ГЕНЕТИКА, 2014, том 50, № 3, с. 282-290
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
УДК 576.356:575.222.73
ВЛИЯНИЕ ПШЕНИЧНО-РЖАНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ НА ЭЛИМИНАЦИЮ ХРОМОСОМ: АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ УНИВАЛЕНТОВ В МЕЙОЗЕ ПШЕНИЦЫ С ДИМОНОСОМИЕЙ И ТЕТРАМОНОСОМИЕЙ
© 2014 г. О. Г. Силкова, Ю. Н. Кабаненко, Д. Б. Логинова
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090
e-mail: silkova@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
Изучено влияние пшенично-ржаных замещений хромосом 1Rv/1A, 2R/2D и 6R/6A, характеризующихся различной экспрессией признака "эквационный тип деления сестринских центромер в анафазе I", на элиминацию унивалентов пшеницы и ржи. Для выявления индивидуального вклада каждой из изученных пар хромосом проведен сравнительный анализ поведения унивалентов в мей-озе двойных моносомиков 1Rv-1A, 2R-2D, 6R-6A и тетрамоносомиков 1Rv-2R-1A-2D, 1Rv-6R-1A-6A, 2R-6R-2D-6A. Экспериментально установлено, что замещение 2R/2D супрессирует эквационное деление унивалентов, а замещение 6R/6A вызывает элиминацию хромосом с высокой частотой, особенно в мейозе тетрамоносомиков при объединении в одном геноме с парой 2R-2D. Обнаружено, что на элиминацию продуктов деления унивалентов кроме расхождения на сестринские хрома-тиды в анафазе I могут влиять иные механизмы мейоза. Показана зависимость фертильности гибридных растений от числа унивалентных хромосом и характера их поведения.
DOI: 10.7868/S0016675814020155
Способность аллополиплоидного генома мягкой пшеницы Triticum aestivum L. (2n = 6x = 42, BBAADD) выдерживать различные структурные модификации и элиминацию хромосом без губительного влияния на рост и фертильность растения предоставляет базу для экспериментов по хромосомной инженерии при межвидовых и межродовых скрещиваниях. Наиболее хорошо изучен характер передачи и модификации хромосом у пшенично-ржаных гибридов (тритикале) различных поколений и плоидности. Кариотипи-рование растений с помощью С-окрашивания и FISH выявило различные частоты передачи и транслокаций между хромосомами ржи и пшеницы гомеологичных и негомологичных групп. Показано, что на частоты передачи, число и разнообразие транслокаций оказывали влияние генотип и внешние условия [1—8].
Пшенично-ржаная тетрамоносомия и димо-носомия — часто встречаемые ситуации, складывающиеся в условиях стабилизации кариотипов самоопыленных и бэккроссных потомств гибридов. Для направленного получения форм пшеницы с чужеродной интрогрессией в виде замещений и модификаций хромосом необходимо знать особенности поведения унивалентов в мейозе, так как униваленты подвергаются неправильному делению и расхождению. Нарушения мейоза приводят к различным модификациям и/или потере передаваемой хромосомы. Поведение унива-лентных хромосом детально изучено у анеуплои-
дов пшеницы сорта Chinese spring, в частности отмечена связь между способом расхождения хромосомы и включением ее в микроспору [9]. Поперечное разделение хромосомы в районе центромеры (misdivision) в анафазе I (AI) считалось более успешным способом для передачи по сравнению с разделением на хроматиды на этой же стадии. Эти выводы были сделаны на основе наблюдений большого числа отставших хроматид и их плеч в поздней анафазе II (AII), что было предпосылкой для элиминации после второго деления. В наших предыдущих работах при анализе поведения хромосом ржи и пшеницы в мейозе двойных моносомиков также была показана зависимость включения хромосом в микроспоры от частоты их разделения на сестринские хроматиды в AI [10, 11]. Таким образом, качество интрогрес-сии чужеродного генетического материала в геном пшеницы в значительной степени зависит от мейотического деления.
Цель работы — изучение влияния пшенично-ржаных замещений хромосом 1Rv/1A, 2R/2D и 6R/6A, характеризующихся различной экспрессией признака "эквационный тип деления сестринских центромер", на сегрегацию унивалентов пшеницы и ржи и их элиминацию в мейозе ди- и тетрамоносомиков.
