CC BY
51
Хромосомные технологии в селекции зерновых культур
удк 575.222.73
современная селекция растений использует целый комплекс методов, основанных на последних достижениях множества биологических наук, среди которых одно из ключевых мест занимает цитогенетика. разработанные цитогенетиками подходы к манипулированию генетическим материалом клетки заложили методические основы хромосомной инженерии и значительно расширили возможности целенаправленного преобразования генетической структуры
культурных видов растений.
Иван Гордей,
заведующий лабораторией института генетики и цитологии нАн Беларуси, доктор биологических наук
Надежда Дубовец,
ведущий научный сотрудник института генетики и цитологии нан беларуси, кандидат биологических наук
Елена Сычева,
ученый секретарь института генетики и цитологии нАн беларуси, кандидат биологических наук
термин «хромосомная инженерия» был введен в обиход американским ученым Эрнестом Сирсом и впервые озвучен в его знаменитой статье «хромосомная инженерия пшеницы», опубликованной в материалах Стадлеровского симпозиума. Согласно трактовке автора, он означает перенос сегментов чужеродных хромосом, несущих отдельные желаемые гены, в хромосомы пшеницы [1]. По мере разработки этого направления содержание понятия «хромосомная инженерия» было расширено и сейчас включает манипуляции хромосомным составом растений на уровне целых геномов, отдельных хро-
мосом и их сегментов с целью увеличения генетического разнообразия культурных видов.
наибольшее применение хромосомные технологии нашли в генетико-селекционных программах по зерновым культурам. возможность манипуляций генетическим материалом клетки методами хромосомной инженерии основана на сходстве у представителей трибы Мював (к которой относятся важнейшие зерновые культуры) групп сцепления, обусловленном происхождением от общего предка. значительная коллинеарность генетических карт родственных таксонов обеспечивает эффект компенсации при взаимозамещении хроматина в пределах группы сцепления, причем величина этого эффекта тем больше, чем ближе филогенетическое родство донора и реципиента генетического материала.
в зависимости от ожидаемого эффекта компенсации выбирается и стратегия переноса чужеродного генетического материала. когда донором
чужеродного хроматина являются близкородственные виды, возможен перенос целых хромосом путем создания замещенных и дополненных форм. когда же источник интересующих нас генов — отдаленные сородичи, размер интрогрессии должен быть сведен до минимума, что достигается индукцией гомеологичного спаривания с последующей рекомбинацией
генетического материала и образованием межгеномных транслокаций хромосом. в случае филогенетически отдаленных видов применяются также манипуляции на уровне целых геномов, результатом которых является создание амфидиплоидов. такие формы, как правило, служат промежуточным звеном при реконструкции кариотипа, однако известны примеры непосредственного практического использования амфиди-плоидов. Самый яркий из них — тритикале.
объединение в одном организме генетических потенциалов пшеницы и ржи привело к созданию культуры, которая по показателям урожайности и питательной
рис. 1. кариотип гексаплоидного тритикале с 1D (1А), 3D (3А), 6D (6в)-замещениями хромосом, маркированный при помощи С-бзндинга
'* 1 ' *
Л
4
Рис. 2. Кариотип гексаплоидного тритикале с 1D (1А)-замещением хромосом, маркированный при помощи in situ гибридизации
НАУЧНАЯ ПУБЛИКАЦИЯ
■ 1996 31997 2000
1 23456789 10 11
Ех-трипшк
Рис. 3. Общее содержание белка в зерне замещенных гексаплоидных тритикале. 1, 2, 3, 4, 5 — формы с 3—4 парами хромосом D-генома; 6, 7 — формы с двумя парами хромосом D-генома; 8, 9 — формы с одной парой хромосом D-генома; 10, 11 — формы без замещений
■ 1996г. ■ 1999г.
Формы бх-тритакале
Рис. 4. Мейотический индекс у замещенных гексаплоидных тритикале
ценности превосходит обоих родителей, а по устойчивости к неблагоприятным почвенно-климатическим условиям не уступает ржи. В то же время тритикале не лишены недостатков, главный из которых — низкие хлебопекарные качества. Он может быть устранен с помощью методов хромосомной инженерии за счет введения в кариотип гексаплоидных тритикале хромосом D-генома пшеницы, несущих глиадин-кодирующие локусы высокой селекционной значимости. При этом наиболее желаемым способом такой интрогрес-сии является замещение хромосомами D-генома соответствующих гомеологов А-или в-геномов пшеницы при сохранении полного набора хромосом ржи [2, 3].
