Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы и ржи в регуляции типа деления унивалентных хромосом и частоты передачи их через гаметы анеуплоидных форм

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Силкова, Ольга Геннадьевна, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ

На правах рукописи УДК: 576.356:633.1

Силкова Ольга Геннадьевна

Роль хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы и ржи в регуляции типа деления унивалентных хромосом и частоты передачи их через гаметы анеуплоидных форм

Генетика - 03.00.15

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н. Щапова А.И.

Новосибирск 1999

Оглавление

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................9

1.1. Межгеномное замещение хромосом с использованием межродовой гибридизации как один из способов интрогрессии генетического материала в геном мягкой пшеницы Т. aestivum L............................................................9

1.2. Факторы, определяющие расхождение хромосом

в мейотическом делении........................................................20

1.2.1. Спаривание как фактор, определяющий расхождение гомологов в первом делении хиазматического и ахиазматического мейоза.......................................................23

1.2.2. Гомологичный и негомологичный синапсис...................29

1.2.3. Центромерный район мейотической хромосомы, его структура и роль в ориентации и делении

сестринских хроматид гомологов..........................................33

1.3. Заключение и постановка задачи....................................38

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................41

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................47

3.1. Характер передачи унивалентных хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы 5А, 5D и ржи 5R через гаметы

ди-моносомиков 5A-5R, 5A-5D, 5D-5R...................................47

3.1.1. Частота передачи унивалентных хромосом 5А и 5R через гаметы пшенично-ржаных ди-моносомиков 5A-5R (5А- 5D5D 5R-)......................................................................47

3.1.2. Частота передачи унивалентных хромосом пшеницы 5А и 5D через гаметы пшенично-ржаных ди-моносомиков (5A-5D) (5А- 5D- 5R5R)........................................................................57

3.1.3. Частота передачи унивалентной хромосомы 5R через гаметы пшенично-ржаных ди-моносомиков

5D-5R (5А5А 5D- 5R-).............................................................65

3.1.4. Характер стабилизации кариотипов гибридных популяций ди-моносомиков 5A-5R , 5A-5D и причины, его обуславливающие...................................................................66

3.1.5. Заключение..................................................................71

3.2. Характер поведения унивалентных хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы 5А, 5D и ржи 5R в мейозе

пшенично-ржаных анеуплоидных форм.................................72

3.2.1. Цитологическое изучение поведения унивалентных хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы 5А, 5D

и ржи 5R в мейозе моносомиков......................................... 72

3.2.2. Поведение унивалентных хромосом пятой гомеологичной группы пшеницы 5А, 5D и ржи 5R

в мейозе ди-моносомиков.......................................................82

3.2.2.1. Цитологическое изучение мейоза ди-моносомиков 5A-5R, 5D-5R и 5A-5D..........................................................82

3.2.2.2. Ориентация сестринских кинетохоров унивалентных хромосом в метафазе I мейоза ди-моносомиков.....................91

3.2.2.3. Тип деления унивалентных хромосом в анафазе I мейоза ди-моносомиков.........................................................95

3.2.3. Генетическая регуляция эквационного типа деления унивалентных хромосом в AI мейоза....................................100

3.2.4. Заключение................................................................103

4. ОБСУЖДЕНИЕ...............................................................104

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................122

ВЫВОДЫ.............................................................................125

Список цитируемой литературы..............................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: Преобразование генома гексаплоидной мягкой пшеницы Triticum aestivum L. с целью обогащения генофонда этого злака является одним из важных направлений научных исследований в цитогенетике растений. Один из способов решения проблемы реконструкции генома Т. aestivum L. - это межгеномное замещение хромосом путем отдаленной гибридизации в трибе Triticeae L.

На сегодняшний день получены обширные экспериментальные данные, продемонстрировавшие возможность замещения хромосом пшеницы чужеродными хромосомами ржи Secale cereale L., пырея Agropyron intermedium L., эгилопса Aegilops ventricosa L., Aegilops comosa L., Agropyron elongatum L. (Sears, 1956; Knott, 1964; Jenkins, 1966; Gupta, 1968, 1969; Shchapova, Kravtsova, 1982; Синиговец, 1988).

