Цитогенетическое исследование видов пырея и гибридов

« Октябрь 2017 »
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
	1
2	3	4	5	6	7	8
9	10	11	12	13	14	15
16	17	18	19	20	21	22
23	24	25	26	27	28	29
30	31

31.03.2014 | Автор: Serxio

Цитогенетические исследования видов пырея и пшенично-пырейных гибридов дали возможность выявить ядерно-геномную структуру видов пырея, филогенетические связи видов пшеницы и пырея и на основании этих данных установить закономерности механизмов формообразовательных процессов пшенично-пырейных гибридов.
Определение числа хромосом показало, что виды A. glaucum (Desf.) Boem, et Schult. syn. A. intermedium (Host) P. B., A. trichophorum (Link) Bicht и A. junceum (L.) P. B. являются гексаплоидами, в их соматических клетках 2n= 42 хромосомы. A. elongatum имеет две формы: декаплоидную (2n=70, восточноевропейская) и диплоидную (2n=14, западноевропейская). В связи с тем, что наиболее ценные пшенично-пырейные гибриды получены при включении в гибридизацию пшеницы с видами пырея A. glaucum и A. elongatum, мы проводим основные цитогенетические исследования также на этом материале.
A. glaucum, включающий различные формы, во всех случаях имеет в соматических клетках 2n=42 хромосомы с изредка встречающимися анеуплоидами ±1—2 хромосомы. В мейозе, как правило, образуется 21 бивалент и в некоторых метафазах I наблюдается один-два квадрпвалента или тривалента. В основном мейоз протекает правильно, за небольшим исключением. Количество фертильной пыльцы в среднем составляет 93%. Озерненность колосьев при естественном свободном опылении колеблется от 1,8 до 2,2 зерна на один колосок.

