CC BY
11BIOLOGICAL SCIENCES
ЦИТОЛОГИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТРАНСЛОЦИРОВАННЫХ ХРОМОСОМ У СОРТА
ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ ОМСКАЯ 36
Жарков Н.А.
ФГБНУ Омский аграрный научный центр
CYTOLOGICAL IDENTIFICATION OF TRANSLOCATED CHROMOSOMES IN SOFT SPRING
WHEAT "OMSKAYA36" CULTIVAR
Zharkov N.
Federal State Budgetary Scientific Institution Omsk Agrarian Scientific Center
АННОТАЦИЯ
В ходе проводимых исследований мейоза у межвидовых гибридов пшеницы F2 было установлено, что сорт яровой мягкой пшеницы Омская 36 имеет ген стимулятор синапсиса хромосом отличный от базисного гена рода Triticum. Изучение метафазы I у межсортовых гибридов Fi, полученных от скрещивания моносомных линий сорта пшеницы Мильтурум 553 с сортом Омская 36 показало, что его происхождение связано с произошедшей реципрокной транслокацией, в результате которой базисных ген стимулятор перешел с хромосомы 3В на хромосому 2А. По результатам проведенного цитологического анализа характера прохождения конъюгации хромосом у сортов Мильтурум 553 и Омская 36, их два негомологичных гена стимулятора идентичны по своему действию.
ABSTRACT
It was in studies of wheat F2 interspecies hybrid meiosis revealing that the soft spring wheat "Omskaya 36" cultivar has a stimulator gene on chromosome pairing (synapsis) that differs from Triticum basic gene. Study of metaphase I of intercultivar hybrids Fi, obtained by monosomal line crossing of Milturum 553 wheat cultivar with "Omskaya 36" cultivar showed that its origin is related to the reciprocal translocation, as a result of which the basic stimulator gene transferred from chromosome 3B to chromosome 2A. Based on the performed results of cytological analysis of nature of chromosomal conjugation in cultivar Milturum 553 and Omskaya 36, their two non-homologous stimulator genes are identical in their action.
Ключевые слова: пшеница, сорт, мейоз, хромосома, транслокация, ген.
Keywords: wheat, grade, meiosis, chromosome, translocation, gene.
Под транслокацией понимается тип хромосомных мутаций, при которых происходит перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому с проявлением различного рода модификаций [1, 2]. В ходе ранее проводимых исследований характера прохождения мейозу у межвидовых гибридов пшеницы (Triticum aestivum L. x Triticum durum Desf.) было установлено, что сорт яровой мягкой пшеницы имеет ген, контролирующий синапсис гомологичных хромосом, который не аллелен базисному гену рода Triticum [3]. Примечательно, что популяция растений межвидовых гибридов F2 по наличию асинаптических клеток в метафазе I мейоза имела дигенный характер расщепления. На основании проведенных исследований, было сделано предположение, что происхождение нового мейо-тического гена у сорта Омская 36 связано с произошедшей транслокацией между двумя парами хромосом, принадлежащих геномам А и В.
Целью данных исследований является установление самого факта наличия транслоцирован-ных хромосом у сорта пшеницы Омская 36 и их идентификация.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА При гомозиготном состоянии генотипа отсе-лектированного сорта мягкой пшеницы наличие хромосомных транслокаций на фенотипическом уровне мейотического деления клеток не проявляется. Для их обнаружения необходимо, путем межсортовых скрещиваний, перевести генотип анализируемого материала в гетерозиготное состояние. В этом случае хромосомы, имеющие транслоциро-ванные фрагменты, будут формировать мультива-ленты (тетраваленты). Однако в данном случае следует иметь в виду, что у аллогексаплоидного вида пшеницы образование тетравалентов может происходить и за счет синапсиса гомеологов [4]. Поэтому для выделения транслокаций необходима цитологическая идентификация хромосом формирующих мультиваленты. Достигается это путем скрещивания моносомных линий с анализируемым сортом пшеницы. Моносомные растения, имеющими в своем генотипе 41 хромосому, а в метафазе I 20 бивалентов и один унивалент (20'' + 1'), согласно решетке Пеннета, формируют два типа гамет - гаметы с 21 и 20 хромосомами (табл. 1). Эуплоидный же сорт пшеницы Омская 36, по завершению мей-оза, образует только один тип гамет, имеющими 21 хромосому.
