CC BY
9
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК / UDC 581.5:575
ОПТИМИЗАЦИЯ ЕДИНИЦЫ УЧЕТА В ГИБРИДОЛОГИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ НОВОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПРОЦЕССАХ
РЕКОМБИНАЦИИ
OPTIMIZATION OF THE ACCOUNTING UNIT IN HYBRIDIZATION ANALYSIS IN ORDER TO OBTAIN NEW INFORMATION ABOUT RECOMBINATION
PROCESSES
Жученко А.А. мл., академик РАН, профессор, д.б.н. Zhuchenko-jr. A.A., academician of the RAS, professor,
d.b.s.
ФГБНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства», Москва, Россия
FGBNU "all-Russian selection and technological Institute of horticulture and
nurseries", Moscow, Russia ФГБНУ «Федеральный научный центр лубяных культур», Торжок, Россия
FGBNU "Federal scientific center of bast crops", Torzhok, Russia
E-mail: [email protected]
Работа посвящена изучению причин изменчивости рекомбинационных параметров в гибридологическом анализе высших растений. Для получения новой информации о формировании фонда отбора на разных этапах селекции экспериментально обоснована необходимость правильного выбора единицы учета в гибридологическом анализе в зависимости от архитектуры репродуктивной системы вида.
Ключевые слова: рекомбиногенез, гибриды, рекомбинационные параметры, расщепляющиеся популяции, репродуктивная система вида.
The work is devoted to the study of the causes of variability of recombination parameters in the hybridization analysis of higher plants. To obtain new information about the formation of the selection fund at different stages of breeding, the need for the correct choice of the accounting unit in the hybridization analysis, depending on the architecture of the reproductive system of the species, is experimentally substantiated.
Keywords: recombinogenesis, hybrids, recombination parameters, splitting populations, reproductive system of the species..
Материал и методы. Эксперименты представлены на томате и льне. Проведены контролируемые скрещивания и идентификация маркерных генотипов в расщепляющихся популяциях. Для томата использованы многомаркерные мутанты, контролирующие процессы оплодотворения, сингамии, мейоза, постмейоза, этапы формирования семян и др. Дополнительно проводились цитологические исследования образования хиазм в мейозе.
Нами изучены вопросы управления формообразовательным процессом при гибридизации: причины рекомбинационной изменчивости и методы ее оценки у высших растений на внутриорганном, органном, организменном и популяционном уровнях; роль особенностей архитектуры репродуктивных систем вида в рекомбинационных процессах во времени и пространстве; влияние секторного транспорта ассимилятов на формирование рекомбинантных гамет и зигот в отдельных пыльниках, цветках, плодах, соцветиях и т.д. в системе узнавания «свой или чужой» при искусственном регулировании репродуктивной нагрузки; зависимость синхронности репродуктивных и рекомбинационных процессов во времени и пространстве и их влияние на процессы формообразования; взаимосвязь уровня рекомбинации и степени селективной элиминации гамет и зигот в разных экзогенных условиях; зависимость частоты рекомбинации от величины гетерозиса и конкурентоспобности гибридов; влияние частоты кроссинговера на квазисцепление и их взаимосвязь и т.д. [1,2,3,4]. Это обусловлено многогранностью различных механизмов регулирования формообразовательного процесса у растения на разных этапах и стадиях селекционного процесса при комплексном рассмотрении проблемы «растение как система». Так, разница в высвобождении генотипической изменчивости в расщепляющихся популяциях имеет особое значение у высших организмов, которая может быть обусловлена коротким или сравнительно длительным жизненным циклом развития. Очевидно, что генетические системы, контролирующие выход генотипической изменчивости не должны быть селективно-нейтральны, выявлено влияние систем размножения на формирование потенциальной и свободной рекомбинационной изменчивости, например, самоопыляющимся видам высших растений, как правило, свойственна высокая частота хиазм и высвобождение относительно существенной генотипической изменчивости, наоборот, у перекрестноопыляющихся растений частота обменов на бивалент обычно ниже. а выход изменчивости, как правило, осуществляется регулярно из поколения в поколение, но малыми порциями [4], что объясняет один из механизмов у высших растений, обеспечивающий сбалансированную реализацию потенциала генотипической изменчивости в онтогенезе и филогенезе. в частности, в зависимости от системы размножения.
