Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Популяционно-генетический анализ экспериментов по выделению высокорекомбинантных форм растений

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Популяционно-генетический анализ экспериментов по выделению высокорекомбинантных форм растений"

На правах рукописи НЕЧАЕВ ИГОРЬ МИХАЙЛОВИЧ

ПОПУЯЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКт АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ВЫДЕЛЕНИЮ ВЫСОКОРЕКОМБИНАНТНЫХ ФОРМ РАСТЕНИИ

03.00.15 - генетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена на кафедре генетики Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор A.B. Смиряев. Официальные оппоненты: академик МАН ВШ,

доктор биологических наук, профессор Ю.П. Гужов кандидат биологических наук Н. И. Бочарникова Ведущая организация:

Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН

Защита диссертации состоится '''.^арта2000 г. в час. на заседании диссертационного совета К 053.22.16 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан " J? " 2000 г.

л- // ¿ -О '1

Ученый секретарь диссер кандидат биологических

Гигани

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность темы диссертации. В настоящее время одной из ос-ювных проблем генетики является недостаточная изученность структурной и функциональной организации генетической системы рекомбина-ц;и. В частности известно СЖученко, 1980), что существуют генети-1еские системы контроля частоты рекомбинации (системы гес-генов). предлагаемая работа направлена на поиск методов использования этих :истем для повышения уровня мейотической рекомбинации в экспериментальных популяциях растений, что позволит расширить спектр доступ-юй отбору генотипической изменчивости и ускорить' селекционный прочее.

На основании имитационного моделирования на ЭВМ проведен срав-штельный анализ существующих методов и схем экспериментов для от-5ора форм растений с измененными значениями частоты рекомбинации в гарнированных сегментах хромосом. Генетико-статистическое моделиро-¡ание позволило разработать новую схему косвенного отбора высокоре-:омбинантньгх форм диплоидных растений. Эффективность новой схемы [роверена экспериментально на материале мутантной коллекции томата :афедры генетики МСХА.

Цель и задачи исследований. Целью работы является поиск наибо-гс?е эффективной схемы отбора форм растений, имеющих повышенные зна~ [ения частоты мейотической рекомбинации в определенном маркерном :егменте хромосомы (высокорекомбинантных форм). Для реализации цели >ыли поставлены следующие задачи:

1. Разработать эффективный метод косвенного отбора гес-генов, ювышающих частоту рекомбинации, и соответствующую новую циклически схему накопления высокорекомбинантных форм диплоидных растений НЦС).

2. Подобрать параметры для оценки эффективности работы различ-[ых схем отбора высокорекомбинантных генотипов.

3. Разработать алгоритмы и ЭВМ-программы моделирования геноти-[ической изменчивости частоты рекомбинации и отбора гес-систем.

А. С помощью генетико-статистических методов сопоставить эф->ективность известных и новой схемы отбора генотипов с повышенной [астотой рекомбинации.

5 Оценить влияние факторов, затрудняющих отбор высокорекомби-:антных форм растений при использовании ЩС.

6. Оценить эффективность ЩС в ситуациях моногенных и полиген-

- ? -и

ных гес-систем, при различной степени перекрестного опыления, при сцеплении гес-генов между собой и с маркерными генами при разных схемах наследования гес-локусов.

7. Разработать,рекомендации по проверке НЦС в эксперименте с мутантными формами томата.

Научная новизна работы. По результатам генетико-популяционного моделирования на ЭВМ предложена новая циклическая схема накопления высокорекомбинантных форм высших растений С НДС). Те зсе модели применены для сравнения эффективности новой и известных схем отбора генотипов с повышенной частотой рекомбинации. Для этого разработаны ЭВМ-программы, основанные на детерминистических генетико-популяци-онных моделях. Они пригодны для описания изменчивости структуры искусственной популяции, возникающей при частичном или полном самоопылении, отборе, анализирующих скрещиваниях и т.д. маркерных и гес-генотипов. Эффективность НЦС проверена с учетом моделирования факторов, влияющих на отбор из полиморфной популяции высокорекомбинантных форм. Разработанные рекомендации по использованию НЦС проверены в эксперименте с мутантными формами томата кафедры--генетики МСХА. Результаты эксперимента показали эффективность НЦС. Научно-практическое значение работы. Предлагаемая в работе схема накопления высокорекомбинантных форм представляет интерес как для генетики, так и для селекции. Она позволит целенаправленно и за более короткий срок получать формы с повышенной частотой рекомбинации, которые увеличат вероятность получения оптимальных сочетаний признаков в меньших по объему популяциях. Результаты данной работы применимы не только для самоопыляющихся культур. Показано, что при использовании схемы накопления в селекции перекрестноопыляющихся растений эффективно переопыление с частичным инбридингом, например, внутрисемейное скрещивание. Это открывает путь использования схемы для отбора гес+-генотипов также и в популяциях животных. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных студенческих конференциях МСХА 1992-1993 г.г., на совместных заседаниях кафедры генетики и лаборатории индуцированного ре-комбиногенеза МСХА 1993-1998 г.г., научных конференциях Тимирязевской сельскохозяйственной академии 1993, 1995, 1996, 1993 г.г. Сг.Москва), на I съезде Вавиловского Общества Генетиков и Селекционеров (Саратов, 20-25 декабря 1994г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 научных работ, пере-

- 3 -

чень которых представлен в конце автореферата.

Эсъем и структура работы. Диссертация изложена на 137 страницах ма-лннописного текста, включая рисунки. Она состоит из введения, аналитического обзора литературы, собственных исследований автора, выводов и рекомендаций, приложения. Библиография содержит 139 наименований отечественных источников и 130 зарубежных. Работа проиллюстрирована 20 рисунками и 4 таблицами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ

Для сравнения эффективности различных схем отбора диплоидных растений с повышенной частотой рекомбинации использованы детерминистические генетико-популяционные модели (Смиряев, 1978, Смиряев, Нечаев, 1594). Автор провел алгоритмизацию соответствующих моделей и разработал 8 ЗВМ-программ на языке TURBO PASCAL 5.0. Методику моделирования можно разделить на пять пунктов..

I. Промоделированы возможности разных способов прямой идентификации влияния гес-генов и схем наследования.

Из-за невозможности решать задачу в общем виде, вначале ввели ряд упрощающих предположений, часть из которых впоследствии была снята:

1. Рассматривалась система двух сцепленных маркерных локусов (аллель А доминантен по отношению к а, В - к Ь), имеющих независимое выражение в фенотипе растения, и одного несцепленного с ними гес-локуса CR доминантен кг), не влияющего на фенотип растения. Возможные нарушения в мейозе не влияют на статистические параметры расщепления по маркерным и гес-генам.

S. Предполагалась частичная самофертильность всех генотипов, отсутствие влияния естественного отбора на структуру искусственной популяции по маркерным и гес-генам, причем эти гены не сцеплены с генами самонесовместимости.

3. rf2, rf , rfo - частоты рекомбинаций между локусами А и В для растений, имеющих один из трех гео-генотипов CRR, Rr, rr), неизменны в поколениях, а также равны в иккро- и макроспорогенезе. Рассматриваются определенные схемы наследования гес-генов, например, полное доминирование гес~-аллеля: rf = rfj < rfo; аддитивное наследование: rf = 0,5 « С rf + rf ) и т.д. В большинстве случаев

1 ' 2 О

аллель г является гес - аллелем, увеличивающим rf.

В рамках ограничений 1-3 сравнивались две ситуации:

1. Нет влияния гес-системы на rf Crf = rf = rf ) ;

2 1 О

2. Ha rf влияют гес-гены с определенной схемой наследования.

Если реальные маркерные частоты в поколениях самоопыления близки к ситуации 1, то гес-система не влияет на rf, если - к ситуации 2, то влияет, причем схема наследования гес-генов предсказана правильно.

Для проверки подобного способа прямой идентификации влияния гес-системы и выделения форм с повышенным уровнем рекомбинации была использована ЭВМ-программа "Poly" С143 оператора). Моделирование показало низкую чувствительность этого способа идентификации.

II. Дальнейшее моделирование позволило найти более перспективный метод выделения форм с повышенной частотой рекомбинации - метод косвенного циклического отбора. Модель с названными выше ограничениями С 1-3) реализована в программе "Genetics" С148 операторов) и использована в рамках пункта II методики.