Таблица 1
Формирование гамет и зигот у межсортовых гибридов пшеницы_
? ———^^ Омская 36 - 42 (М I - 21'')
21 21
Моно-М.553 - 41 (М I - 20'' + 1') 21 42 (М I - 21'') 42 (М I - 21'')
20 41 (М I - 20'' + 1') 41 (М I - 20'' + 1')
Как видно из таблицы 1, при слиянии гамет исходных родителей образуется два типа зигот, имеющих в своем составе 42 или 41 хромосомы. Полученное от них потомство образует популяцию гибридов Fl, состоящую из дисомных (2п = 42) и моносомных (2п = 41) растений. Для проведения цитологической идентификации транслоцирован-ных хромосом использовались только моносомные растения Fl с конфигурацией метафазы I: 20 бивалентов и один унивалент (20'' + 1'). Как видно из представленной выше решетки Пеннета (табл. 1), у данной категории растений в моносомном состоянии оказывается уже не хромосома сорта Мильту-рум 553, а хромосома анализируемого сорта Омская 36. Именно по характеру ее поведения в мей-озе I и определяется наличие или отсутствие в ней чужеродного сегмента.
Если в метафазе I мейоза у моносомной части популяции гибридов F1 наблюдается 18 бивалентов один тетравалент и 1 унивалент, то, следовательно, хромосома, представленная в виде унивалента, не имеет транслоцированных сегментов. Если же в данном случае наблюдается 19 бивалентов и 1 три-валент, то анализируемая моносома имеет чужеродный сегмент.
Взятый в качестве объекта исследования сорт яровой мягкой пшеницы Омская 36 создан в Сиб-НИИСХ совместно с фирмой "Кургансемена". Получен он от скрещивания Лютесценс 250/86-10 с Runar (Норвегия). Среднеранний, вегетационный период 87 суток. Разновидность лютесценс. Сорт отличается более удлиненным колосоносным междоузлием. Колос призматический, средней плотности, белый, безостый неопушенный. Сорт обладает высокой потенциальной урожайностью по фонам и срокам посева, которая обеспечивается сочетанием засухоустойчивости, устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе, лучшей выживаемости, высокой густотой стеблестоя и тяжеловесному зерну. Хлебопекарные качества достаточно высокие. Благодаря своей высокой продуктивности, площадь возделывания сорта Омская 36 занимает в настоящее время около 3 миллионов гектаров.
При гибридизации, сорт яровой мягкой пшеницы Омская 36 использовался в качестве отцовского компонента скрещивания. В качестве материнского родителя были взяты сорт яровой мягкой пшеницы Мильтурум 553 и созданная по нему в СибНИИСХ группой авторов (Цильке Р.А., Цильке И.А. Жарков Н.А., Присяжная Л.П.) цитологически идентифицированная серия моносомных линий.
При этом задействованы были, как и предполагалось ранее, только 14 линий, моносомных по хромосомам геномов А и В. Для скрещивания цитологическим путем отбирались по каждой линии только моносомики (2п = 41). Скрещивание проводили индивидуально, колос в колос (метод Твелл).
Гибридные зерна F1 высевали в полевых условиях по пару с площадью питания растений 10х20 см. В межфазный период выход в трубку - колошение осуществляли фиксацию микроспороцитов. Для этого с каждого растения брали по 1-3 колоса. Фиксацию микроспороцитов осуществляли смесью Ньюкомера [5].