Для ряда объектов высших растений, таких как кукуруза, томат, конские бобы, рожь, горох, арабидопсис и др. установлена существенная возрастная динамика по частоте рекомбинаций [1,4,5], частота кроссинговера в маркированном сегменте может варьировать между отдельными цветками и соцветиями одного растения, причем с увеличением порядка расположения цветков и соцветий на стебле частота кроссинговера значимо уменьшается. Это может быть обусловлено возрастом, эволюционно сложившимися видовыми особенностями в характере распределения мейотических и постмейотических событий в пределах растения (между цветками и соцветиями) и даже отдельных репродуктивных структур (кисти, колоса и т.д.) в зависимости от постоянно меняющихся во времени и частично в пространстве экзогенных и эндогенных условий среды. Например, вариабельность значений частоты кроссинговера на первой и последующих соцветиях у томата можно объяснить не только различным влиянием факторов внешней среды на мейоз и постмейоз, но и особенностями онтогенетической «памяти» каждого соцветия и даже цветка, селективной элиминацией рекомбинантных гамет и зигот, селективной элиминацией рекомбинантов при осыпании определенных цветков и
недоразвитых плодов, снижении элиминации рекомбинантов в стрессовых условиях за счет уменьшения конкуренции между репродуктивными органами за ограниченный питательный субстрат. Экспериментально это было показано при искусственном регулировании репродуктивной нагрузки в соцветиях и на растениях в целом [4]. Для быстроцветущих либо длительноцветущих высших растений в качестве механизма, обеспечивающего распределение защиты при реализации потенциала генотипической изменчивости в зависимости от изменения условий среды (экзогенной и эндогенной) в течение репродуктивного развития растений и связанные с продолжительностью стадий мейоза, постмейоза и селективной элиминации рекомбинантов [4].
У подавляющего большинства высших растений цветки расположены не одиночно, а образуют группировки с определенным пространственным расположением и последовательным порядком их инициации во времени. Большинство цветков в соцветиях (кисть, колос, головка, щиток, зонтик, завиток, извилина и т.д.) и соцветия на растениях, пыльца и семяпочки в бутонах закладываются друг за другом с небольшими временными интервалами при секторном транспорте ассимилятов в секции пыльников, к семяпочкам, цветкам, семенам, плодам, соцветиям и т.д., при определенном временном и пространственном прохождении стадий мейоза и оплодотворения в критические (незащищенные от стресса) периоды репродуктивного развития (4). Многие исследователи развитие каждого репродуктивного органа считают одним из неповторимых «репродуктивных эпизодов», определяющих генотипическую изменчивость в расщепляющихся популяциях. Система размножения растений может выступать в качестве своеобразных рецепторов действия факторов среды, экологическая «память» которых проявляется в усилении или ослаблении инбридинга либо ауткроссинга и пр., что в итоге может способствовать разному формированию рекомбинационной изменчивости за счет изменения частоты рекомбинаций и/или степени элиминации рекомбинантных гамет и зигот [2,4,7].
Правильный выбор единицы учета в гибридологическом анализе влияет на объективность информации о формировании расщепляющихся популяций на разных уровнях репродуктивного развития. Многочисленные исследования подтверждают концепцию внутренней (эндогенной) конкуренции за питательные вещества как основной фактор дифференциации за счет апикального доминирования и связанные с ним последующие процессы автономизации репродуктивных органов в пределах растения, соцветия или отдельного репродуктивного органа, генетический контроль развития репродуктивных структур и онтогенетическая нестабильность экспрессии генов, влияние на репродуктивную фазу цитоплазматической наследственности и явления гетерозиса во времени и пространстве, взаимосвязь рекомбинации и гетерозиса, взаимозависимость уровня частоты кроссинговера и квазисцепления, возрастная изменчивость избирательного оплодотворения и особенности селективной элиминации гамет и зигот в связи с архитектурой репродуктивной системы вида, селективная элиминация плодов и роль аттрагирующих центров, донорно-акцепторные взаимоотношения и секторный транспорт ассимилятов, действие искусственно регулируемой peпродуктивной нагрузки на развитие репродуктивных органов и структур и др. Все это указывает на совокупность эволюционно сложившихся механизмов обеспечивающих гибкость и пластичность репродуктивного аппарата покрытосеменных растений, способствующих специфично реагировать на изменяющиеся условия
существования, а также распределяющих формирование рекомбинационной изменчивости во времени и пространстве, что в конечное итоге способствует более полному пониманию механизмов регулирования формообразовательного процесса у высших растений и высвобождению потенциальной генотипической изменчивости [4,7].
