Календарь статей
«    Сентябрь 2020    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930 
Архив статей
Сентябрь 2020 (1)
Август 2020 (2)
Июль 2020 (3)
Июнь 2020 (8)
Май 2020 (4)
Апрель 2020 (5)


Яндекс.Метрика

Цитогенетическое исследование видов пырея и гибридов

Цитогенетические исследования видов пырея и пшенично-пырейных гибридов дали возможность выявить ядерно-геномную структуру видов пырея, филогенетические связи видов пшеницы и пырея и на основании этих данных установить закономерности механизмов формообразовательных процессов пшенично-пырейных гибридов.
Определение числа хромосом показало, что виды A. glaucum (Desf.) Boem, et Schult. syn. A. intermedium (Host) P. B., A. trichophorum (Link) Bicht и A. junceum (L.) P. B. являются гексаплоидами, в их соматических клетках 2n= 42 хромосомы. A. elongatum имеет две формы: декаплоидную (2n=70, восточноевропейская) и диплоидную (2n=14, западноевропейская). В связи с тем, что наиболее ценные пшенично-пырейные гибриды получены при включении в гибридизацию пшеницы с видами пырея A. glaucum и A. elongatum, мы проводим основные цитогенетические исследования также на этом материале.
A. glaucum, включающий различные формы, во всех случаях имеет в соматических клетках 2n=42 хромосомы с изредка встречающимися анеуплоидами ±1—2 хромосомы. В мейозе, как правило, образуется 21 бивалент и в некоторых метафазах I наблюдается один-два квадрпвалента или тривалента. В основном мейоз протекает правильно, за небольшим исключением. Количество фертильной пыльцы в среднем составляет 93%. Озерненность колосьев при естественном свободном опылении колеблется от 1,8 до 2,2 зерна на один колосок.

У декаплоидного A. elongatum, характеризующегося меньшей полиморфичностью, чем A. glaucum, в соматических клетках 2n=70 хромосом, но число анеуплоидов с одной-двумя недостающими или дополнительными хромосомами несколько выше, чем у последнего. В метафазе I мейоза наряду с основной массой бивалентов наблюдаются в небольшом варьирующем числе триваленты, квадриваленты и даже пентаваленты и гексаваленты. Дальнейшее течение мейоза в основном имеет правильные черты. Количество фертильной пыльцы составляет в среднем 96%. Озерненность колоса у различных форм несколько различна и колеблется от 2, 8 до 3,4 зерен на один колосок, т. е. значительно выше, чем у A. glaucum.
Цитогенетические исследования первого поколения пшенично-пырейных гибридов, полученных от скрещивания мягкой пшеницы с пыреями A. glaucum и A. elongatum, показали, что число хромосом в соматических клетках, как и следовало ожидать, равно сумме гаплоидных чисел родительских форм: Т. aestivum (п=21)xА. glaucum (n=21)=2n=42, Т. aestivum (n=21)xA. elongatum (п=35)=2n=56. По морфологии и величине различить хромосомы пырея от хромосом пшеницы не представляется возможным. Разрабатываемая методика дифференциального окрашивания хромосом даст возможность идентифицировать хромосомы пшеницы и пырея.
Исследование микроспорогенеза у пшенично-пырейных гибридов первого поколения позволило установить сравнительно большое для отдаленных гибридов число конъюгирующих хромосом. Ho вместе с тем наблюдается широкое варьирование в отношении числа и формы конъюгирующих хромосом.
У гибридов первого поколения Т. aestivum x A. glaucum (2n=42) мейоз в материнских клетках микроспор (MKM) имеет много нарушений. В диакинезе и метафазе I наблюдается образование от 0 до 14 бивалентов, и соответственно этому остальные хромосомы являются унивалентными. Иногда встречаются 1—3 тривалента и тогда бивалентов меньше.
У гибридов первого поколения, полученных от скрещивания Т. aestivum x A. elongatum (2n=56), в мейозе MKM наблюдается большое число конъюгирующих хромосом, в том числе от 7 до 21 бивалента, около 30% клеток имеют триваленты и 7% клеток имеют квадриваленты. Многие биваленты (около 43%) закрытого типа, а триваленты и квадриваленты — чаще в виде цепочки и только в отдельных случаях кольцеобразные. Наблюдаемое широкое варьирование в числе хромосомных ассоциаций по всех группах скрещивания и даже между растениями в пределах гибридной комбинации объясняется главным образом гетерозиготностью пырейных форм. Кроме того, выявлено варьирование в образовании хромосомных ассоциаций даже в пределах одного и того же растения. Специальными исследованиями установлено, что это варьирование обусловлено влиянием условий среды, в первую очередь температурой и влажностью.