Сотрудниками лаборатории хромосомной инженерии растений Института генетики и цитологии НАН Беларуси выполнен цикл научных исследований по созданию и изучению гексаплоидных тритикале с различным качественным и количественным составом D(A)- и D(B)-замещений хромосом (рис. 1, 2) [4]. В ходе экспериментов получены данные, свидетельствующие о перспективности синтеза для селекционных целей гек-саплоидных тритикале с множественными интрогрессиями хромосом D-генома пшеницы [5]. Показано, что формы, содержащие 3—4 межгеномных замещения, по сравнению с формами с одиночными замещениями и обычными тритикале имеют более высокое содержание белка и улучшенное качество клейковины, а также характеризуются высокой цитологической стабильностью и, как следствие, устойчиво сохраняют в своем
кариотипе интродуцирован-ные хромосомы D-генома в ряду последующих поколений (рис. 3, 4).
Поскольку интрогрессия хромосом D-генома может влиять также на экспрессию генов, контролирующих другие хозяйственно ценные признаки, на линейном материале нами были изучены генетические эффекты различных типов модификаций ядерного генома тритикале на формирование таких показателей, как длина колоса, число колосков и цветков в нем, количество завязавшихся зерен, масса 1 тыс. зерен. Проведенный анализ выявил негативное влияние отдельных интрогрессий на исследуемые признаки. Установлено, что присутствие в кариотипе гексаплоидных тритикале 6D(6B)-замещения хромосом отрицательно сказывается на продуктивности колоса, однако отмеченный эффект не связан с интро-грессией в геном хромосомы 6D, а является следствием отсутствия в их кариотипе пары хромосом бВ. Исходя из этого, интрогрессию в карио-тип гексаплоидных тритикале хромосомы 6D предпочтительнее осуществлять в виде 6D(6А)-замещения. Показано также, что введение в карио-тип 6х-тритикале хромосомы 4D приводит к статистически достоверному увеличению длины колоса, но положительной корреляции между этим признаком и продуктивностью колоса не выявлено. К тому же у исследованных форм наблюдалось увеличение высоты растения и, как следствие, склонность к полеганию. В результате был сделан вывод о необходимости учитывать при разработке стратегии реконструкции кариотипа
тритикале как эффекты интро-дуцированных хромосом, так и последствия удаления из кариотипа соответствующих гомеологов.
В связи с тем что в большинстве случаев введенные в кариотип чужеродные хромосомы помимо целевого локуса содержат нежелательные гены, снижающие практическую ценность интрогрессивных форм, современная стратегия хромосомно-инженерных работ направлена на сокращение размеров интрогрессий путем получения межгеномных транслокаций хромосом. Метод получения межгеномных транслокаций основан на индукции спаривания между
родительским и чужеродным гомеологами и последующей рекомбинации генетического материала. Закономерности данного процесса изучены нами на примере тетрапло-идных пшенично-ржаных амфидиплоидов. Характерный для них высокий уровень го-меологичного спаривания и, как следствие, большое число различного типа межгеномных транслокаций позволяют использовать данные формы в качестве генетического «мостика» для переноса сегментов чужеродных хромосом. Традиционно тетраформы содержат в пшеничном компоненте кариотипа смесь хромосом А- и В-геномов, между тем с геномом ржи могут комбиниро-
№4(98) Апрель 2011 НАУКА И ИННОВАЦИИ 71
ваться геномы Т.топососсит, Aegilops или пырея, что значительно расширяет спектр возможных межгеномных рекомбинаций [6, 7].
на основании данных, полученных в ходе изучения реком-бинантных форм пшенично-ржаных гибридов, были предложены эффективные технологии создания сортов тритикале продовольственного назначения с использованием хромосомно-инженерных подходов и молекулярно-цитогенетического маркирования материала. Эти технологии реализуются на практике в рамках ГП «Инновационные биотехнологии». Лучшие рекомбинантные формы гексаплоидных тритикале уже переданы в нПЦ ИАИ Беларуси по земледелию для включения в процесс интрогрессивно-рекомбинационной селекции.
на решение проблемы обогащения генофонда тритикале направлены также работы по созданию нового типа ржано-пшеничных гибридов — сека-лотритикум, у которых цитоплазма пшеницы замещена на цитоплазму ржи. Предполагается, что такая замена приведет к усилению экспрессии ржаного компонента у данных гибридов и откроет новые возможности для наращивания адаптивного потенциала, пластичности и устойчивости тритикале к биотическим и абиотическим факторам внешней среды. в лаборатории предложен эффективный способ получения секалотритикум, изучены механизмы формирования их гибридного генома и особенности проявления хозяйственно ценных признаков [8]. Практическим итогом проведенных исследований
стала разработка комплексной технологии создания и селекции ржано-пшеничных амфидиплоидов (рис. 5). выделенные в ходе ее реализации стабильные формы секалотритикум используются в качестве исходного материала для рекомбинационной селекции на продуктивность и устойчивость гетероплазма-тическихтритикале.
Совместно с нПЦ нАн Беларуси по земледелию начаты работы по экспериментальному созданию полиплоидных форм озимой ржи (RRRR, 2п = 28) с использованием хромосомных технологий [8]. За прошедший период получены и включены в селекционный процесс тетраплоидные аналоги ряда белорусских сортов диплоидной озимой ржи (Заречанская зеленоукосная, Юбилейная, Алькора, Плиса, Зарница и др.), исследуются особенности формирования ржаного полигенома. Поскольку для максимального сохранения на тетраплоид-ном уровне высокой гетерогенности исходной популяции диплоидной ржи (в связи с перекрестным способом опыления) требуется массовое получение тетраформ, активная работа в этом направлении будет продолжена.
Очевидно, что хромосомные технологии существенно расширяют горизонты селекции, однако необходимым условием их успешного внедрения в практику является укрепление и дальнейшее развитие сотрудничества цитогенетиков и селекционеров. Такой творческий союз позволит значительно ускорить процесс обогащения генофонда зерновых культур, что создаст предпосылки для устойчивого прогресса в их селекции.
Тетраплоидная рожь RRRR, 4x=28
Гибриды F1 (RRABR, 5x=35)
X
Гексаплоидное тритикале AABBRR, 6x=42
Гексаплоидное /\ тритикале AABBRR, 6x=42
Гексаплоидное Амфиплоиды V" тритикале AABBRR,
F1BC1 ^ " 6x=42
I
Амфиплоиды
F2BC1
X
Амфиплоиды
f1bc2
f1bc2
I I
12... n 12... n
^ Семьи секалотритикум ^ 12 ... n St
^ Семьи секалотритикум ^ 12 ... n St
Микропопуляции секалотритикум
РАЗМНОЖЕНИЕ
Подбор исходных
сортов. Анализ про- и постгамной несовместимости
Анализ мейоза у пентаплоидов F1. Получение и цитологический анализ
Получение F1BC2 и F2BC1. Bыявление гексаплоидных растений в F1BC1
Bыявление гексаплоидных растенийв F2BC1 и
Формирование семей секалотритикум на основе гексаплоидных растений
Циклический отбор на продуктивность и однородность. Формирование микропопуляций и размножение селекционно ценных популяций. Предварительное и конкурсное испытания
Рис. 5. Технология селекции секалотритикум на генетической основе тетраплоидной ржи (RRRR, 4x=28) и гексаплоидного тритикале (AABBRR, 6x=42)
Литература
1. Sears E.R. Chromosome engineering in wheat // Stadler Genet. Symp. Missouri, Columbia. 1972. Vol. 4. P23—38.
2. Hohmann U., Kazman M.E. Molecular, cytogenetical and biochemical characterisation of synthetic hexaploid Triticale involving chromosome 1D // Current topics in plant cytogenetics related to plant improvement, Wien, WUV-Univ.-Verl. 1998. P. 364—370.
3. Lafferty J., Lelley T. Substitution of chromosome 1D into hexaploid Triticale to improve bread-making guality // Current topics in plant cytogenetics related to plant improvement. Wien: WUV-Univ.-Verl. 1998. P. 376—380.
4. Генетические основы селекции растений. В 4 т. Т. 1. Общая генетика растений / Науч. ред. Кильчевского А.В., Хотылевой Л.В. — М., 2008. С. 270—306.
5. Dubovets N.I., Dymkova G.V, Solovej L.A., Shtyk T.I., Bormotov V.E. A study on spring hexaploid triticales with mixed wheat component of karyotype // Proc. 5th International Triticale Symposium, Poland. 2002. P. 303—310.
6. Sodkiewicz W. Amphiploid Triticum monococcum L. x Secale cereale L. (AARR) — a new from of tetraploid triticale // Cereal Res. Comm. 1984. Vol. 12, №1—2. P. 35—40.
7. Krolow K.D., Lukaszewski A.J., Gustafson J.P. Preliminary results on the incorporation of D- and E-genome chromosomes into 4x-Triticale // Genet. and Bread Triticale / Proc. 3rd EUCARPIA Meet., Cereal Sec.Triticale, Clermond-Ferrand, 2—5 July 1984. — INRA, Paris, 1985. P. 289—295.
8. Генетические основы селекции растений. В 4 т. Т. 2. Частная генетика растений / Науч. ред. Кильчевского А.В., Хотылевой Л.В. — Мн., 2010. С. 92—106.
12
