CC BY
124
УДК 631.527: 631.528: 631.528.62
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО МУТАГЕНЕЗА В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
РЕНГАРТЕН Г.А.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии, ФГБОУ ВО Вятский ГАТУ, e-mail: rengarten.g@gmail.com, тел. +7 (961) 5662777.
Реферат. Одним из способов создания исходного материала для селекционной работы является индуцированный (искусственный) мутагенез. В статье приводятся российские и иностранные работы из области химического мутагенеза. Химические мутагены имеют 2 группы по характеру действия: первая группа способствует возникновению полиплоидов, вторая вызывает точковые (реже хромосомные) перестройки. Предложено деление химических мутагенов на 5 групп по характеру действия (алкилирующие соединения; окислители, и восстановители, свободные радикалы; акридиновые красители; ингибиторы предшественников нуклеиновых кислот; аналоги азотистых оснований). Показаны пути действия химического мутагена на объект. Выделена группа супермутагенов. Предложены дозы, срок экспозиции мутагена в зависимости от сельскохозяйственной культуры. Не малоэффективным оказался способ сочетания физических и химических мутагенов на изучаемый объект.
Ключевые слова: мутация, мутагены, химмутаген, химический мутагенез, хемоморфоз, хемомутант.
THE USE OF CHEMICAL MUTAGENESIS IN PLANT BREEDING IN RUSSIA AND ABROAD
RENGARTEN G.A.,
associate professor, candidate of Agricultural Sciences, Vyatka State Agrotechnological University, e-mail: rengarten.g@gmail.com.
Essay. One of the ways to create a source material for breeding work is induced (artificial) mutagenesis. The article presents Russian and foreign works in the field of chemical mutagenesis. Chemical mutagens have 2 groups by the nature of their action: the first group promotes the appearance of polyploids, the second causes point (less often chromosomal) rearrangements. The division of chemical mutagens into 5 groups according to the nature of action is proposed (alkylating compounds; oxidizers, and reducing agents, free radicals; acridine dyes; inhibitors of nucleic acid precursors; analogues of nitrogenous bases). The ways of action of the chemical mutagen on the object are shown. A group of supermutagens has been isolated. The doses and the duration of exposure of the mutagen depending on the crop are proposed. The method of combining physical and chemical mutagens on the studied object turned out to be not ineffective.
Keywords: mutation, mutagens, chemmutagen, chemical mutagenesis, chemomorphosis, chemomutant.
Введение. Первые опыты на растительных организмах с целью получения наследственных изменений от воздействия некоторых химических веществ поставил Э. Бауэр в 1916 г., но работы его вскоре и вовсе были забыты. Поэтому первыми, кто вновь обнаружил и попытался использовать это явление, были советские ученые В.В. Сахаров (1932), И.А. Рапопорт (1940), М.Е. Лобашев (1962), П.К. Шкварников (1966) и другие. Среди зарубеж-
ных ученых следует отметить работы Ауэрбаха (1967), М. Робсона (1964), Ф. Олкерса (1953). Особенно большие исследования по химическому мутагенезу проделаны профессором И.А. Рапопортом и его школой. Было открыто много простых соединений в виде неорганических солей (Ю; М04; КМп04; РЬ(Ш3)2; КН3 и другие), а также сложных органических соединений (С^зЩСНз^; (С2Из)204; СИз^О);
СОКН2 и другие), которые могли вызывать мутации у растений Г11.
Все мутагенные вещества по характеру действия делят на две группы: первая группа вызывает кратное увеличение числа хромосом, т.е. полиплоидию.
Сюда входят: колхицин, аценафтен, гам-мексан, линдан, закись азота и др. Вторая группа вызывает точковые мутации, реже хромосомные перестройки. В эту группу входят метилметансульфонат, диметилсульфат, этиле-нимин и другие.
Все химические мутагены по характеру действия принято делить на пять типов:
1. Алкилирующие соединения: диэтилсуль-фат, этиленимин и другие.
2. Окислители, восстановители, свободные радикалы: азотная кислота, ионы марганца, перекиси, йод и другие.
3. Акридиновые красители: профилавин, акридиновый оранжевый и другие.
4. Ингибиторы предшественников нуклеиновых кислот: например 6- меркатопурин, кофеин и другие.
5. Аналоги азотистых оснований: 5-бромурацил; 5-йод-урацил и другие Г11.
Эффективность мутагенов алкилгруппы связана с его дипольной природой.
Чем сильнее электроположительный заряд агента, тем сильнее и его мутагенное действие. Считается, что такие мутагены реагируют с компонентами клеточных ядер, несущих электроотрицательный заряд. Такими компонентами являются сульфгидрильные амино- и карбоксильные группы белков, а также фосфатные и ароматические аминогруппы.