В наиболее ранних цитогенетических исследованиях многие авторы, наблюдая в первом поколении пшенично-пырейных гибридов большое число бивалентов, исходили из предположения аллосиндеза пшеничных и пырейных хромосом. В соответствии с условной системой геномных формул, предложенных Кихаром в 1024 г. для диплоидных, тетраплоидных и гексаплоидных видов пшеницы (А, AB, ABD), и на основании числа конъюгирующих хросмосом в F1 различных пшенично-пырейных гибридов было предположено, что геномная формула для A. elongatum должна быть AaBaDaX1X2, а для A. glaucum — AaDaX1.
Значок «а» указывает на некоторое предполагаемое отличие геномов Agropyron от Triticum. Ho в целом эти геномные формулы показывают, что у A. elongatum предполагалось три генома, гомеологичных геномам Triticum, а у A. glaucum — два таких генома. Геномы Х-специфические для пырея.
На основании этого были высказаны суждения о близком генетическом родстве пшеницы и пырея и даже необходимости объединения их в один род, а также о том, что A. elongatum генетически более близок к пшенице, чем A. glaucum.
Ho дальнейшие исследования пшенично-пырейных, пшеничноржаных межвидовых пырейных гибридов показали неправильность такой точки зрения и было установлено, что в первом поколении пшенично-пырейных гибридов ассоциация хромосом происходит не в результате аллосиндеза, как предполагалось, а в основном за счет автосиндеза главным образом пырейных и частично пшеничных хромосом. И только единичные пырейные хромосомы конъюгируют с пшеничными.
На основании многолетних и разносторонних исследований к настоящему времени для видов пырея установлены следующие геномные формулы: для A. glaucum B2E1E2, для A. elongatum — B2E1E2F1F2. Таким образом, гомеологичным геномом пшеницы и пырея можно считать до некоторой степени геном В. Ho и он не полностью гомологичен и это подчеркивается значком «2».
Исходя из таких геномных структур становятся ясными вариации в числе ассоциирующих хромосом и отклонения от нормы в микроспорогенезе, а также особенности формообразования, о которых будет сказано позднее.
В соответствии с нарушениями конъюгации хромосом дальнейшее течение мейоза у всех групп гибридов первого поколения характеризуется большими отклонениями от нормы. В метафазе отмечается широкое варьирование конъюгирующих хромосом, большинство остаются унивалентными, многие из них отброшены за пределы веретена. Часто встречаются клетки, у которых имеются два веретена вместо одного, а также клетки с трехполюсным веретеном. В анафазе I расхождение хромосом в значительной степени беспорядочное. После расхождения к полюсам веретена хромосом, составлявших биваленты, экваториальную часть занимают униваленты, которые отходят к полюсам в большинстве случаев в неодинаковом числе с предварительным разделением или без разделения на хромотиды.
Некоторые из унивалентов остаются на экваторе, другие отброшены в плазму, в дальнейшем онп образуют микроядра или лизируются. В телофазе I хромосомы долгое время остаются необъединенными; характерным является наличие того пли иного числа микроядер. В анафазе I и телофазе I нередко наблюдаются хроматиновые мосты.
Второе деление мейоза также протекает с большими отклонениями от нормы, особенно это сказывается на образовании микроядер, причем некоторые из них образованы многими хромосомами. В результате вместо тетрад нередко образуются пентады или гексады. Пыльца пустая, абортивная, но среди пустой пыльцы наблюдаются отдельные пыльцевые зерна, выполненные цитоплазмой. При просмотре пыльцы под микроскопом в ацетокармине такие пыльцевые зерна хорошо красятся и в них можно видеть вегетативное ядро и два спермия. Ho эти нормальные пыльцевые зерна остаются недеятельными, так как пыльники с малым количеством нормальной пыльцы кожистые и не растрескиваются. При вскрытии их пинцетом или препаровальной иглой и нанесении содержимого на рыльце цветков пшеницы завязываются семена, но в небольшом числе. Однако у отдельных гибридных растений иногда наблюдается растрескивание пыльников, в которых находится до 60% нормально выполненных цитоплазмой, хорошо окрашивающихся в ацетокармине пыльцевых зерен.