Основными критериями оценки изменчивости гес-системы в данной ЭВМ-программе служат: доля гес+-аллеля г в поколениях экспериментальной популяции (в случае полного доминирования гес~-аллеля) или среднепопуляционная частота рекомбинации FT Сдля других схем наследования). Чтобы можно было сравнивать варианты с разным диапазоном изменчивости по rf, был дополнительно введен параметр к: к = гТ / rf С1),

max

который показывает насколько близка среднепопуляционная частота рекомбинации гТ к максимальному значению rf , определяемому гес+-генотипом гг.

В результате моделирования предложена НЦС ССмиряев, Нечаев, 1994), представленная на рис. 1. Цикличность схемы проявляется в повторяемости этапов с постепенным повышением среднепопуляционного уровня рекомбинации в определенном маркерном сегменте хромосомы. Схема состоит из полуциклов, каждый из которых включает 3 этапа: самоопыление исходной популяции маркерных дигетерозигот, выделение из популяции потомков генотипов, образованных объединением двух ре-комбинантных гамет, и скрещивание этих генотипов с получением популяции маркерных дигетерозигот. Два полуцикла составляют полный цикл схемы.

III. Для проверки эффективности НЦС на частично или чисто пере-крестноопыляемых растениях была разработана ЭВМ-программа "Genetcross" (732 оператора), позволяющая, в частности, задавать различную степень перекрестного опыления в популяции и разные схемы на-

Цис-д1гетерозигста

а о

Транс-дигетерсзигота

А Ь

а В

Л"

\

Самоопыление ил; ряд самоопылэн;й

КК Ег [г?1-г = г < г

накопление аляеля г в кроссовергах генотипах А&Ь и ааВЗ

(выделэше генотипов ?<ААЬЬ и ааЕВ из ферм ! А-ЬЬ и аа5-

Скрецивание ААЬЬ х аа®

Самоопыление или ряд самоопылений:

КК Кг |гг1—I

г = г < г

2 I О

Скрещиваню ААВВ * ааЬЬ

>1

накопление аллеяя г в крэссоверных геготипах ААВВ и ааЬЬ

выделшие генотипов ААШ из формы > 2 А-В-

Рис. 1. Новая циклическая схема накопления в двойных кроссоверных маркерных генотипах аллеля г, повышающего гГ. 1,2,3 - этапы составляют один полуцикл схемы. Два полуцикла - один полный цикл

следования генов гес-системы.

IV. Возможны различные ситуации воздействия естественного отбора на рекомбинантные маркерные гаметы и зиготы, что меняет оценю гГ в полуциклах схемы рис. 1. Для моделирования влияния такого отбора без гес-системы были разработаны ЭВМ-программы "Select Self_G' С873 оператора), "SelectSelf_Z" С688 операторов) - для самоопылителей, "SelectCross_G" С914 операторов), "SelectCross_2" (741 оператор) - для перекрестников. Были формализованы различные вариант! естественного гаметного и зиготного отбора, выявленные при изучен!» литературных данных. Они включали предположения об одном несцеплен-ном с А и В локусе W, влияющем на отбор маркерных гамет или генотипов, возникающих при самоопылении дигетерсзигот.

Для каждого варианта проанализированы последствия дополнительных предположений относительно отбора "обратных" рекомбинантов с учетом локуса W. Например, при исходной цис-дигетерозиготе оставляют после первого полуцикла схемы рис. 1 только транс-дкгетероаиго-ты. Возникающие далее в процессе микрогаметогенеза (на первом этап« второго полуцикла) гаметы AB и ab являются рекомбинантными по отношению к этим транс-дигетерозиготам, но нерекомбинантными по отношению к исходным цис-дигетерозиготам. Если рекомбинация влечет изменение приспособленности гамет, то среди прочих возможны два "крайних" предположения:

- полное восстановление жизнеспособности этих гамет AB и ab.

- понижение жизнеспособности рекомбинантных гамет по отношент к исходной форме каждого полуцикла реализации схемы рис. 1 (с учетом локуса Ю.

Основным параметром при оценке влияния как гаметного, так \ зиготного отбора, была принята частота рекомбинации, оцененная пс величине I, используемой в методе произведений (Immer, 1930), Этг величина равна отношению произведений долей двух рекомбинантных i двух нерекомбинанткых классов, полученных при переопылении цис- кт транс-дигетерозиготы. Переход от I к rfx производится по таблиц? Иммера (Орлова, 1991). В отсутствие дифференцированной жизнеспособности гамет или зигот показатель I соответствует частоте крос-синговера, которая при моделировании считалась постоянной (0,2). Из-за влияния отбора гамет или зигот величина I на разных этапа} реализации схемы может соответствовать как большей, так и меньшей, чем 0,2, частоте rfr Это проявилось при имитационном моделнрсвани!

Популяция I (исходная)

Aw

-ый юлуцикл:

bip D

Aw ■

2-ой толуцикл:

Bip-ci ■

■ aw

Bip

■ d

aw ©■

bip

h D

Aw

S

Bip d -

- Aw

Bip d

aw

bip-D •

aw

■ bip - D

Aw -

Bip d -

- aw

bip I- D

Популяция II

Aw ■

S

bip-

D h D

Aw aw

- bip Bip-

aw Aw

F

—!->

Bip d

bip D

Bip !■ d

Рис.2. Реализация двух полуциклов схемы накопления (рис. 1) на основе трех маркеров хромосомы II томата (L. esculentum): aw-59 -without anthocyanm - отсутствие антоциановой окраски гипокотиля; bip-68 - bipinnata - сильная рассеченнссть листьев; d-70 - dwarf -карликовость.

в предположении восстановления жизнеспособности гамет.

Кроме rfj анализировали изменение частоты аллеля w, который по введенным предположениям связан с отсутствием дифференцированного отбора мужских рекомбинантных и нерекомбинантных гамет.

V. Промоделировано влияние на эффективность схемы рис. 1 увеличения количества гес-генов, определяющих уровень рекомбинации, различной степени их сцепления между собой и с маркерными локусами.

С этой целью разработана ЭВМ-программа "PolyRec" (479 операторов) , где использован метод числового идентификатора аллельного состава гамет и их частот, разработанный автором. Основными параметрами для анализа в программе "PolyRec" являются:

- гТ - среднепопуляционная (точнее: средневзвешенная) частота рекомбинации между маркерными локусами А и В;

- D - обычный показатель неравновесия по сцеплению между гес-геном (ген R) и ближайшим маркерным геном (ген В);

- q (г), q.,(r) - доля гес+-аллеля г в каждом из двух рекомби-нантных генотипов, исходных для получения дигетерозигот на третьем этапе каждого полуцикла схемы рис. 1.

На основании результатов, моделирования были также разработаны рекомендации для проведения реального эксперимента с маркерными

F

формами томата из коллекции кафедры генетики МСХА (рис. 2), пред назначенного для проверки эффективности схемы рис. 1. Здесь исполь зован предложенный автором прием подбора маркерных форм с двум тесно сцепленными локусами Сна рис. 2: Bip, d; bip, D), позволявши, сократить продолжительность каждого полуцикла на одно поколение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Сопоставление эффективности схем отбора Возможности прямой индикации влияния гес-системы были иссле дованы в рамках изложенной методики (пункт I).

Одна из простых схем экспериментов для выявления полиморфизм; по гес-генам - самоопыление или анализирующее скрещивание достаточного объема по схеме С ААВВ * aabb) * aabb или (ААоЬ * ааВВ) * aabb. Выбираются те растения-дигетерозиготы по маркерным генам, у которы: оценки rf имеют максимальные значения. Простейшие формулы теорш вероятностей позволили оценить минимальный объем подобных экспериментов, достаточный для выявления растений с разными значениями rf. Оценка показывает, что речь может идти о многих десятках потомков.

Автором был проанализирован другой способ проверки гипотез с влиянии и схеме наследования гес-генов: сопоставление реальной динамики распределения частот маркерных фенотипов с изменениями теоретически ожидаемых маркерных частот в ситуациях 1 (нет влияни? гес-системы) и 2 (есть влияние гес-системы) (пункт I, материалы v методики). С помощью моделирования (программа "Poly") сравнивалась динамика ожидаемых маркерных частот в ситуациях 1 и 2. Применение этого способа имело бы смысл при существенных различиях результатов моделирования в двух указанных ситуациях. Однако в лучшем случае различия частот индикаторных фенотипов ситуаций 1 и 2 редко превышали 3'/.. В реальном эксперименте, чтобы достоверно (95^ вероятности) уловить различия даже в 3°/. (максимальные для этого метода), понадобилось бы вырастить не менее 180 растений потомства самоопыления дигетерозиготы. Таким образом, и этот метод идентификации высо-корекомбинантных форм растений нельзя рекомендовать для применения.

