Получение и идентификация полиплоидных форм растений
Тетраплоидные сорта ржи, клевера, гречихи, турнепса и некоторых других культур, а также триплоидные гибриды сахарной свеклы широко используются в производстве. Ведется работа по созданию хозяйственно ценных полиплоидных форм других растений. Чаще всего для получения полиплоидов используют колхицин, так как он обеспечивает большой процент полиплоидных форм у всех сельскохозяйственных культур.
Раствором колхицина воздействуют либо на сухие, наклюнувшиеся и проросшие семена, либо на точки роста растений более позднего возраста.
Известно множество приемов обработки колхицином. Они различаются по концентрации раствора, экспозиции и технике воздействия.
У ржи тетраплоиды можно получать, воздействуя на сухие или наклюнувшиеся семена. Заранее приготовленный маточный раствор колхицина концентрации 1—2 % (его нужно хранить в темном месте) разводят до концентрации 0,01—1 %, заливают сухие семена поместив их в стеклянную емкость, и оставляют на срок от 3 ч до 3 сут (чем больше концентрация, тем меньше экспозиция). По истечении этого времени раствор сливают, а емкость с семенами подставляют под струю водопроводной воды для отмывки семян от раствора. Затем их высевают.
Можно воздействовать колхицином на наклюнувшиеся семена. Их завязывают в марлевый узелок и подвешивают под струю водопроводной воды на 3—4 ч, а затем оставляют в узелке на сутки при комнатной температуре, после чего обрабатывают колхицином, как описано выше.
Описанные способы просты, но они связаны с повреждением корневой системы, которая особенно чувствительна к колхицину. Этого можно избежать, если воздействовать на точки роста, изолировав корневую систему от попадания на нее раствора колхицина.
При работе с рожью применяют следующий способ. Наклюнувшиеся семена раскладывают на мелкоячеистую металлическую сетку. Сетку помещают в емкость, наполненную водой так, чтобы уровень ее смачивал нижнюю поверхность сетки. Сверху емкость закрывают стеклом для создания влажной камеры. Когда корешки достигнут длины 1—1,5 см и семена хорошо укрепятся на сетке, ее вынимают, переворачивают вверх корнями и опускают ростками в раствор колхицина. Корни должны быть вне раствора. Чтобы они не высыхали, нужно поместить их во влажную камеру. Хорошие результаты дает выдерживание в 0,2 %-ном растворе колхицина в течение 16—24 ч. Затем сетку с проростками переносят в кювету и возвращают в исходное положение. Кювету ставят под струю водопроводной воды на 2—3 ч для отмывки. В кювете проростки выдерживают сутки на воде или растворе Кнопа, после чего проростки с утолщенным (но не чрезмерно) гипокотилем, что является косвенным признаком полиплоидных форм, высаживают в ящики или вазоны, наполненные смесью почвы и песка. Через 2—3 нед ящики помещают в камеру для яровизации (при —1 °С) на 60 дней. Затем растения в тех же ящиках оставляют до созревания.
Сходный способ применяется для получения полиплоидов у клевера, только его семена сразу проращивают в чашках Петри на фильтровальной бумаге., которая, играет роль сетки. На 4—5-й день после начала проращивания фильтровальную бумагу вместе с проростками переносят в другую чашку Петри с раствором колхицина (0,2—0,25 %). В раствор опускают семядоли (экспозиция — 16 ч). После отмывки (достаточно трижды залить проростки водой и слить ее) проростки оставляют на фильтровальной бумаге в чашке Петри еще на 10 дней, после чего пересаживают в ящики с почвой. Пересаживают только проростки с разросшимися темно-зелеными семядолями. Через месяц, когда образуется розетка, растения с признаками тетраплоидов высаживают в поле.
При работе с другими объектами часто применяют капельный метод. Он состоит в том, что капли раствора колхицина периодически наносят на точки роста. Можно добавлять в раствор агар или камедь трагакантового астрагала (растение из семейства бобовые) — трагакант: в этом случае капли меньше растекаются. Трагакант после высыхания обладает свойством вторично набухать под действием влаги (росы, полива), что продлевает действие колхицина.
У сахарной: свеклы большой выход тетраплоидов дает обработка всходов в фазе «вилочки». Обработку ведут в теплице при температуре 15—20 °С и относительн9Й влажности воздуха 60—80 %. Семена высевают в ящики. На- 6—ГО-й день приступают в обработке. Глаз- ной пипеткой на проростки каждые 2—3 ч (в дневное время) наносят каплю раствора колхицина 0,2 %-ной концентрации. Обработку ведут в течение 12—20 дней. Семядоли под воздействием обработки утолщаются, первая и вторая пары листьев угнетаются, появление их задерживается. При сильном угнетении делают перерыв на Л—4 сут: обработку колхицином временно; прекращают. Примерно через месяц после окончания обработки растения, имеющие признаки тетраплоидов, высаживают в поле.
