CC BY
5УДК 575.1/.2'316:[633.14+633.11]
О. М. Люсиков, И. А. Гордей
ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГАМЕТ РАЗЛИЧНОГО ХРОМОСОМНОГО СОСТАВА У РЖАНО-ТРИТИКАЛЬНЫХ ГИБРИДОВ F1 (RRABR, 5X=35)
ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси», Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27
Введение
Создание новой зерновой культуры тритикале (хТгШеа1в = ТгШеиш х $ееа1е) на основе отдаленной гибридизации и экспериментальной аллоплоидиии - одно из крупнейших достижений современной генетики. Научно-практические результаты в области селекции тритикале ставят их в ряд наиболее востребованных по хозяйственному значению злаковых культур. Основное хозяйственное назначение тритикале - зернофуражное, однако область использования продукции тритикале постоянно расширяется (хлебопечение, пивоварение, биотопливо, кормовые добавки и др.). В настоящее время мировые посевные площади под тритикале превышают 5,5 млн. га, в том числе, в Беларуси - более 400 тыс. га [1].
В связи с отсутствием естественного центра формо- и видообразования, важнейшей особенностью селекции тритикале и расширения их биологического разнообразия является необходимость систематического синтеза новых форм на генетической основе современных высокопродуктивных сортов пшеницы и ржи. В настоящее время актуальна разработка новых, более эффективных методов создания тритикале с использованием результатов современных молекулярно-цитогенетических исследований.
С целью усиления экспрессии генома ржи и повышения адаптивности тритикале нами проведены исследования по созданию нового типа ржано-пшеничных амфидиплоидов с цитоплазмой ржи - секалотритикум [2,3,4,5]. Показано, что ключевым этапом формирования генома секалотритикум является мейоз у ржано-тритикальных гибридов Б1 (ККАБК, 5х=35). От эффективности методов восстановления фертильности, количества и хромосомного состава функциональных гамет отдаленных гибридов Б1 непосредственно зависит результативность синтеза и генетическое разнообразие получаемых амфидиплоидов.
Изучение мейоза у ржано-тритикальных гибридов Б1 (КЯАБЯ, 5х=35) представляет особый интерес. При взаимодействии генетических систем контроля мейоза пшеницы и ржи у ржано-тритикальных пентаплоидов Б1 с уникальным геномным составом в условиях цитоплазмы ржаного типа возникают специфические особенности цитогенетических механизмов спорогенеза.
В представленной статье приведены результаты исследований генетических факторов и цитологических механизмов формирования гамет различного хромосомного состава у ржано-тритикальных гибридов Б1 в процессе создания секалотритикум.
Материал и методы
Материалом для исследований послужили 2п=6х=42) с целью создания секалотрити-40 комбинаций гибридов Б1 (ЯКАБЯ, 5х=35) и кум (ЯЯААББ, 2п=6х=42). Для гибридиза-амфиплоиды Б1(БС)1, полученные от скрещи- ции использовали 6 перспективных сортов ваний тетраплоидной ржи (КККК, 2п=4х=28) ржи - Пуховчанка, Новосибирская, Верасень, с гексаплоидными тритикале (ААББЯЯ, Сяброука, Калшка, Радзiма и 8 форм трити-
кале - Л-374, Л-303, NE 83T, 845T, CHD 888, Ugo, Полюс, Samsun.
Анализ ключевых стадий микроспороге-неза и фертильности пыльцы у гибридов F1 проводили на давленых препаратах пыльников, окрашенных 2%-м раствором ацетокар-мина в 45%-й уксусной кислоте [6]. Анализировали по 5 - 10 растений гибридов F1 на комбинацию.У всех полученных амфиплои-дов F1(BC)1 определяли числа хромосом в
соматических клетках [6].
Изучение цитологических препаратов проводили на микроскопе Leica DM RXA2 с оптикой Leica HCX Plan APO. Цифровые микрофотоснимки получали при увеличении 40х и 100 х (иммерсия) с использованием камеры Leica DC-350 с разрешением 3132x2328 точек.
Полученные данные обработаны статистически методом анализа вариации по качественным признакам [7].