Мутагены второй группы - окислители, восстановители, свободные радикалы - сравнительно слабые мутагены, о механизмах их химического действия пока мало что известно генетикам.
Мутагены третьей группы - акридиновые красители - вступая в комплексные соединения с ДНК, мешают ее нормальной репликации. Благодаря этому вновь созданная ДНК может получить несколько лишних оснований, или в ней не будет ряда ранее имевшихся азотистых оснований.
Четвертая группа - ингибиторы предшественников нуклеиновых кислот, выделенные в самостоятельную группу мутагенов. Предполагается, что эти мутагены подавляют синтез предшественников, что вызывает нарушения нормальной структуры ДНК. Так, известно, что мутаген 5-аминоурацил подавляет синтез ти-
мина, а другой мутаген, кофеин, на том же объекте подавляет синтез пуринов.
Пятая группа - аналоги азотистых оснований - вызывает замену одной пары оснований ДНК на другую или их выпадение, что приводит к появлению нового качества. Так, например, мутаген 5-бромурацил замещает тимин.
Исследуя пути действия химического мутагена, некоторые авторы, и среди них Ш. Ауэр-бах (1967), В.Т. Никифоров (1965), выделяют в них несколько стадий, которые очень кратко охарактеризованы ниже:
1. Добираясь до генетически важных молекул ДНК или РНК, мутаген может попутно вступать в реакции с большим числом генетически малоценных молекул среды, растеряв при этом свой потенциальный заряд.
2. Иногда, попадая внутрь клетки, мутаген может вступить в соединения с другими составными частями живого, образовать форму даже более действенную, чем исходная. Зачастую мутаген вообще не вступает в прямой контакт с ДНК, а его действие вызывает в цитоплазме клетки образование и накопление нового мутагена другого типа, который уже и будет влиять на наследственную основу.
3. По пути к ДНК может произойти конкурентный захват мутагена белковыми компонентами хромосомы. А поскольку белки разных участков хромосом могут по-разному ассимилировать мутаген, то эти места хромосом будут различаться и по вероятности последующего взаимодействия ДНК с мутагеном.
4. Специфика мутагена может проявляться и на последнем этапе стабилизации первичной мутации. При этом может иметь место стабилизация в момент синтеза белка, в момент репликации ДНК или в момент происхождения метастабильного состояния Г2,31.
Ш. Ауэрбах (1967) указывает, что для сознательного направления получаемых мутаций мутагенная специфичность на уровне ДНК не имеет значения. С ее точки зрения, значительно более перспективно вмешательство в мутационный процесс на вторичном уровне. Для этого следует использовать подбор физиологических факторов условий среды и прочее Г21.
Под руководством Н.П. Дубинина (1961) в институте общей генетики АН СССР были начаты работы по изучению возможностей получения направленных мутаций Г41.
Академик И.А. Рапопорт (1965) в Институте химической физики АН СССР разработал теоретические представления о том, что химическими мутагенными веществами являются соединения, которые дают специфические ре-
акции с некоторыми компонентами белков клетки. Такими специфическими действиями обладает реакция формальдегида и кетона с аминокислотами, окиси этилена или этилени-мина с карбоксильными группами некоторых белков Г51.
В последующем И.А. Рапопорт выдвинул теорию о наличии среди большого количества разнообразных химических мутагенных веществ сравнительно небольшой группы так называемых «сверхмутагенов», или «супермутагенов». К их числу относятся, например, нитро-зометилмочевина и нитрозоэтилмочевина. Проверка их действия показала, что, кроме высокого выхода мутантных форм, они обладают еще одним крайне ценным качеством - дают в основном мутации доминантные, проявляющиеся в первом поколении Г51.
Представляют интерес работы академика Р.И. Салганика (1963) (Институт генетики и цитологии СО РАН), по использованию «под лучом» (т.е. с одновременным воздействием ионизирующим излучением или ультрафиолетом) в качестве мутагенов вещества, которые могли бы заменить нормальные азотистые основания ДНК на необычные (и даже на некоторые нефизиологические) аналоги основания или способствовали бы этому процессу. К числу таких соединений можно отнести 5-бромурацил, 6-меркатопурин, кофеин, гидроксиланин, гидразин солянокислый Г61.
Из химических мутагенных веществ, предложенных И.А. Рапопортом, в селекции наибольшее распространение получили этилени-мин, диэтилсульфат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан, нитрозометилмочевина, нитрозо- этилмочевина и некоторые другие Г51.
На первых этапах работы с химическим мутагеном следует ограничиться лишь одним методом - замачиванием семян в обычной воде (дистиллят или бидистиллят) в течение суток.
В литературе можно найти рекомендации некоторых авторов по использованию для приготовления растворов обычной водопроводной воды. Учитывают то, что некоторые мутагены (например, нитрозометилмочевина и нитрозоэтилмочевина) могут в таком случае очень быстро разлагаться.
