомное число в клетках уменьшается с 2п до 1п. Иногда редукционного деления не происходит, и образуются яйцеклетки или пыльцевые зерна с 2п хромосомами. Если пыльцевое зерно с 2п хромосомами оплодотворит яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом, образуется триплоидный эмбрион. Таким путем получают тетраплоидную осину, опыляя крупными триплоидными пыльцевыми зернами женские цветки диплоидных растений. Крупную триплоидную пыльцу отделяют от диплоидной, просеивая через тонкую ткань.

Индуцирование полиплоидов в свою очередь производится тремя способами:

 

1 Воздействие нагреванием, высушиванием или холодом. Удвоение соматических хромосом таким путем происходит довольно часто (в 1% или более делящихся клеток). Образующиеся клетки с тетраплоидным набором хромосом обрастают вокруг тканью и растение в целом остается диплоидным.

 

2 Индуцирование колхицином и подофилином. Они не препятствуют делению хромосом, а подавляют только механизм образования веретена, деления, при помощи которого разделившиеся хромосомы мигрируют к полюсам. Поэтому при воздействии этими веществами хромосомы делятся, но не расходятся к полюсам, и диплоидная клетка превращается в тетраплоидную. Колхицин используют в качестве мутагена чаще, чем подофилин. Обычно его применяют в виде слабого (0,1 –0,5 %-ного) водного раствора в течение нескольких часов или дней. Колхицин влияет на любую активно растущую ткань. Например, на клетки кончика корня или прорастающее пыльцевое зерно. Обработка колхицином часто заканчивается образованием миксоплоидов, или «химер», имеющих и диплоидные, и тетраплоидные ткани. Миксоплоиды могут быть разных типов: одна ветвь тетраплоидная, другая – диплоидная, или верхушка листа тетроплоидная, а основание диплоидное, то оно растет быстрее и лист заворачивается вверх, если наоборот, то лист заворачивается вниз.

 

Получение триплоидов из семян. Триплоидные растения древесных видов характеризуются быстрым ростом. Поэтому получение тетраплоидов для последующего перевода их в триплоиды скрещиванием с диплоидами становится распространенным направлением в селекции на гетерозис. Так, в северной Европе в больших количествах выращивают триплоидные деревья осины, которые получают в результате скрещивания женских клонов тетраплоидных растений с одним из диплоидных мужских клонов. Эту работу, как правило, проводят в теплицах. Дополнительно к этому практикуют посадку одного тетраплоидного клона в центре естественных насаждений мужских диплоидных особей. На деревьях женского клона семена будут триплоидными.

 

Гаплоидные особи образуются в результате самопроизвольного деления неоплодотворенной яйцеклетки. Такие формы обнаружены, как у голосеменных, так и у покрытосеменных. Однако гаплоидные формы древесных пород в селекции не применяются, так как они не жизнеспособны.

 

Из неоплодотворенных яйцеклеток индуцируют развитие партеногенетических особей после опыления их заранее инактивированной пыльцой. Среду для культуры тканей обычно готовят из агара с добавлением веществ, стимулирующих рост: сахарозы, аминокислот, гормонов растений, минеральных веществ, экстрактов пыльников. Температурный режим и свет

 

– важнейшие факторы при культуре тканей растений. Пыльцевые зерна в культуру тканей берут в период, когда генеративное и вегетативное ядра начинают одновременно делиться. При этом имеется большая вероятность образования триплоидных эмбрионов, чем гаплоидных.

 

Такие методы успешно используются при работе с травянистыми растениями. Это дает основание полагать, что эти методы можно будет применять и при работе с древесными растениями.

 

Таким образом, можно сделать вывод, что изменение количества хромосом в кариотипе – важнейший источник формообразования исходного материала для селекции растений.