У свеклы второго года жизни оставляют 2—3 наиболее мощных цветоносных побега, остальные удаляют. Эту операцию проводят в самом начале вегетации. Когда оставленные побеги достигнут 6—8 см, начинают обработку. Готовят 0,3 %-ный раствор колхицина в 0,4 %-ном водном растворе агара. Раз в сутки наносят его на точки роста побегов. Растения выращивают, притеняя их (например, натянутой на каркасе марлей). Обработку прекращают, когда завершится рост побегов. Если побеги сильно угнетаются, делают перерыв. Удаляют вновь появляющиеся побеги.
Во всех случаях, во время обработки колхицином и пока растения еще не окрепли, их следует выдерживать при рассеянном свете. При работе с колхицином нужно соблюдать осторожность, работать в резиновых перчатках, не допуская попадания раствора на кожу.
Читайте также: Ткани площадь александра невского
В год обработки колхицином возникают, как правило, химерные по плоидности растения, а значит, различные по плоидности семена. Задача состоит в том, чтобы выбрать растения, имеющие наибольшее количество тетраплоидных клеток. Для этого используют косвенные признаки. Контроль по косвенным признакам в необходимых случаях дополняют цитологическим контролем.
Контроль за плоидностью должен быть многократным, так как в химерных по плоидности тканях- диплоидные участки могут вытеснять тетраплоидные. Тетраплоидные растения обычно имеют более короткие междоузлия, более широкие и толстые листовые пластинки темно-зеленого цвета, более крупные цветки и плоды, у них часто проявляется махровость цветка. Хорошими диагностическими признаками служат длина и ширина замыкающих клеток устьиц, число хлоропластов в них, размер пыльцевых зерен и количество пор в них. У тетраплоидов все эти показатели выше, чем у диплоидов. Выбор наиболее эффективного диагностического признака зависит от объекта.
У ржи в год обработки колхицином, помимо утолщенного гипокотиля, признаками полиплоидности служат широкий темно-зеленый лист с крупной широкой лигулой, крупная двухпоровая пыльца (у гаплоидных пыльцевых зерен — одна пора), более крупные семена.
У клевера растения с преобладанием тетраплоидных тканей имеют крупные толстые темно-зеленые семядоли, утолщенные черешки листьев. Листья темно-зеленые, часто гофрированные. Опушение более редкое, но длинное и поэтому очень заметное. Пыльцевые зерна округло-угловатые в отличие от овальных у диплоидов.
При обработке колхицином сахарной свеклы в фазе «вилочки» первый отбор по особенностям листьев ведут при высадке растений в поле, второй, также по морфологическим признакам,— после приживания растений, третий — цитологическими методами (препараты готовят из листьев). На следующий год у высадков цветоносные побеги контролируют по числу хлоропластов (оно достигает у тетраплоидов 24—25 против 13—15 у диплоидов). Диплоидные побеги удаляют. Затем ведут цитологический контроль. Оставляют растения (побеги), имеющие не менее 70—80 % тетраплоидных клеток.
При обработке колхицином сахарной свеклы 2-го года жизни тетраплоидные побеги выявляют, просматривая пыльцу и определяя число пор в экзине (у тетраплоидов оно в 2,5 раза больше). Оставляют те побеги, где диплоидная пыльца составляет не менее 90— 95 %.
Окончательно выделяют тетраплоиды в С1 (растения, выросшие из семян, полученных на обработанных растениях). У ржи и сахарной свеклы применяют цитологический контроль. У ржи для этой цели можно использовать корешки проростков, у сахарной свеклы — молодые листья. У клевера форма пыльцевых зерен — настолько надежный диагностический признак, что к цитологическому контролю можно не прибегать.
Контрольныевопросы
1.По каким показателям идентифицируется полиплоиды
2.Какой способ применяют при работе с рожью
3.Выбор наиболее эффективного диагностического признака зависит от
Полиплоидия и получение полиплоидов
Введение
В 1892 году русский ботаник исследовал влияние температуры на клетки зеленой водоросли спирогиры и обнаружил удивительное явление — изменение числа ядер в клетке. После воздействия низкой температурой или снотворным (хлороформом и хлоралгидратом) он наблюдал появление клеток без ядер, а также с двумя ядрами. Первые вскоре погибали, а клетки с двумя ядрами успешно делились. При подсчете хромосом оказалось, что их вдвое больше, чем в обычных клетках. Так было открыто наследственное изменение, связанное с мутацией генотипа, т. е. всего набора хромосом в клетке. Оно получило название полиплоидии, а организмы с увеличенным числом хромосом — полиплоидов.