В процессе моделирования был проанализирован другой путь решения задачи - косвенный отбор генотипов с повышенными значениями частот рекомбинации. Косвенный отбор гес-генотипов, определяющих повышенные значения частоты рекомбинации между маркерными генами, состоит в использовании самих маркерных генов для постепенного накопления в популяции высокорекомбинантных форм. Идея косвенного от-

Зора гес+- аллелей впервые предложена П.Парсонсом СРагзопз, 1958).

Генетико-математическая оценка эффективности схемы Парсонса и ее экспериментальная проверка на В. те1апо-даз1ег были проведены японскими учеными (Ке1, 1г.а12ия1, 1967). Установлено, что схема имеет преимущество над прямым отбором только при малых среднепопуля-ционных значениях гГ (0,03-0,05) и значительном превышении г!-над гГ = гГ Св 3 - 4

г 1

раза). Сравнение схемы Парсонса и новой схемы рис. 1 приведено на рис. 3.

Как видно по графикам рис. 3, эффективность НЦС значительно !ы;ге чем схемы Парсонса при разных значениях г Г

2^ Зависимость интенсивности накопления от типа наследования пр_и однолокусной г ее-системе Автором промоделированы ситуации полного доминирования гес~-¡ллеля Р С пункт I, материалы и методики), аддитивная схема наследован;:.- и сверхдоминирование в однолокусной гес-системе, а также не-:оторь>е случаи полигонного наследования. При полном доминировании ■ее -аллеля для большинства промоделированных соотношений частот Е в исходной популяции наблюдается значительное увеличение : С формула 1) уже после первого самоопыления дигетерозиготы, как в •енотипах, образованных объединением двух рекомбинантных гамет, так [ после их скрещивания, т.е. для исходных дигетерозигот следующего галуцикла. Рассмотрим, например, 3 варианта Стабл. 1):

а) Исходная популяция представлена только гетерозиготами по ес-локусу (^(¡Ж) = Г0Сгг) = 0, Г (1?г) = 1). Частоты рекомбинации, >пределяемые генотипам! Йг и гг, соответственно равны: гГ =

Я Сг) 0,8 0,6 0,4 0,2

0

1

К

эис. 3. ¡Ьрастание яСг) - доли аллеля г то К - полуциклам двух схем накопления, и! и 16 для схем Парсонса и рис. 1 пр!

0,1, гГо = 0,2; 2а и 26 - то же

три гГ = гГ = 0,02, гГ = 0,08.

= гГ = 0,2, гГ = 0,4;

1 о

б) Г С1?Ю = Г С Кг) = Г Сгг) = 0,33, частоты рекомбинации т<

2 10 г

же;

в) Г С1Ж) = 0,65, ^СРг) = 0,30, ГоСгг) = 0,05, частоты реком бинации те же;

Как видно из таблицы, для разных соотношений £ , ^ , пр: полном доминировании гес~- аллеля достаточно 2-4 полуциклов схем: рис. 1, чтобы частота рекомбинации между маркерной парой А и В су щественно приблизилась к максимальной.

Таблица 1.

Эффективность новой циклической схемы накопления (рис. 1) при полном доминировании гес"-аллеля г

: Вари: анты Показатель эффективности к полуцикла 1 после 1 -того

к 0 : к 1 : к 2 к 3 : к 4

: а) 0,50 : 0,63 : 0,76 0,89 0,97

: б) 0,67 : 0,78 : 0,91 0,97 : 0,99

: в) 0,53 : 0,55 : 0,60 0,72 : 0,87

Скорость возрастания в полуциклах гТ зависит от исходных час тот гес-генотипов. Так, накопление гес+-аллеля г в случае Г (БЕ) = 0,33, ^СБЮ = 0,34 и Г = 0,33 при различных значениях г^ = гГ и гГ С полное доминирование гес -аллеля) выше, чем в ситуаци Г СяЬ = 0°65, Г С1Ж> = 0,30 и Г СИ?) = 0,05 Стабл. 1).

2 I I

При аддитивной схеме наследования гес-генов Сг>= 0,5 х (г + г()) эффективность схемы рис. 1 так же высока Стабл. 2). Анали таблицы показывает, что достаточно реализовать 2-3 полуцикла схем рис. 1, чтобы показатель к составил 80-90%.

Были промоделированы варианты минус- СгГ > г^ < г^ ) плюс-сверхдоминирования гес-генов (г^ < гГ > гГ ). При минус сверхдоминировании схема рис. 1 эффективна, как и в первых дву случаях. При плюс-сверхдоминировании, когда максимальная частот кроссиновера определяется гетерозиготой Иг по гес-локусу, пр каждом самоопылении эта гетерозигота будет расщепляться и г никогда не достигнет гГпах. Скорость наступления равновесия эависи от исходных частот гес-генотипов Г , Г , Г и от гГ , гГ и гГ . Е

2 10 2 1 О

всех вариантах достаточно 1-2 полуциклов, чтобы среднепопуляционна частота рекомбинации достигла устойчивого максимального для даппо;

- и -

Таблица 2.

Эффективность циклической схемы накопления при аддитивной схеме наследования гес-локуса

м вари-ан-та Исходные частоты гес-генотипоз Исходные частоты рекомбинации Показатель эффективности ;

f г f 1 f О rf 2 rf i rf О к 0 к 1 к г к 3 к : 4

I 0 1 0 0,20 0,30 0,40 0,75 0,75 0,83 0,89 о.эз;

0,33 0,34 0,33 0,75 0,85 0,91 0,95 0,97 !

0,65 0,30 0,05 0,60 0,68 0,76 0,84 0,90 ;

II 0 1 0 0,10 0,15 0,20 0,75 0,75 0,83 0,89 0,93 :

0,33 0,34 0,33 0,75 0,85 0,91 0,95 0,97 !

0,65 0,30 0,05 0,60 0,68 0,76 0,84 0,90 !

III 0 1 0 0,10 0,25 0,40 0,63 0,63 0,82 0,92 0,97 !

0,33 0,34 0,33 0,63 0,87 0,94 0,98 0,99 :

0,65 0,30 Q; 05 0,40 0,64 0,83 0,93 0,97 :

:абора частот rfa, rf и rf значения. Т.о., схему рис. 1 можно ре-;омендовать как быстрый способ увеличения средневзвешенной частоты рекомбинации и при плюс-сверхдоминировании в гес-системе.

Результаты моделирования для разных схем наследования гес-ге-:ов позволяют сделать вывод, что, в целом, НЦС достаточно эффектив-а в диапазоне генетических расстояний между маркерами 10-35 сМ. В ;ольшинстве случаев достаточно 2-4 полуциклов схемы для значитель-ого увеличения гТ. Чем больше разность между rf и rfmax, тем ыше эффект накопления.

Частичное и полное перекрестное опыление (пункт III методики) При полном доминировании гес -аллеля R моделирование показало, то увеличение к максимально при самоопылении на этапе 1 каждого олуцикла схемы рис. 1: в 1,5 - 4 раза по сравнению с ко для разных ариантов. По мере увеличения х - доли перекрестного опыления в опуляции на первом этапе каждого полуцикла выигрыш по к снижается сегда. При х = 1 он меньше в 1,1 - 2,5 раза по сравнении с

выигрышем при самоопылении (х = 0). Выигрыш по к при х = 1 минимален, если исходные дигетерозиготы - равновесная популяция по гес-локусу.

При аддитивной схеме наследования наблюдается ослабление эффекта повышения гГ на 10 - 50% по сравнению с повышением FF при полном доминировании гес -аллеля R. Увеличение степени переопыления при аддитивном наследовании гес-локуса снижает к в меньшей степени, чем при полном доминировании. Кроме того, при исходных цис-дигете-розиготах показатель к в выделенных на втором этапе рекомбинантных гомозиготах СААВВ и aabb) не отличается от к после их скрещивания во всех поколениях переопыления. Лля исходных транс-дигетерозигот -только после первого переопыления. Особенностью схемы минус-сверхдоминирования при изучении влияния степени перекрестного опыления является сочетание увеличения к в выделяемых после переопыления при х < 1 двойных рекомбинантных гомозиготах с резким снижением к в ди-гетерозиготах после их скрещивания.