Возможности получения чужеродно-замещенных линий пшеницы в настоящее время значительно расширились в связи с применением методов культивирования клеток, тканей и органов растений. С помощью биотехнологических методов стало реальностью получение аллоплазматических замещенных линий мягкой пшеницы, полученных на основе ячменно-пшеничных гибридов (Шумный и др., 1995).

Первые чужеродно-замещенные линии были получены с целью установления степени гомеологии хромосом различных родов в трибе Пшеницевых хромосомам мягкой пшеницы. Получение замещенных линий производилось на основе дополненных линий пшеницы определенного сорта и серий моносомиков или нуллисомиков того же сорта (Riley, Chapman, 1958; Riley, 1960, б; Evans, Jenkins, I960). Восполнение аномалий нуллисомии парой чужеродных хромосом доказывает, что они генетически взаимозаменимы. Замещенные линии Т.aestivum L. (2п=42) оказались более перспективными по сравнению с дополненными (2п=44), так как они более фертильны и жизнеспособны.

В последующие годы коренным образом изменились перспективы в использовании замещенных линий мягкой пшеницы - их получение теперь непосредственно было связано с реконструкцией генома Т. aestivum L. Следующим этапом в поиске более совершенных способов обогащения генотипа пшеницы было предложение конструктивно новой схемы получения пшенично-ржаных замещенных линий по всем хромосомам ржи на основе генотипа одного сорта пшеницы.

Эта схема основана на скрещивании Т. aestivum L. (2n=42) х S.cereale L. (2п=14), последующем беккроссировании Fi поколения (ABDR) исходным сортом пшеницы и отбором пшенично-ржаных замещенных форм в четвертом, пятом поколениях (Щапова и др., 1987). Цитологическая идентификация хромосом ржи проводится с помощью С-метода дифференциального окрашивания хромосом (Щапова, 1977). Предложенный способ более перспективен, так как он не требует создания моносомных и дополненных линий, а также позволяет, в отличие от вышеизложенного, использовать большой потенциал гетерогенности перекрестноопыляющихся сортов ржи, которая является необходимым фактором для подбора благоприятной генотипической среды для чужеродного замещения. Исследователями была выявлена существенная роль генотипической среды в процессе межгеномного замещения хромосом межродовых гибридов, а также отмечено влияние на характер стабилизации кариотипов таких факторов, как геномная структура и уровень плоидности исходного гибрида (Fi).

В результате проведенных цитогенетических исследований чужеродно-замещенных линий установлено, что замещают друг друга только гомеологичные хромосомы. Показано также, что частота межгеномных замещений по разным хромосомам различна и что компенсационная способность гомеологичных хромосом является не единственным фактором, определяющим эти различия (May, Appels, 1982; Merker, 1984; Щапова, Кравцова, 1990).

Наряду с этим, до сих пор остается невыясненным, почему в самоопыленном потомстве моносомного растения различных моносомиков пшеницы частоты нулли - , моно-и дисомиков индивидуальны (Sears, 1954). Какими механизмами вызывается это событие? На сегодняшний день не существует даже гипотез, как и нет посвященных выявлению этого феномена экспериментов.

Известно, что стабилизация кариотипов отдаленных гибридов сопровождается процессом передачи хромосом через гаметы несбалансированных анеуплоидных растений. Этот процесс очень сложный, обусловленный многими факторами.

Таким образом, в связи с разработкой более эффективных способов передачи генетической информации от одних видов другим, возникла необходимость выяснить закономерность передачи унивалентных хромосом через гаметы пшенично-

ржаных анеуплоидных форм, установить причины, вызывающие различные частоты межгеномных замещений по хромосомам ржи и пшеницы и, таким образом, выявить механизм замещения хромосом при межродовой гибридизации.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось изучение на примере хромосом пятой

гомеологичной группы пшеницы и ржи регуляции типа деления унивалентных хромосом и передачи их через гаметы анеуплоидных гибридных форм. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести кариологическое и морфологическое изучение растений F2 поколения, полученных от самоопыления пшенично-ржаных ди-моносомиков (Fi), с целью выяснения частоты передачи унивалентных хромосом 5А, 5D, 5R через гаметы, создав модельные объекты анеуплоидных растений с различным числом и набором хромосом 5-ой гомеологичной группы пшеницы и ржи.

• Выделить в F2 поколении моносомные растения (2п=41) по 5A,5D и 5R хромосомам с различным набором этих хромосом и изучить у них мейоз для выяснения характера деления и расхождения унивалентной хромосомы.