Н.Н. Зоз (1968) рекомендуют необходимое время обработки семян - от 2 до 24 часов. В зависимости от объекта исследования оптимальную экспозицию обработки, как и необходимое количество мутагена, находят экспериментально.
В процессе обработки семена периодически перемешивают в растворе мутагена. Если рабо-
та ведется с быстро распадающимися в водных растворах химическими мутагенами (например, нитрозометилцеллюлоза или нитрозоэтилцел-люлоза), которые полностью разлагаются в воде в течение 6 часов, а необходимое время обработки, например, 24 часа, то тогда следует менять раствор через каждые 6 часов Г71.
С.Г. Бирка (1984) предложил и проверил метод ускорения проникновения растворов химических мутагенов на всю толщу семян за счет использования кратковременной (1-7 минут) обработки раствора с семенами ультразвуком. Для этой цели им использовался имеющийся технический ультразвуковой генератор типа УЗГ-10У, работающий на частоте в 23 кГц.
По окончании обработки семян в растворе мутагена их отмывают в обычной проточной воде, просушивают и немедленно отправляют в поле на посев Г81.
В таблице 1 приведены рекомендуемые дозы химических мутагенов.
Можно пользоваться и рекомендациями Н. Зоз (1968) по использованию в лаборатории химической генетики ИХФ АН СССР упрощенной методикой определения необходимой дозы. При хемомутагенезе в первый год проявляются ненаследственные изменения - хемоморфозы (то есть обычные уродства) - и значительно реже настоящие мутации.
Можно предполагать, что это будут доминантные мутации, которые и в последующих поколениях будут наследоваться. Однако по кукурузе в ряде случаев выделенные мутации М1 были рецессивными.
Поэтому всегда материал первого поколения (МО должен пройти индивидуальную искусственную изоляцию, чтобы в последующих поколениях, начиная с М2, выделять в гомозиготном состоянии максимум проявляющихся мутаций.
Всю дальнейшую работу с хемомутантами ведут с использованием метода индивидуального отбора.
В настоящее время с химическими мутагенами применяют:
а) замачивание в растворах химических мутагенов частей вегетативно размножающихся растений;
б) настаивание недозрелых генеративных органов растений (метелок кукурузы за 4-5 дней до высыпания пыльцы);
в) пастеровские микропипетки, заливаемые химическими мутагенами;
г) обработку семян, черешков и других частей растений в газовой среде химмутагенов [7].
Таблица 1 - Мутагенная доза некоторых химических мутагенов для сельскохозяйственных
растений [1]
Мутаген Культура Сорт Доза, %
Этиленимин Пшеница озимая Краснозерная 0,03-0,06
Яровая пшеница Теремок, Цезиум 0,02-0,04
Ячмень Винер 0,04
Рожь Анеуплоидная 0,05
Кукуруза Линии ВИР-40,ВИР-48 0,05
Горох Крупноплодный 20 0,02-0,06
Подсолнечник Сорт 1346 0,05
Картофель, семена Камераз 1 0,01
Томаты Разные сорта 0,01-0,04
Сахарная свекла Разные сорта 0,05
Виноград, семена Разные сорта 0,02-0,2
Виноград, черенки Разные сорта 0,005-0,05
Диметилсуль-фат Ячмень Луч 0,025-0,2
Горох Капитал, Немчиновская 51 0,01-0,03
Подсолнечник Сорт 1646 0,15
Виноград, семена Разные сорта 0,2-0,5
Виноград, черенки Разные сорта 0,1-0,5
Черешня, абрикос, персик Семена и почки 0,004-0,001
Диэтил-сульфат Пшеница Искра 0,004
Кукуруза Линии ВИРа 0,2
Горох Капитал 0,01-0,03
Подсолнечник Сорт 1646 0,2
1,4-бисдиазо-ацетилбу-тан Кукуруза Линии ВИРа 0,1
Горох Суповая лопаточка 0,25-1,0
Подсолнечник Сорт 1646 0,1
Нитрозо-метилмоче-вина Кукуруза Линии ВИРа и сорта 0,0001
Горох Крупноплодный Г-20 0,0001
Подсолнечник Сорт 1646 0,0001
Виноград Черенки разных сортов 0,0001
Черешня, абрикос, персик Семена и почки 0,002-0,003
Нитрозоэтилмочеви-на Пшеница Украина 0,015-0,07
Ячмень Мутант 104-146 0,025-0,05
Кукуруза Линии ВИРа и сорта 0,001
Горох Суповая лопаточка 0,063
Подсолнечник Сорт 1646 0,001
Виноград Семена разных сортов 0,2-0,002
Виноград Черенки разных сортов 0,0001-0,00001
Черешня, абрикос, персик Семена и почки разных сортов 0,004-0,0016
Этил-метан-сульфо-нат Ячмень Винер 0,2
Кукуруза Линии ВИРа 0,1
Горох Торсдаг 0,2
Нельзя не привести сводку некоторых химических веществ, использованных как химические мутагены на сельскохозяйственных культурах (таблица 2).