Результаты и обсуждение
Гибриды F1 от скрещивания тетраплоидной ржи (ЯККЯ, 2п = 4х = 28) с гексаплоидными тритикале (ЛАВВЯК, 2п = 6х = 42) представляют собой 35-хромосомные пентаплоиды со сложным геномным составом (К^А^В^К11", 5х=35). Они не являются истиными полигаплоидами и представляют собой уникальную ядерно-цитоплазматическую конструкцию -имеют цитоплазму ржи, а в состав их ядра, наряду с гаплоидными наборами хромосом Л- и В-геномов пшеницы, входит Я-геном ржи в триплоидном состоянии. Цитоплаз-матические геномы пластид и митохондрий (плазмон) и два ядерных Я-генома получены от тетраплоидной ржи, один ржаной Я- и два пшеничных Л- и В-гаплогенома происходят от тритикале. Геномный состав и особенности взаимодействия генетических систем
исходных видов определяют специфичность протекания мейоза, различную функциональность и хромосомный состав гамет у ржано-тритикальных гибридов F генетическое разнообразие и цитологическую стабильность амфиплоидов последующих поколений и ржано-пшеничных амфидиплоидов секало-тритикум [4,5].
Теоретически, при условии строгой гомологии спаривания хромосом, у пентаплоидов ЯЯАВЯ, 5х=35 должны образовываться 7 три-валентов (ЯЯЯ), или 7 бивалентов и 7 унива-лентов Я-хромосом (ЯЯ+Я) и 14 унивалентов хромосом Л- и В-геномов.
Результаты цитогенетического анализа ключевых стадий микроспорогенеза у ржано-тритикальных гибридов F1 представлены в таблице 1.
Таблица 1
Нарушения в мейозе у ржано-тритикальных гибридов F1 (RRABR, 5х=35)
Стадия мейоза Изучено % аномальных клеток по стадиям мейоза с типом нарушений
всего тип нарушений всего с участием количества хромосом и микроядер
1 2 3 4 5 6 7 >7
M I 1409 84,9 Периферийные X 84,9 7,9 9,9 10,6 20,5 9,9 6,7 7,2 12,9
lim 53,998,5 2,618,6 5,618,4 2,621,1 4,723,7 2,023,7 5,320,7 2,018,2 2,839,3
Продолжение таблицы 1
А I 1570 75,4 Забегающие X 29,2 0,6 0,6 0,9 1,0 1,1 1,1 3,4 20,4
1т 27,084,0 0,04,1 0,04,1 0,02,7 0,02,8 0,03,2 0,05,7 0,08,9 0,082,1
Отстающие X 67,9 16,6 15,1 9,4 8,0 6,8 3,6 2,7 5,8
1т 23,896,4 2,425,0 7,121,1 3,621,9 1,115,6 4,516,1 1,112,1 1,410,7 2,842,9
М II 1482 73,8 Периферий-ные X 73,8 22,3 18,8 13,4 6,5 5,7 2,6 1,6 1,0
1т 52,890,9 10,334,9 12,529,1 4,429,8 3,111,7 1,612,5 0,99,6 0,46,9 0,63,5
А II 2429 93,4 Отстающие X 83,9 6,6 10,4 8,0 10,5 15,9 20,3 5,0 14,6
1т 86,0100,0 3,611,4 2,115,8 2,111,9 8,217,8 7,918,1 8,054,8 1,812,6 5,633,4
Асинхрон-ность X 7,4-
1т 2,1-18,2
Т 7280 71,2 Микроядра X 68,6 18,5 15,1 9,0 19,0 3,1 2,1 0,6 1,1
1т 43,490,8 6,545,0 8,624,3 1,638,5 0,567,6 1,013,0 0,25,7 0,22,9 0,32,4
М - Т 14170 77,1
В прометафазе у ржано-тритикальных гибридов наблюдали униваленты непарных хромосом, кольцевые (закрытые) и линейные (открытые) биваленты, мультивалентные, чаще три- и тетравалентные, ассоциации хромосом (рис. 1а). К ранней метафазе I (М1)
Рис. 4. Нарушения во втором делении мейоза у ржано-тритикальных гибридов Б1.
а - асинхронное деление; б, в - отстающие хрома-тиды; г - мосты; д - задержка хромосом в области цитокинеза; е - микроядра в тетрадах; ж - отсутствие деления; з - неравномерное распределение хромосом (чМНГ); и - нередуцированная гамета.
В зависимости от комбинации скрещива- микроспороцитов пентаплоидов имели ния от 53,9 до 100%, в среднем около 85% от 3 до 22, в среднем 10,6 унивалентов на
мультиваленты обычно распадались.
Биваленты локализовывались в метафаз-ной пластинке. Часть унивалентов также располагались на экваторе, а другие - симметрично экватору и на периферии клетки (рис. 1 б).
клетку. Причем около 70% микроспороци-тов содержали не более 7 унивалентов, а в 50 % клеток обнаруживали по 1 - 5 унивалентов. Кольцевые и линейные биваленты присутствовали в среднем по 6 - 7 и 4 - 5
на клетку соответственно. Всего на микро-спороцит приходилось до 15, в среднем - по 11 бивалентов. У 1% микроспороцитов наблюдали до 4, в среднем - по 1-2 тривалента, реже - тетраваленты.
