лекция

15 лекция

Цитогенетика мутантов пшеницы – 2 часа

Влияние транслокации на процесс замещения хромосом показано на примере скрещивания моносомика Чайниз Спринг по хромосоме Х (♀) с сортом Тэтчер (♂). У моносомных растений F₁ в метафазе I образовалось 19 бивалентови Химический и радиационный мутагенез используется в се­лекционной работе с растениями главным образом как метод повышения разнообразия исходного материала для гибриди­зации.

Однако имеется ряд коммерческих сортов, которые были получены путем непосредственного использования возникшего в эксперименте мутанта после соответствующего отбора внутри мутантной линии и испытания ее в различных агро­технических и экологических условиях.

Больше всего подобных сортов у ячменя; у мягкой пшени­цы в производство выпущены четыре мутантных сорта, два из которых (Стадлер и Льюис) получены в США опытной станцией Миссури в 1964 г. Мутанты, послужившие основой для создания этих сортов, возникли после облучения семян тепловыми нейтронами. Оба сорта высокоурожайные, устой­чивые к полеганию, раннеспелые; сорт Стадлер, кроме того, отличается хорошей зимостойкостью и прекрасным зерном. Два сорта созданы в Индии Сваминатаном- N. Р. 836 (1961 г.) и Шарбати Сонора (1967 г.). Для получения перво­го сорта был взят мутант, возникший после γ-облучения се­мян, а в основе второго — мутант, полученный после комби­нированного воздействия на семена γ- и ультрафиолетовыми лучами. Сорт N. Р. 836 остистый, высокоурожайный, устойчи­вый к листовой ржавчине; Шарбати Сонора устойчив к по­леганию, раннеспелый, с янтарной окраской зерна, высоким содержанием в зерне белка, богатого лизином (3—4 г лизина на 100 г белка, у исходного мексиканского сорта Сонора 64—2,2 г на   100 г белка).

Два мутантных сорта твердой пшеницы, названные Кастельфузано и Кастельпорциано, получены в Италии Скараччиа Муньоцца после облучения семян тепловыми нейтрона­ми. Оба сорта районированы в 1969 г. и отличаются высокой

урожайностью и устойчивостью к полеганию. Есть сообщение о том, что в скором времени тем же автором будет выпущен третий сорт (Scarascia Mugnozza), 1968).

В СССР получено много перспективных мутантов мягкой пшеницы, главным образом устойчивых к полеганию и раз­личным грибным заболеваниям. Один мутантный сорт Но­восибирская 67 (Институт цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, автор И. В. Черный) проходит государ­ственное сортоиспытание.

Таким образом, мутагенез оказался перспективным и в селекции пшеницы — растения, имеющего очень сложную ге­нетическую природу. Однако, до сих пор работы по мутагене­зу, проводившиеся с пшеницей, большей частью были доволь­но примитивными. После воздействия различными мутагена­ми — излучениями и химическими соединениями — отбирали в последующих поколениях мутанты, описывали их и оценива­ли, исходя из возможности использования в селекции. Иногда это делалось в разных экологических условиях, что, конечно, важно; иногда мутанты использовали для гибридизации. Та­ким путем удалось иайти эффективные мутагенные воздейст­вия (Khvostova et al., 1965; Шкварников и др. 1967; Зоз 1966, 1969) и установить некоторые особенности действия мутаге­нов на основе фенотипа выделяемых мутантов (Эйгес, 1965; Шкварников и др., 1967; Зоз, 1966, 1969).

Рекомендуемые материалы

Однако для дальнейшей разработки эффективных методов экспериментального мутагенеза этого мало. Необходимо знать генетическую природу возникающих изменений, что имеет ог­ромное значение и для подбора эффективных и специфически действующих мутагенов, и для расширения и углубления по­нимания природы самих пшениц. Первый аспект уже доста­точно хорошо разработан для ячменя, генетика и цитология мутантов которого необычайно полно и подробно изучается шведскими учеными (Густафссон, 1968; Хагберг, 1968). Гене­тическое и цитологическое изучение мутантов показало, на­пример, что эректоидные формы ячменя могут возникать при мутировании по крайней мере 26 разных локусов хромосом ячменя, а мутанты с измененным восковым налетом — при мутировании 44. Мутабильность отдельных локусов под воз­действием разных мутагенов неодинакова. Особенно резки различия между локусами по реакции на излучения с высокой ЛПЭ, т. е. линейной потерей энергии (нейтроны, α-частицы), а из химических мутагенов —на сульфонаты (Wettstein, Lundquist, 1968). Эти данные о специфичности реакции опре­деленных участков хромосом на действие мутагенов очень важны при разработке методов направленного мутагенеза.

Второй важный вопрос связан с использованием в селек­ции перестроек хромосом. Шведскими исследователями показана перспективность применения в селекции Линий с транс локациями и инверсиями, которые часто приводят к появле­нию высокожизнеспособных и урожайных форм. Кроме того, разрабатываются методы использования транслокаций с близ­ко расположенными разрывами для получения дупликаций, т. е. линий с удвоенными определенными локусами хромосом, что позволит направленно усиливать желательный признак, например активность фермента амилазы у ячменя.