Цитологический анализ микроспороцитов проводили на временных давленых ацетокармино-вых препаратах с помощью микроскопа МБИ 3. При увеличении 20х10 и 90х10 подсчитывали количество клеток в метафазе I без отклонения и количество клеток с мультивалентами (тетравалентами и тривалентами). Цитологический анализ метафазы I у исходных родителей осуществляли при увеличении 90х10. Определяли количество кольцевых и палочковидных бивалентов на клетку и количество хиазм на бивалент. При этом для проведения данного вида цитологического анализа отбирались только клетки с хорошей визуализацией хромосом. Результаты проведенных исследований обрабатывали методами вариационной статистики, разработанными для качественных и количественных признаков [6] (Доспехов, 1979).
В качестве дополнительной информации следует отметить, что долголетнее использование как самого исходного сорта, так и его моносомных линий в межсортовых и межвидовых скрещиваний не выявило проявления каких либо признаков наличия у Мильтурум 553 транслоцированных хромосом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам проведенных исследований, у межсортовых гибридов первого поколения, полученных от скрещивания сорт на сорт (Мильтурум 553 х Омская 36), с частотой 5,09% наблюдались клетки с тетравалентом (рис. а, табл. 2). Данный факт может свидетельствовать о наличии у анализируемого сорта хромосом с транслокациями.
Проведенный цитологический анализ мейоти-ческих клеток у моносомной части популяции гибридов Fl показал, что в 12 случаях в метафазе I отмечались клетки, имеющие 18 бивалентов один тет-равалент и один унивалент (рис. б). При этом частота присутствия тетравалента варьировала по линиям от 2,07% (7В) до 4,61% (3А).
^ A J?
а б в
Рисунок. Метафаза I: a - 19" + 1"", стрелкой указан тетравалент; б - 18" + 1"" + 1', стрелками указаны тетравалент и унивалент; в - 19" + 1"',
стрелкой указан тривалент.
Таблица 2.
Образование мультивалентов у межсортовых гибридов Fl мягкой яровой пшеницы
(моно-М.553 х Омская 36)
Гибриды F1 моносомные по хромосоме Количество изученных клеток Процент клеток с
тетравалентами тривалентами
1A 1020 4,12 -
2A 725 - 14.62
3A 1150 4,61 -
4A 1048 3,34 -
5A 1012 3,26 -
6A 769 2,21 -
7A 1106 3,25 -
1B 382 3,66 -
2B 942 3.08 -
3B 1115 - 4,2
4B 1263 4.59 -
5B 905 2,20 -
6B 1219 2,71 -
7B 1160 2,07 -
М.553хОм.36 1159 5,09 -
В случае поочередного гемизиготного состояния хромосом 2А и 3В вместо тетравалентов формировались триваленты (рис. в, табл. 2). Наличие тривалента при моносомном состоянии хромосомы 2А сорта Омская 36 отмечалось с частотой 14,62%, а хромосомы 3В данного сорта - с частотой 4,2%. Таким образом, полученные экспериментальные данные убедительно показали, что транслокация произошла между хромосомами 3В и 2А. Судя по результатам ранее проведенного цитологического анализа характера прохождения мейоза у межвидовых гибридов F2 [3], в данном случае имело место реципрокная транслокация. Разные значения частоты формирования тривалентов между двумя вышеуказанными хромосомами объясняется тем, что хромосома 2А играла определяющую роль в синап-сисе транслоцированных хромосом.
По данным литературных источников [7-9]
(Sears,1944, 1954; Kempanna, Riley, 1962) в пределах генотипа мягкой пшеницы наиболее сильным стимулирующим эффектом синапсиса гомологичных пар обладает хромосома 3В. Отсутствие ее у растений вызывает появление большого количества унивалентов. По выражению Э. Сирса [10] 3В несет ген нормального синапсиса. Таким образом, появление гена стимулятора синапсиса хромосом не ал-лельного базисному гену рода Triticum у сорта яровой мягкой пшеницы Омская 36 связано с тем, что в результате произошедшей, при его создании, ре-ципрокной транслокации данный ген был перемещен с хромосомы 3В в хромосому 2А.