Профаза Метафаза Анафаза
Рис. 2. Варианты взаимодействия хромосом в мейозе у ржано-тритикальных гибридов
и8 - нормальный синапсис; dS - десинапсис; а8-асинапсис.
Различная частота и локализация в клетке унивалентных хромосом указывают на их разное происхождение. Непарные хромосомы, не вступающие в гомо- или гомеологичные контакты, являются истиными, или асинапти-ческими унивалентами. В М1 они располагались на экваторе клетки в составе метафазной пластинки вместе с кольцевыми бивалентами гомологов и линейными бивалентами гомео-логичных хромосом (рис. 1б, рис. 2 aS, Унивалентные хромосомы, образующиеся при преждевременном распаде бивалентов (десинапсис), оказывались в симметричных экватору областях микроспороцита (рис. 1в, рис. 2 dS). Такие десинаптические униваленты (псевдоуниваленты) были, вероятно, представлены гомеологичными А- и В-хромосомами. Реже, вне оси деления на периферии клетки наблюдали унивалентные хромосомы, вероятно, с нарушениями образования кинетохоров или прикрепления микрофибрилл веретена.
Таким образом, формирование хромосомных ассоциаций в прометафазе мейоза у ржано-тритикальных пентаплоидов проис-
ходило путем нормального спаривания и си-напсиса гомологичных (кольцевые биваленты) и гомеологичных хромосом (линейные биваленты), десинапсиса гомеологов (псев-доуниваленты) и при асинапсисе непарных хромосом (истиные униваленты). Полученные результаты приобретают особенное значение в связи с дальнейшими различиями полярной ориентации центромер и поведения в мейозе унивалентных хромосом различного генезиса и хромосом в составе гомо- и гомеологичных бивалентов.
Уни(одно,гомо)полярная Би(разно,гетеро)полярная
Н1 ......
Монотелик Синтелик Амфителик Меротелик
Рис. 3. Варианты полярной ориентации центромер хромосом перед делением.
Выделяют 4 типа монополярной (монотелик и синтелик) и биполярной (амфителик и ме-ротелик) ориентации центромер (рис. 3) [8,9]. Монополярно ориентированы центромеры хромосом в составе бивалентов. Амфителик ориентация характерна для унивалентных мейотических и митотических хромосом. Ме-ротелическое присоединение нитей веретена аномально. В делящихся клетках существуют специальные белковые факторы и механизмы для исправления ошибок полярной ориентации центромер [9,10,11]. Важно, что для исключения ошибок сегрегации хромосом образование кинетохоров и полярная ориентация центромер должны быть строго скоординированы во времени или порядком активации с процессами формирования клеточных центров и с образованием и прикреплением микрофибрилл веретена [9,10,11,12,13].
Возникновение различных типов полярной ориентации центромер, вероятно, связано с особенностями их синапсиса в прометафазе и объясняет наблюдавшиеся в анафазе первого деления мейоза (А1) у ржано-тритикальных пентаплоидов отличия в делении и распределении хромосом. Средняя частота аномальных мейоцитов в А1 у пентаплоидов варьировала от 50 до 100 %. Гибриды от разных комбинаций скрещивания достоверно различались по соотношению типов деления хромосом.
Хромосомы гомологичных (кольцевых) и гомеологичных (линейных) бивалентов и де-синаптические униваленты (псевдоунивален-ты) делились редукционно (без разделения на хроматиды). При этом с одинаковой частотой у амфигаплоидов разных комбинаций примерно в 30 % мейоцитов псевдоунивален-ты симметрично отходили к полюсам ранее хромосом бивалентов ("забегания", рис. 1в). Следовательно, их центромеры были ориентированы монополярно. Биполярную ориентацию имели только центромеры истиных (аси-наптических) унивалентов, которые входили в состав метафазной пластинки и делились эквационно на хроматиды (рис. 1 б-д) позже бивалентов. Такие «отстающие» хромосомы встречались у 25-90 % клеток в зависимости от комбинации скрещивания. У 4,2% клеток
они образовывали хромосомные (рис. 1д) и хроматидные (рис. 1е) мосты и, задерживаясь в плоскости цитокинеза, нередко фрагменти-ровались (рис. 1е, ж). В среднем около 25 % микроспороцитов имели забегающие и отстающие хромосомы одновременно.
