ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 7, с. 971-981
УДК 576.356:575222.73
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
РОЛЬ ХРОМОСОМЫ РЖИ 2R ПШЕНИЧНО-РЖАНОЙ ЗАМЕЩЕННОЙ ЛИНИИ 2R(2D)1 (Triticum aestivum L. СОРТ САРАТОВСКАЯ 29/Secale cereale L. СОРТ ОНОХОЙСКАЯ) В ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ МЕЙОТИЧЕСКОЙ РЕСТИТУЦИИ У ПШЕНИЧНО-РЖАНЫХ ПОЛИГАПЛОИДОВ
© 2007 г. О. Г. Силкова, А. И. Щапова, В. К. Шумный
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;
факс: (383) 333-12-78; e-mail: silkova@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 12.04.2006 г.
Изучена роль хромосомы ржи 2R пшенично-ржаной замещенной линии 2R(2D)1 (Т. aestivum Ь. сорт Саратовская 29/S. сегеа1е Ь. сорт Онохойская) в генетической регуляции мейотической реституции у пшенично-ржаных полигаплоидов 2R(2D)1 х S. сегеа1е Ь. сорт Онохойская. Показано, что хромосома ржи 2R оказывает влияние на осуществление полной мейотической программы, подавляя образование реституционных гамет. Это проявляется в редукционном типе деления унивалентных хромосом в А1 и прохождении второго мейотического деления. Обсуждается взаимосвязь между типом деления хромосом в А1 и двухэтапностью мейоза. Сделано предположение о том, что структурная и функциональная организация центромерных районов редукционно делящихся хромосом, вероятно, предопределяет двухступенчатость деления.
Мейотическое деление полигаплоидов характеризуется различными нарушениями из-за гаплоидного состояния геномов, образующих общий гибридный геном. В связи с этим отдаленные гибриды в преобладающем большинстве случаев стерильны. Мейотическая реституция, наблюдаемая в мейозе гибридов, также является аномалией. Однако именно реституционные гаметы с диплоидным числом хромосом обеспечивают полигаплоидам восстановление частичной фертильности. Благодаря этому реституция сыграла большую роль в эволюции растений.
Исследованиями, проведенными за последние 10 лет, было установлено, что полиплоидия является одним из основных путей видообразования у покрытосеменных растений. До 70% видов покрытосеменных - полиплоиды [1], а среди семейства Роасеае большинство видов полиплоидны и представлены двумя основными типами: автополиплоиды и аллополиплоиды (амфиплоиды) [2]. В естественных условиях автополиплоиды образуются при внутривидовых, а аллополиплоиды -при межвидовых и межродовых скрещиваниях удвоением числа хромосом благодаря нередуцированным гаметам.
Цитологические механизмы реституции хорошо представлены в публикациях по изучению мейоза у ячменя, люцерны, кукурузы [3-5], дига-плоидов и гибридов картофеля [6], а также полигаплоидов злаковых [7-11]. Ранее проведенные нами исследования мейоза у пшенично-ржаных
полигаплоидов (Т. aestivum Ь. сорт Саратовская 29 х S. сегеа1е Ь. сорт Онохойская) позволили установить генетическую обусловленность образования реституционных гамет [10, 11]. Генетическая регуляция реституции выявлена также при изучении других межродовых гибридов злаковых [9]. Однако только у картофеля локализованы гены, контролирующие образование нередуцированных гамет [12, 13].
Введение в гибридный геном отдаленных гибридов (АВБЯ) определенных хромосом ржи, входящих в геном пшенично-ржаных замещенных линий (2п = 42) [14], позволит выявить влияние хромосом ржи на регуляцию основных процессов мейоза, приводящих к реституции. Целью данной работы является изучение роли хромосомы ржи 2Я пшенично-ржаной замещенной линии 2Я(2В)х в генетической регуляции мейотической реституции у пшенично-ржаных отдаленных гибридов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве материала для исследований были использованы гибриды F1, полученные в результате двух комбинаций скрещивания:
1) ТгШсит aestivum Ь. сорт Саратовская 29 х х Secale сегеа1е Ь. сорт Онохойская - (С29 х Я);
2) пшенично-ржаная замещенная линия 2Я(2Б)1 (Т. aestivum Ь. сорт Саратовская 29/5. сегеа1е Ь.