Большое значение исследования мутантов для создания естественной классификации пшениц показывают работы Мак Кея (Мас Кеу, 1966, 1968), Важно также цитогенетическое изучение мутантов для полного понимания структуры пшени­цы, для выявления всех потенциальных возможностей ее ге­номов (Swaminathan, 1966), так как о наличии в хромосомах тех или иных генов можно узнать, только получив их мута­ции. Поэтому лишь выявление большого количества мутаций у пшениц разной плоидности, локализация мутантных генов, исследование взаимодействия мутантных генов с разными ус­ловиями внешней среды (экология генов), с различными со­четаниями других генов (влияние генотипической среды) мо­гут вскрыть все возможности этого очень важного культур­ного растения для использования его в сельском хозяйстве.

Сложная генетическая природа пшениц отражается и на особенностях их мутирования. Доказано, что в трех геномах, входящих в состав генотипа мягкой пшеницы, имеются гомеологичные хромосомы (см. гл. I), поэтому, очевидно, они несут целый ряд одинаковых генов. Если это так, то в М₂ после воз­действия мутагенами должны выявляться лишь такие рецес­сивные мутации, которые происходят в генах, не дублирован­ных в гомеологичных хромосомах, т. е. лишь в тех, по кото­рым мягкая пшеница диплоидна. Если же гены повторяются в разных гомеологичных хромосомах, то их мутации в М₂ не выявятся. Это положение хорошо иллюстрируется частотой хлорофильных мутаций, которые часто встречаются в опы­тах с 14- и 28-хромосомными пшеницами и очень редки после воздействия мутагенами на 42-хромосомные (Stadler, 1929; Swaminathan, 1966). Причина cостоит в том, что гены, обе­спечивающие развитие хлорофилла, дублированы по крайней мере в двух геномах: D и, видимо, А. Однако у некоторых ин­дийских сортов 42-хромосомной пшеницы хлорофильные му­тации выявляются в М₂. Вероятно, эти сорта имеют соответст­вующие гены в диплоидном состоянии. Таким образом, опыты по мутагенезу позволяют выявить, дублированы ли генй в гомеологических геномах у разных сортов мягкой пшеницы. Наличие дублированных аллельных генов в разных геномах приводит и к другому своеобразному явлению: 42-хромосомные пшеницы легче выносят потери и дупликации     участков хромосом, я также нехватку целых хромосом (см. гл. III). Подобное смягчающее влияние полиплоидии на выражение и проявление мутаций Мак Кей (Мас Кеу, 1954, 1968) называ­ет «буферностью».

Методы цитогенетического анализа мутантов пшеницы

В настоящее время всеми авторами, работающими по му­тагенезу, условно принято классифицировать возникающие наследственные изменения как макро- и микромутации. Мак­ромутациями называют изменения настолько резкие, что их удается выделить в М₂ в виде отдельных измененных расте­ний. Необходимо отметить, что для отбора мутаций нужно се­ять потомство растений М₁ (развивающихся из семян, обра­ботанных мутагенами) по семьям, считая за семью потомст­во отдельных колосьев. В сплошном посеве выделить мутан­ты очень трудно, можно заметить лишь очень резкие уклоне­ния, которые у пшеницы часто связаны с крупными наруше­ниями хромосомного аппарата.

Микромутации — это слабые изменения какого-либо при­знака, которые удается обнаружить, подвергая материал био­метрической обработке. Данные литературы (Qаиl, Aestveit, 1966; Borojevic, 1966; Scossiroli, 1968) показывают, что отбор можно начинать в М₃, которое получают, высевая потомство отдельных растений М₂. Однако лучше даже в М₃ отбор не вести, а высеять семена растений из каждой семьи в М₄ на нескольких делянках (в двух-трех повторностях), а затем уже проводить отбор среди этих семей по желательному признаку, для чего, конечно, необходима биометрическая обработка дан­ных. В настоящее время убедительно показано, что воздейст­вие мутагенами создает большое генотипическое разнообразие и отбор по количественным признакам в потомстве растений, обработанных мутагенами, дает положительные результаты, в то время как в контрольных популяциях он малоэффективен или совсем неэффективен (Scossiroli, 1968).

Отбираемые по фенотипу в М₂ макромутации имеют раз­личную генетическую природу. Растения с одним и тем же фе­нотипом могут ловиться при изменении разных генов (точковые мутации), а также вследствие крупных перестроек хро­мосом: утери участков (нехватка), удвоения их (дупликация), обменов ими (транслокация), а также утери или (реже) до­бавления целых хромосом. Эти различные изменения могут иметь весьма сходный фенотипический эффект, что будет вид­но в дальнейшем при описании отдельных типов мутантов. Однако первое указание на природу возникшего     изменения  могут дать следующие тесты: 1) анализ пыльцы у мутантов и 2) наличие или отсутствие расщепления в мутантных ли­ниях. Отсутствие стерильной пыльцы и константность мутантной линии обычно свиде­тельствуют о том, что возник­шее изменение представляет со­бой точковую мутацию. Под­тверждением этого должен быть анализ мейоза (бивален­тов) на стадиях диакинеза и метафазы. Наличие 21 бивален­та закрытого типа у мутантов мягких пшениц подтверждает вывод о точковой природе му­тации, причем входящие в со­став бивалентов гомологичные хромосомы по размеру и мор­фологии одинаковы (рис. 10). Следующим подтверждением будет расщепление в F₂ при скрещивании мутантов с исход­ной формой: наличие простого менделевского расщепления (3:1, 1:2:1) свидетельствует о монофакториальной природе мутации.