Необходимо отметить, что у большинства пентаплоидов F1 аномальные клетки в основной массе содержали более 7 забегающих и до 4 отстающих хромосом (соответственно 82 % и 75 % от общего количества клеток с нарушениями). Сопоставление этих данных с результатами изучения унивалентов в MI и забегающих хромосом в AI показывает, что у большинства ржано-тритикальных гибридов F1 в среднем 3,8 унивалента на клетку входили в состав метафазной пластинки и претерпевали эквационное деление на хроматиды с задержкой деления на фоне бивалентов. Однако у гибридов F1 ряда комбинаций скрещивания часто наблюдали более 4 отстающих хромосом. У них с относительно высокой частотой (до 11%) наблюдали задержку деления и сегрегации 7 унивалентных хромосом, возможно, принадлежащих одному геному (рис. 1г).
Забегающие и отстающие хромосомы обычно включались в телофазные ядра на стадии диад. Периферийно расположенные унива-ленты, случайным образом распределенные в клетке, пассивно захватывались формирующимися ядрами диад или образовывали микроядра. В ряде случаев в микроспороцитах наблюдали образование трехполюсного веретена деления (рис. 1з), вследствие чего в телофазе I наряду с диадами формировались триады микроспор (рис. 1 и). В целом, на стадии те-лофазы I отмечали относительно невысокую частоту нарушений (в среднем 54 %). Лишь незначительное количество диад содержали 1 - 3, реже - до 5 микроядер. Около 2 % диад были представлены асимметричными по содержанию хроматина клетками, а 0,35% составляли триады. В единичных случаях встречались не-разделившиеся клетки (монады).
Во втором делении у ржано-тритикальных гибридов F1 наблюдали различные типы деления, распределения и элиминацию хромосом.
а - асинхронное деление; б,в - отстающие хроматиды; г - мосты; д - задержка хромосом в области цитокинеза; е - микроядра в тетрадах; ж - отсутствие деления; з - неравномерное распределение хромосом (чМНГ); и - нередуцированная гамета.
Рис. 4. Нарушения во втором делении мейоза у ржано-тритикальных гибридов F1.
В метафазе II (MII) от 50 до 100%, в среднем 74% клеток пентаплоидов F1 в зависимости от комбинации скрещивания имели фрагменты хроматина вне метафазной пластинки. Вероятно, они утрачивали центромерную активность и не связывались с нитями веретена деления.
В анафазе II (AII) наблюдали повышение частоты аномалий (~95%) в сравнении с AI (~75%). Вероятно, хроматиды разделившихся эквационно в ÂI унивалентов, являлись источником нарушений во втором делении (рис. 4б-е). В AII такие хроматиды встречались в сестринских мейоцитах обычно в одинаковом количестве (табл. 1). Они не делились, либо делились аномально, задерживались в экваториальных областях (в среднем у 93,4 % клеток) и часто не включались в телофазные ядра, оставаясь в области цитокинеза (рис. 4б, в). У гибридов F1 отдельных комбинаций скрещивания в 10-20 % клеток наблюдали отставания семи хромосом в сестринских мейоцитах (рис. 4в), что могло способствовать элиминации хромосом целого генома. Таким образом, эквацион-ное деление унивалентов в AI способствовало элиминации генетического материала.
Необходимо подчеркнуть, что асинхронное деление ядер диад (рис. 4а), отмеченное только у 7,4% клеток, свидетельствовало об отноститель-но невысокой генетической разбалансированно-сти механизмов мейоза у ржано-тритикальных пентаплоидов F Следовательно, у них отсутствует генетический груз аномальных генов мейотического контроля (таких, например, как нарушение веретена деления), и основная масса наблюдаемых нарушений является результатом нормальной регуляции мейоза амфигаплоидного ядра отдаленных гибридов Fr
У 2-5 % клеток наблюдали мосты и фрагментацию хроматина (рис. 4г, д). Отстающие хромосомы с нарушениями сегрегации и фрагменты хроматина формировали микроядра в тетрадах микроспор (рис. 4е). Микроядра наблюдали в среднем у 68,6 % тетрад. Количество микроядер на тетраду варьировало от 1 до 18, но большинство (до 70 % от общего числа) составляли клетки микроспор с 1-4 микроядрами, что отражает характерный для пентаплои-дов Fj уровень элиминации 1-2 хромосом на микроспороцит. Общее количество аномалий на стадии тетрад микроспор (71 %) в сравне-
нии с анафазой II (95 %) снижалось. Вероятно, часть микроядер были скрыты в ядрах. Нераз-делившиеся клетки (монады, диады, триады) встречались крайне редко, что свидетельствует о низком уровне мейотической нередукции у ржано-тритикальных пентаплоидов F
Таким образом, результаты проведенных исследований показали ряд особенностей мейоза у ржано-тритикальных пентаплоидов F^
• высокий уровень гомо- и гомеологичного спаривания хромосом по формуле10,61 + 6,6Пз + 4,5По + 0,7Ш с образованием гомологами ржи динамической системы би-тривалентного си-напсиса, варьирующий в зависимости от различий комбинаций скрещивания;
• различия в полярной ориентации центромер и делении (эквационное, редукционное и смешанное) хромосом в составе гомо- и гомеологичных бивалентов, асинаптических унивалентнтов и псевдоунивалентов десинап-тического происхождения;
• различия в распределении (равномерное, неравномерное, элиминация) хромосом, обуславливающие формирование гамет различного хромосомного и геномного состава.