Склонность к образованию нормальной пыльцы и растрескиванию пыльников далеко не стабильна. Одно и тоже растение в разные годы вегетации даст различные показатели в этом отношении. И более того, в пределах одного и того же растения, но у различных по развитию побегов процент нормальной пыльцы в пыльниках и растрескивание пыльников бывают далеко неравнозначными; чаще растрескивание пыльников наблюдается у основных хорошо развитых побегов.
Совершенно очевидно, что образование в сравнительно большом количестве нормальной пыльцы и особенно растрескивание пыльников зависят не только от генетических особенностей гибридного растения, но и от метеорологических условий во время мейоза и цветения. Это легко наблюдать в отношении растрескивания пыльников. При большой влажности воздуха и почвы, когда клетки растения, в том числе пыльцевые зерна, находятся в хорошем тургорном состоянии, растрескивание пыльников осуществляется значительно легче. В этом случае растрескивание пыльников происходит даже при 40%-ном содержании в них нормально сформированных пыльцевых зерен. При пониженной влажности почвы и воздуха и высокой температуре эти пыльники остаются нелопнувшими.
Процесс макроспорогенеза в первом поколении пшенично-пырейных гибридов протекает совершенно аналогично описанному микроспорогенезу.
У этих гибридов жизнеспособными макроспорами являются единичные яйцеклетки. Об этом свидетельствует тот факт, что растения F1 почти полностью стерильны. На тысячу опыленных цветков завязывается одна — пять зерновок.
Для выяснения вопроса о том, какие гаметы и с каким числом хромосом являются жизнеспособными, были проведены анализирующие скрещивания. Цветки растений первого поколения опыляли пыльцой мягкой пшеницы, у которой имеется определенное число хромосом (2n=42). Полученные таким образом семена и затем растения F2(B1) имели в соматических клетках 2n=63±1—2 хромосомы. Это подтвердило наше предположение о том, что жизнеспособными яйцеклетками являются те, которые имеют реституционное ядро, т. е. ядро с нередуцированным числом хромосом, равным 42.
Процесс формирования из F1 пшенично-пырейных гибридов октоплоидных форм типа многолетней пшеницы очень существенно отличается от формирования гибридов типа мягкой пшеницы. Эти различия в методах и схемах начинаются уже после первого беккросса пшенично-пырейных гибридов с пшеницей.
Как было описано выше, первое поколение пшенично-пырейных гибридов имеет почти полное сходство с пыреем: растения многолетние, мощные, их колос узкий, очень рыхлый с ломким стержнем. Для преодоления стерильности и окультуривания их колоса необходимо F1 опылить искусственно пыльцой пшеницы, или фертильных пшенично-пырейных гибридов старших поколений, или предоставить F1 свободному опылению указанных растений. Число завязывающихся зерновок у F1 составляет доли процента с широким варьированием в зависимости от комбинации скрещивания, условий среды во время микро- и макроспорогенеза и цветения, а также от наличия в изобилии во время цветения соответствующей пыльцы у растений, окружающих первое поколение пшенично-пырейных гибридов. Растения второго поколения пшенично-пырейных гибридов, полученные после первого беккросса с пшеницей — F2(B1) — (Т. aestivum x A. glaucum) x T. aestivum, имеют в соматических клетках 2n=63 хромосомы.
Они являются сесквидиплоидами, обладая двумя хромосомными комплексами мягкой пшеницы и одним пырейным. В том случае, когда опылителем является один сорт пшеницы в пределах каждой гибридной комбинации, растения довольно выравнены. Некоторые мелкие различия могут быть в зависимости от степени гетерозиготности пырея.
Генетический механизм формирования F2(B1) можно представить в следующем виде. Яйцеклетки с реституционным ядром, содержащие соматический набор хромосом растений F1 с геномами ABDB2E1E2, при беккроссе с пшеницей, имеющей геномы ABD, дают начало образованию F2(B1) такой геномной структуры, как AA+ BB + DD +B2 +E1E2.