Рис. 1. Первое деление мейоза у пшенично-ржаных полигаплоидов С29 х R: а - профаза, клетки с разной степенью конденсации хроматина; б - ранняя А1, начало редукционного деления хромосом; в - А1, редукционный тип деления и расхождения хромосом; г - А1, эквационный тип деления и расхождения хромосом; д - А1, эквационно-редукционный тип деления и расхождения хромосом; е - А1, блокирование первого деления (указано стрелкой).
# * III*-1 $ ^ ^ % 4 а 1 & ^ *
* щ . , ; ±
т- а. д ццг Рнр -г й * # йЛ. щш е
сорт Онохойская) х Secale сегеа1е Ь. сорт Онохой-ская - (2R(2D)1 х Я).
Результаты мейотического анализа гибридов С29 х Я использовали в качестве контроля. Эксперимент проводили в условиях двух вегетаций при выращивании растений в гидропонной теплице (весна 2000 и 2002 гг.). Колосья гибридов для мейотического анализа фиксировали в этилово-уксусной смеси (3 : 1). Пыльники окрашивались 45%-ным ацетокармином. Каждый пыльник анализировали индивидуально. Статистическую обработку проводили по общепринятой методике.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Изучены стадии первого и второго делений мейоза у пшенично-ржаных гибридных растений F1 (4х = 28) С29 х Я и х Я в условиях двух
вегетаций. Мейоз гибридов С29 х Я характеризовался большим разнообразием цитологических картин, как это было описано ранее [11]. На стадии профазы I наблюдали клетки с разной степенью конденсации хроматина (рис. 1,а). В клетках, находящихся на стадии анафазы I, унивалентные хромосомы делились по редукционному типу, не расщепляясь на сестринские хроматиды, чему
Ат ¿Гъ* щ *«*• ■в* а а?- ' ^ % ' «V
Ь ш Ш - А $ 4 % ** # 4 л я» *
Рис. 2. Второе деление мейоза у пшенично-ржаных полигаплоидов С29 х R: а - АП, образование двух веретен деления; б - АП, клетка с одним веретеном деления (указана стрелкой) и клетки с деконденсированным хроматином; в - поздняя АП, клетки с растягиванием хроматина, телофаза II - клетки с фрагментированным хроматином (указано стрелкой); г - телофаза II, тетрады и диада.
предшествовала сверхконденсация хроматина в диакинезе (рис. 1,6, в). Происходило деление хромосом по эквационному типу (деление на сестринские хроматиды и расхождение их к полюсам) (рис. 1,г); присутствовали клетки со смешанным редукционно-эквационным делением хромосом (рис. 1,д), а также с блокированием первого деления (рис. 1,е). На стадиях МИ и АП наблюдали микроспороциты с образованием двух веретен деления (рис. 2,а); с деконденсированным хроматином, где не проходило деления; с одним веретеном деления вместо двух, что являлось следствием деления и расхождения хромосом в тех клетках, где было заблокировано деление в А! (рис. 2,6). Присутствовали также клетки, где не осуществлялось нормального деления, а происходило растягивание деконденсированных хромосом к полюсам (рис. 2,е), в результате происходила частичная фрагментация хроматина в телофазе II. Как свидетельство произошедшего реституционного процесса в части клеток совместно с тетрадами присутствовали диады (рис. 2,г).
Поведение хромосом в мейозе у гибридов С29 х Я отличалось высокой вариабельностью в условиях обеих вегетаций. В первом делении мейоза унивалентные хромосомы делились по эквационному и эквационно-редукционному типам от
10.46 ± 7.95 до 57.92 ± 14.27% клеток (вегетация 2000 г.) и от 0.43 ± 0.3 до 88.68 ± 5.18% клеток (вегетация 2002 г.) (табл. 1, 2). Большой размах изменчивости наблюдался и по количеству экваци-онно делящихся хромосом на клетку: 2.58 ± 2.11 -22.22 ± 1.94 (вегетация 2000 г.) и 0.115 ± 0.03 -22.31 ± 2.11 (вегетация 2002 г.). Аналогично не наблюдалось единообразия в поведении хромосом во втором делении у растений изученной гибридной популяции (рис. 3,а, в; рис 4,а, в). Данные варьировали как между клетками одного пыльника, между пыльниками, так и между гибридами.