Различия ржано-тритикальных пентаплоидов F1 разных комбинаций скрещивания по соотношению типов деления хромосом свидетельствуют, что полярная ориентация их центромер регулируется не только структурой (степенью гомологии) хромосом, но и специфичностью взаимодействия родительских генетических систем, контролирующих конъюгацию хромосом (спаривание, синапсис и рекомбинацию) в профазе мейоза [8]. Такие системы у ржи и пшеницы функционально отличаются: Ph-система полиплоидных пшениц контролирует строгость гомологии спаривания хромосом в профазе мейоза, а известные Sy-гены ржи обеспечивают правильное прохождение всех этапов конъюгации хромосом независимо от протяженности участков их гомологии [14,15,16]. На разных негомологичных хромосомах ржи были локализованы различающиеся по силе гены-промоторы эквационного деления унивалентов P/Edu (5R > 6R и 7R > 1R > 2R), а на хромосоме пшеницы 5 А - ингибитор I/Edu [17, 18]. Механизм действия, проявление в условиях ржаной и пшеничной цитотоплазм, эволюционное значение Edu-генов (Equational division univalents genes) неизвестны [18].
Вероятно, системы мейотического контроля ржи (Sy и др.), в отличие от генетических систем аллополиплоидной пшеницы (Ph и др.), эволюционно менее приспособлены поддерживать нормальное функционирование полигеномного ядра. У ржано-тритикальных пентаплоидов Fj цитоплазма и три ядерных генома ржи ослабляли экспрессию пшеничной Ph-системы контроля строгой гомологии конъюгации хромосом и уровень спаривания гомеологичных хромосом у них возрастал. Полученные результаты согласуются с литературными данными о конкурентном повышении вероятности спаривания гомеологичных хромосом при снижении уровня гомологичного синапсиса [14, 15], в частности - о негативном воздействии ржаного генома на уровень гомологичной конъюгации у тритикале [15]. Поэтому результат конкурентного взаимодействия генетических систем исходных видов у гибридов F1 мог различаться в зависимости от специфичности комбинаций генотипов исходных форм ржи и тритикале.
Мы полагаем, что изначально мейотические хромосомы имеют монополярную ориентацию центромер. Имеются литературные данные о том, что монополярная связь хромосом с первичным клеточным центром сохраняется на протяжении всего клеточного цикла, за исключением отдельных моментов при делении клетки [19]. Возможно, синапсис дестабилизирует полярную связь хромосом с исходным клеточным центром. Система стабилизируется, когда одна из хромосом бивалента ориентируется к другому полюсу [10, 11]. При этом важно, что синапсис препятствует возникновению биполярной ориентации центромер отдельных хромосом в составе бивалентов, в связи с чем они сохраняют униполярную ориентацию. Поэтому амфителик-ориентируются только центромеры асинаптических и, возможно, самых ранних де-синаптических унивалентов (рис. 2,5).
Преобладание в одних генотипах экспрессии пшеничных регуляторных генов (Ph, I/Edu и др.) способствовало у ржано-тритикальных гибридов Fj преимущественному спариванию гомологичных R-хромосом и ослабляло синапсис A- и B-гомеологов. Следовательно, с учетом вышесказанного, все хромосомы у них сохраняли монополярную ориентацию центромер и делились преимущественно редукционно, но
отдельные гомологи в составе бивалентов ориентировались к разным, а гомеологи и десинап-тические униваленты - к одному полюсу.
Усиление в других генотипах экспрессии ржаного генома ^у, P/Edu и др.) способствовало тесному синапсису и разнополяр-
ной ориентации в составе бивалентов как гомологов, так и гомеологов. Центромеры асинаптических унивалентов приобретали амфителик-ориентацию, определяющую в дальнейшем их преимущественно экваци-онное деление.
Я5
>Тк
А
В
Профаза
00
О \
А11
о \
А1
Преобладание ржаных генетических систем контроля мейоза (Бу, P/Edu,...)