Динамичность формирования рекомбинационной изменчивости на внутриорганном (пыльники, определенные группы семяпочек, формирование семян в разных частях плода и др.) организменном уровне значительно усиливается совокупностью механизмов, определяющих высвобождение потенциальной генотипической изменчивости на уровне репродуктивного органа (органная изменчивость). Для многих высших растений, в частности, для примулы, кукурузы, гороха, томата, лука, сосны, арабидопсиса [1,2,4] и др. установлены существенные несоответствия в значениях частоты рекомбинаций в микро-и макроспорогенезе. Разыми авторами для разных объектов показано, что частота кроссинговера в микроспорогенезе иногда значимо выше, чем в макроспорогенезе. Половая детерминация частоты рекомбинаций может способствовать «равновесию сцепления и баланса» для различных локусов при наличии селективной элиминации гамет и зигот либо селективному давлению в пользу усиления сцепления генетических факторов, определяющих основные различия между полами. Имеются также экспериментальные данные органной рекомбинационной изменчивости в различных частях пыльников у ржи, тюльпана и томата [4,7]. В пыльнике цветков растений томата существует значимый градиент частоты хиазм от основания к свободному его концу: клетки, первыми вступившие в мейоз в основании пыльника, имеют наименьшую частоту хиазм, а клетки, вступившие в мейоз последними на свободном конце пыльника, характеризуются наибольшей частотой хиазм [1]. Практический интерес представляет согласованность последовательности мейотических делений и дифференциация поступления питательных веществ в секции пыльников с определенным распределением уровня частоты хиазм у таких относительно разных объектов как рожь и томат. Поэтому можно предположить, что органная изменчивость частоты рекомбинации в микро-и макроспорогенезе, а также разных секций пыльников может иметь адаптивное значение, приводя к различиям в уровне и спектре высвобождаемой генотипической изменчивости в последовательных группах потомства одних и тех же особей в пределах одного репродуктивного органа. При этом одним из главных механизмов формирования рекомбинационной изменчивости на органном уровне для большинства высших растений, вероятно, является селективная особенность на постмейотических этапах рекомбинантных гамет и зигот. У томата и кукурузы установлена селективная элиминация рекомбинантных гамет и зигот, чаще происходящая на этапах гаметогенеза, прорастания пыльцы и роста пыльцевых трубок, оплодотворения, развития зародыша, формирования и прорастание семян [1,4].
У подавляющего большинства видов цветковых растений предостаточно пыльцы, чтобы оплодотворить все семяпочки, как правило, пыцевых зерен значительно больше, чем семяпочек. Самоопыляемым видам относительно перекрестноопыляемых видов обычно свойственно меньшее соотношение пыльцевых зерен и семяпочек в одном цветке [3]. При этом генетическое разнообразие пыльцы может способствовать разной конкурентоспособности микрогамет (в основном за счет различий в скорости роста пыльцевых трубок в тканях пестика к семяпочкам), что в свою очередь, определит характер распределения генотипической и модификационной разнокачественности зигот
и семян в пределах одного репродуктивного органа. Приспособленность всего растения и специфика метаболизма отдельного цветка существенно могут повлиять на направление и уровень давления внутреннего отбора, элиминацию рекомбинантных гамет и зигот, что связано с видовыми архитектурными особенностями репродуктивных систем [4,5,7].
Таким образом, связь рекомбинационной системы и системы размножения у высших растений, за счет эволюционно сложившейся совокупности механизмов, способствующих формированию рекомбинационной изменчивости на разных уровнях (популяционном, организменном, органном и внутриорганном), что в целом обеспечивает сбалансированную реализацию потенциала генотипической изменчивости. Адаптивность указанной связи проявляется в эволюционно обусловленной видовой специфике архитектуры репродуктивной системы в характере последовательного развития репродуктивных органов и структур на растении во времени и пространстве; количестве гамет, зигот и жизнеспособного потомства одного репродуктивного органа, соцветия и растения; особенностях системы размножения и продолжительности мейоза, постмейоза, оплодотворения , длительности роста зигот и всего жизненного цикла, и др. Сбалансированное действие совокупности эндогенных и экзогенных факторов на рекомбиногенез на разных уровнях проявляется в сравнительно регулярном образовании новых рекомбинантов как генетических вариантов в репродуктивном цикле, что способствует периодической проверке новых генных сочетаний и вытекает прикладной характер в разработке принципов и методов управления формообразовательным процессом на основе познания особенностей формирования рекомбинационной изменчивости у высших растений на разных уровнях: органном, организменном и популяционном [1].