Эти гибриды F2 хорошо развиваются, имеют большое сходство с пыреем, но у них уже проявляются, хотя и слабо, признаки пшеницы. В процессе микро- и макроспорогенеза этих гибридов пшеничные хромосомы геномов ABD, полученные от первого поколения гибридов, образуют биваленты с гомологичными хромосомами, включенными при беккроссе с пшеницей. Кроме того, гомеологичные геномы пырея E1E2 также могут образовать дополнительно от 0 до 7 бивалентов; хромосомы пырейного генома B2, как правило, остаются унивалентными или одна-две из них могут присоединяться к бивалентам пшеницы BB и образовать триваленты.
В анафазе хромосомы, составлявшие биваленты, отходят к полюсам, а униваленты после них занимают экваториальную зону, где делятся на хроматиды или без разделения отходят к тому и другому полюсу.
Некоторые из унивалентов остаются невключенными в дочерние ядра, образуя микроядра или лизируясь.
Необходимо отметить, что у большинства растений F2(B4) мейоз имеет много нарушений в результате различных причин: общей перегрузки ядра и в таких условиях слабым проявлением гомеологичности геномов пырея E1E2. В тех случаях, когда многие хромосомы E1E2 остаются унивалентными в дополнение к унивалентам B1, они создают много нарушений, что ведет к образованию нежизнеспособных макро- и микроспор. В результате многие растения имеют очень слабую фертильность. У фертильных растений F2(B1) жизнеспособные гаметы имеют геномы ABDE, (или E2 или смешанный из хромосом E1E2 + B2 от 0 до 7). При самоопылении и перекрестном опылении, когда встречаются гаметы подобных геномных структур, возникают и формируются растения F3, имеющие примерно такую геномную формулу AA + BB + DD + E1E1 (или E2E2) + B2 (от 0 до 7). Хромосомы B2, которые в F2(B1) были унивалентными, постепенно элиминируются. Это простейший путь формирования растений типа многолетней пшеницы, которые имеют полный хромосомный комплекс пшеницы и дополнительно геном пырея, т. е. AABBDDEE. Часто процесс формирования 56-хромосомных пшенично-пырейных гибридов протекает более сложно. Особенно часты отклонения за счет недостаточно стабильной конъюгации хромосом геномов E1E2; иногда возникает недостаток или избыток этих хромосом. Ho в конце концов с каждой новой генерацией в результате лучшей жизнеспособности гамет типа ABDE1 увеличивается и количество растений со стабильным октоплоидным числом хромосом.
Мы рассмотрели случаи, когда растения F2(B1) самоопыляются или опыляются пыльцой октоплоидных пшенично-пырейных гибридов. Ho если растения F2(B1) снова опылить пыльцой мягкой пшеницы, т. е. провести второй беккросс, то весь формообразовательный процесс пойдет в сторону мягкой пшеницы.
Рассмотрим это на примере с геномными формулами. Растения F2(B1) дают гаметы, имеющие геномную структуру ABDEB2 (от 0 до 7). При оплодотворении их гаметой мягкой пшеницы с геномами ABD возникают растения F3(B2), которые имеют следующую геномную структуру: AA + BB + DD + E (от 0 до 7) и B2 (от 0 до 7). Хромосомы геномов E и B2, как не имеющие партнеров, будут элиминироваться уже при образовании гамет F3. И в следующем, четвертом поколении многие растения будут иметь геномную структуру AA + BB + DD, т. е. это будут растения типа мягкой пшеницы, у которых еще содержатся единичные хромосомы геномов B2 и E и поэтому сохранятся некоторые черты пырея. Ho в дальнейшем и эти пырейные хромосомы будут элиминироваться. Пырейный наследственный материал у пшенично-пырейных гибридов типа мягкой пшеницы может сохраняться в форме отдельных пырейных сегментов в пшеничных хромосомах, или, как теперь отмечают некоторые исследователи, отдельные пырейные хромосомы могут быть в пшенично-пырейных гибридах как дополнительные или заменяющие пшеничные хромосомы. Ho во всех этих случаях растения относятся к типу однолетних мягких пшениц, а пырейные признаки у них проявляются в слабой форме.
Рассмотренные механизмы формирования октоплоидных форм при гибридизации мягкой пшеницы с A. glaucum протекают аналогично и при скрещивании мягкой пшеницы с A. elongatum.
Основная разница заключается в том, что этот вид пырея имеет большее число хромосом, поэтому у пшенично-пырейных гибридов они сохраняются в большем числе поколений.