У декаплоидного A. elongatum, характеризующегося меньшей полиморфичностью, чем A. glaucum, в соматических клетках 2n=70 хромосом, но число анеуплоидов с одной-двумя недостающими или дополнительными хромосомами несколько выше, чем у последнего. В метафазе I мейоза наряду с основной массой бивалентов наблюдаются в небольшом варьирующем числе триваленты, квадриваленты и даже пентаваленты и гексаваленты. Дальнейшее течение мейоза в основном имеет правильные черты. Количество фертильной пыльцы составляет в среднем 96%. Озерненность колоса у различных форм несколько различна и колеблется от 2, 8 до 3,4 зерен на один колосок, т. е. значительно выше, чем у A. glaucum.
Цитогенетические исследования первого поколения пшенично-пырейных гибридов, полученных от скрещивания мягкой пшеницы с пыреями A. glaucum и A. elongatum, показали, что число хромосом в соматических клетках, как и следовало ожидать, равно сумме гаплоидных чисел родительских форм: Т. aestivum (п=21)xА. glaucum (n=21)=2n=42, Т. aestivum (n=21)xA. elongatum (п=35)=2n=56. По морфологии и величине различить хромосомы пырея от хромосом пшеницы не представляется возможным. Разрабатываемая методика дифференциального окрашивания хромосом даст возможность идентифицировать хромосомы пшеницы и пырея.
Исследование микроспорогенеза у пшенично-пырейных гибридов первого поколения позволило установить сравнительно большое для отдаленных гибридов число конъюгирующих хромосом. Ho вместе с тем наблюдается широкое варьирование в отношении числа и формы конъюгирующих хромосом.
У гибридов первого поколения Т. aestivum x A. glaucum (2n=42) мейоз в материнских клетках микроспор (MKM) имеет много нарушений. В диакинезе и метафазе I наблюдается образование от 0 до 14 бивалентов, и соответственно этому остальные хромосомы являются унивалентными. Иногда встречаются 1—3 тривалента и тогда бивалентов меньше.
У гибридов первого поколения, полученных от скрещивания Т. aestivum x A. elongatum (2n=56), в мейозе MKM наблюдается большое число конъюгирующих хромосом, в том числе от 7 до 21 бивалента, около 30% клеток имеют триваленты и 7% клеток имеют квадриваленты. Многие биваленты (около 43%) закрытого типа, а триваленты и квадриваленты — чаще в виде цепочки и только в отдельных случаях кольцеобразные. Наблюдаемое широкое варьирование в числе хромосомных ассоциаций по всех группах скрещивания и даже между растениями в пределах гибридной комбинации объясняется главным образом гетерозиготностью пырейных форм. Кроме того, выявлено варьирование в образовании хромосомных ассоциаций даже в пределах одного и того же растения. Специальными исследованиями установлено, что это варьирование обусловлено влиянием условий среды, в первую очередь температурой и влажностью.
В наиболее ранних цитогенетических исследованиях многие авторы, наблюдая в первом поколении пшенично-пырейных гибридов большое число бивалентов, исходили из предположения аллосиндеза пшеничных и пырейных хромосом. В соответствии с условной системой геномных формул, предложенных Кихаром в 1024 г. для диплоидных, тетраплоидных и гексаплоидных видов пшеницы (А, AB, ABD), и на основании числа конъюгирующих хросмосом в F1 различных пшенично-пырейных гибридов было предположено, что геномная формула для A. elongatum должна быть AaBaDaX1X2, а для A. glaucum — AaDaX1.
Значок «а» указывает на некоторое предполагаемое отличие геномов Agropyron от Triticum. Ho в целом эти геномные формулы показывают, что у A. elongatum предполагалось три генома, гомеологичных геномам Triticum, а у A. glaucum — два таких генома. Геномы Х-специфические для пырея.
На основании этого были высказаны суждения о близком генетическом родстве пшеницы и пырея и даже необходимости объединения их в один род, а также о том, что A. elongatum генетически более близок к пшенице, чем A. glaucum.
Ho дальнейшие исследования пшенично-пырейных, пшеничноржаных межвидовых пырейных гибридов показали неправильность такой точки зрения и было установлено, что в первом поколении пшенично-пырейных гибридов ассоциация хромосом происходит не в результате аллосиндеза, как предполагалось, а в основном за счет автосиндеза главным образом пырейных и частично пшеничных хромосом. И только единичные пырейные хромосомы конъюгируют с пшеничными.
На основании многолетних и разносторонних исследований к настоящему времени для видов пырея установлены следующие геномные формулы: для A. glaucum B2E1E2, для A. elongatum — B2E1E2F1F2. Таким образом, гомеологичным геномом пшеницы и пырея можно считать до некоторой степени геном В. Ho и он не полностью гомологичен и это подчеркивается значком «2».
Исходя из таких геномных структур становятся ясными вариации в числе ассоциирующих хромосом и отклонения от нормы в микроспорогенезе, а также особенности формообразования, о которых будет сказано позднее.