Существует проблема выбора «единицы учета» в гибридологическом анализе, которая, возможно, тесно взаимосвязана с вопросом оценки достоверности установленного факта, то есть с определение вероятности того, насколько полученный результат случаен или закономерен. Например, возникает вопрос, каково должно быть оптимальное или минимальное количество особей в Р2 для определена значимости отклонений расщеплений от теоретически ожидаемого соотношения 3:1, которое очевидно зависит от биологических особенностей архитектуры репродуктивной системы вида, сорта или формы (характера репродуктивного развития - продолжительности мейоза и/или численностей пыльцевых зерен и семяпочек в цветке потомства с одного плода, соцветия, растения и др.). Такая единица учета в лучшем случае должна соответствовать следующим критериям: рекомбинация в мейотических клетках гетерозиготы, а также процессы постмейоза должны проходить в относительно одинаковых условиях. Этот вопрос требует специального рассмотрения на основании специальных экспериментов и глубокой проработки имеющихся в литературе многочисленных экспериментальных данных для разных объектов с разными особенностями рекомбинационных и репродуктивных систем. С другой стороны, использование плода или другого структурного компонента репродуктивной системы как единицы оценки и отбора в селективной практике во многом обусловлено экспериментально установленными закономерностями распределения генетической изменчивости в пределах растения в зависимости от условий выращивания конкретной комбинации скрещивания и пока для многих культивируемых видов изучено недостаточно. При этом наши эксперименты и опубликованные экспериментальные данные разных авторов указывают, что у
томата частота рекомбинаций в отдельных зонах генома находится в существенной зависимости от порядка заложения соцветия на главном стебле растения. Первое соцветие чаще характеризуется высокими значениями частоты кроссинговера относительно второго, третьего и последующих соцветий. Наблюдаемые различия по частоте рекомбинации могут способствовать разной степени селективной элиминации рекомбинантов между соцветиями и отдельными бутонами в пределах одного соцветия F1, обусловленные сложившимися под влиянием биотических и абиотических факторов условиями при прохождении репродуктивными органами соответствующих стадий развития - от закладки генеративных структур до семяобразования. При этом плод у растений гибридов F1 томата может выступать главной «ячейкой» в реализации потенциальной и доступной отбору генотипической изменчивости.
Известно, что рекомбинационная изменчивость и степень элиминации рекомбинантов на постмейотических этапах могут зависеть от гетерозиготности, гетерозисности и конкурентоспособности F1 (по продуктивности), возраста гетерозиготного организма, условий его выращивания и др. При этом главная роль отводится изучению доступных и эффективных для широкого применения в селекционном процессе факторов, индуцирующих рекомбинационную изменчивость, таких как почвенная засуха, дефицит минерального питания, температура воздуха, загущение гибридов F1 в условиях экологического стресса и др. Наряду с влиянием абиотических факторов важно вычленить роль генетических факторов в формировании рекомбинационной изменчивости на разных уровнях (популяционном, организменном и органном).
В рамках рассматриваемой проблемы особого внимания заслуживает гибридная гетерозиготность, выполняющая основную роль в высвобождении свободной и доступной генотипической изменчивости. В связи с этим возникает вопрос, - возрастает ли потенциал доступной селекционеру в F2 генотипической изменчивости с ростом уровня гетерозиготности в F1, и как это связано с характером приспособленности гибридных комбинаций, репродуктивной нагрузкой, влиянием разной онтогенетической приспособленности генотипов по степени конкурентоспособности с учетом рекомбинационной изменчивости. При этом, как использовать конкуренцию в селекционном процессе в качестве рекомбинногенного фактора или фона отбора, либо тем и другим до сих пор недостаточно изучено, хотя работы в этом направлении ведутся довольно интенсивно [4].