Необходимо отметить, что у выделяемого мутанта часто оказывается измененным ряд признаков. Так, например, му­тант с интенсивно сизым воско­вым налетом на листьях и со­ломине, выделенный у озимой пшеницы ППГ 186 в наших опытах, имеет, кроме того, из­мененные колосковые пленки, форму куста и колоса. При скрещивании с исходной фор­мой оказалось, что все эти признаки наследуются незави­симо. Таким образом, у выде­ленного мутанта произошло не­сколько независимых мутаций разных генов.

При наличии крупных перестроек хромосом большей ча­стью выявляется частичная стерильность пыльцы (у растений, гетерозиготных по транслокациям и крупным инверсиям) и расщепление в мутантных линиях, благодаря тому, что у мяг­ких пшениц выживают растения с нехватками и дупликация­ми. Примером может быть расщепление в мутантных семьях спельтоидов  и скверхедов.

При наличии транслокации в гетерозиготном состоянии в диакинезе и метафазе I мейоза наблюдаются кольца из четы­рех хромосом (рис. 11). Наличие крупных инверсий приводит к появлению в анафазе I мейоза определенного процента кле­ток с мостами и фрагментами, возникающими в результате перекреста в гетерозиготной инверсии. Мелкие инверсии, дуп­ликации, нехватки могут обусловливать ослабление конъюга­ции хромосом и снижение частоты хиазм; тогда увеличивает­ся количество бивалентов открытого типа. При потере значи­тельного участка хромосомы или при большой дупликации могут быть обнаружены гетероморфные биваленты, в которых конъюгирующие хромосомы имеют разную длину. Наконец, при утере целой хромосомы выявляются 20_II и I_I а при до­бавлении лишней хромосомы— 20_II + I_I  (рис. 12).

Все перечисленные выше методы анализа позволяют с от­носительной точностью определить тип возникшей мутации, т. е. включить ее в одну из больших групп (точковую мута­цию, перестройку хромосом или анеуплоидию). Точная же ло­кализация мутаций, т. е. определение, в какой именно хромо­соме произошло изменение, у пшеницы очень затруднено из-за ее сложной полиплоидной природы. (В первую очередь не­обходимо скрестить между собой сходные по фенотипу му­танты, чтобы выяснить, изменился у них один .и тот же локус или разные (тест на аллелизм). Аллельными, т. е. связанны­ми с изменениями одного и того же локуса, оказались все проанализированные до настоящего времени спельтоиды. Му­танты с измененным восковым налетом, длиной остей могут быть связаны с мутациями различных генов, локализованных в разных хромосомах. Определить, в какой именно хромосоме пшеницы произошла данная мутация, можно лишь при ис­пользовании моносомного анализа (см. гл. Ш).

Ниже излагаются данные о цитогенетической природе от­дельных типов мутантов, найденных у мягких пшениц.

Цитогенетический анализ мутантов с измененной формой колоса

Спельтоиды. Наиболее часто встречающимися у мяг­ких пшениц мутантами, особенно после воздействия на семе­на ионизирующими   излучениями   (рентгеновыми, γ-лучами, быстрыми нейтронами), являются спельтоиды, скверхеды, компактоиды (Khvostova еt аl., 1965). Основная работа, в ко­торой подробно изучалась цитогенетика этих мутантов, при­надлежит Мак Кею (Маc Кеу, 1954). Особенно подробно им изучены спельтоиды. Это мутации обычно доминантные или полудоминантные, поэтому их иногда удается выделить и в М₁ после обработки семян мутагенами. Довольно часто при­знаки спельтоидности (рыхлый колос, жесткие колосковые че­шуи) выявляются лишь в половине колоса, что указывает на химерную структуру растения М_1.

Иногда появляются формы, у которых лишь чешуи спельтоидного типа, а зерна мутации не несут (об этом можно су­дить по тому, что в потомстве данное изменение не насле­дуется). За образование колосковой чешуи и зерен ответст­венны два слоя — дерматоген и субдерматоген. Данные по об­лучению свидетельствуют о том, что между мутациями, возни­кающими в этих двух слоях, существует очень высокая корре­ляция; видимо, эти слои дифференцируются позже и, возмож­но, происходят из одной клетки зародыша. Результаты ана­лиза химер у ячменя показали, что зачаток колоса в зароды­ше состоит из 1—4 клеток (Еriksson, 1965), в связи с этим можно ожидать .появления химерных растений М₁ у кото­рых лишь 1/₄ часть колоса несет признаки спельтоидности. Пока трудно объяснить частое появление в М₁ нехимерных растений с доминантными мутациями, возникающих после воздействия химическими мутагенами па семена пшеницы (Зоз, 1966, 1969; Сальникова, Зоз, 1966). Нехимерные мутан­ты с доминантными признаками в М₁ после воздействия излу­чениями появляются чрезвычайно редко.