При полном доминировании гес+-аллеля выигрыш по к в 1,1 - 1,Е раза меньше, чем в ситуации доминирования гес~-аллеля, но снижение к меньше при переходе от х = 0 к х = 1. Особенностью доминирования гес+- аллеля является превышение выигрыша у дигетерозигот (1 этап полуцикла) над выигрышем у их компонентов - генотипов, образованных объединением двух рекомбинантных гамет С2 этап предыдущего полуцикла) , особенно при неравновесии исходной популяции по гес-локусу. 4. Учет влияния естественного отбора на гаметном и зиготном уровне

Как уже говорилось в методике Спункт IV), анализировали двг предположения: полное восстановление приспособленности рекомбинантных гамет С далее - ВП) и пониженная приспособленность этих гамет (ПП) после "обратной" рекомбинации в полуциклах.

Можно утверждать, что для всех вариантов общая картина динамики частоты рекомбинации, оцениваемой методом произведений, сходным образом зависит от предположения об "обратной" рекомбинашп Срис. 4). Для предположения "ВП" в полуциклах возникает затухающие колебания наблюдаемых гГ, а для "ПП" - постепенное увеличение гГ дс истинной постоянной частоты кроссинговера (0,2). Причина в постепенном накоплении доли аллеля w, аналогичного (по динамике гТ) накоплению аллеля г в рамках предположений 1-3 пункта I методики. Кроме ситуаций ВП и ПП существуют варианты с частичным восстановлением приспособленности рекомбинантных гамет. Им соответствуют "про-

[ежуточные" картины изменений параметра гГ, которые в реальном экс-Г _ перименте могут возникнуть также

>,3

U

из-за ограниченного объема выборок и модификафионной изменчивости гГ на всех этапах.

Для ситуации зиготного отбора в результате моделирования установлено, что по динамике гГ не всегда удается определить, действует ли отбор против рекомби-нанткых генотипов. В реальных по объему экспериментах такая иден-

С 1 2 3 4 К

'ис. 4. Зависимость наблюдаемой частоты рекомбинации в К голуциклах :хемы рис. 1 от ситуаций гаметного тифнкация в некоторых случаях .тбсра: а) ВП, б) ПП невозможна.

5._ Моделирование отбора по циклической схеме накопления пр_и полигенной гес-системе самоопылителей Моделирование проводилось с использованием программ "Poly" и 'PolyRec". Установлено, что с увеличением количества гес-генов эф-юктивность схемы немного снижается, но при этом могут выщепляться •рансгрессивньге по гес-генам высокорексмбинантные формы. При тесном :цеплении гес-генов между собой они ведут себя как суперген и в 1тсм случае эффективность ЩС не отличается от ситуации моногенной ее-системы (Смиряев и др. , 1995).

Моделирование влияния различной степени сцепления маркерной пары генов с гее-системой (пункт VI методики) Результаты моделирования показали, что даже тесное сцепление ее- и маркерных генов незначительно снижает эффективность схемы >ис. 1 (Смиряев, Нечаев, 1999). Например, в ситуации полного доми-[ирования гес~-аллелей лишь после первого полуцикла НЦС повышение Т - средневзвешенной частоты рекомбинации меньше на Z-5'i по срав-[ению с ситуацией отсутствия сцепления между локусами В и R. Начи-гая со второго полуцикла значение FT в этих двух ситуациях практи-гески не отличается. Причина з том, что средняя частота гес+-аллеля [qt (r)+q2(r)]/2) в двух рекомбинантных гомозиготах, используемых ;ля скрещивания на третьем этапе каждого полуцикла схемы рис. 1, >авна q(r) - доле этого аллеля в ситуации отсутствия сцепления. В результате такого случайного (по гес-генам) скрещивания образуется ■опуляция дигетерозигот, исходная для следующего полуцикла. Частота

гес -генотипа гг в ней равна д (г)

Ч СгЗ,

что в большинстве сл> в ситуации отсутств!'

чаев близко к СчСг)1Е- доле этого генотипа сцепления гес-гена с маркерными генами.

Для анализа влияния сцепления маркерных и гес-генов на эфф^ь тивность схемы рис. 1 был использован показатель неравновесия г сцеплению 0 между генами В и В. По мере приближения этого показате ля к нулю в полуциклах НЦС влияние сцепления уменьшается и частот рекомбинации приближается к гГ, соответствующей ситуации отсутств!1 сцепления. Иногда в полуциклах модуль Б возрастает, т.е. неравновс сие усиливается. В этих случаях гТ все больше отличается от гГ пр отсутствии сцепления.

Б , 0,250,20 0,15 0,10 0,05

гГ 0,40

0,35

0,30-И

Ь

У

У

5"_____

/

Ц.

И

т

ц

ц т

полуциклы Рис. 5. Динамика показателей Б и гТ в полуциклах ЦСН при сверхдоминировании СгГ£ = гГ = 0,2; г? = 0,4;

{ ={ = 0,25, ? = О, Г ' = 0,5):

О 2 II 12

а) К СВЮ = 0,5; б) гГ С®) = 0,1; в) гГ СВК) = 0;

Подобные особые ситуаци выявлены, в частности, пр полном доминировании гес-аллеля, - если дополнительно исходной популяции дигетеро зигот ^Сгг) = ^(ИЮ = О Г СЙг/ВЬ) = О, Г (Иг/ЬВ)

II 12

= 1 С одна исходная гомози готная маркерная форма несе только И, а другая - тольк г). В этом случае по мер "приближения" гес-локуса маркерному, особенно пр г Г СВР.) < 0,05, 0 увеличива ется до 0,25, а эффектив ность схемы снижается. Н только при полном сцеплении когда один из маркерных ло кусов является, по существу единственным гес-локусом

схема рис.1 неэффективна. Если же гес-локус находится посереди! между двумя сцепленными маркерными локусами, то Б в популяции рав! нулю и НЦС столь же эффективна, как при отсутствии сцепления иезц маркерным и гес-локусом.

, Особым случаем является также ситуация плюс-сверхдоминироващ (г^ > гГг, гГо). В отличие от ситуации отсутствия сцепления меж]

X

и Р., где гТ может немного измениться лишь в первом полуцикле, при fCBR) < 0,5 проявляется феномен постепенного изменения показателей и гГ в полуциклах до величин, зависящих от rfCBR). На рис. 5 вид-о, что при полном сцеплении (rfCBR)=0) величины D и гТ, постепен-о возрастая, приближаются к максимуму (D к 0,25, a FT к rf

Т.о., в большинстве случаев схема рис. 1 достаточно эффективна ри сцеплении маркерных и гес-генов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА НЦС

Проверочный эксперимент НЦС в теплице был проведен И. В. Рого-иной. Анализ результатов эксперимента показал, что после реализа-ии двух полуциклов схемы рис. 1 среднепопуляционная частота реком-инации между генами Aw и Bip (рис. 2) повысилась по сравнению с сходной на 40%. Данные достоверны на Эо^.-ном уровне значимости Смиряев и др.,1999).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при выпол-ении предложений и рекомендаций, приведенных в данной работе, НДС эжет быть эффективной для накопления высокорекомбинантных форм ди-лоидньгх растения.

ВЫВОДЫ

1. Предварительное генетико-математическое моделирование поз-эляет отбросить схемы с недостаточной надежностью, наметить до роведения эксперимента пути выделения высокорекомбинантных форм, а акже, в отдельных случаях, указать способы идентификации механиз-эв регуляции частоты рекомбинации.

2. Предложенная новая циклическая схема накопления высокоре-эмбинантных форм эффективна в ситуациях достаточно тесного сцепле-м маркерных локусов СЮ - 35сМ), если повышенная частота рекомби-шии связана с какими-либо гомозиготными гес-генотипами. При более эсном сцеплении применимы методы прямой идентификации высокореком-лнантных генотипов либо схема Парсонса (Parsons, 1958).

3. При использовании предложенной новой схемы накопления для ?рекрестноопыляемых растений желательно применять схемы переопыле-1я с частичным инбридингом (например, внутрисемейное скрещивание), го существенно ускоряет отбор высокорекомбинантных форм.

4. Существуют ситуации, при которых с помощью предложенной шшческой схемы невозможно установить, какова причина увеличения ютоты рекомбинации при реализации схемы: отбор форм с повышенной ютотой кроссинговера или другая, например, отбор форм с понижен-

ной степенью жизнеспособности рекомбинантных маркерных гамет (зигот) .

5. При тесном сцеплении нескольких гес-локусов между coöoi (1-10сМ) многолокусная гес-система ведет себя как моноген : динамика накопления в популяции высокорекомбинантных генотипов ш отличается от однолокусной схемы. При 30-40сМ рекомбинация межд; гес-генами приводит к образованию новых "выгодных" их сочетаний, i в процессе реализации циклической схемы накопления частота рекомбинации между маркерными локусами повышается быстрее.