В природе хорошо отлажены механизмы, обеспечивающие сохранение постоянства генетического материала. Каждая материнская клетка при делении на две дочерние строго распределяет наследственное вещество поровну. При половом размножении новый организм образуется в результате слияния мужской и женской гаметы. Чтоб сохранилось постоянство хромосом у родителей и потомства, каждая гамета должна содержать половину числа хромосом обычной клетки. И в самом деле, происходит уменьшение в два раза числа хромосом, или, как назвали ученые редукционное деление клетки, при котором в каждую гамету попадает только одна из двух гомологичных хромосом. Итак, гамета содержит гаплоидный набор хромосом — т. е. по одной от каждой гомологичной пары. Все соматические клетки диплоидны. У них два набора хромосом, из которых один поступил от материнского организма, а другой от отцовского. Полиплоидия успешно используется в селекции.
Явление изменения числа хромосом в клетке называют полиплоидией.
Некоторые определения: гаплоидным (n) набором хромосом называют такой набор, в котором из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Он несет в себе часть наследственной информации родителей. Совокупность генов в гаплоидном наборе называют геном. Полиплоидия возникает в следующих случаях:
1. Неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе.
2. Деление ядра без деления клетки.
3. Удвоение хромосом без их разделения в силу того, что центромеры утрачивают свойство взаимного отталкивания.
Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называют собственно полиплоидами или эуплоидами. Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному, называют гетероплоидами или анеуплоидами. Если организм имел n = 4 хромосомам, 2n = 8, то тетраплоид имеет 16 хромосом. Если диплоид был гомозиготным, тетраплоид тоже будет гомозиготой. Если диплоид был гетерозиготным, тетраплоид – тоже гетерозиготный.
Читайте также: Возрастные изменения хрящевых тканей хрящей
Полиплоидизация может возникать в результате митоза – это соматическая полиплодия.
Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы – такая полиплоидия называется мейотической и все клетки зародыша будут полиплоидными.
Г. Винклер (1916) – впервые описал полиплоиды томатов и паслена. К настоящему времени установлено, что 1/3 всех покрытосеменных растений являются полиплоидами. Группа родственных видов, у которых наборы хромосом составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется полиплоидным рядом. Рассмотрим данную ниже таблицу.
Основное гаплоидное число хромосом.
Число хромосом у видов данного рода.
48, 56, 64, 72, 80, 96, 112, 120
18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81, 90
Таблица 1. Полиплоидные ряды у покрытосеменных растений.
Соматическая полиплоидия распространена у всех видов, а зиготическая – главным образом у растений. У животных она встречается у червей (земляных и аскарид), а так же очень редко у некоторых амфибий. Очень широко распространена частичная полиплоидизация клеток некоторых тканей. Она свойственна всем изученным классам животных и растений. Например, у млекопитающих много полиплоидных клеток находят в печени, сердце, среди пигментных клеток.
Искусственное получение полиплоидов.
Человек давно использует полиплоидию для выведения высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений. Сначала это делалось бессознательно: просто размножали самые крупные экземпляры, дающие много зерна или же особенно крупные плоды. С появлением генетики выяснилось, что такие гиганты – природные полиплоиды и, следовательно, их отбор – это выделение полиплоидного сорта из предкового, диплоидного вида. Тогда полиплоиды стали размножать.
Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию: изменение температуры, влияние радиации, действие наркотиков, механические воздействия – пасынкование, декапитация (удаление точки роста стебля у растений). Особенно популярным является колхицин – алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего – Colchicum autumnale. Колхицином обрабатывают точки роста растений или инъецируют его животным в водном растворе.
Колхицин парализует механизм расхождения хромосом к полюсам, но не препятствует их репродукции.
У растений встречается и другой, более редкий способ хромосомного видообразования — путем гибридизации с последующей полиплоидией. Близкородственные виды часто различаются своими хромосомными наборами, и гибриды между ними получаются бесплодными вследствие нарушения процесса созревания половых клеток. Гибридные растения, тем не менее, могут существовать довольно продолжительное время, размножаясь вегетативно. Мутация полиплоидии «возвращает» гибридам способность к половому размножению. Именно таким образом — путем гибридизации терна и алычи с последующей полиплоидией — возникла культурная слива.
