Автополиплоидия

Искусственное получение автополиплоидов, их использование в селекции.

Получение и использование  автополиплоидов.

Автополиплоидные формы плодовых культур обладают ценными признаками. Например, полиплоидные формы яблони и груши характеризуются регулярным плодоношением, крупноплоди-ем, высоким качеством плодов, их транспортабельностью, лежко-стью, устойчивостью к болезням. Это вызвало интерес к получению полиплоидов многих плодовых культур, что, в свою очередь, стало одним из важных направлений в селекции семечковых культур, малины, шелковицы и других плодовых растений.

Изучение существующего  сортимента яблони и груши позволило  выявить ряд триплоидных сортов. К их числу относятся известные сорта яблони: Брамлей Сидлинг, Боскопская красавица, Болдуин, Графенштейнская, Ананас Бержанецкого, Домнешти, Штеттинская красная, Ренет серый французский, Память Сема-кину (цв. ил. 14); новые ценные зарубежные сорта: Старк, Мутсу, Шарден, Джонаголд, Спиголд, Джерси Ред; сорта Витязь и Зимняя превосходная селекции С. И. Исаева; сорт Феникс селекции С. Ф. Черненко; сорт Новинка осени. Из сортов груши наиболее известны триплоидные сорта Кюре, Бере Аманли, Бере Диль, Анжуйская красавица, Орловская летняя.

Триплоидные сорта по многим признакам значительно превосходят диплоидные. Деревья этих сортов более долговечны и продуктивны. Плоды их более крупные, содержат больше витамина С, нередко более устойчивы к парше. Из-за высокой стерильности пыльцы триплоиды — плохие опылители, и в насаждениях с использованием триплоидных сортов необходимо размещение двух диплоидных сортов-взаимоопылителей, опыляющих и триплоид-ный сорт. Низкая завязываемость плодов у триплоидных сортов — положительный фактор, исключающий перегрузку деревьев плодами, постоянно обеспечивающий их высокое качество и регулярность плодоношения.

Естественные тетраплоиды яблони обладают существенными недостатками, главный из которых — низкая плодовитость. Однако с учетом перспективы использования этих форм в селекции была проделана работа по вьщелению естественных тетраплоидов у ряда сортов. В результате расхимеривания тканей известных сортов, относящихся к периклинальным цитохимерам, у которых разные слои тканей состоят из клеток с различной плоидностью, в частности диплоидно-тетраплоидных химер, были выделены тет-рашюидные клоны этих сортов.

В США такие тетраплоиды получены у сортов яблони Дели-шее, Гала, Голден Делишес, Старк, Мекинтош, Джонатан, Уэлси, Папировка. В. П. Семакин и Е. Н. Седов выделили тетраплоиды у сортов Антоновка обыкновенная (Антоновка плоская), Уэлси (Уэлси-М), Суворовец, Земляничная. В Италии (Бини, Беллини) получен тетраплоид у сорта Белла ди Тиогно.

У груши рекомендуют использовать в селекции тетраплоидные сорта  Вильяме Дабл, Импровед, Фертилити, Ларж Винтер Нелис, Прекос де Треву Тетра, а также сорт Бере Бедфорд, образующий много нередуцированных гамет. Однако и у яблони, и особенно у груши пока выделено мало тетраплоидных сортов, что сдерживает использование полиплоидии в селекции этих культур, в частности селекцию на триплоидном уровне.

Тетраплоидные формы, малоперспективные  для возделывания в садах, представляют большую ценность в качестве доноров  диплоидных гамет при получении  триплоидных сортов от скрещивания с диплоидными. Для этого могут быть использованы и три-плоидные сорта, образующие гаметы с различной плоидностью, в том числе и диплоидные. Интерес для селекции представляют и диплоидно-тетраплоидные химеры, у которых субэпидермальный слой клеток — тетраплоидный, что приводит к образованию диплоидных гамет. Диплоидно-тетраплоидные химеры, у которых /2 представлен диплоидными клетками, в селекции на полиплоид-ность непригодны, поскольку они образуют лишь гаплоидные гаметы, как было обнаружено у тетраплоидных сортов яблони Суворовец и Земляничная. Для получения полиплоидов используют сорта плодовых и ягодных растений, образующие много нередуцированных (диплоидных) гамет.