6. В большинстве случаев эффективность предложенной новой схе мы накопления мало зависит от степени сцепления между гес-генами Влияние сцепления между маркерным и гес-генами на эффективность НЦ< уменьшается по мере снижения неравновесия по сцеплению между этим: генами.

7. Имитационное моделирование позволяет существенно повысит: степень конкретности рекомендаций по продолжительности, объемам схемам реальных экспериментов с гес-системами, если есть дополни тельная информация об экспериментальном материале (степень сцепле ния маркерных локусов и гомозиготности исходных форм, различия п rf у высоко- и низкорекомбинантных форм, оценки влияния ыодифккаци онной, стохастической изменчивости и т.д.).

ПУБЛИКАЦИИ

1. Нечаев И. М. Моделирование экспериментов по изучение генетическо изменчивости частоты рекомбинации у растений // Генетика.- 1994. Т. 30, приложение. - С. 109.

2. Смиряев A.B., Нечаев И.М. Математическое моделирование экспери ментов по изучению генетической изменчивости рекомбинации // Извес тия ТСХА.- 1994,- вып.1,- С. 34-43.

3. Смиряев A.B., Нечаев И. М., Рогожина И. В. Математическое модели рование искажений частоты кроссинговера в многоэтапных экспери ментах // Известия ТСХА,- 1995,- вып.2.- С.54-70.

4. Смиряев A.B., Нечаев И. М. Влияние сцепления маркерных и гес-ло кусов на эффективность схемы накопления высокорекомбинантных фор растений // Доклады ТСХА,- 1999.- вып. 270,- С. 141-147.

5. Смиряев A.B., Рогожина И.В., Нечаев И.М. Проверка эффективност схемы накопления высокорекомбинантных форм растений // Извести ТСХА. - 1999. - вып. 2. - С. 76-82.

- 17 -

Нечаев Игорь Михайлович СРоссия)

"Популяционно-генетический анализ экспериментов по выделению высокорекомбинантных форм растении".

Проведено генетико-математическое моделирование влияния генов-модификаторов частоты рекомбинации Сгес-генов) на динамику генотипической и фенотипической структуры искусственных популяций, возникавших при различных схемах экспериментов по изучение гес-систем. Выявлены недостатки методов прямого отбора высокорекомбинантных форм растений и схемы косвенного отбора Парсонса (1958).

Предложена новая циклическая схема косвенного отбора. Эта схема проанализирована с учетом влияния различных факторов, снижающих ее эффективность. Получено экспериментальное подтверждение эффективности новой схемы на мутантньгх формах томата.

Igor )(. Nechaev CRussia)

"Population-genetical analysis of the experiments on accumulation high-recombinatiYe plants forms".

Genetic-mathematical modelling of the effect of genes-modifiers of recombination frequency (rec-genes) on dynamics of ge-notypic and phenotypic structure of artifical populations appearing with different schemes of the experiments on studying rec-systems has been carried out. The shortcomings of the high-re-combinative plants forms direct selection methods and indirect selection Parsons scheme (1958) are unmasked.

The new indirect selection cyclical scheme is suggested. This scheme analysed with due regard for influence different factors, which reduce effectiveness of this scheme. The new scheme effectiveness is confirmed in experiment on mutant forms of tomato.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Нечаев, Игорь Михайлович

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ СИСТЕМЫ РЕКОМБИНАЦИИ РАСТЕНИИ С аналитический обзор литературы):

1.1. Эволюционное и селекционное значение мейотической рекомбинации 10

1.2. Механизмы и основные закономерности изменчивости системы рекомбинации эукариот 11

1.3. Возможности управления изменчивостью системы рекомбинации 24

1.4. Основные факторы, влияющие на частоту и спектр рекомбинации 32

1.5. Генетико-статистическое моделирование и экспериментальные схемы отбора высокорекомбинантных форм 34

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ 39

3. СОПОСТАВЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ВЫДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОРЕКОМБИНАНТНЫХ ФОРМ 53

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСВЕННОГО ОТБОРА ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ Е!ЕС-ПОВЫШАЮЩЕГО АЛЛЕЛЯ В КРОССОВЕРНЫХ МАРКЕРНЫХ ГЕНОТИПАХ

4.1. Новая схема косвенного отбора 60

4.2. Сопоставление эффективности схем отбора 63

5. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ СХЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ФОРМ С ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТОЙ РЕКОМБИНАЦИИ

5.1. Зависимость интенсивности накопления от типа наследования однолокусной гее-системы 69

- 3

5.2. Частичное и полное перекрестное опыление 79

5.3. Учет влияния естественного отбора на гаметном и зиготном уровне 88

5. 4. Моделирование отбора по циклической схеме накопления при полигенной гее-системе у самоопылителей 95 - 100 5.5. Моделирования влияния различной степени сцепления маркерной пары генов с гес-системой 100

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СХЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ 105

Введение Диссертация по биологии, на тему "Популяционно-генетический анализ экспериментов по выделению высокорекомбинантных форм растений"

В настоящее время одной из основных проблем генетики является недостаточная изученность структурной и функциональной организации генетической системы рекомбинации. Из экспериментов, проведенных разными исследователями, абсолютно ясно, что такой сложный процесс, как перестройка генетического материала в мейозе эукариот зависит от эндогенных и экзогенных факторов. Так, гены-модификаторы частоты рекомбинации Сболее современное название гес-гены) известны еще с начала века CGowen, 1919, 1922, Detlefsen, Roberts, 1921, Серебров-ский, 1926). Попытки дать исчерпывающее описание сложных путей и процессов функционирования рекомбинационной системы пока не увенчались успехом.

Предлагаемая работа направлена на поиск методов использования уже полученной информации о генетической детерминации изменчивости этих процессов для повышения уровня мейотической рекомбинации в экспериментальной популяции растений. Достижение этой цели позволит увеличить спектр доступной отбору генотипической изменчивости в полиморфной популяции и ускорить селекционный процесс. Как известно, многие хозяйственно-ценные признаки отрицательно коррелируют между собой и детерминированы блоками сцепленных коадаптированных генов СЖученко, 1980, 1988). При низком общем уровне рекомбинации сложно разорвать такие блоки, чтобы совместить в новом сорте положительные свойства растений популяции. Одним из путей решения этой проблемы является повышение уровня рекомбинации во всем геноме или в отдельном сегменте хромосомы за счет отбора из полиморфной популяции гес+- генотипов, увеличивающих этот уровень. Сложность отбора форм с нужными сочетаниями гее-генов заключается в том, что они не имеют самостоятельного фенотипического проявления и традиционные методы генетического анализа для выявления гес+-генотипов непригодны.

Для планирования экспериментов по отбору форм растений, имеющих повышенные значения частоты рекомбинации в интересующем селекционера сегменте хромосомы, недостаточно качественных, интуитивных рассуждений. Необходимы количественные оценки эффективности различных схем отбора. В этом могут помочь методы имитационно-аналитического моделирования на ЭВМ.

Математическое описание любой биологической системы является трудной задачей. Сложность заключается в том, что практически невозможно учесть все факторы, оказывающие на нее влияние. Внутри биологической системы под воздействием сложного механизма внутренней организации и внешней среды постоянно протекают динамические процессы, поэтому ее нельзя описать набором константных величин. Биологическая система Склетка, растение, популяция и т.д.) имеет вероятностные характеристики, а любая модель, ее имитирующая, обладает рядом ограничений. При составлении модели необходимо найти оптимум сложности и точности, что достигается правильной и лаконичной формализацией моделируемых процессов.

Исходными данными для составления алгоритмов программ, с помощью которых проведена представляемая работа, стали исследования в области изучения закономерностей изменчивости частоты рекомбинации, проведенные разными авторами.

На основании предварительного имитационного моделирования проведен критический анализ существующих методов и схем экспериментов для отбора форм растений с измененными значениями частоты мейоти-ческой рекомбинации в определенных сегментах хромосом. Генетико-статистическое моделирование позволило разработать новую схему косвенного отбора высокорекомбинантных форм диплоидных растений.

Эта схема впоследствии была проверена на мутантных формах томатов в лаборатории индуцированного рекомбиногенеза МСХА.