1 3 «
Рис. 1. Первое деление мейоза пшенично-ржаной замещенной линии 1Rv(1A). а — метафаза I, гомологи ржи 1R формируют бивалент. б — анафаза I, хромосомы ржи расходятся к полюсам без аномалий. (Геномная in situ гибридизация хромосом ржи.)
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве родительских форм для получения ди- и тетрамоносомиков в работе были использованы пшенично-ржаные замещенные линии 1Яу(1А), 2Я(2Э), 6Я(6А) [12, 13], характеризующиеся различной экспрессией признака "экваци-онный тип деления сестринских центромер", и сорт мягкой пшеницы Саратовская 29, на основе которой были созданы эти линии. Такие линии характеризуются высокой цитологической стабильностью (рис. 1) [12, 13], что свидетельствует о компенсационной способности хромосом ржи, заместивших гомеологи пшеницы. Были получены следующие гибриды Б1:
димоносомики 1Яу(1А) х С29, 2Я(2Э) х С29, 6Я(6А) х С29, геномы которых содержат по две гомеологичные унивалентные хромосомы 1Яу-1А, 2Я-2Э, 6Я-6А соответственно;
тетрамоносомики 1Яу(1А) х 2Я(2Э), 1Яу(1А) х х 6Я(6А), 2Я(2Э) х 6Я(6А), в геномах которых
присутствуют по четыре унивалентные хромосомы 1Rv-2R-1A-2D, 1Rv-6R-1A-6A, 2R-6R-2D-6A соответственно.
Для изучения поведения хромосом использовалось два метода цитологического анализа мейоза: окрашивание ацетокармином и геномная in situ гибридизация. В целях получения большой выборки для численной оценки характера сегрегации хромосом колосья фиксировали в уксусно-этиловой смеси (1 : 3) и окрашивали 3%-ным ацетокармином. Анализировались все пыльники, материнские клетки пыльцы (МКП) которых находились на стадиях метафаза I (MI), AI, телофаза II (TII) (табл. 1). Мейотический анализ проводился с использованием микроскопа Leica 2000, изображение регистрировалось цифровой камерой Leica DFC250 (Германия). Для идентификации хромосом ржи была использована геномная in situ гибридизация (GISH). GISH проводили в соответствии с ранее опубликованной методикой [12].
Таблица 1. Растения пшеницы с ди- и тетрамоносомией, проанализированные в работе
Гибрид Метафаза I Анафаза I Телофаза II
2010 г. 2011 г. 2010 г. 2011 г. 2010 г. 2011 г.
р. к. р. к. р. к. р. к. р. к. р. к.
1Rv-1A 9 1395 12 1094 9 728 12 963 9 1346 12 1448
2R-2D 12 2339 20 1329 10 1313 18 1409 10 2507 18 2613
5 665 9 734 6 684 8 532 6 673 8 592
2R-2D-1Rv-1A 10 1464 11 1231 12 589 12 619 12 2255 12 1583
2R-2D-6R-6A 6 710 11 693 5 851 9 1051 6 709 9 1268
1Rv-1A-6R-6A 10 1123 10 915 12 755 10 749 11 1273 12 1324
Примечание. р. и к. — растения и клетки соответственно.
б
Таблица 2. Поведение хромосом в мейозе у растений пшеницы с ди- и тетрамоносомией
Гибрид Метафаза I (среднее число унивалентов на мейоцит) Анафаза I (среднее число унивалентов, делящихся на сестринские хроматиды, на мейоцит) Телофаза II (среднее число микроядер на тетраду)
2010 г. 2011 г. 2010 г. 2011 г. 2010 г. 2011 г.