Полиплоидия используется селекционерами с целью получения межвидовых гибридов и их закрепления. Не секрет, что это этот метод очень перспективен: у растений полиплоиды обладают большей массой вегетативных органов, имеют более крупные плоды и семена. Эти растения лучше приспосабливаются и чаще выживают. Многие культуры представляют собой естественные полиплоиды: пшеница, картофель, выведены сорта полиплоидной гречихи, сахарной свеклы.
1. «Общая и молекулярная генетика», курс лекций для студентов 3-го курса, , 2001 г.
2. Биологический энциклопедический словарь юного биолога, Москва «Педагогика», 1986 г.
Полиплоидия
Полиплодия значительно расширяет возможности отбора и гибридизации.
Получаемые полиплоидные формы не являются готовыми сортами, они лишь исходный материал для селекции. Отрицательная особенность большинства полиплоидов — пониженная плодовитость, что ограничивает их непосредственное использование.
Изучение искусственных полиплоидов у различных растений позволило установить следующие основные закономерности полиплоидии.
1. Растения с небольшим числом хромосом дают более жизнеспособные и ценные полиплоиды, чем многохромосомные.
2. Перекрестноопыляющиеся растения лучше отзываются на полиплоидию, чем самоопылители.
3. Практически более ценные полиплоиды получаются у растений, возделываемых для использования их вегетативных органов (кормовые растения, корнеплоды и др.), значительно большие трудности возникают при создании полиплоидов у растений, выращиваемых на семена.
Использование автополиплоидов
Большие успехи достигнуты в селекции полиплоидных форм клевера, мяты перечной, турнепса, ржи, гречихи и других культур. Некоторые полиплоидные формы клевера дают в 2 раза больший урожай зеленой массы в сравнении с исходными образцами.
В ГДР и Швеции получены тетраплоидные короткостебельные сорта ржи. Немецкая тетраплоидная петкусская рожь Тетра-Петкус (4x=28) имеет короткий прочный стебель, не полегает и характеризуется крупным зерном и хорошими мукомольно-хлебопекарными качествами. Такими же свойствами обладает шведский тетраплоидный сорт ржи Дуббельстоль. В Главном Ботаническом саду АН СССР Н. В. Цицин получил тетраплондную ветвистоколосую рожь с очень высокой продуктивностью.
Вследствие пониженной плодовитости тетраплоидные сорта зерновых культур пока не получили широкого распространения в производстве.
Многие культурные растения создавались на основе естественной полиплоидии, но подвергались гибридизации и длительному отбору. В результате этого сохранились лишь наиболее приспособленные к условиям среды формы со сбалансированным мейозом. Очевидно, этим же путем должна идти и селекция искусственных полиплоидов.
Важно создать большое количество тетраплоидов на основе различных по генотипу сортов для скрещивания их между собой. Практически ценно скрещивание тетраплоидов, полученных ка основе отдаленных в эколого-географическом отношении сортов, например зимостойких забайкальских, саратовских, харьковских сортов ржи с устойчивыми к полеганию западноевропейскими сортами. В результате скрещивания различных эколого-географических форм полиплоидов в Белорусском НИИ земледелия получен высокоурожайный тетраплоидный сорт ржи Белта. Растения этого сорта имеют значительно более низкий стебель с коротким первым междоузлием и упругой соломиной. Районированы первые тетраплоидные сорта гречихи.
Читайте также: Драпировка ткани рисунок маслом
Тетраплоидные рожь и гречиха имеют пониженную урожайность, если они переопыляются с диплоидными сортами. В одном из опытов урожай тетраплоидной ржи, посеянной без изоляции, составил 18, а с изоляцией — 48 ц/га. Однако пространственная изоляция этих культур в производственных условиях в большинстве случаев малоэффективна, поэтому ищут методы генетической изоляции тетраплоидных сортов. Она достигается наличием у материнской тетраплоидной формы доминантного гена, препятствующего прорастанию в ткани пестика пыльцы диплоидной формы, несущей его рецессивный аллель.
Первые константные промежуточные пшенично-ржаные гибриды были получены в 1921 г. В. Римпау в Германии. Их генетическая природа в то время не была установлена, и в селекции они длительное время не использовались. В 1918 г. Г. К. Мейстер наблюдал образование таких гибридов в естественных скрещиваниях между пшеницей и рожью. Была установлена их генетическая природа. Поскольку в одном таком гибридном организме сочетались полные наборы хромосом двух разных родов растений — пшеницы и ржи, С. Г. Навашин назвал их амфидиплоидами. Позднее В. Е. Писарев получил 56-хромосомные яровые и озимые амфидиплоиды от скрещивания яровой и озимой пшеницы с рожью. Им было дано название Triticale.