Предлагаемая в работе схема накопления высокорекомбинантных форм представляет интерес как для генетики, так и для селекции. Она позволит целенаправленно и за более короткий срок получать оптимальные сочетания признаков в меньших по объему популяциях. Результаты данной работы применимы не только для самоопыляющихся культур. Показано, что при использовании схемы накопления в селекции перекрестноопыляющихся растений эффективно переопыление с частичным инбридингом, например, внутрисемейные скрещивания. Это открывает путь использования схемы для отбора гес+-генотипов также и в популяциях животных.

Актуальность проблемы

Полученная на данный момент информация о структурной и функциональной организации генетической системы контроля за рекомбинацией требует детального анализа и разработки методов ее применения для получения новых сочетаний признаков. Сложность этой проблемы требует нового подхода к ней, с использованием современного математического аппарата, ЭВМ и разработкой новых интеграционных параметров индикации уровня рекомбинации. Генетико-статистические методы в области исследования общих закономерностей изменчивости кроссинго-вера у высших эукариот представлены в работах A.A. Жученко, А. Б. Короля и И. А. Прейгеля. В исследованиях Л.А. Животовского, Ю. Л. Гужова, С. П. Мартынова, В. А. Драгавцева, А. В. Смиряева и других специалистов в области количественной и популяционной генетики ге-нетико-статистические методы применяются для углубленного изучения других селекционно-генетических и эволюционных проблем. Но развитие прикладных проблем использования изменчивости системы рекомбинации требует углубления генетико-математических исследований с применением ЭВМ. Такой подход позволяет планировать будущий эксперимент, заранее отсекая неэффективные методики, намечать перспективные схемы, предвидеть причины искажений интегральных генетических показателей и корректировать их с учетом условий проведения эксперимента.

Цель и задачи исследований

Целью исследования является поиск наиболее эффективной схемы отбора форм растений, имеющих повышенные значения частоты мейоти-ческой рекомбинации в определенном маркерном сегменте хромосомы Свысокорекомбинантных форм). Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать эффективный метод косвенного отбора гес-генов, повышающих частоту рекомбинации, и соответствующую новую циклическую схему накопления высокорекомбинантных форм диплоидных растений (НЦС).

2. Подобрать параметры для оценки эффективности работы различных схем отбора высокорекомбинантных генотипов.

3. Разработать алгоритмы и ЭВМ-программы моделирования геноти-пической изменчивости частоты рекомбинации и отбора гес-систем.

4. С помощью генетико-статистических методов сопоставить эффективность известных и новой схемы отбора генотипов с повышенной частотой рекомбинации.

5. Оценить влияние факторов, затрудняющих отбор высокорекомбинантных форм растений при использовании НЦС.

6. Оценить эффективность НЦС в ситуациях моногенных и полигенных гес-систем, при различной степени перекрестного опыления, при сцеплении гес-генов между собой и с маркерными генами при разных схемах наследования гес-локусов.

7. Разработать рекомендации по проверке НДС в эксперименте с мутантными формами томата.

Научная новизна

По результатам генетико-популяционного моделирования на ЭВМ предложена новая циклическая схема накопления высокорекомбинантных форм растений (НДС). Те же методы применены для сравнения эффективности новой и известных схем отбора генотипов с повышенной частотой рекомбинации. При моделировании учитывались различные факторы, изменяющие соотношение рекомбинантных и нерекомбинантных ге-нотипических классов: расстояние на генетической карте между гес-локусами и маркерами, а также между самими маркерными генами, различные схемы наследования гес-генов, моногенность и полигенность гес-системы, способ опыления Ссамоопыление и перекрестное опыление) , отбор рекомбинантных гамет и зигот. В исследованиях использованы специально разработанные ЭВМ-программы, основанные на модификации детерминистических генетико-популяционных моделей. Они пригодны для описания структуры искусственной популяции, возникающей при частичном или полном самоопылении, отборе, анализирующих скрещиваниях и т.д. маркерных и гес-генотипов. Эффективность НДС проверена с учетом моделирования факторов, затрудняющих отбор из полиморфной популяции высокорекомбинантных форм. Разработанные рекомендации по использованию НДС впоследствии были проверены на материале мутантной коллекции томатов в лаборатории индуцированного рекомби-ногенеза МСХА и показали эффективность НДС.

- 9 -Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных студенческих конференциях МСХА 1992-1993 г.г., на совместных заседаниях кафедры генетики и лаборатории индуцированного рекомбиногенеза МСХА 1993-1998 г.г., ежегодных научных конференциях Тимирязевской сельскохозяйственной академии 1993, 1995, 1996, 1998 г. г. Сг. Москва) , на I съезде Вавиловского Общества Генетиков и Селекционеров (Саратов, 20-25 декабря 1994г.).

По основным разделам диссертации опубликованы 5 научных работ, представленных в списке литературы.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, включая рисунки. Она состоит из введения, аналитического обзора литературы, собственных теоретических и экспериментальных исследований, заключения, выводов и рекомендаций, приложения. Библиография содержит 139 наименований отечественных источников и 130 зарубежных. Работа содержит 20 рисунков и 4 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Нечаев, Игорь Михайлович

- Ill -8. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Несмотря на упрощенные варианты предположений о характеристиках популяций, принятых в имитационных моделях, можно сформулировать некоторые обобщенные выводы и рекомендации для изучения закономерностей влияния гес-системы у перекрестноопыляемой или самоопыляемой культуры.

1. Предварительное генетико-математическое моделирование позволяет отбросить схемы с недостаточной надежностью, наметить до проведения эксперимента пути выделения высокорекомбинантных форм, а также, в отдельных случаях, указать способы идентификации механизмов регуляции частоты рекомбинации.

2. Предложенная новая циклическая схема накопления высокорекомбинантных форм эффективна в ситуациях достаточно тесного сцепления маркерных локусов СЮ - 35сМ), если повышенная частота рекомбинации связана с какими-либо гомозиготными гес-генотипами. При более тесном сцеплении применимы методы прямой идентификации высокорекомбинантных генотипов либо схема Парсонса CParsons, 1958).

3. При использовании предложенной новой схемы накопления для перекрестноопыляемых растений желательно применять схемы переопыления с частичным инбридингом Снапример, внутрисемейное скрещивание), что существенно ускоряет отбор высокорекомбинантных форм.

4. Существуют ситуации, при которых с помощью предложенной циклической схемы невозможно установить, какова причина увеличения частоты рекомбинации при реализации схемы: отбор форм с повышенной частотой кроссинговера или другая, например, отбор форм с пониженной степенью жизнеспособности рекомбинантных маркерных гамет Сзигот) .

5. При тесном сцеплении нескольких гес-локусов между собой

- 112

1-10сМ) многолокусная гес-система ведет себя как моноген и динамика накопления в популяции высокорекомбинантных генотипов не отличается от однолокусной схемы. При 30-40сМ рекомбинация между гес-генами приводит к образованию новых "выгодных" их сочетаний, и в процессе реализации циклической схемы накопления частота рекомбинации между маркерными локусами повышается быстрее.

6. В большинстве случаев эффективность предложенной новой схемы накопления мало зависит от степени сцепления между гес-генами. Влияние сцепления между маркерным и гес-генами на эффективность НЦС уменьшается по мере снижения неравновесия по сцеплению между этими генами.

7. Имитационное моделирование позволяет существенно повысить степень конкретности рекомендаций по продолжительности, объемам и схемам реальных экспериментов с гее-системами, если есть дополнительная информация об экспериментальном материале (степень сцепления маркерных локусов и гомозиготности исходных форм, различия по гГ у высоко- и низкорекомбинантных форм, оценки влияния модификаци-онной, стохастической изменчивости и т.д.).

- из

- 108 -7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имитационное и аналитическое моделирование изменчивости рекомбинации не может охватить все ситуации, возникающие в реальных селекционно-генетических опытах с высшими растениями. Рассматривались лишь основные схемы наследования, ограниченное число несходных соотношений частоты кроссинговера и исходных структур популяции по гес- или по W- локусам, коэффициентов отбора и т.д. Однако, сходство качественных выводов о зависимости динамики частот рекомбинации и генов, влияющих на отбор, дает возможность обобщить результаты применения схемы отбора высокорекомбинантных форм на более сложные комплексные ситуации, выделить "типичные" и "особые" случаи.