В потомстве таких диплоидных сортов яблони, как Голден Де-лишес, Ред Делишес, креб Коло, Кальвиль белый зимний и др., значительная часть сеянцев — триплоиды, что связано с участием в оплодотворении нередуцированных гамет этих сортов. Сорта, образующие большое количество нередуцированных гамет, выявлены и у других культур: у китайской сливы — Санта-Роза, китайско-американской сливы — Лакресцент, Тока; персика — Кремлевский, Адагумский, Слава Кубани, Сан Хейвен; черешни — Вилыельмина Кляйдинст, Никитская черная, Черноглазка, Дро-гана желтая; вишни — Гремячинская; абрикоса — Гросс Пелисье, Понсе, Кингстон. Диагностическим признаком для отбора нередуцированных гамет может служить размер пыльцы: диплоидная пыльца значительно крупнее гаплоидной. По мнению ряда исследователей, мейотические полиплоиды, полученные с участием нередуцированных гамет, имеют преимущества перед полиплоидами, возникшими как соматические мутации, прежде всего, по жизнеспособности и продуктивности.

Наиболее распространенный метод искусственного получения (индуцирования) тетраплоидов — воздействие на точки роста растений раствором алкалоида колхицина. При этом задерживается редукционное деление клеток в апикальной меристеме, что способствует образованию клеток, содержащих удвоенный набор хромосом. У плодовых и ягодных растений раствором колхицина обрабатывают прорастающие семена, точки роста молодых растений и молодых побегов взрослых растений. Однако в последнем случае возникновение полиплоидной ткани наиболее проблематично.

При обработке точек роста  колхицином образуется миксопло-идная меристема. При этом диплоидные клетки обычно размножаются быстрее, чем тетраплоидные, вытесняя последние. В результате в образующихся тканях побега восстанавливается диплоидный уровень клеток. Происходит деполиплоидизация ткани. Если верхушечная меристема полностью состоит из полиплоидных клеток, то образующийся побег будет полностью полиплоидным. В случае различной плоидности инициальных клеток образуется гетерошюидная ткань, различные слои клеток которой имеют неодинаковый уровень плоидности.

Кроме колхицина для индуцирования автополиплоидов используют и некоторые другие вещества с полиплоидизирующим действием — аценафтен, хлоралгидрат, бромурин. Помимо обработки точек роста колхицином газовой фазой (аценафтена) воздействуют на пьшьцевые зерна и яйцеклетки в период прохождения ими фаз редукционного деления. При обработке семян не следует допускать попадания колхицина на корни, поскольку он угнетает их развитие, что приводит к гибели сеянца.

Увеличение числа хромосом приводит к изменению морфологических  признаков растения, что позволяет  проводить визуальный отбор полиплоидов. Для полиплоидов большинства плодовых и ягодных растений характерны следующие признаки: плоские плоды; крупные плоды, цветки, пыльца, листовые пластинки; морщинистость и увеличение толщины последней; толстые побеги, замедленный рост растений; более крупные клетки эпидермиса и т. д. Ростовые процессы у индуцированных полиплоидов протекают медленно, что может приводить к более поздним срокам цветения, созревания, задержке окончания роста.

Индуцированные тетраплоиды отличаются от спонтанных резким снижением плодовитости и фертильности пыльцы. Поэтому для практических целей они непригодны, но их широко используют в селекционных программах.

С помощью колхицина индуцированы автотетрагоюиды у яблони, черешни, персика, абрикоса, сливы, алычи, миндаля. Из ягодных растений экспериментальная полиплоидия успешно осуществлена у земляники лесной (Fragaria vesca), смородины (Ribes dinuscha, R. nigrwn, R. odoratum, R. americanum, R. rubrum, R. oxycanteides), крыжовника (Grossularia reclinata), малины (Rubus ideaus).

Основное направление  в использовании спонтанных и  индуцированных тетраплоидов яблони и груши — получение триплоидных сортов путем гибридизации с диплоидными формами. При этом следует учитывать, что диплоидная гамета, несущая два набора хромосом (двойную дозу генов), полнее передает гибридам признаки исходной формы, чем гаплоидная гамета. Это позволяет до известной степени регулировать передачу комплекса желательных признаков от наиболее ценного компонента гибридизации, используя его тетраплоидную модификацию. Примером могут служить тригатоидные сорта Мутсу и Джонаголд, участие в происхождении которых нередуцированных гамет сорта Голден Дели-шее предопределило хорошую передачу этим сортам ценных качеств последнего, в том числе отличного вкуса, продуктивности, адаптивности и т. д.

