ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 10, с. 1424-1433
^ ГЕНЕТИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^
РАСТЕНИЙ
УДК 575.113:582.542.1
ПРОЯВЛЕНИЕ И НАСЛЕДОВАНИЕ ДЕСИНАПТИЧЕСКОЙ ФОРМЫ РЖИ С НАРУШЕНИЕМ ГОМОЛОГИЧНОСТИ СИНАПСИСА
© 2007 г. С. П. Соснихина1, Е. И. Михайлова1' 2, О. А. Тихолиз1, Н. В. Цветкова1' 2, А. В. Ловцшс1, 2, О. С. Сапронова1, Ю. С. Федотова2, О. Л. Коломиец2, Ю. Ф. Богданов2
1 Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и селекции, Санкт-Петербург 199034; e-mail: sosnikhina@mail.ru 2 Институт общей генетики им. НИ. Вавилова Российской академии наук, Москва 119991;
e-mail: yubogdanov@vigg.ru Поступила в редакцию 17.04.2007 г.
Изучали цитологический фенотип десинаптической формы, выделенной из популяции ржи сорта Вятка. Первичным дефектом десинаптических растений является негомологичный (гетерологич-ный) синапсис хромосом, который выявлен при электронно-микроскопическом анализе синапто-немных комплексов в профазе I мейоза. Нарушения синапсиса проявляются в "переключениях" си-наптирующих осевых элементов на негомологичного партнера, асинапсисе в районе переключения и в образовании складок латеральных элементов СК. Выявляются нарушения в образовании бивалентов и на более поздних стадиях: в метафазе I наблюдается варьирующее число унивалентов и в единичных клетках обнаружены мультивалентные ассоциации хромосом. Десинаптический фенотип контролируется двумя рецессивными генами - sy8a и sy8b с независимым действием и наследованием. Показано, что в гибридной комбинации с линией Ку-2/63 десинаптический фенотип может супрессироваться доминантным аллелем третьего гена - ингибитора I, и расщепление в гибридных семьях соответствует расщеплению 57 : 7.
Для редукционного деления в мейозе необходима тесная ассоциация гомологичных хромосом, которая осуществляется при взаимодействии гомологов в профазе I мейоза. Взаимодействия гомологов, такие как парное их выравнивание, спаривание, синапсис и рекомбинация, являются критическими для сегрегации гомологов и включают также несколько серий координированных параллельных событий реорганизации хромосом, что проявляется в компактизации хромосом, изменении их ориентации в ядре (букет) и ведет к разрешению топологических проблем. Гомологичное спаривание инициируется в лептотене, интенсифицируется в зиготене, где начинает формироваться синаптонемный комплекс (СК), построение которого завершается в пахитене и, собственно, обозначается как синапсис. В дипло-тене СК деградирует, а хромосомы десинаптиру-ют по длине, но удерживаются вместе в отдельных сайтах за счет хиазм, которые возникают в результате кроссинговера. Конденсированные биваленты сохраняются до наступления анафазы первого деления (А1) [1-5]. Образование СК начинается в лептотене с формирования продольных осевых элементов (ОЭ) хромосом, ассоциированных с двумя хроматидами каждой хромосомы (петли непрерывной фибриллы хроматина крепятся к ОЭ). В зиготене ОЭ объединяются за счет прикрепления к ним поперечных филамен-тов, и в результате соединения их в центральном
пространстве СК образуется центральный элемент, а ОЭ в сформированном СК называются латеральными элементами (ЛЭ). Белковая структура СК прочно удерживает гомологов в биваленте до деградации СК в диплотене [3]. Рекомбинация также инициируется в конце лептотены. У большинства эукариотических организмов инициация рекомбинации наблюдается во время начальных контактов спаривания за счет контактов свободных однонитевых концов разрезанных молекул ДНК. Эти разрезы ДНК возникают в результате двойных разрывов (разрезов) ДНК, которые возникают программированно в результате действия генов, кодирующих мейоз-специфиче-ские эндонуклеазы, затем репарируются с образованием кроссоверных и некроссоверных продуктов [2, 4, 5]. Спаривание, синапсис и рекомбинация тесно связаны. У Saccharomyces cerevisiae и ряда других организмов (млекопитающих, растений) инициация рекомбинации служит сигналом для инициации СК, а спаривание в большей степени не зависит от рекомбинации, но образование СК определяется спариванием и частично не зависит от гомологии [4-6]. Дефекты в спаривании и синапсисе, как правило, ведут к дефектам в рекомбинации, в результате чего нарушается сегрегация хромосом. У большинства организмов гомологи удерживаются вместе как за счет СК, так и хиазмами, образованными в результате кроссинговера, хотя некоторые организмы имеют
Таблица 1. Соотношение растений с нормальным мейозом и десинаптических в потомствах инбредной линии Мс8 и семьях гибридов F2
Линия и номер семьи F2 Родительские растения гибридов Номера Число растений Значения X2 при P Возможные генотипы линии и F1
растений F1 c нормальным мейозом десинап-тических 3 : 1 57 : 7
Линия Мс8 - - 144 44 0.25 >0.50 aabbli или Aabbli (aaBbli)
253 F2 114/2 х л.Ку-2/63 302/1/1 128 19 0.58 >0.25 AaBbli
254 F2 114/3 х л.Ку-2/63 302/2/1 134 14 0.34 >0.50 »
X 262 33 0.02 >0.90
только СК (самки Bombyx mori) или только крос-синговер (Shizosaccharomyces pombe) [3, 4].