Цитологический анализ мейоза гибридов F1-по-коления, полученного от скрещивания 2R(2D)1 х Я, охарактеризовал данную гибридную популяцию как достаточно выравненную. Общая картина поведения унивалентных хромосом сложилась следующим образом. На стадии профазы-метафазы I - сверхкомпактизованное состояние хроматина (рис. 5,а, б), на стадии AI - в большинстве клеток у всех растений, кроме двух - 76-6 и 75-3 (вегетация 2002 г.), редукционное деление хромосом (от 82.08 ± 1.64% до 100% клеток в одну и от 80.33 ± ± 3.13% до 100% клеток - в другую вегетацию) (рис. 5,6, в; табл. 3, 4), во второй анафазе - расхождение хромосом при функционировании двух веретен деления у более 50% клеток всех гибри-
Таблица 1. Характеристика А1 мейоза полигаплоидов Т. aestivum Ь. сорт Саратовская 29 х S. сегеа1е Ь. сорт Оно-хойская (теплица, весна 2000 г.)
Гибрид Изучено Клетки,% Количество экваци- онно делящихся хромосом на клетку
пыльников клеток с экв. и экв.-ред. типами деления хромосом с ред. типом деления хромосом блокирование деления
9-1 7 1006 36.14 ± 9.03 49.7 ± 8.22 14.16 ± 5.15 11.53 ± 2.38
(12.98-66.67) (2.78-86.32) (0-31.94) (2.26-17.99)
27-3 3 639 29.13 ± 12.59 63.6 ± 11.13 7.27 ± 7.22 7.85 ± 3.25
(1.27-78.81) (0.42-97.45) (0.41-20.76) (0.0-19.54)
27-4 6 948 32.01 ± 12.14 46.13 ± 12.17 21.86 ± 11.99 8.61 ± 3.33
(0-62.04) (0-100) (0-52.06) (0.0-16.77)
34-1 6 668 54.13 ± 13.88 38.52 ± 12.87 7.35 ± 5.07 13.72 ± 3.47
(5.04-82.79) (2.38-94.96) (0-28.57) (1.20-22.55)
48-1 8 1215 57.92 ± 14.27 41.43 ± 13.15 0.65 ± 0.42 22.22 ± 1.94
(7.08-97.92) (0-92.92) (0-2.7) (15.21-26.13)
48-3 7 1027 34.13 ± 14.15 65.66 ± 13.88 0.21 ± 0.15 6.43 ± 3.16
(0-77.84) (22.16-95.94) (0-0.79) (0.0-18.57)
49-2 11 2429 10.46 ± 7.95 86.26 ± 6.97 3.28 ± 1.78 2.58 ± 2.11
(0-81.64) (1.9-100) (0-16.46) (0.0-21.72)
49-3 7 1317 35.14 ± 16.19 62.73 ± 15.94 2.13 ± 1.74 9.68 ± 4.28
(0.43-88.27) (0-98.27) (0-11.72) (0.43-21.6)
66-2 7 1049 17.29 ± 16.87 69.82 ± 14.59 12.87 ± 10.83 6.32 ± 2.64
(0-39.62) (1.96-100) (0-72.55) (0.0-23.7)
Таблица 2. Характеристика А1 мейоза полигаплоидов Т. aestivum Ь. сорт Саратовская 29 х S. сегеа1е Ь. сорт Оно-хойская (теплица, весна 2002 г.)
Гибрид Изучено Клетки, % Количество эквационно делящихся хромосом на клетку
пыльников клеток с экв. и экв.-ред. типами деления хромосом с ред. типом деления хромосом
71-2 3 214 67.73 ± 9.18 33.6 ± 9.01 18.33 ± 0.05
(36.62-90.0) (10.0-63.08
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.