В соответствии с нарушениями конъюгации хромосом дальнейшее течение мейоза у всех групп гибридов первого поколения характеризуется большими отклонениями от нормы. В метафазе отмечается широкое варьирование конъюгирующих хромосом, большинство остаются унивалентными, многие из них отброшены за пределы веретена. Часто встречаются клетки, у которых имеются два веретена вместо одного, а также клетки с трехполюсным веретеном. В анафазе I расхождение хромосом в значительной степени беспорядочное. После расхождения к полюсам веретена хромосом, составлявших биваленты, экваториальную часть занимают униваленты, которые отходят к полюсам в большинстве случаев в неодинаковом числе с предварительным разделением или без разделения на хромотиды.
Некоторые из унивалентов остаются на экваторе, другие отброшены в плазму, в дальнейшем онп образуют микроядра или лизируются. В телофазе I хромосомы долгое время остаются необъединенными; характерным является наличие того пли иного числа микроядер. В анафазе I и телофазе I нередко наблюдаются хроматиновые мосты.
Второе деление мейоза также протекает с большими отклонениями от нормы, особенно это сказывается на образовании микроядер, причем некоторые из них образованы многими хромосомами. В результате вместо тетрад нередко образуются пентады или гексады. Пыльца пустая, абортивная, но среди пустой пыльцы наблюдаются отдельные пыльцевые зерна, выполненные цитоплазмой. При просмотре пыльцы под микроскопом в ацетокармине такие пыльцевые зерна хорошо красятся и в них можно видеть вегетативное ядро и два спермия. Ho эти нормальные пыльцевые зерна остаются недеятельными, так как пыльники с малым количеством нормальной пыльцы кожистые и не растрескиваются. При вскрытии их пинцетом или препаровальной иглой и нанесении содержимого на рыльце цветков пшеницы завязываются семена, но в небольшом числе. Однако у отдельных гибридных растений иногда наблюдается растрескивание пыльников, в которых находится до 60% нормально выполненных цитоплазмой, хорошо окрашивающихся в ацетокармине пыльцевых зерен.
Склонность к образованию нормальной пыльцы и растрескиванию пыльников далеко не стабильна. Одно и тоже растение в разные годы вегетации даст различные показатели в этом отношении. И более того, в пределах одного и того же растения, но у различных по развитию побегов процент нормальной пыльцы в пыльниках и растрескивание пыльников бывают далеко неравнозначными; чаще растрескивание пыльников наблюдается у основных хорошо развитых побегов.
Совершенно очевидно, что образование в сравнительно большом количестве нормальной пыльцы и особенно растрескивание пыльников зависят не только от генетических особенностей гибридного растения, но и от метеорологических условий во время мейоза и цветения. Это легко наблюдать в отношении растрескивания пыльников. При большой влажности воздуха и почвы, когда клетки растения, в том числе пыльцевые зерна, находятся в хорошем тургорном состоянии, растрескивание пыльников осуществляется значительно легче. В этом случае растрескивание пыльников происходит даже при 40%-ном содержании в них нормально сформированных пыльцевых зерен. При пониженной влажности почвы и воздуха и высокой температуре эти пыльники остаются нелопнувшими.
Процесс макроспорогенеза в первом поколении пшенично-пырейных гибридов протекает совершенно аналогично описанному микроспорогенезу.
У этих гибридов жизнеспособными макроспорами являются единичные яйцеклетки. Об этом свидетельствует тот факт, что растения F1 почти полностью стерильны. На тысячу опыленных цветков завязывается одна — пять зерновок.
Для выяснения вопроса о том, какие гаметы и с каким числом хромосом являются жизнеспособными, были проведены анализирующие скрещивания. Цветки растений первого поколения опыляли пыльцой мягкой пшеницы, у которой имеется определенное число хромосом (2n=42). Полученные таким образом семена и затем растения F2(B1) имели в соматических клетках 2n=63±1—2 хромосомы. Это подтвердило наше предположение о том, что жизнеспособными яйцеклетками являются те, которые имеют реституционное ядро, т. е. ядро с нередуцированным числом хромосом, равным 42.
Процесс формирования из F1 пшенично-пырейных гибридов октоплоидных форм типа многолетней пшеницы очень существенно отличается от формирования гибридов типа мягкой пшеницы. Эти различия в методах и схемах начинаются уже после первого беккросса пшенично-пырейных гибридов с пшеницей.
Как было описано выше, первое поколение пшенично-пырейных гибридов имеет почти полное сходство с пыреем: растения многолетние, мощные, их колос узкий, очень рыхлый с ломким стержнем. Для преодоления стерильности и окультуривания их колоса необходимо F1 опылить искусственно пыльцой пшеницы, или фертильных пшенично-пырейных гибридов старших поколений, или предоставить F1 свободному опылению указанных растений. Число завязывающихся зерновок у F1 составляет доли процента с широким варьированием в зависимости от комбинации скрещивания, условий среды во время микро- и макроспорогенеза и цветения, а также от наличия в изобилии во время цветения соответствующей пыльцы у растений, окружающих первое поколение пшенично-пырейных гибридов. Растения второго поколения пшенично-пырейных гибридов, полученные после первого беккросса с пшеницей — F2(B1) — (Т. aestivum x A. glaucum) x T. aestivum, имеют в соматических клетках 2n=63 хромосомы.