Детали и особенности взаимодействия хромосом удалось установить при анализе мутаций по генам, включенным в процессы рекомбинации и синапсиса. У разных организмов помимо генов, кодирующих белки, входящие в состав СК [3], удалось выявить мутации, вызывающие негомологичный синапсис наряду с гомологичным [7-16].
В Петергофской генетической коллекции среди синаптических мутаций выделяется группа мутаций, которые вызывают негомологичный синапсис [17, 18]. В данной статье представлены результаты анализа проявления и наследования мутантной десинаптической формы Мс8. Нами установлено, что этот мутантный фенотип наследуется по тригенной схеме и характеризуется в профазе I наличием негомологичного синапсиса наряду с гомологичным, а в метафазе I (MI) наблюдается варьирующее число унивалентов и мультивалентов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Изучаемая десинаптическая форма выделена из сортовой популяции ржи Вятка в семьях F2 от скрещивания растения № 55 с автофертильной линией-анализатором Ку-2/63 [19]. Мутантные растения характеризовались наличием унивалентов в MI и проявляли разную степень фертильно-сти: от полной стерильности до фертильности, неотличимой от растений с нормальным мейо-зом. Мутантная форма поддерживается в коллекции как при самоопылении гетерозигот, так и гомозигот по мутантным аллелям. В этой же линии была выявлена еще одна мейотическая аномалия, ведущая к полной стерильности и характеризующаяся неравномерной конденсацией мейотиче-ских хромосом, определяемая геном mei8 [20]. Наследование десинаптической формы изучали в семьях самоопыленной линии Мс8 и в гибридных семьях F2 от скрещивания этой линии с линией Ку-2/63 из коллекции, которая была исходной ли-
нией-анализатором в скрещиваниях для выявления данной десинаптической формы среди растений из популяции и не является носителем мейо-тических аномалий. Скрещивания для получения гибридов F2 проводили путем опыления отдельных растений линии Мс8 пыльцой, собранной с группы растений линии Ку-2/63. От самоопыления растений F1 получены две анализируемые семьи F2 (№ 253 и 254). Анализ расщепления в ин-бредных поколениях и гибридных семьях вели только по цитологическим показателям, для чего колосья с каждого растения фиксировали в смеси Ньюкомера и исследовали мейоз на давленых препаратах, окрашенных 2%-ным ацетокарми-ном. Всего цитологически было исследовано 481 растение. Статистическую обработку вели на основе критерия х2. Сопряженность вариации признаков оценивали на основе ранговой корреляции [21] и метода %2. Для анализа синаптонемных комплексов микроспороциты распластывали с помощью гипотонического шока на поверхности раствора сахарозы по методу Гиллеса в нашей модификации [22] и переносили на 3-мм бленды для электронного микроскопа, покрытые пластиком. Препараты фиксировали в парах конденсированного формалина на холоде, окрашивали азотнокислым серебром [22] и исследовали при малых увеличениях в электронном микроскопе ХЕМ-100В.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Наследование
Наследование десинаптической формы изучали в 25 семьях самоопыленных потомков линии Мс8. Расщепление во всех семьях оказалось одно-
2
родным (хгет = 18.65, Р < 0.75, df. = 24), и окончательный учет расщепления вели по объединенным данным (табл. 1, 1 строка). Соотношение растений с нормальным мейозом (144) и десинаптических (44) соответствовало теоретически ожидаемому для моногенного расщепления 3 : 1
Таблица 2. Распределение клеток в зависимости от числа унивалентов у мутантных и нормальных по мейозу растений
Происхождение материала Число растений Число клеток Среднее число унивалентов на клетку и пределы варьирования Доля клеток с унивалентами, % Вероятность образования бивалента
0 2 4 6 8 10 12 14
Десинаптики из линии Мс8 43 1328 4.0 2.0-7.9 14.7 25.7 27.6 17.0 9.5 4.4 1.0 0.2 0.72
Нормальные растения из линии Мс8 91 1869 0.43 0-1.5 81.2 16.2 2.1 0.3 0.2 - - - 0.97
Десинаптики из F2 33 1436 3.2 2.0-8.2 18.4 37.8 24.9 10.6 3.5 2.1 1.0 1.7 0.77
Нормальные растения из F2 258 8566 0.23 0-1.6 90.5 8.0 1.1 0.2 0.1 0.1 - - 0.98
2
(Хз : 1 = 0 . 25 , P > 0. 5 0), и мутация, вызывающая де-синапсис, была обозначена символом sy8. Для уточнения особенностей наследования этой мутации мутантные растения линии Мс8 были опылены пыльцой линии Ку-2/63. Анализ проводили в двух семьях F2 от такого скрещивания (табл. 1, строки 2 и 3). Растения гибридов первого поколения характеризовались бивалентным мейозом и высокой фертильностью. В обеих семьях F2 (№ 253 и 254) соотношение нормальных и мутантных растений отличалось от моногенного (%2 = 11.43 и 19.07 соответственно). Расщепление в обеих семьях хорошо соответствовало соотношению, которое должно наблюдаться для тригенного наследования при условии, что десинаптический фенотип определяется двумя рецессивными генами a и b с независимым проявлением, которое может подавляться доминантным ингибитором (I). Расщепление в семьях F2 соответствовало соотношению 57 нормальных растений к 7 мутантным (табл. 1), которое выводится из соотношения следующих классов расщепления при тригибридном наследовании: 27 ABI
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.