В селекции триплоидных сортов могут быть использованы и триплоиды, но здесь возникают трудности с получением гибридных семян из-за низкой фертильности пыльцы и слабой семенной продуктивности триплоидов. Тем не менее триплоидные сорта яблони при использовании в качестве одного из родителей трипло-идного сорта все-таки удалось получить.

Триплоидные сеянцы можно выделять также в потомстве от свободного опыления тетра- и триплоидных сортов, а также диплоидных сортов, образующих много нередуцированных гамет.

Полиплоидия — важное направление  в селекции малины. У этой культуры известны триплоидные сорта, например старый русский сорт Усанка. В. В. Кичина получил тетраплоиды малины, по круп-ноплодности превышающие диплоидные сорта, в том числе и исходные формы. Аналогичные результаты получены и за рубежом.

Сбалансированные и несбалансированные полиплоиды (аллополиплоиды и анеуполиплоиды)

Полиплоидия (от греч. polýploos — многопутный, здесь — многократный и éidos — вид), кратное увеличение числа хромосом в клетках растений или животных. П. широко распространена в мире растений. Среди раздельнополых животных встречается редко, главным образом у аскарид и некоторых земноводных.

Соматические клетки растений и животных, как правило, содержат двойное (диплоидное) число хромосом (2 n); одна из каждой пары гомологичных хромосом происходит от материнского, а другая — от отцовского организмов. В отличие от соматических, половые клетки имеют уменьшенное исходное (гаплоидное) число хромосом (n). В гаплоидных клетках каждая хромосома единична, не имеет парной себе гомологичной. Гаплоидное число хромосом в клетках организмов одного вида называется основным, или базовым, а совокупность генов, заключённую в таком гаплоидном наборе, — геномом. Гаплоидное число хромосом в половых клетках возникает вследствие редукции (уменьшения) вдвое числа хромосом в мейозе, а диплоидное число восстанавливается при оплодотворении. (Довольно часто у растений в диплоидной клетке бывают т. н. В-хромосомы, добавочные к какой-либо из хромосом. Роль их мало изучена, хотя у кукурузы, например, всегда имеются такие хромосомы.) Число хромосом у различных видов растений весьма разнообразно. Так, один из видов папоротника (Ophioglosum reticulata) имеет в диплоидном наборе 1260 хромосом, а у самого филогенетически развитого семейства сложноцветных вид Haplopappus gracilis имеет всего 2 хромосомы в гаплоидном наборе.

При П. наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в  соматических клетках и от гаплоидного  — в половых. При П. могут возникать  клетки, в которых каждая хромосома  представлена трижды (3 n) — триплоидные, четырежды (4 n) — тетраплоидные, пять раз (5 n)— пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом — плоидности — в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом — полиплоидами.

Кратное увеличение числа  хромосом в клетках может возникать  под действием высокой или  низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, а также в  результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к нарушению  расхождения хромосом в митозе или  мейозе и образованию клеток с  кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Из химических агентов, вызывающих нарушение  правильного расхождения хромосом, наиболее эффективен алкалоид колхицин, препятствующий образованию нитей  веретена деления клетки. (Воздействуя  разбавленным раствором колхицина  на семена и почки, легко получают экспериментальные полиплоиды у растений.) П. может возникать и вследствие эндомитоза — удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая П.) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая П.) — половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (т. н. нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n) — при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n) — при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.

Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному  набору, называется геномными мутациями, а получаемые формы — эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию — кратное увеличение числа хромосом одного и того же вида, и аллополиплоидию — кратное увеличение числа хромосом у гибридов при скрещивании разных видов (межвидовая и межродовая гибридизация).

У полиплоидных форм растений нередко наблюдается гигантизм  — увеличение размеров клеток и  органов (листьев, цветков, плодов), а  также повышение содержания ряда химических веществ, изменение сроков цветения и плодоношения. Эти особенности  чаще наблюдаются у перекрёстноопыляющихся форм, чем у самоопылителей. Хозяйственно-полезные качества полиплоидов издавна привлекали внимание селекционеров, что привело к развёртыванию работ по искусственному получению полиплоидов, которые представляют важный источник изменчивости и могут быть использованы как исходный материал для селекции (например,. триплоидная сахарная свёкла, тетраплоидный клевер, редис и др.). Обычный недостаток автополиплоидов — низкая плодовитость. Однако после длительного отбора можно получить линии с достаточно высокой плодовитостью. Неплохие результаты даёт создание искусственных синтетических популяций, составленных из наиболее плодовитых линий автополиплоидов некоторых перекрёстноопыляющихся растений, например ржи.