Спельтоидные формы возникают сравнительно часто у мягких пшениц и в естественных условиях без воздействия мутагенами; частота естественных спельтоидных мутантов, по данным разных авторов, составляет 1,0—0,1%. При внутри­видовых и межвидовых скрещиваниях пшениц они появляют­ся несколько чаще (1,9—0,3%). В экспериментах наиболее часто спельтоиды возникают после воздействия разными ви­дами ионизирующих излучений, в частности быстрыми ней­тронами. О частоте их возникновения после воздействия хи­мическими мутагенами сведения противоречивы. По данным Эйгес (1965), они появлялись редко после воздействия на се­мена озимой пшеницы ППГ 186 этиленимином в концентра­циях 0,01—0,04% и чаще после воздействия более сильными концентрациями (0,07—0,1%). О редком появлении спeльтоидов после обработки химическими мутагенами сообщает Мак Кей (Маc Кеу, 1962, 1968).

Зоз (1969) наблюдала зависимость частоты спелътоидов oт длительности экспозиции    при обработке      этиленимином    и N-нитрозоэтилмочевиной. Ею установлено, что с увеличением времени экспозиции от 12 до 24 час. частота спельтоидов по­вышалась.

Цитогенетические исследования показали, что появление спельтоидов во всех проанализированных случаях связано с одним и тем же локусом определенной хромосомы. В настоя­щее время благодаря применению моносомного анализа точно установлено, что этот локус находится в длинном плече хро­мосомы 5А. У Т. аestivum, Т. соmpactum, Т. sphaerococcum в этом локусе имеется доминантный аллель (2, тормозящий раз­витие признаков спельтоидности, т. е. рыхлости колоса, жест­кости колосковых чешуи, тонкой длинной соломины.

Появление спельтоидных мутантов может быть связано с утерей либо целой хромосомы, несущей этот ген, либо ее участка, несущего ген Q, либо с точковой мутацией доминантного аллеля Q в рецессивный q.  Появление спельтоидных мутантов в ряде случаев не зависит от потери участка хро­мосом, поскольку увеличение дозы рецессивного гена q дает определенный эффект, обусловливающий у растений тип ко­лоса от спельтоидного к более плотному. Это доказывает, что рецессивный ген q обладает определенной активностью, но дей­ствие его лишь более слабое (гипоморфный аллель). Полу­чая растения с лишними хромосомами 5А (или лишними длинными ее плечами), несущими доминантный или рецессив­ный аллель гена Q, Мураматсу (Мuramatsu, 1963) выяснил следующие закономерности в опытах с пшеницей сорта Чайниз Спринг. При наличии одного гена Q (моносомия по 5А хромосоме, утеря локуса Q или гетерозиготность по этому локусу — Qq) растение будет спельтоидом. Увеличение дозы ге­на Q приводит к развитию или скверхедного типа колоса (QQ), или субкомпактоидного (QQQ) или компактоидного (QQQQ) типа (рис. 13). Увеличение дозы гена q приводит к тому же эффекту, но, поскольку действие этого гена слабое, лишь накопление пяти генов q дает скверхедный тип колоса. Таким образом, действие пяти генов q эквивалентно действию двух генов Q, т. е. действие одного аллеля Q сильнее эффекта аллеля q в 2,5 раза.

Следовательно, в этой работе доказывается, что некоторые мутанты спельтоидного типа связаны не с нехваткой в локусе Q, а лишь с ослабленным действием аллеля. Автор предлага­ет нехватки по Q обозначить символом q —.

Локус Q оказывает плейотропный эффект, в значительной степени определяемый генотипической средой. Так, у сорта Чайниз Спринг гомозиготы QQ дают скверхедный фенотип, а у других пшениц для развития скверхедности нужна большая доза гена Q. Уменьшение дозы генов Q и q приводит к более сильному выражению признаков спельты.

Рис.  13. Эффект дозы генов Q и q (Миramatsu, 1963)

1— нуллисомик. по хромосоме 5А, ген Q отсутствует; 2—моносомик по хромосоме 5А, одна доза гена Q; 3— дисомик по хромосоме 5А, две дозы гена Q; 4 — трисомик по хромосоме 5А, три дозы гена Q; ,5— тетрасомик по хромосоме 5А, четыре дозы гена Q; б—спельта, две дозы гена q; 7—три-спельта, три дозы гена q; 8- тетра-спельта, четыре дозы гена q; 9 — колос растения с пятью дозами гена q; 10 — колос растения с  шестью  дозами   гена  q.