Проведенный цитологический анализ характера прохождения конъюгации хромосом у сортов Омская 36 и Мильтурум 553 не выявила существенных различий между показателями (табл. 3).
Таблица 3.
Конъюгация хромосом у сортов яровой мягкой пшеницы_
Сорт Проанализировано клеток Количества бивалентов на клетку Число хиазм на бивалент
кольцевых палочковидных
Омская 36 78 19,60 1,40 2,008
Мильтурум 553 162 20,22 0,78 1,998
t 0,44 0,44 2,43x
Различия достоверны при *Р<0,05.
Как видно из таблицы 3 анализируемый сорт обладал достаточно стабильным прохождением мейоза. Таким образом, полученные экспериментальные данные показывают, что сорт Омская 36 обладает достаточно эффективным геном, контролирующим синапсис хромосом, который идентичен по своему действию аналогичному базисному гену рода ТгШсыт.
Из устных сообщений селекционеров стало известно, что Омская 36 плохо передает свои положительные признаки потомству. Однако при замещении у межсортовых гибридов хромосомы 2А было
установлено, что достаточно хорошо наследуются от данного сорта такие признаки как плотность колоса, крупность зерна, масса зерна колоса. Для определения селекционной ценности вновь выявленного мейотического гена стимулятора конъюгации хромосом были получены, с использованием методов хромосомной инженерии, сложные межсортовые гибриды, у которых хромосома 2А сорта Омская 36 представлена в дигаплоидном состоянии (рис. 2).
Рисунок 2. Сложные межсортовые гибриды яровой мягкой пшеницы Е2(Е3) с дигаплоидным состоянием
хромосомы 2А сорта Омская 36: 1 - колос пшеницы сорта Омская 36; 2-4 - гибриды, полученные на базе генотипа сорта Боевчанка; 5-7 - гибриды, полученные на базе генотипа сорта Омская 37; 8-11 - гибриды, полученные на базе генотипа линии 308/11; 12 - колос сорта пшеницы Боевчанка.
Окончательные выводы о селекционной ценности рассматриваемого гена будут сделаны по завершению намеченной программы. Планируется на заключительном этапе передать наиболее ценные линии в полевые лаборатории, для дальнейшей селекционной проработки.
Литература
1. Ригер Р. Генетический и цитогенетический словарь. / Р. Ригер, А. Михаэлио// М. Колос. - 1967. - 607 с.
2. Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосома. Структура и функция. /Д.Е. Коряков, И.Ф. Жимулев// Новосибирск. Изд-во: СО РАН. - 2009. - 258 с.
3. Жарков Н.А. Асинаптический мейоз у межвидовых гибридов пшеницы. /Н.А. Жарков// Фундаментальные исследования. - 2013. - 8. - С. 13901394.
4. Жарков Н.А. Цитогенетический контроль конъюгации хромосом у Triticum aestivum L. / Н.А. Жарков // Norwegian journal of development of the international science. - 2020. - 1(40) - С. 10-19.
5. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. / З.П. Паушева // М.: Колос. - 1974. - 288 с.
6. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта./ Б.А. Доспехов // - 1979. - М.: Колос. - 4-е изд. - 416 с.
7. Sears E.R. Cytogenetic studies with polyploidy species of wheat. II. Additional chromosomal aberrations in Triticum vulgare. / E.R. Sears// Genetics. -1944. - 29. - P. 232-246.
8. Sears E.R. The aneuploids of common wheat. / E.R. Sears // Missouri Agr. Exp. Stat. Res. Bull. - 1954. - 572. - P. 1-58.
9. Kempanna C., Riley R. Relationships between the genetic effect of deficiencies for chromosomes III and V on meiotic pairing in Triticum aestivum. /. C. Kempanna, R. Riley// Nature. - 1962. - 195. P. 12701273.
10. Sears E.R. Genetic control of chromosome pairing in wheat./ E.R. Sears // Annu. Rev. Genet. -Palo Alto, Calif. - 1976. - 10. - P 31-51.