В частности ясно, что схема рис. 1 позволяет выделять высоко-рекомбинантные формы в ситуациях, когда повышенная частота кроссинговера обусловлена гомозиготными гес+-генотипами даже при полигенном наследовании. В последнем случае схема обеспечивает рекомбинацию гес-генов и выделение возможных трансгрессивных по частоте кроссинговера гомозигот. Если же повышенная частота связана с гете-розиготами по гес-локусам, то, по мере приближения популяции к равновесию по этим генам, эффективность отбора по схеме рис. 1 снижается. Если пониженная частота связана с гетерозиготами, а сходная повышенная - с гомозиготами, то, вследствие неустойчивости равновесия любой подобной схемы, будет наблюдаться постепенное увеличение частоты кроссинговера - схема также работоспособна. Если исходная маркерная дигетерозигота - популяция по гес-генам, то максимальное увеличение долей гес+-аллелей, обычно, наблюдается после первого переопыления. Особый случай, когда маркерная дигетерозигота также гетерозиготна по всем гес-локусам (упрощенно: f = 0, f = 1, f = 0). Тогда, независимо от числа локусов, желательно провести минимум два

- 109 переопыления перед выделением двойных рекомбинантов. Иначе первый этап схемы рис. 1 будет иметь низкую эффективность, хотя схема по-прежнему работоспособна.

В пункте 5.3 были указаны ситуации, при которых за два этапа схемы рис. 1 можно отличить действие отбора против рекомбинантных гамет или зигот от влияния гес-локусов на частоту кроссинговера. Но в действительности возможно одновременное действие этих двух факторов, частичное Са не полное) восстановление или даже небольшое снижение жизнеспособности гамет или зигот при "обратной" рекомбинации, снижение по этапам жесткости (8) их отбора и т.д. Динамика наблюдаемой в эксперименте частоты гГ будет зависеть от соотношения влияний таких факторов. При частичном восстановлении жизнеспособности, например, характерные колебания гГ "вверх-вниз" (рис. 14) на первом - втором этапах все же будет наблюдаться. Если дополнительно действует эффективный отбор "в пользу" рецессивных гомозигот по гес-локусу, повышающих частоту кроссинговера, то после первого этапа гГ может подняться даже выше 0,5, а на втором - резко снизится. Тот же эффект СгГ > 0,5) может проявиться при восстановлении жизнеспособности, если исходная частота кроссинговера велика СгГо> 0,3).

В принципе возможны ситуации, при которых рекомбинантные гаметы или зиготы имеют повышенную, а не пониженную жизнеспособность по сравнению с нерекомбинантными. Результаты проведенного моделирования (пункт 5.3) позволяют предсказать динамику г Г и в этих ситуациях: она будет "зеркальным отражением" динамики при снижении жизнеспособности рекомбинантов. А именно, если жизнеспособность гамет (зигот) при обратной рекомбинации восстанавливается, то перед первым этапом схемы рис. 1 гГ выше частоты кроссинговера, а после первого - ниже. После второго - снова выше. Если жизнеспособность рекомбинантов на каждом этапе выше, чем нерекомбинантных генотипов,

- 110 то перед первым этапом гГ снова выше частоты кроссинговера, а после первого - несколько снижается, но все равно выше. То же - в последующих этапах: гГ постепенно приближается "сверху" к частоте кроссинговера. Динамика частоты аллеля ад так же "зеркально" изменяется по сравнению с установленной в пункте 5.3.

Генетическая рекомбинация играет большую роль в микроэволюционных процессах: способствует элиминации вредных мутаций, участвует в преобразовании генетического материала популяции. Индуцированный рекомбиногенез имеет высокое селекционное значение. Его использование позволяет быстро создавать генетическое разнообразие в экспериментальной популяции с целью получения родительских форм с заданными свойствами. Применение предлагаемой в работе новой схемы выделения высокорекомбинантных форм позволит повысить эффективность селекции высших диплоидных растений.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Нечаев, Игорь Михайлович, Москва

1. Алтухов Ю. П. , Найдич В.А., Животовский Л. А. Машинное моделирование взаимодействия случайного дрейфа и миграции генов в системе частично изолированных популяций // Генетика. 1984. Т.20. № 4. С. 605-609.

2. Беридзе Т.Г. Сателлитные ДНК. М.: Наука, 1982, 120 с. Богданов Ю.Ф. Молекулярные и ультраструктурные основы рекомбинации у эукариот // Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции, Кишинев: Штиинца, 1986, С. 33-36.

3. Богданов Ю.Ф. Мейоз под контролем специфических генов (третья европейская конференция по мейозу) // Генетика, 1998, Т. 34, N 1, С. 125-127.

4. Бороевич С. Принципы и методы селекции растений, М.: Колос, 1984, 344 с.

5. Бурд С.Б., Клименко В.В. Рекомбинационные узелки на распластанных синаптонемных комплексах тутового шелкопряда // Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции, Кишинев: Штиинца, 1986, С. 37-38.

6. Бурилков В.К. Рекомбиногенное действие лазерного излучения: Автореф. дисс. . канд. биол. наук, Минск, 1985, 20 с. Ван дер Вандер Б.Л. Математическая статистика, М.: Изд-во иностр. лит., 1960, 434с.

7. Верещагина Н. М. , Король А. Б. Влияние MR-фактора на уровень изменчивости по rf в популяции Drosophila melanogaster // Тезисы докладов VI Всесоюзного совещания по пробл. биол. и генетики дрозофилы, Одесса, 1989, стр. 17-18.

8. Визир И. Ю. Повышение рекомбиногенного эффекта митомицина с помощью температурного стресса, // Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции, Кишинев: Штиинца, 1986, С. 43-46.

9. Высоцкая Л. В. Влияние B-хромосом на образование хиазм у саранчового Bryodema holdereri // Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции, Кишинев: Штиинца, 1986, С. 48-50.

10. Гавриленко Т. А. Температурная индукция рекомбинации у томатов и связь ее с уровнем устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды: Автореф. дисс. . . . канд. биол. наук, JI. , 1985, 19 с.

11. Гаврилец С. Ю. Подход к моделированию эволюции популяций с учетом взаимодействия генотип-среда // Генетика, Т. 22, N 1, 1986, С. 36-45.

12. Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики, М.: Наука, 1988, 424 с.

13. Гарбуз Л. И. Влияние селективной элиминации рекомбинантов на состав расщепляющихся популяций томатов: Автореф. дисс. . . . канд. биол. наук, Минск, 1986, 18 с.

14. Глотов Н. В. , Животовский Л. А. , Хованов Н. В. и др. Биометрия. Л. : Изд-во ЛГУ, 1982, 263с.

15. Голубовский М. Д. Организация генотипа и формы наследственной изменчивости эукариотов // Успехи совр. биол. 1985. Т.100, вып. 3(5), С. 323-339.

16. Гроссман С. , Тернер Дж. Математика для биологов. М.: Высшая школа, 1983, 383 с.

17. Грушко Т.А., Корочкина С. Е. , Клименко В.В. Раннеонтогенетичес-кий температурный контроль частоты кроссинговера у дрозофилы // Тезисы докладов VI Всесоюзного совещания по пробл. биол. и генетики дрозофилы, Одесса, 1989, С. 31.

18. Гужов Ю.Л. Прогнозирование повышения эффективности селекции- 120 растений на основе генотипической и модификационной изменчивости: Автореф. дисс. . д-ра биол. наук, М., 1975, 50 с.

19. Гужов Ю. Л. , Малюженец Н.С. Применение ЭВМ в селекционно-генетических исследованиях. М.: Изд-во УДН, 1986, 79 с.

20. Дишлер В. Я. , Кавац Г. Э. Влияние биологически активных веществ на частоту генетических рекомбинаций у томата // Изв. АН ЛатвССР, 1975, N9, С. 53-60.

21. Дишлер В. Я. Индуцированный кроссинговер и экспериментальное изменение частоты генетических рекомбинаций у растений // Изв. АН ЛатвССР, 1976, № И, С. 54-67.

22. Дишлер В. Я. , Филипека В.Ф., Нагле Э. Ф. Влияние рекомбиногенов на конъюгацию хромосом в мейозе материнских клеток пыльцы ячменя // Генетика, 1980, Т.16, N 6, С. 1077-1080.

23. Дишлер В. Я. Индуцированный рекомбиногенез у высших растений. Рига: Зинатне, 1983, 222 с.

24. Драгавцев В. А. Генетика количественных признаков растений в решении селекционных задач. Автореф. дис. . . . д-ра биол. наук, М. , 1984, 33 с.

25. Дромашко С.Е., Романовский Ю. М. Эволюция математических моделей генетики. М.: Знание, 1984, 64 с.

26. Дрягина И.В., Кан Л.Ю. Индуцирование рекомбинаций при межвидовых скрещиваниях в селекции монарды // Генетические основы селекции растений, М., 1995, стр. 94-102.