• Изучить мейоз у пшенично-ржаных ди-моносомиков (2п=42) с разным набором унивалентных хромосом 5А, 5D и 5R с целью установления характера деления каждой из двух гомеологичных унивалентных хромосом в одной и той же генотипической среде.

• Провести анализ полученных результатов для выяснения роли хромосом 5R, 5А и 5D в регуляции эквационного деления унивалентов.

• Выяснить роль типа деления унивалентных хромосом в характере их передачи через гаметы, а также в межгеномном замещении хромосом.

Научная новизна и практическая иенностъ работы.

• Получены дополнительные экспериментальные доказательства тому, что тип деления унивалентных хромосом является генетически обусловленным процессом.

• Впервые установлено, что хромосомы 5-ой гомеологичной группы пшеницы и ржи несут гены, обозначенные нами как гены Edu (Equational division of univalents), контролирующие

эквационное деление унивалентов в А1 мейоза. На хромосоме ржи 5И локализован промотор эквационного деления унивалентов Р (Е<±и), а на хромосоме пшеницы 5А -ингибитор I (Е<±и).

• Впервые установлено, что две гомеологичные унивалентные хромосомы делятся эквационно с различной частотой в одной и той же генотипической среде ди-моносомика.

• Обнаружена зависимость между частотой эквационного деления унивалентов в А1 мейоза и передачей их через гаметы анеуплоидных форм.

• Впервые выяснена роль генов эквационного деления унивалентных хромосом в регуляции частоты и спектра межгеномных замещений в потомстве пшенично-ржаных гибридов.

Результаты, полученные в данной работе, представляют практическую ценность в области разработки новых, более эффективных, целенаправленных методов в реконструкции генома мягкой пшеницы (чужеродное замещение хромосом и получение транслокаций) путем отбора исходных форм, характеризующихся определенным набором генов эквационного деления.

Апробация, работы. Материалы диссертации были представлены на симпозиуме "Актуальные проблемы цитогенетики злаковых культур" (Таллинн, 1989); на конференции "Частная генетика растений" (Киев, 1989); на III Всесоюзной конференции по генетике и цитологии мейоза (Новосибирск, 1990), семинарах и отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем, работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов исследования, обсуждения, общего заключения, выводов и списка цитируемой литературы (227 ссылок). Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков и 35 таблиц.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Межгеномное замещение хромосом с использованием межродовой гибридизации как один из способов интрогрессии генетического материала в геном мягкой пшеницы Т. aestivum L.

Интрогрессия селекционно-ценных признаков в геном гексаплоидной мягкой пшеницы Т. aestivum L. является актуальной проблемой на сегодняшний день. В последние годы не теряет своей актуальности классический метод реконструкции геномов - отдаленная гибридизация (Mujeeb-Kazi, Kimber, 1985; Jiang et al., 1994; Fedak, 1998). Разрешающая способность межродовой гибридизации настолько широка, что до сих пор исследователи еще не исчерпали ее потенциальной возможности (Mujeeb-Kazi et al., 1984; Molnar-Lang, Sutka, 1995; Mujeeb-Kazi et al., 1996). Получение отдаленных гибридов в настоящее время облегчается использованием линий, несущих рецессивные аллели генов скрещиваемости kri и кгг (Fedak, Jui, 1982; Sitch, Snape , 1985; Koba et al., 1991; Molnar-Lang et al., 1996) и биотехнологических методов, позволяющих преодолевать несовместимость при чужеродных скрещиваниях (Першина и др., 1998).

Возможность отбора ценных генотипов значительно расширилась с использованием анализа кариотипов отдаленных гибридов современными цитогенетическими методами. Так, идентификация чужеродного хроматина осуществляется с помощью C-band и N-band методов окрашивания хромосом (Gill et al., 1991). Также разработаны методы окрашивания в различные цвета ДНК хромосом родительских геномов в ядрах межвидовых гибридов (геномная in situ гибридизация (GISH) (Molnar-Lang et al., 1998). Молекулярная цитогенетическая технология (GISH, FISH) эффективно дополняет классические цитогенетические анализы, делает более точной идентификацию геномов злаков на протяжении всего процесса интрогрессии (Molnar-Lang, Ling, 1998; Zhang et al., 1998). Перспективы использования отдаленной гибридизации имеют выход как на практическое применение, так и на получение информации, имеющей отношение к цитологии, эволюции или филогении родственных видов, вовлеченных в формирование гибридов (Бадаев, 1989; Badaeva et al., 1991; Brown-Guedria et al., 1996).