1Rv-1A 2R-2D 2R-2D-1Rv-1A 2R-2D-6R-6A 1RV-1A-6R-6A 2.01 ± 0.03б 2.00 ± 0 2.00 ± 0 3.99 ± 0.04 4.02 ± 0.05 4.01 ± 0.03 2.05 ± 0.03 2.01 ± 0.02 2 ± 0 4.04 ± 0.04 4.04 ± 0.03 4.08 ± 0.04 1.б5 ± 0.03б*** 1.0 ± 0.05 1.47 ± 0.09*** 2.02 ± 0.19*** 1.94 ± 0.13*** 2.85 ± 0.1 1.7 ± 0.15** 1.13 ± 0.15 1.41 ± 0.08** 2.84 ± 0.22** 2.б5 ± 0.09*** 3.45 ± 0.28 1.34±0.04###*** 0.98 ± 0.02 1.б8 ± 0.049### 1.29 ± 0.12### 2.б7 ± 0.11### 2.05 ± 0.09### 1.2 ± 0.09## * 1.0 ± 0.08 1.5 ± 0.08### 1.59 ± 0.09### 2.98 ± 0.11### 2.1 ± 0.12###
** Достоверные различия при P> 0.01 по числу унивалентов, делящихся на сестринские хроматиды в AI, у 1Rv-1A и 6R-6A по сравнению с 2R-2D (2011 г.).
** Достоверные различия при P> 0.01 по числу унивалентов, делящихся на сестринские хроматиды в AI, у 2R-2D-1Rv-1A по сравнению с 1Rv-1A-6R-6A (2011 г.).
*** Достоверные различия при P> 0.001 по числу унивалентов, делящихся на сестринские хроматиды в AI, у 1Rv-1A и 6R-6A по сравнению с 2R-2D (2010 г.).
*** Достоверные различия при P > 0.001 по числу унивалентов, делящихся на сестринские хроматиды в AI, у 2R-2D-1Rv-1A и 2R-2D-6R-6A по сравнению с 1Rv-1A-6R-6A (2010 г.), у 2R-2D-6R-6A по сравнению с 1Rv-1A-6R-6A (2011 г.). ## Достоверные различия при P> 0.01 по числу микроядер на тетраду у 1Rv-1A по сравнению с 2R-2D (2011 г.). ### Достоверные различия при P> 0.001 по числу микроядер на тетраду у 6R-6A по сравнению с 2R-2D (2010 и 2011 гг.), у 1Rv-1A по сравнению с 2R-2D (2010 г.).
### Достоверные различия при P > 0.001 по числу микроядер на тетраду между 2R-2D-1Rv-1A, 1Rv-1A-6R-6A и 2R-2D-6R-6A (2010 и 2011 гг.).
### Достоверные различия при P> 0.001 по числу микроядер на тетраду между 2R-2D-1Rv-1A и 1Rv-1A-6R-6A (2010 и 2011 гг.). *** и * Достоверные различия при P > 0.001 и P > 0.05 по числу микроядер на тетраду у 1Rv-1A по сравнению с 6R-6A в 2010 и 2011 гг. соответственно.
Препараты анализировали с помощью микроскопа Axio Imager Ml (Zeiss, Германия). Изображение регистрировалось камерой ProgRes MF (Meta Systems, Jenoptik).
Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием программы Microsoft Excel. Как ди-, так и тетрамоно-сомики выращивались в условиях двух вегетаций: поле 2010 г. и осенняя вегетация в гидропонной теплице 2011 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для выявления индивидуального вклада каждой из изученных пар хромосом сравнивался характер поведения унивалентных хромосом в мей-озе растений с ди- и тетрамоносомией.
Поведение унивалентных хромосом в мейозе ди-моносомиков 1Rv-1A, 2R-2D, 6R-6A. В каждой проанализированной МКП на стадии MI у димоно-сомиков присутствовали два унивалента: хромосомы ржи и пшеницы. Унивалентные хромосомы располагались случайным образом возле полюсов клетки либо на эквационной плоскости вместе с
бивалентами (рис. 2, а). В дальнейшем на стадии AI оба унивалента расходились одновременно с бивалентами (рис. 2,б) либо задерживались на экваторе клетки (рис. 2,в). Последние делились на сестринские хроматиды, которые расходились к полюсам деления (рис. 2,г). Такое поведение унивалентов не было характерным во всех мейоцитах. Задержка на экваторе не всегда завершалась делением на сестринские хроматиды или расхождением разделившихся хроматид к полюсам (рис. 2
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.