27. Дубинин Н. П. Проблемы радиационной генетики. М.: Госатомиздат, 1961, 468 с.

28. Ефремова Г. И. Особенности рекомбиногенного действия ^И'-диме-тил-Ы-нитрозомочевины у БгозорЬИа ше1аподаз1ег // Генетика, 1978, Т. 14, М 1, С. 80-86.

29. Ефремова Г. И. , Филиппова Л. М. Влияние кофеина на кроссинговер у ОгоБорШа ше1аподаБ1ег I. // Генетика, 1973, Т. 9, № 6, С. 56-63.

30. Животовский Л. А. Показатель сходства популяций по полиморфным признаков // Журн. общ. биол, 1979, Т.40, № 4, С. 587-602.

31. Животовский Л.А. Показатель внутрипопуляционного разнообразия // Журн. общ. биол, 1980, Т.41, № 6, С. 828-836.

32. Животовский Л.А. Показатели популяционной изменчивости по полиморфным признакам // Фенетика популяций, М., Наука, 1982, С. 38-44.

33. Животовский Л.А. Статистические методы анализа частот генов в- 121 природных популяциях // Итоги науки и техники. Общая генетика, М. : ВИНИТИ, 1983, Т. 8, С. 76-104.

34. Животовский Л.А. Интеграция полигенных систем в популяциях (проблема анализа комплекса признаков). М.: Наука, 1984, 183 с.

35. Животовский Л. А. Интеграция генетической изменчивости в популяциях // Системная орг-ция и генетическая устойчивость популяций. М.: Наука, 1991 а, С. 43-S6.

36. Животовский Л.А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991 б, 271 с.

37. Животовский Л. А., Янушпольский И. И. Динамика популяционно-гене-тических параметров и их статистических оценок при отборе по количественным признакам // Генетика, 1976, Т. 13, № 1, С. 139146.

38. Животовский Л. А. , Храмцов В.В., Глубоковский М.К. Модель динамики численности горбуши Oncorhynchus gorbuscha // Вопр. ихтиологии, 1996, Т. 36, № 3, С. 369-385.

39. Жученко A.A. Генетика томатов. Кишинев: Штиинца, 1973, 663 с.

40. Жученко А. А. Экологическая генетика культурных растений. Кишинев: Штиинца, 1980, 588 с.

41. Жученко A.A. Адаптивный потенциал культурных растений. Кишинев: Штиинца, 1988, 766 с.

42. Жученко A.A. Экологическая генетика культурных растений: теория и практика // С.-х. биология. Сер. биол. растений, 1995, N 3, С. 4-31.

43. Жученко А.А. Проблема доступной отбору генетической изменчивости культурных растений // Тезисы международной научной конференции "Развитие научного наследия акад. Н.И.Вавилова", Саратов, 1997, Ч.1, С.5-7.

44. Жученко A.A., Андрющенко В. К. , Король А. Б. и др. Некоторые генетические последствия обработки гибридов томатов мутагенами.

45. Изменение характера моногибридных расщеплений // Генетика. 1975. Т. И, № 7. С. 27-33.

46. Жученко A.A. , Выродов Д. А. , Король А. Б. , Андрющенко В. К. Влияние физических факторов на рекомбинационные процессы у томатов- 122

47. Мутагенез при действии физич. факторов. М. : Наука, 1980. С. 148-162.

48. Жученко A.A., Король А.Б. Индуцированное увеличение изменчивости частоты кроссинговера в F у томатов // Цитология и генетика. 1981, а, Т. 15, № 3, С. 23-28.

49. Жученко A.A., Король А. Б., Бронштейн С. И. , Прейгель И. А. Эволюция генетической системы; сравнение постоянных и переменных гес-стратегий // Экологическая генетика раст. и животных. Кишинев: Штиинца, 1984, С. 73-76.

50. Жученко A.A., Король А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции растений. М.: Наука, 1985, 400 с.

51. Жученко A.A., Прейгель А.Б. Эволюция доминантности гес-локусов. Математическая модель // Генетика, 1986, а, Т.22, № 4, С. 609615.

52. Жученко A.A. , Король А. Б. , Гавриленко Т. А. , Кибенко Т. Я. Связь между устойчивостью генотипа и изменчивостью его рекомбинацион-ных характеристик при температурных воздействиях // Генетика, 1986, б, Т.22, № 6, С. 966-973.

53. Жученко А.А., Король А.Б. Пути перестройки рекомбинационной системы высших растений // Экологическая генетика раст. и животных. Кишинев: Штиинца, 1987, а, С. 63-65.

54. Жученко A.A., Верещагина Н.М. , Король А.Б. Влияние MR-фактора на уровень изменчивости по частоте рекомбинации в синтетической популяции Drosophila melanogaster // Экологическая генетика раст. и животных. Кишинев: Штиинца, 1987, б, С. 61-62.

55. Жученко A.A., Самовол А.П. Дизруптивный отбор как фактор увеличения доступной рекомбинационной изменчивости // Генетика и селекция / София/, 1992, Т.25, N 1, С. 3-9.

56. Жученко A.A. мл. Изменчивость рекомбинационных параметров в зависимости от условий среды и архитектуры репродуктивной системы томата: Автореф. дисс. . канд. биол. наук, Минск, 1986, 17 с.

57. Жученко A.A. мл. Индуцирование рекомбинационной изменчивости у льна // Селекция, сем-во, возделывание и перв. обраб. льна-долгунца С Сб. науч. трудов ВНИИ®, Торжок, вып. 28-29, 1994, С. 95-105.

58. Жученко A.A. мл. Формирование рекомбинационной изменчивости на органном, организменном и популяционном уровнях у высших растений // Автореф. дисс. . д-ра биол. наук, С.-П., 1996, 49с.

59. Жученко A.A. мл., Самовол А. П. , Данаилов Ж. П. Дизруптивный от- 123 бор как фактор увеличения доступной рекомбинационной изменчивости // Генет. селекция, 1992, Т. 25, И, С. 3-9.

60. Заморзаева И.А. Влияние межродовых трансплантаций на рекомбинацию и элиминацию у гибрида томата Ь. еБси1еп1ит * Ь. ЫгБтАит // Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции. Кишинев: Штиинца, 1986, С. 246-248.

61. Заморзаева-Орлеанская И.А. Влияние вегетативной системы растений томатов на эффективность индуцированного рекомбиногенеза: Автореф дис. . . . канд. биол. наук, АН БССР, Инст. генетики и цитологии, Минск, 1990, 19 с.

62. Кайданов Л. 3. Генетика популяций. М.: Высшая школа, 1996, 320 с.

63. Калинина 0. Ю., Горлов И.П. Влияние рекомбинации на численность и жизнеспособность популяции: сравнение моделей со свободной рекомбинацией и отсутствием рекомбинации // Доклады АН, МАИК НАУКА, Москва, Т. 332, № 4, 1993, С. 532-535.

64. Каминская Э. А. , Писарчук Г. А. Модификация частоты кроссинговера у самок дрозофилы с помощью некоторых химических соединений // Генетика, 1980, Т. 16, № 4, С. 644-649.

65. Кедров-Зихман 0.0., Френкель Г. И. Компьютерная система "Эксперимент" для обработки и анализа селекционно-генетической информации // Весц! акадэмП навук БССР Ссерыя б1ялаг1чных навук), Минск, Навука 1 тэхн1ка, № 5, 1988, С.105-107.

66. Кейл П. Индуцированный нейтронами кроссинговер у самцов дрозофилы // Тезисы докладов XIV Междунар. генетич. конгр. Секц. заседания. М.: Наука, 1978, ч.1, С. 230.

67. Кемени Дж. , Скелл Дж. Конечные цепи Маркова. М. : Наука, 1970, 272с.

68. Кендалл М. Дж., Стьюарт А. Теория распределений. М.: Наука, 1966, 587с.

69. Козлова А. А. , Цитленок С. И. , Анискин В.М. , Новиков Ю. М. Структурно-функциональная организация и изменчивость хромосом. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1987, 158 с.

70. Комилов Ф. С. , Юнусов М. К. , Богданов Н. И. , Эгамов М. С. Математическое моделирование управляемой высокопродуктивной экосистемы рыбоводного пруда ССообщ. 2) // Изв. АН Респ. Таджикистан, Отделение биол. наук, 1992, М 1, С. 33-38.

71. Комолых О.М. Принципы повышения статистической вероятности нахождения модельного генотипа в гетерогенных популяциях апогам80