Получение чужеродно-замещенных форм (2п=42) с использованием межродовой гибридизации является одним из главных направлений в реконструкции генома Т. aestivum L. В данной области исследований за последние годы достигнуты значительные успехи. В частности, получены замещения хромосом пшеницы 6В и 6D соответственно хромосомами F и М Leymus racemosus (2n=14) (Mujeeb-Kazi et al., 1983). Данные замещенные линии имеют нормальную структуру колоса и хорошо выполненные зерна.

Показана также возможность межгеномного замещения хромосом у мягкой пшеницы при использовании в скрещивании других видов пшеницы, в частности Т. timopheevii, обладающих такими ценными свойствами, как устойчивость к ряду фитопатогенов (Brown-Guedria et al.,1996). Так, с помощью С-band окрашивания обнаружена передача генетического материала Т. timopheevii в геном трех сортов Т. aestivum L. (Пиротрикс 28, Новосибирская 67 и Саратовская 29), включая целые хромосомы, плечи хромосом и сегменты (Badaeva et al., 1991).

Особое внимание исследователей привлекают различные виды рода Aegilops как доноры генов устойчивости ко многим заболеваниям (Fedak, 1998). Перенесена генетическая информация мягкой пшенице (устойчивость к мучнистой росе) от тетраплоидных видов Aegilops: Ае. variabilis, Ае. kotschyi, Ае. ovata при получении замещенных и транслоцированных линий (Spetsov et al., 1998). Выделены также моносомно-замещенные и дисомно-замещенные линии в потомстве отдаленных гибридов Aegilops ovata L. (2n=28) x дителосомная линия 5AL Chinese Spring (Landjeva, Ganeva, 1998).

Получены пшенично-ячменные дополненные линии (2n=44), содержащие 42 хромосомы пшеницы и две хромосомы ячменя, шестую и седьмую, соответственно. Кроме этого, получены дополненные линии с транслоцированными хромосомами 5BL/7S (Koba et al., 1997). Оказалось, что эти дополненные линии характеризуются высокой мейотической стабильностью - в мейотических клетках на стадии Ml присутствуют 22 бивалента. Показано, что 7-ая хромосома ячменя, соответствующая 5-ой гомеологичной группе пшеницы, индуцирует раннее созревание, а 6-ая, соответствующая шестой гомеологичной группе, наоборот, позднее созревание.

Первые чужеродно-замещенные линии были получены с целью установления степени гомеологии хромосом различных родов в трибе Triticenae хромосомам мягкой пшеницы (Sears,

1956; Riley, I960 6; Knott, 1964; Jenkins, 1966; Gupta, 1968, 1969). Получение замещенных форм производилось на основе линий пшеницы определенного сорта с дополненными чужеродными хромосомами и серий моносомиков или нуллисомиков того же сорта (Riley, Chapman, 1958; Evans, Jenkins, 1960; Gupta, 1971). Этот метод лежал в основе получения большинства пшенично-ржаных замещенных линий, которые в основном были созданы на основе трех серий дополненных линий: Чайниз Спринг-Империал (Gupta, 1971), Голдфаст-Кинг II (Riley, Chapman, 1958) и Харьковская-Даколд (Evans, Jenkins, I960). Замещенные линии T.aestivum L. (2п=42) оказались более перспективными по сравнению с дополненными (2п=44), так как они более фертильны и жизнеспособны.

Были получены замещения хромосом по 5-ой гомеологичной группе пшеницы ржаной хромосомой 5R (Smith, 1963; Jenkins, 1966; Bielig, Driscol, 1970 а,б). Все замещенные линии имели морфологический признак ржи - опушение стебля под колосом. Были получены и описаны замещения целой хромосомы 5R и ее длинного плеча по всем трем хромосомам пятой гомеологичной группы, в том числе впервые по 5В хромосоме (Bielig, Driscol, 19706). Степень компенсации замещенной чужеродной хромосомы определялась путем сравнения жизнеспособности и фертильности за