Очевидно, что характер проявления разнообразия потомства в сильной степени зависит от стабилизирующего естественного отбора, который может существенно ограничивать искусственно генерируемую свободную изменчивость, элиминируя наиболее ценные генетические сочетания. Действие естественного отбора на всех этапах репродуктивного цикла гетерозиготного организма и постмейотические процессы, обусловлено множеством как эндогенных, так и экзогенных факторов. Нами изучен фактор «ограниченной» репродуктивной нагрузки» в условиях стресса, который отвечает требованиям системности, так как интегрировано может «затрагивать» все (и даже пока недоступные искусственному отбору) стадии постмейотической элиминации и, вероятно, важен в исследовании его влияния на характер селективной элиминации рекомбинанантных гамет и зигот. В этой связи, имеющиеся в литературе экспериментальные данные пока ориентированы на изучение воздействия искусственно ограниченной репродуктивной нагрузки на
метаболизм, снижение конкуренции между репродуктивными органами за ограниченный питательный субстрат и пр., возделываемых высших растений, особенно, в стрессовых условиях [4]. Однако, наряду с широким применением физических и химических рекомбиногенных и мутагенных средств с целью увеличения генотипической изменчивости в расщепляющихся популяциях, такие мощные эволюционно сложившиеся видовые факторы, такие как конкуренция, гетерозис, архитектура репродуктивной системы вида, особенности репродуктивного развития во времени и пространстве и др., оказались недостаточно задействованными в разработке методов селеции.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация, рекомбиногенез, агробиоценоз). Кишинев, Штиинца, 1980, 587с.
2. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений как самостоятельная научная дисциплина. Краснодар, ВНИИ риса, 2010, 485 с.
3. Жученко А.А.мл. Взаимосвязь частоты кроссинговера и уровня квазисцепления, Генетика, 1986, вып.22,№8, с.2074-2081.
4. Жученко А.А.мл. Архитектура репродуктивной системы томата (генетический подход), Кишинев, «Штиинца», 1990, 201с.
5. Жученко А.А.мл. Индуцирование рекомбинационной изменчивости у льна/Селекция, семеноводство, возделывание и первичная обработка льна-долгунца, Торжок, ВНИИЛ, 1995, с. 95-105.
6. Жученко А.А.мл., Куликов И.М. и др. Прецизионное садоводство - основа высокой устойчивости и продуктивности садов/ Садоводство и виноградарство, М. ВСТИСП, 2013, №5, с.19-22.
7. Жученко А.А.мл. Изучение причин изменчивости рекомбинационных и сегрегационных параметров в гибридологическом анализе. Селекция и семеноводство овощных культур: сборник научных трудов/ ВНИИССОК.-М.: Изд-во ВНИИССОК, 2014. -Вып.45.- с.265-274.
REFERENCES
1. Zhuchenko A.A. Ekologicheskaya genetika kulturnykh rasteniy (adaptatsiya, rekombinogenez, agrobiotsenoz). Kishinev, Shtiintsa, 1980, 587s.
2. Zhuchenko A.A. Ekologicheskaya genetika kulturnykh rasteniy kak samostoyatelnaya nauchnaya distsiplina. Krasnodar, VNII risa, 2010, 485 s.
3. Zhuchenko A.A.ml. Vzaimosvyaz chastoty krossingovera i urovnya kvazistsepleniya, Genetika, 1986, vyp.22,№8, s.2074-2081.
4. Zhuchenko A.A.ml. Arkhitektura reproduktivnoy sistemy tomata (geneticheskiy podkhod), Kishinev, «Shtiintsa», 1990, 201s.
5. Zhuchenko A.A.ml. Indutsirovanie rekombinatsionnoy izmenchivosti u lna/Selektsiya, semenovodstvo, vozdelyvanie i pervichnaya obrabotka lna-dolguntsa, Torzhok, VNIIL, 1995, s. 95-105.
6. Zhuchenko A.A.ml., Kulikov I.M. i dr. Pretsizionnoe sadovodstvo - osnova vysokoy ustoychivosti i produktivnosti sadov/ Sadovodstvo i vinogradarstvo, M. VSTISP, 2013, №5, s.19-22.
7. Zhuchenko A.A.ml. Izuchenie prichin izmenchivosti rekombinatsionnykh i segregatsionnykh parametrov v gibridologicheskom analize. Selektsiya i semenovodstvo ovoshchnykh kultur: sbornik nauchnykh trudov/ VNIISSOK.-M.: Izd-vo VNIISSOK, 2014. - Vyp.45.- s.265-274.