Профаза мейоза
• Тесный синапсис гомо- и гомеологов
• Гомологичные и гомеологичные биваленты
• Асинаптические униваленты непарных хромосом (1-7)
• Униполярная разнополюсная ориентация центромер у хромосом в бивалентах
• Биполярная ориентация центромер унивалентов
Анафаза I
• Редукционное деление бивалентных и эквационное деление унивалентных хромосом
Анафаза II
• Эквационное деление хромосом
• Отсутствие деления, случайная аномальная сегрегация хроматид
• Элиминация до 7 хромосом на клетку
• Равномерное распределение продуктов деления по клеткам мейоцитов
СЕ Ф 00
Я8 Я8
О ^ о о ^ О
РБР
16 17 18
А
В
Профаза
Элиминация
чМНГ
19 21
Преобладание пшеничных генетических систем контроля мейоза (РН, 1/Ейи,...)
Профаза мейоза
• Би-тривалентный синапсис И-гомологов
• Осцилляции и ослабленный синапсис А- и В-гомеологов
• Униполярная разнополюсная ориентация центромер у гомологов и однополюсная у гомеологов в бивалентах
• Десинапсис гомеологичных хромосом
• Десинаптические И-, А-, В-униваленты
• Униполярная ориентация центромер псевдоунивалентов
Анафаза I
• Редукционное деление ИИ-бивалентов
• Редукционное деление десинаптических псевдоунивалентов и расхождение И-хромосом к одному, а А- и В-хромосом к другому полюсу клетки
Анафаза II
• Эквационное деление хромосом
• Элиминация 2х хромосом на клетку
• Образование двух типов чНГ, отличающихся по хромосомному составу
Б
14
21
21
14
АН
14
Рис. 5. Цитологические механизмы формирования гамет с различным хромосомным составом у ржано-тритикальных гибридов Б1 (КЯАВЯ, 5х=35) РБР - механизм «равномерного биноминального распределения»
чМНГ- механизм «частичной мейотической нередукции».
На основании анализа результатов проведен- на цитологическая модель, описывающая 2 вари-ных цитогенетических исследований мейоза у анта гаметогенеза, различающиеся уровнем го-ржано-тритикальных гибридов была построе- меологичной конъюгации, степенью синапсиса
и соотношением редукционного и эквационного типов деления унивалентных хромосом (рис. 5):
• Механизм «равномерного биноминального распределения» (РБР на рис. 5, 6) хромосом, реализующийся в гибридных генотипах ржано-тритикальных пентаплоидов с преобладанием экспрессии ржаных генетических систем контроля мейоза (Бу, Р/Еёи и др.) над генами пшеницы (РИ-гены контроля гомологии конъюгации хромосом, ![/Еёи и др.). В подобных генотипах происходит формирование однородных по хромосомному составу гамет 7(К) + 7(А/В) + 1-7(К) в результате равномерного распределения хромосом в клетки мейоцитов в соответствии с правилом биноминального распределения.
• Механизм «частичной мейотической нередукции» (чМНГ на рис. 5, 6) в гибридных генотипах ржано-тритикальных пентаплоидов
с доминированием генетических систем пшеницы (РИ-гены, !/Еёи и др.). В подобных генотипах в нормальный синапсис вовлекаются только гомологичные хромосомы, а гомеоло-гичные ассоциации нестабильны. В А! мейоза у них происходит исключительно редукционное деление, неравномерная сегрегация хромосом и формирование двух типов частично нередуцированных гамет (чНГ), сбалансированных по хромосомным наборам гаплогеномов исходных видов): 14-хромосомных (7(К) + 7(К)) и 21-хро-мосомных ( 7(К) + 7(А) + 7(В)).
Представленные цитологические механизмы гаметогенеза у ржано-тритикальных пентаплои-дов являются крайними вариантами. В реальности наблюдали вызванные разными причинами отклонения и варьирование уровней бивилентной конъюгации и элиминации хромосом.
Анализ хромосомного состава гамет ржано-тритикальных гибридов проводили путем определения числа хромосом у растений амфи-плоидов Б1(ВС)1 (рис. 7). Необходимо отметить, что в результате стабильной бивалентной конъюгации ржаных хромосом и регулярного деления КК-бивалентов все формирующиеся у гибридов
гаметы с различным хромосомным составом получали полногеномный набор из 7 К-хромосом, чем объясняли их относительно высокую функциональность (жизнеспособность и фертильность).