Гетерозиготы    Qq могут быть по одним признакам ближе к спелые, по дру­гим — дальше, поэтому трудно говорить о доминировании ге­на Q, степень его зависит от генотипической среды. Т.spelta отличается от спельтоидов (как мутантов, так и форм, выщепляющихся при скрещиваниях) ломким колосовым стерж­нем и трудной обмолачиваемостью: по-видимому, развитие этих признаков зависит не от гена Q, а от других генов. По мнению Сваминатана (Swaminata, 1966), ген Q влияет на размер, форму и тургор клеток, что в свою очередь обуслов­ливает рост растений, толщину соломины, размер листовой пластинки, рыхлость колоса и жесткость чешуи. Очевидно, локус Q состоит из дупликаций с аддитивным действием. Кукук (Kuckuck, 1959) высказал предположение, что аллель Q мог возникнуть из q в результате неравного кроссинговера, как ген Ваr у дрозофилы, и представляет собой дупликацию. Если принять это предположение, то исходным аллелем дол­жен быть ген q, т. е. Т. vulgare должна была возникнуть из Т.spelta (о роли изучения мутаций для понимания эволюции пшениц будет сказано ниже).

Итак, спельтоиды — комплексная группа мутантов, хотя их появление всегда связало с локусом длинного плеча хро­мосомы 5А. В случае генной мутации возникают константные нерасщепляющиеся линии. Если спельтоидные мутанты появ­ляются у безостых форм в результате нехватки участка 5А хромосомы, то в следующих поколениях в мутантных линиях часто выщепляются остистые спельтоиды. Это объясняется тем, что деления захватывает в некоторых случаях не только генQ, но и расположенный в том же плече доминантный ген В₁, тормозящий развитие остей. Гомозиготные по нехватке ра­стения имеют спельтоидный фенотип и остистый колос. Иног­да в мутаытных линиях наблюдается сложное расщепление — появление наряду со спельтоидами, скверхедов и растений с нормальной формой колоса. Такое расщепление связано с на­личием взаимной транслокации. Хорошо известно, что у осо­бей, гетерозиготных по транслокации, возникают гаметы с нехватками определенных локусов и с дупликациями этих же участков. У пшеницы, благодаря ее сложной аллополиплоидной природе, выживают гаметы и зиготы с нехватками л дуп­ликациями. Из зигот с нехватками развиваются растения спельтоидного типа, из зигот с дупликациями — скверхедного, из сбалансированных — нормального типа (рис, 14). Этот тип расщепления впервые описан Мак Кеем (Мас Кеу, 1954). Если появление спельтоидов связано с утерей целой 5А хро­мосомы (моносомией), то у гетерозиготных спельтоидов бу­дет 41 хромосома, а у гомозиготных — 40. В этом случае при расщеплении наблюдается дефицит гомозигот; отношение спельтоидов к нормальным растениям варьирует от 3,5 : 1 до 10 : 1, чаще всего 4 : 1. Цитологический анализ спельтоидов, полученных послевоздействия различных мутагенов на семена, подтвердил наличие разных типов среди этих мутантов. В классической работе Мак Кея (Мас Кеу, 1954) указывается на обнаружение в мейозе, у гетерозиготных спельтоидов неравных бивалентов (нехваток): колец из четырех хромосом (транслокации) и 20_II и 1_I (моносомики). У константных нерасщепляющихся спельтоидов, полученных под действием ионизирующих излучений, как показали исследования Мак Кея, мейоз протекает без нарушений. Цшеге (Zshege, 1963) изучила мейоз у трех спельтоидов, индуцированных химическими мутагенами. У всех форм были найдены нехватки: 20_II + 2 фрагмента разной длины или 20_II  и одна изохромосома, образовавшаяся из фрагмента.  

Значительную работу по анализу мутантов, полученных у японской пшеницы Шинчугана, проделали Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967; Ichikawa, 1967). Большинст­во из 20 исследованных спельтоидов имело нехватки (гетероморфные биваленты или телоцентрики). Скрещивание этих ли­ний с серией моносомиков показало, что все нехватки относи­лись к хромосоме 5А. Среди спельтоидов была найдена одна моносомная форма, а один гомозиготный спельтоид отличался слабой жизнеспособностью, хотя у него было обнаружено нарушений в мейозе.

Эйгес было изучено цитологически пять спельтоидов, воз­никших у озимой пшеницы ППГ 186 после воздействия этиленимином в высоких концентрациях. Два из них оказались моносомиками, содержащими 20_II и 1_I , у одного была нару­шена конъюгация двух бивалентов, а у двух форм наблюдали нормальную конъюгацию хромосом (21_II) и малый процент тетрад с нарушениями; видимо, появление последних было связано с генными мутациями.

Имеющийся материал по цитогенетическому анализу спельтоидных мутантов слишком мал для того, чтобы можно было говорить о появлении того или другого типа спельтои­дов при действии излучений или химических мутагенов.

Скверхеды.  Как указывалось выше, появление форм со скверхедным колосом нередко бывает связано с дуплика­цией гена Q. В частности, это наблюдается в линиях с гетерозиготными транслокациями, захватывающими этот локус. В таких линиях, благодаря механизму нехватки-дупликации, выщепляются как скверхеды, так и спельтоиды. Цшеге (Zschege, 1963) обнаружила при цитологическом анализе скверхедов тетрасомики (22_II или 1_I или 19_II + 1_I), у шести растений нарушений в мейозе выявлено не было. Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967) при анализе нерасщепляющихся скверхедов дупликаций не нашли; три ли­нии были гомозиготными по нехватке; у двух полностью от­сутствовало короткое плечо хромосомы 5А, т. е. одна линия была дителосомной, другая — моносомной.

Кроме того, этими авторами были исследованы компактоиды, расщепляющиеся на компактоиды, скверхеды и расте­ния с обычной для мягкой пшеницы плотностью колоса. У шеста таких линий хромосом было больше, чем 42. У одной линии со сложным расщеплением оказалось, что компактоиды (высота 30см) являются пентасомиками (2n=45), субкомпактоиды (высота 50 см) — тетрасомиками (2n=44), скверхеды (высота 70 см) — трисомиками (2п = 43). В данном случае ясно видно влияние дозы хромосомы на выражение признака. Скрещивание с моносомными линиями сорта Чайниз Спринг показало, что у компактоида и субкомпактоида лишними хромосомами являются хромосомы 5А. У одного из мутантов была выявлена изохромосома, состоящая из длин­ных плеч хромосомы 5А. Таким образом, в этих тщательно цитогенетически проанализированных случаях компактоиды, субкомлактоиды и выщепляющиеся скверхеды всегда имели дупликацию длинного плеча или всей хромосомы 5А. У сквер­хедов из линий, где компактоидов не обнаружено, было уте­ряно короткое плечо хромосомы 5А.

О наличии в коротком плече хромосомы 5А гена, потеря которого ведет к скверхедности, предположение было сделано еще раньше (Smith еt аl., 1950). Видимо, наличие этого гена стимулирует развитие рыхлого колоса.

Ишикава сообщает об обнаруженном им различии между сортом Чайниз Спринг и японским сортом Шинчунага:

Эти различия могут быть связаны, как с разной активно­стью у этих сортов гена Q (5А), так и других сходных ге­нов — q₂ (5В), q₃ (5D); они могут быть обусловлены также и другими эффектами генотипической среды, поскольку сам сорт Чайниз Спринг име'ет скверхедный колос.

Рыхлоколосые мутанты. Семь мутантов этого типа  (часть из них с укороченной соломиной)  были изучены

Цшеге (Zschege, 1963), Лишь у одного не было обнаружено изменений в мейозе, два были нуллисомиками, один имел 19_II +1 или 2 унивалента, один — гомозиготную нехватку и два были тетрасомиками. Сходные по фенотипу мутанты, полученные в двух линиях под действием излучений и исследо­ванные Ишикава, оказались идентичными: они были нуллисо­миками по одной и той же хромосоме, при этом моносомный анализ выявил, что у них утеряна хромосома 6D.

Плотноколосые мутанты (но не скверхеды и не комлактоиды) в опытах японских авторов оказались либо нуллисомиками (карлики), либо моносомиками, либо это бы­ли линии с телоцентрическими хромосомами и гомозиготны­ми нехватками.

Д ру г и е  типы мутантов. Описанные выше типы му­тантов почти исчерпывают разнообразие форм, возникающих обычно при облучении. Встречаются еще растения с короткой соломиной, колос у которых не изменен. Мак Кей (Мас Кеу, 1954) пишет, что такие формы могли бы иметь практическое значение, так как укорочение соломины часто сопровождается ее утолщением. Однако большая часть таких мутантов имеет пониженную урожайность и связана с нехватками и моносомией. Полученные под действием быстрых нейтронов в опы­тах с озимой пшеницей ППГ 186 короткосоломистые фор­мы, названные нами эректоидами (Слой Чень-Мань, 1964; Khvostova еt аl., 1965), также оказались большей частью ма­лоплодовитыми и неконстантными. Малоперспективны и эректоидные формы, выделенные Эйгес у ППГ 186 после воздей­ствия этиленимином в высоких концентрациях, они некон­стантны. Цитологический анализ показал, что они являются моносомиками.

Таким образом, мутанты пшеницы с резко измененным фенотипом (drastic mutations), наиболее часто возникающее под действием быстрых нейтронов, оказались связанными с нарушениями хромосом. Мутанты такого же типа возникали и в опытах Эйгес под действием этиленимина в высоких кон­центрациях. Низкие концентрации вызывали появление му­тантов с менее резкими изменениями фенотипа («мягкие» му­тации), резких было мало (Эйгес, 1965). При наличии «мяг­ких» мутаций плодовитость не снижается, мутантные линии константны, пыльца нормальная, в мейозе нарушений не наб­людается. Такие формы появляются, видимо, главным обра­зом в результате точковых мутаций, и именно они представ­ляют наибольший интерес для селекции. После воздействия γ-лучами на семена пшеницы ППГ 186 возникло также до­вольно большое количество подобных мутантов (Можаева, 1961, 1965). К ним относятся формы с повышенной устойчи­востью к грибным заболеваниям, прочной соломиной и непроникающим колосом, измененным восковым налетом, остистые, раннеспелые и т. д.

Подобные точковые мутации локализуются сейчас в опре­деленных хромосомах пшеницы методом моносомного ана­лиза. Так, работы ряда авторов (Allan, Vogel, 1960; Tsunewaki, 1962, 1964; Driscoll, Jensen, 1964) показали, что на образова­ние воскового налета влияют хромосомы 2А, 4В и 6В; есть данные о влиянии на этот признак также хромосомы 2В.

На развитие остей влияют хромосомы 5А (ингибитор раз­вития остей, названный B₁), 6В (ингибитор В₂) и 4В (ген Нd. По данным Батиа и Сваминатана (Вbatia, Swaminathan, 1963), европейские и североамериканские безостые пшеницы имеют супрессор В₁, а азиатские — В₂. Пшеницы с длинными зачатками остей имеют супрессор В₁ с короткими — В₂, пол­ностью безостые — два доминантных супрессора В₁В₂ или B₁ Нd; у таких пшениц полностью остистые мутанты обычно не возникают. Индийские авторы считают, что остистые му­танты представляют практический интерес, так как они мень­ше повреждаются птицами и более урожайные.

Довольно часто появляются в экспериментах мутанты бо­лее ранне- и позднеспелые, чем исходные сорта. Дрискол и Дженсен (Driscoll, Jensen,  1964) методом моносомного анали­за установили у сорта Селл 507s влияние на этот признак всех трех хромосом группы 5: хромосома 5D несколько затя­гивала развитие пшеницы, 5В, наоборот, способствовала раннеспелости, влияние хромосомы 5А было менее ясное, но в ней найден ген, влияющий на длительность периода ярови­зации. Хромосомы 1А и 7D несколько затягивали развитие ра­стений. Под действием этилметансульфоната и его производ­ных у двух сортов озимой пшеницы Капелли-Деспре и Старке возникли три яровых мутанта (два у первого сорта и один — у второго). Различия их с исходной формой имели монофакториальную природу. Скрещивание с моносомиками Чайниз Спринг показало, что мутации сорта Капелли-Деспре локали­зованы в хромосоме 5А, а у Старке — в хромосоме 5D (Maia еt аl., 1967).

Озимые формы возникали из яровых в опытах Цшеге. Ци­тологически она их не изучала, но при скрещиваниях ею ус­тановлено, что эти мутанты имеют монофакториальную при­роду.

Влиянию отдельных хромосом на устойчивость к заболе­ваниям .посвящена большая литература. Так, например, ука­зывается на наличие у разных сортов пшеницы генов устой­чивости к стеблевой ржавчине, локализованных в хромосомах 1А, 2А, 6А, 2В, 4В, 6В, 1D, 2D, 3D, 6D (Knott, Anderson, 1956; Sears еt аl., 1957; Burnham, 1962; см. также гл. V).

В опытах с химическими мутагенами рядом авторов отмечено возникновение мутантов типа Т. sphaerococcum 1963; Zschege, Swaminathan, 1966; Макарова и др., 1966; Черный, 1968). Цшеге изучила три возникших в ее опытах сферококкоида. Все они были тетрасомиками. Скрещивание с моносо­миками Чайниз Спринг показало, что ген, дающий дозовый эффект, локализован в хромосоме 3D.

Мутации, систематика и эволюция пшениц

Изложенные выше данные о природе мутаций у пшениц, а также о так называемых «системных», или «таксономиче­ских», мутациях, которые переводят возникшие мутанты из одной разновидности в другую и даже из одного вида в дру­гой, позволили Мак Кею поставить вопрос о пересмотре си­стематики пшениц (Маc Кеу, 1966, 1968). Особенно четко бросается в глаза любому исследователю, работающему в об­ласти экспериментального мутагенеза у пшениц, искусствен­ность классификации пшениц на разновидности. Конечно, эта классификация удобна, так как если написано, например, о какой-либо форме vаг. erythroapermum, то каждый селекцио­нер сразу поймет, каким комплексом морфологических при­знаков обладает эта пшеница. Однако различия между раз­новидностями, полученными экспериментальным путем, гене­тически очень элементарны (остистость — безостость, белая ок­раска колоса — красная окраска и т. д.) и часто определяются мутацией одного гена, тогда как генетические различия меж­ду природными разновидностями и даже экологическими ра­сами обычно имеют более сложную природу — они полигенны. Поэтому нет ничего удивительного в том, что вновь воз­никающие мутанты приходится часто относить к другой раз­новидности.

Однако с накоплением экспериментальных данных оказа­лось, что условны также границы между некоторыми видами. Все виды 42-хромосомных пшениц легко скрещиваются друг с другом и дают плодовитое потомство. В последние годы по­является все больше сообщений о мутантах, которые прихо­дится относить к другому виду по сравнению с исходной формой.

Таковымутанты типа Т. сотрасtum, Т. sphaerococcum, Т. vavilovi, Т. spelta. Выше были изложены данные о природе различий между мутантами и исходной формой. Скрещивания между видами также показывают, что основные различающие их признаки наследуются моногенно. Мак Кей приводит сле­дующие простые генетические формулы для 42-хромосомных пшениц, которые он предлагает отнести к виду Т. Aestivum:  vulgare,   сотрасtum QQ CC SS,   sphaerococcum QQccss,spelta qq cc SS. Виды пшениц: macha, vavilovi Zhurovsky имеют формулы qq cc SS, но отличаются от спельты по другим генам. Характерный для vavilovi признак удли­нение колосового стержня обусловлен геном (или генами), который, видимо, может проявить свое действие только в от­сутствие гена Q (Маc Кеу, 1968).

Мутанты типа Т. vavilovi были получены эксперименталь­но (Ваrabas, 1959; Scarascia еt аl., 1961; Prabhakara, Swaminathan, 1963 а, b). Поскольку ген Q локализован в хромосо­ме 5А, т. е, в геноме, полученном от дикой однозернянки, ес­тественно, что он может встречаться у пшениц на всех уров­нях плоидности. Мак Кей (Маc Кеу, 1966) считает, что одно­зернянки и все 28-хромосомные пшеницы, кроме саrthlicum, имеют ген q и лишь саrthlicum — ген Q.

Ген С локализован в геноме D, хромосоме 2D (Unrаu, 1950), поэтому он может встречаться только у гексаплоидных пшениц.

Ген S локализован в хромосоме 3D (Sears, 1947). Однако мутанты типа spaerococcum были получены не только у мяг­кой пшеницы (Swaminathan еt аl., 1963; Макарова и др., 1966), но и у твердой (Schmidt, Johnson 1963; Bozzini, 1964), что свидетельствует о наличии гомологичного локуса в дру­гом геноме. Скрещивания показали аллелизм мутантного ге­на мягких пшениц гену 5. Т. spaerococcum. Но, кроме того, у Т. Vulgare была обнаружена и доминантная мутация с при­знаками spaerococcum. Эта мутация была неаллельной гену S.

Мутанты спельтоидного типа были экспериментально по­лучены у следующих 42-хромосомных пшениц: Т. Vulgare, Т. сотраctum, Т. spaerococcum, Т. vavilovi; компактоидного — у первых трех; сферококкоиды и вавиловоиды — у Т.vulgare. Мутанты типа vulgare выделены у Т. сотраctum, Т. Spaerococcum. При скрещивании с Т. сотрасtuт было выявлено их моногенное наследование.

На основе анализа мутаций, полученных у разных видов пшениц, Сваминатан (Swaminathan еt аl.,1966) составил родослов­ную гексаплоидных пшениц, которую, конечно, нельзя счи­тать окончательно доказанной.

В настоящее время наибольший интерес представляет по­лучение мутаций у пшениц разной плоидности и их цитогенетический анализ. Подобные работы, безусловно, прольют свет на происхождение разных видов пшениц и их родство; кро­ме того, весьма перспективно устранение нежелательных при­знаков у диких форм путем экспериментального получения мутаций перед скрещиванием их с культурными пшеницами.

Цепь из трех хромосом IV о Чайниз Спинг, IV-X и X-IV от Тэтчер.

Если хромосомы в метафазе I образуют цепь из трех хромосом, то в результате их расхождения в анафазе 20- хромосомные гаметы гибрида будут нести хромосому IV от Чайниз Спринг, а 21 – хромосомные гаметы – хромосомы с транслоцированными сегментами IV-X и X-IV от сорта Тэтчер. Поскольку при самоопылении гибридов F₁ эти 21 хромосомные гаметы образуют потомство дисомики, используемые для беккроссирования с моно- Х Чайниз Спринг, моносомные растения в F₁ и последующих поколениях беккросса будут иметь следующую хромосомную конституцию: 19^II  + цепь их трех хромосом. В участках хромосом IV сорта Чайниз Спринг, будет происходить кроссинговер в F₁ и во всех поколениях беккроссах и гены, полученные от сорта донора будут замещаться аллелями от Чайниз Спринг. Замещающаяся хромосома от Тэтчер, гомологичная паре хромосом Х сорта Чайниз Спринг, будет делиться между двумя парами хромосом IV-X и X-IV. Схему замещения хромосом можно изобразить следующим образом:

Р_I моно-Х Чайниз Спринг (♀) х Тэтчер (♂)

 F₁   19 Ч.С.    +  Ч.С. IV      + Т.Х- IV

        19 Т.          Т. IV-X

В F₁ и последующих беккроссах с моно-Х чайниз Спринг (♀) при опылении наиболее вероятно функционирют следующие типы гамет: IV-X + X-IV; Ч.С. IV + X-IV; Ч.С. IV + IV- X. В потомстве беккросса образуются моносомики трех типов:

Рекомендация для Вас - 3.4. Электронная почта.

19 Ч.С.    +  Ч.С. IV      + Х- IV;         19 Ч.С.    +  Ч.С. IV      + Х- IV;

              19 Т.          Т. IV-X                                19              Ч.С.IV

                          

                             19   +    Ч.С. IV      + IV- Х.

                             19         Ч.С.IV

У каждого из моносомиков образуется в метафазе I цепь из трех хромосом. Частота кроссинговера будет зависеть от степени сходства транслоцированных сегментов с соответствующими участками гомологичных хромосом анеуплоидной пшеницы.