Они являются сесквидиплоидами, обладая двумя хромосомными комплексами мягкой пшеницы и одним пырейным. В том случае, когда опылителем является один сорт пшеницы в пределах каждой гибридной комбинации, растения довольно выравнены. Некоторые мелкие различия могут быть в зависимости от степени гетерозиготности пырея.
Генетический механизм формирования F2(B1) можно представить в следующем виде. Яйцеклетки с реституционным ядром, содержащие соматический набор хромосом растений F1 с геномами ABDB2E1E2, при беккроссе с пшеницей, имеющей геномы ABD, дают начало образованию F2(B1) такой геномной структуры, как AA+ BB + DD +B2 +E1E2.
Эти гибриды F2 хорошо развиваются, имеют большое сходство с пыреем, но у них уже проявляются, хотя и слабо, признаки пшеницы. В процессе микро- и макроспорогенеза этих гибридов пшеничные хромосомы геномов ABD, полученные от первого поколения гибридов, образуют биваленты с гомологичными хромосомами, включенными при беккроссе с пшеницей. Кроме того, гомеологичные геномы пырея E1E2 также могут образовать дополнительно от 0 до 7 бивалентов; хромосомы пырейного генома B2, как правило, остаются унивалентными или одна-две из них могут присоединяться к бивалентам пшеницы BB и образовать триваленты.
В анафазе хромосомы, составлявшие биваленты, отходят к полюсам, а униваленты после них занимают экваториальную зону, где делятся на хроматиды или без разделения отходят к тому и другому полюсу.
Некоторые из унивалентов остаются невключенными в дочерние ядра, образуя микроядра или лизируясь.
Необходимо отметить, что у большинства растений F2(B4) мейоз имеет много нарушений в результате различных причин: общей перегрузки ядра и в таких условиях слабым проявлением гомеологичности геномов пырея E1E2. В тех случаях, когда многие хромосомы E1E2 остаются унивалентными в дополнение к унивалентам B1, они создают много нарушений, что ведет к образованию нежизнеспособных макро- и микроспор. В результате многие растения имеют очень слабую фертильность. У фертильных растений F2(B1) жизнеспособные гаметы имеют геномы ABDE, (или E2 или смешанный из хромосом E1E2 + B2 от 0 до 7). При самоопылении и перекрестном опылении, когда встречаются гаметы подобных геномных структур, возникают и формируются растения F3, имеющие примерно такую геномную формулу AA + BB + DD + E1E1 (или E2E2) + B2 (от 0 до 7). Хромосомы B2, которые в F2(B1) были унивалентными, постепенно элиминируются. Это простейший путь формирования растений типа многолетней пшеницы, которые имеют полный хромосомный комплекс пшеницы и дополнительно геном пырея, т. е. AABBDDEE. Часто процесс формирования 56-хромосомных пшенично-пырейных гибридов протекает более сложно. Особенно часты отклонения за счет недостаточно стабильной конъюгации хромосом геномов E1E2; иногда возникает недостаток или избыток этих хромосом. Ho в конце концов с каждой новой генерацией в результате лучшей жизнеспособности гамет типа ABDE1 увеличивается и количество растений со стабильным октоплоидным числом хромосом.
Мы рассмотрели случаи, когда растения F2(B1) самоопыляются или опыляются пыльцой октоплоидных пшенично-пырейных гибридов. Ho если растения F2(B1) снова опылить пыльцой мягкой пшеницы, т. е. провести второй беккросс, то весь формообразовательный процесс пойдет в сторону мягкой пшеницы.
Рассмотрим это на примере с геномными формулами. Растения F2(B1) дают гаметы, имеющие геномную структуру ABDEB2 (от 0 до 7). При оплодотворении их гаметой мягкой пшеницы с геномами ABD возникают растения F3(B2), которые имеют следующую геномную структуру: AA + BB + DD + E (от 0 до 7) и B2 (от 0 до 7). Хромосомы геномов E и B2, как не имеющие партнеров, будут элиминироваться уже при образовании гамет F3. И в следующем, четвертом поколении многие растения будут иметь геномную структуру AA + BB + DD, т. е. это будут растения типа мягкой пшеницы, у которых еще содержатся единичные хромосомы геномов B2 и E и поэтому сохранятся некоторые черты пырея. Ho в дальнейшем и эти пырейные хромосомы будут элиминироваться. Пырейный наследственный материал у пшенично-пырейных гибридов типа мягкой пшеницы может сохраняться в форме отдельных пырейных сегментов в пшеничных хромосомах, или, как теперь отмечают некоторые исследователи, отдельные пырейные хромосомы могут быть в пшенично-пырейных гибридах как дополнительные или заменяющие пшеничные хромосомы. Ho во всех этих случаях растения относятся к типу однолетних мягких пшениц, а пырейные признаки у них проявляются в слабой форме.
Рассмотренные механизмы формирования октоплоидных форм при гибридизации мягкой пшеницы с A. glaucum протекают аналогично и при скрещивании мягкой пшеницы с A. elongatum.
Основная разница заключается в том, что этот вид пырея имеет большее число хромосом, поэтому у пшенично-пырейных гибридов они сохраняются в большем числе поколений.

Рубрика: Многолетняя пшеница

Все о зерне

Цитогенетическое исследование видов пырея и гибридов