Анализ варьирования растений ржано-пшеничных амфиплоидов Б1(ВС)1 по числу хромосом показал, что у большинства ржано-тритикальных пентаплоидов с повышенной
в той или иной степени частотой формировались гаметы всех ожидаемых модальных классов (14-, 16-17-, 19- и 21-хромосомные). Однако встречаемость разнохромосомных гамет у гибридов конкретных комбинаций была обычно близка к одному из смоделированных вариантов или к их интегральному выражению (рис. 6). Уровень частичной мейотической нередукции у ржано-тритикальных пентаплоидов (формирование 21-хромосомных, геномно-сбалансированных гамет КАВ, 3х=21) составил в среднем 15,3% и достигал 30% в зависимости от комбинации скрещивания.
О
Число хромосом в гаметах
Рис. 6. Интегральная кривая распределения частот гамет с различным количеством хромосом согласно цитологической модели гаметогенеза у ржано-тритикальных гибридов (ККАВК, 5х=35).
Для сопоставления смоделированной и полученной экспериментально вариации гамет ржано-тритикальных пентаплоидов по числу хромосом исходная кривая биноминального распределения (рис. 5) строилась для п, где п = общее количество проанализированных по числу хромосом растений амфиплоидов F1(BC)1. Результирующие кривые (РБР, чМНГ, суммарная) (рис. 5, 6) получали с сохранением значения площадей фигур с осью Х.
Совпадение полученных экспериментально и смоделированных значений встречаемости гамет различного хромосомного состава у ржано-тритикальных пентаплоидов (рис. 7) дает основания считать предложенную модель цитологических механизмов гаметогенеза теоретически обоснованной с учетом выявленных цитогенетических факторов и специфичности мейоза.
Рис. 7. Диаграмма распределения функциональных гамет ржано-тритикальных гибридов Б1 по числу хромосом и интегральная кривая значений "модели цитологических механизмов гаметогенеза" у пентаплоидов ККАВК 5х = 35.
Проведенный анализ генотипической специфичности и цитологических механизмов мейо-за позволил установить следующие основные цитогенетические факторы микроспорогенеза у ржано-тритикальных гибридов Б способствующие формированию у них гамет различного качественного и количественного хромосомного состава:
• Специфичность геномного состава ржано-тритикальных гибридов Б1 (ЯЯАВЯ, 5х=35) и степень гомологии хромосом (наличие гомо-и гомеологичных геномов исходных видов). Диплоидный базовый КЯ-геном, его нормальное мейотическое деление и, как следствие, присутствие полного гаплоидного набора Я-хромосом в гаметах - фактор нормализации мейоза и функциональности (жизнеспособности и фертильности) гамет различного хромосомного состава, частичной мейотической нередукции.
• Генотипическая специфичность, паритетная экспрессия и совместный генетический контроль ключевых этапов мейоза системами ржи и пшеницы в конкурентном взаимодействии и под влиянием плазмогенов ржи.
• Особенности сегрегации (деления, распределения) и элиминации хромосом исходных геномов, обусловленные различными типами полярной ориентации их центромер в связи со специфичностью спаривания и синапси-са в профазе мейоза. Относительно высокий
уровень частичной мейотической нередукции гамет (~15%).
С учетом перечисленных цитогенетиче-ских факторов показано, что формирование функциональных гамет с различным количеством и геномным составом хромосом у ржано-тритикальных гибридов Б1 является источником генетического разнообразия се-калотритикум. Специфичность гаметогенеза у пентаплоидов Б1 обусловлена уникальным геномным составом и генотипическими особенностями взаимодействия генетических систем контроля мейоза исходных видов. Уста -новлено, что ржаной ЯЯ-геном в процессе формирования и стабилизации полигенома секалотритикум выступает в качестве базового (буферного), что значительно расширяет их генетическую изменчивость и возможности хромосомной реконструкции. Показано, что однократный беккросс гибридов Б1 на тритикале является эффективным способом преодоления их стерильности и достижения амфиди-плоидного уровня и способствует сохранению у секалотритикум гетерогенности Я-геномов различного происхождения. Таким образом, ржано-тритикальные пентаплоидные гибриды Б1 (ЯЯАВЯ, 5х=35) и полученные на их основе ржано-пшеничные амфиплоиды являются ценным исходным материалом для хромосомной реконструкции секалотритикум и рекомбина-ционной селекции тритикале [5, 20, 21].
Список использованных источников
1. Census of Aquaculture // United States Summary and State Data - USDA, National Agricultural Statistics Service - Geographic Area Series. - from www.usda.gov/nass
2. Гордей, И.А. Создание ржано-пшеничных амфидиплоидов (секалотритикум) / И. А. Гордей, Г.М. Гордей, Л.В. Новикова // Генетика. - 1996. -Т. 32, № 6. - С. 783-787.