Очень большое значение для понимания явлений амфидиплоидии и разработки методов преодоления бесплодия отдаленных гибридов имели работы Г. Д. Карпеченко. Скрещивая редьку (2n = 18) с капустой (2n = 18), среди совершенно бесплодных гибридов первого поколения он обнаружил отдельные нормально плодовитые растения, сочетающие в себе признаки обоих родителей. Цитологический анализ показал, что бесплодие большинства редечно-капустных гибридов вызвано неправильным расхождением хромосом во время мейоза: 9 хромосом редьки и 9 капусты не могли нормально конъюгировать, поэтому получились нежизнеспособные гаметы. Лишь в тех случаях, когда вследствие нерасхождения хромосом образовывались яйцеклетки с удвоенным их числом (2n = 18) и они оплодотворялись спермиями такого же типа (2n = 18), у гибрида полностью восстанавливалась парность хромосом, мейоз протекал нормально и растения оказывались плодовитыми.
Получение 56-хромосомных Triticale можно представить в виде схемы: пшеница (2n = 42) Х рожь (2n=14); семена F1 (2n = 28) в результате обработки колхицином дают 56-хромосомные формы Triticale. Эти формы характеризуются высоким содержанием белка (19—23 %), крупным колосом, быстрым ростом, повышенной устойчивостью к болезням. Озимые Triticale, содержащие геном ржи, отличаются более высокой зимостойкостью в сравнении с обычными сортами озимой пшеницы. Однако плодовитость Triticale неполная: зерна образуют лишь 50—70 % цветков. В Украинском НИИ растениеводства, селекции и генетики имени В. Я. Юрьева А. Ф. Шулындин получил 42-хромосомные трехвидовые Triticale от опыления гибридов F1 (мягкая пшеница Х рожъ) пыльцой гексаплоидных Triticale. В процессе такого скрещивания происходит элиминация геномов ДД мягкой пшеницы, геномов мягкой и геномов А и В твердой пшеницы. Образовавшийся трехвидовой аллополиплоид имеет 14 хромосом ржи, 14 хромосом мягкой пшеницы и 14 хромосом твердой пшеницы (AAiBBiRR). Начиная с F3, этот Triticale не расщепляется на исходные родительские виды, но изменяется по отдельным морфологическим признакам колоса и физиолого-биохимическим свойствам (зимостойкость, содержание белка в зерне и др.). Родственные геномы А и В мягкой и твердой пшеницы дают у него нормальный аллосинтез, а 14 хромосом ржи конъюгируют в результате полного автосинтеза. В результате этого мейоз у таких трехвидовых Triticale идет с небольшими нарушениями и получается высокая озерненность колоса.
Лучшие Triticale, созданные А. Ф. Шулындиным, — ДД 206, АД 60, АД 315 и другие, успешно проходят широкое производственное испытание. Можно полагать, что 42-хромосомные Triticale будут первым искусственно синтезированным видом культурного растения, имеющим большое практическое зкачение. Хорошие результаты показывает новый сорт озимого Triticale — Одесский кормовой, дающий до 750 ц/га зеленой массы. Ведутся работы с яровыми Triticale.
Сравнительное изучение 56- и 42-хромосомных амфвдиплоидов показало, что последние представляют значительно большую селекционную ценность. Они плодовитее и продуктивнее, лучше поддаются улучшению под влиянием отбора. Очевидно, формы пшеницы с числом хромосом более 42 имеют неблагоприятное соотношение ядерного материала и цитоплазмы, поэтому их жизнеспособность снижается. Подтверждение этого — отсутствие в природе видов пшеницы с числом хромосом более 42. Эволюция рода Triticum остановилась на гексаплоидной пшенице.
У некоторых культур полиплоидия используется для создания триплоидных гибридов. У таких гибридов одновременно сочетается эффект полиплоидии и гетерозиса. Наиболее ценные результаты этот метод дает при работе с сахарной свеклой. Он основан на получении тетраплоидных форм этой культуры и скрещивании их с обычными диплоидными сортами.
Для получения тетраплоидных форм семена сахарной свеклы перед посевом замачивают в 0,2 %-ном растворе колхицина или действуют этим раствором на точку роста растений в фазе семядольных листочков. Из почки молодых растений развиваются ткани, во многих клетках которых имеется удвоенное число хромосом (4х=36). Выросшие из таких семян тетраплоидные растения естественно переопыляются с диплоидными сортами, давая в большом количестве триплоидные гибриды (3х=27). Примерно 4/6 семян триплоидные, a 1/3 — тетраплоидные.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом