Научная статья на тему 'ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГАМЕТ РАЗЛИЧНОГО ХРОМОСОМНОГО СОСТАВА У РЖАНО-ТРИТИКАЛЬНЫХ ГИБРИДОВ F1 (RRABR, 5X=35)'

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГАМЕТ РАЗЛИЧНОГО ХРОМОСОМНОГО СОСТАВА У РЖАНО-ТРИТИКАЛЬНЫХ ГИБРИДОВ F1 (RRABR, 5X=35) Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
28
4
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЖАНО-ТРИТИКАЛЬНЫЕ ГИБРИДЫ F1 / СЕКАЛОТРИТИКУМ / СЕКАЛОТРИКУМ / ЦИТОГЕНЕТИКА / МЕЙОЗ / МИКРОСПОРОГЕНЕЗ / СИНАПСИС / ПОЛЯРНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ ЦЕНТРОМЕР / СЕГРЕГАЦИЯ ХРОМОСОМ / ГАМЕТОГЕНЕЗ / RYE-TRITICALE HYBRIDS F1 / SECALOTRITICUM / SECALOTRICUM / CYTOGENETICS / MEIOSIS / MICROSPOROGENESIS / SYNAPSIS / POLAR ORIENTATION OF CENTROMERES / CHROMOSOME SEGREGATION / GAMETOGENESIS

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Люсиков О. М., Гордей И. А.

В статье представлены результаты исследований формирования гамет различного хромосомного состава у ржано-тритикальных гибридов F1 (RRABR, 5х=35) в процессе создания нового типа ржано-пшеничных амфидиплоидов с ржаным типом цитоплазмы - секалотритикум (XSecalotriticum, RRAABB, 2n=6х=42). У пентаплоидов F1 проведен анализ особенностей микроспорогенеза в зависимости от генотипической специфичности взаимодействия генетических систем контроля мейоза пшеницы (Ph-гены, I/Edu и др.) и ржи (Sy, P/Edu и др.). Выявленные особенности сегрегации и элиминации хромосом исходных геномов обусловлены различиями их спаривания,синапсиса и полярной ориентации центромер в профазе мейоза. Они послужили теоретическим и экспериментальным обосновыванием цитогенетических факторов и механизмов гаметогенеза у ржано-тритикальных гибридов F1. Результаты исследований способствуют повышению эффективности методов получения секалотритикуми создания их генетического разнообразия.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Люсиков О. М., Гордей И. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CYTOGENETIC FACTORS AND MECHANISMS OF GAMETE FORMATION WITH DIFFERENT CHROMOSOME COMPOSITION IN RYE-TRITICALE HYBRIDS F1 (RRABR, 5X=35)

The article presents the research results of gamete formation with different chromosome composition in rye-triticale hybrids F1 (RRABR, 5x=35) during developing a new type of rye-wheat amphidiploids with a rye type of cytoplasm - secalotriticum (хSecalotriticum, RRAABB, 2n=6х=42). Analysis of microsporogenesis features was made in pentaploids depending ongenotypic specificity of interaction between genetic systems of meiosis control in wheat (Ph-genes, I/Edu, etc.) and rye (Sy, P/Edu, etc.). The revealed features of chromosome segregation and elimination in initial genomes are caused by differences in their mating, synapsis and polar orientation of centromeres in meiosis prophase. They were theoretical and experimenyal grounds of cytogenetic factors and mechanisms of gametogenesis in rye-triticale hybrids F1. The research results favour anincrease in the efficiency of methods for producing secalotriticum and developing its genetic diversity.

Текст научной работы на тему «ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГАМЕТ РАЗЛИЧНОГО ХРОМОСОМНОГО СОСТАВА У РЖАНО-ТРИТИКАЛЬНЫХ ГИБРИДОВ F1 (RRABR, 5X=35)»

УДК 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)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.