3. Гордей, И.А. Особенности скрещиваемости ди- и тетраплоидной ржи с гексаплоид-ными тритикале / И. А. Гордей [и др.] // Весщ НАН Беларуси сер. бiял. навук. - 1999. -№ 2. - С. 39-42.
4. Люсиков, О.М.. Создание ржанопше-нич-ных амфидиплоидов с цитоплазмой ржи - се-калотритикум (RRAABB, 2n=42): особенности мейоза у ржано-тритикальных гибридов F1 (RRABR, 5х=35) / О.М. Люсиков [и др.] // Генетика. - 2005. - Т. 41, № 7. - С. 902-909.
5. Генетические основы селекции растений. В 4 т. / науч. ред. А.В.Кильчевский, Л.В.Хотылева - Минск: Белорус. наука, 2008. -Т. 1. Общая генетика растений. - 551 с.
6. Паушева, 3. П. Практикум по цитологии растений / З. П. Паушева - Москва: Агропро-миздат, 1988. - 380 с.
7. Рокицкий П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий - Минск: Вышэйшая школа, 1973. - 320 с.
8. Sybenga, J. What makes gomologous chromosomes find each other in meiosis? A review and an hypothesis / J. Sybenga // Chromo-soma. - 1999. - Vol. 108, № 4. - P. 209-219.
9. Hauf, S. Kinetochore Orientation in Mitosis and Meiosis / S. Hauf, Y. Watanabe // Cell. - 2004. - Vol. 119, № 3. - P. 317-327.
10. Tanaka, T. U. Bi-orienting chromosomes: acrobatics on the mitotic spindle / T. U. Tanaka // Chromo-soma. - 2008. - Vol. 117, № 6. - P. 521-533.
11. Jelluma, N. Mps1 phosphorylates Borea-lin to control Aurora B activity and chromosome alignment / N. Jelluma [et al.] // Cell. - 2008. -Vol. 132, № 2. - P. 233-246.
12. O'Connell, C. B. The spindle assembly checkpoint is satisfied in the absence of interki-netochore tension during mitosis with unreplicated
genomes / C. B. O'Connell [et al.] // The Journal of Cell Biology. - 2008. - Vol. 183, № 1. - P. 29-36.
13. Azimzadeh, J. Structure and duplication of the centrosome / Azimzadeh J, Bornens M. // Journal of Cell Science. - 2007. - Vol. 120, № 13. -P. 2139-2142.
14. Mikhailova, E. I. The effect of the wheat Ph1 locus on chromatin organization and meiotic chromosome pairing analyzed by genome painting / E. I. Mikhailova [et al.] // Chromosoma. -1998. - Vol. 107, № 5. - P. 339-350.
15. Vega, J. M. Effect of the Pairing Gene Ph1 on centromere misdivision in common wheat / J. M. Vega, M. Feldman // Genetics. - 1998. -Vol. 148, № 3 - P. 1285-1294.
16. Соснихина, С. П. Генетический кон -троль синапсиса хромосом в мейозе у ржи Secale cereale L.: ген syl9, вызывающий гетеро-логичный синапсис / С. П. Соснихина [и др.] // Генетика. - 2001. - Т. 37, № 1. - С. 81-90.
17. Щапова, А. И. Генетическая обусловленность нерасхождения хромосом в мейо-зе пшенично-ржаных полигаплоидов / А. И. Щапова, Т. А. Потапова, Л. А. Кравцова // Ге -нетика. - 1987. - Т. 23, № 3. - С. 473-481.
18. Щапова, А. И. Роль хромосом ржи в генетическом контроле эквационного деления унивалентов у пшенично-ржаных ди-моносомиков / А. И. Щапова [и др.] // Генетика. - 1998. - Т. 34, № 8. - С. 1168-1170.
19. Kitamura, E. Kinetochore-microtubule interaction during S phase in Saccharomyces cerevi-siae / E. Kitamura [et al.] // Genes Dev. - 2007. -Vol. 21, № 24. - P. 3319-3330.
20. Гордей, И. А. Способ получения ржано-пшеничной хромосомно-замещенной формы секалотритикум / И.А. Гордей [и др.] // Патент на изобретение № 11442 (BY). - 2008.
21. Люсиков, О.М. Хромосомная реконструкция генома ржано-пшеничных амфидиплоидов секалотритикум (xSecalotriticum) / О.М. Люси-ков, И. А. Гордей // Факторы экспериментальной эволюции организмов.: Сб. н. тр. IV Международной научн. конференции. - Автономная Республика Крым, Алушта, 22-26 сентября 2008 г - Киев: Логос, 2008. - Т. 4. - С. 111-117.