Метод обработки различных частей растений в газовой среде разработал академик И.А. Рапопорт (1965) и его школа в ИХФ АН СССР.
Основное преимущество этого метода, что расход химических веществ, особенно для вегетативных частей растений (плодовые, виноград и др.), во много раз меньше, чем при работе с растворением химических мутагенов в воде. Для обработки растений в газовой среде требуется несколько дней (или даже недель).
Таблица 2 - Редко используемые химические соединения как мутагены для сельскохозяйственных
растений [1]
Химические соединения - мутаген Культура Доза, %, или моль
Фениловый эфир Пшеница мягкая 0,006
NN-диаминоскля-родеин Кукуруза 0,1-0,2
Гидроксиламин Кукуруза 0,5
Аденозин Кукуруза 0,2
Стрихнин Кукуруза 0,1
Этилениминопиперидин Горох 0,03-0,06
Фениловый эфир Лук-батун 0,003
8 -этоксикофеин Крепис капулярис 0,004 моль
8 -этоксикофеин Рис 0,001 моль
Полиэтиленимин Конские бобы 0,1-10 моль
Диэтилениминофетилметан Конские бобы 0,001-10 моль
Триэтиленмеламин Конские бобы 0,001-20 моль
Триэтиленфосфамид Конские бобы 0,1-10 моль
Нужно изготавливать иногда довольно крупногабаритные, обычно плексиглазовые камеры. Нет еще и единой и хорошо продуманной методики, обеспечивающей испарения химмутагена в специальной изолированной камере.Чаще всего это небольшой столик с электрическим подогревом Г51.
В Молдавии О.В. Бляндур (1972) предложила для этого метода использовать естественное свойство некоторых химических мутагенов испаряться при высоких дневных летних температурах - своеобразную газовую об-
работку метелок кукурузы прямо на растущем растении в полевых условиях [9].
Заключение. Поиск химических веществ обладающих мутагенной природой продолжается. Возникает необходимость проведения экспериментов, оценка потомств мутантов. Безусловно, химический мутагенез является одним из эффективных приемов изменения наследственной природы растений, который все шире используется в сельском хозяйстве с целью создания новых сортов с ценными хозяйственно-полезными признаками.
Список использованных источников
1. Дудин Г.П., Лысиков В.Н. Индуцированный мутагенез и использование его в селекции растений.
- Киров., 2009.- 207 с.
2. Ауэрбах Ш. Роль мутагенной специфичности в получении мутации // Генетика. - Т.3. - 1967.- №1.
- С. 3 - 11.
3. Никифоров В.Г. Общая генетика. М., 1965. - 172 с.
4. Дубинин Н.П. Проблемы радиационной генетики. - М.: Госатомиздат, 1961. - 468 с.
5. Рапопорт И.А. Микрогенетика. - М., 1965. - С. 130-141.
6. Салганик Р.И. О вероятной роли денатурации ДНК в биологическом действии лучевой энергии и мутагенезе // Радиобиология. - 1963. -Т.3. -Вып.4. -С.48.
7. Зоз Н.Н. Мутационная селекция.- М., 1968. - С.5.
8. Бирка Г. Первая республиканская конференция по биофизике. - Кишинев: Штиинца., 1984. - С.80.
9. Бляндур О.В., Лысиков В.Н. Экспериментальный мутагенез линейной кукурузы. - Кишинев: Штиинца, 1972.- 263 с.
Spisok ispoFzovanny'x istochnikov
1. Dudin G.P., Lysikov V. N. Induced mutagenesis and its use in plant breeding. - Kirov., 2009. - 207 s.
2. Auerbach S. The role of mutagenic specificity in obtaining a mutation // Genetics. - T.3. - 1967. - №. 1. -S. 3-11.
3. Nikiforov V.G. General Genetics. - M., 1965. - 172 s.
4. Dubinin N. P. Problems of radiation genetics. - M.: Gosatomizdat, 1961. - 468 s.
5. Rapoport I.A. Microgenetics. - M., 1965. - S. 130-141.
6. Salganik R.I. On the probable role of DNA denaturation in the biological action of radiation energy and mutagenesis // Radiobiology. 1963. - T.3. - Issue 4. - S.48.
7. Zoz N.N. Mutational selection. - M., 1968. - S.5.
8. Birka G. The first republican conference on biophysics. Chisinau: Stiinza. 1984. - S.80.
9. Blyandur O.V., Lysikov V.N. Experimental mutagenesis of linear corn. Chisinau: Stiinza, 1972. - 263 s.
