Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Цитогенетический анализ семей ржи с выщепляющимися мейотическими мутантами

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Цитогенетический анализ семей ржи с выщепляющимися мейотическими мутантами"

V о •": г

■

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЯ ГЕНЕТИКИ им. Н. Я ВАВИЛОВА

На правах рукописи УДК 575. 229+576. 354. 422+ +582. 542.1.

ГАДЖИЕВА Севилъ Ариф кызы

ШГГОГЕНЕТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ СЕМЕЛ РЯИ С ВЫЕЕПЛЯЩИМИСЯ МЕЯОТИЧЕСЮШ МУТАНТАМИ

03. 00.15 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1992 год

Работа выполнена в лаборатории цитогенетики Института обшей генетики им. Я И. Вавилова АН СССР

НАУЧНЫЕ' РУКОВОДИТЕЛИ:

Профессор, доктор биологических наук К1 Ф. БОГДАНОВ кандидат биологических наук Ю. С. ФЕДОТОВА

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОШОНЕШЫ:

Профессор, доктор биологических наук В. А. ЛУХАЛЬСКШ кандидат биологических наук 3. К ГРЕБЕННИКОВА

ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ -Кафедра генетики и селекции С. -Петербургского государственного университета

на заседании специа: . . _ га Д 002. 49.01

при Институте общей генетики им. Е И. Вавилова РАН по адресу: 117809, Москва, В-333, ул. Губкина, 3.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке ИОГен РАН.

Автореферат разослан "_" _1992 г.

Защита состоится

часов

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

Г. Н. Полухина

v-. -.-■.-V'.:^ [ M-1'

■' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение генетического контроля мейоза имеет теоретическое и практическое значение. Нарушения нормального течения мейоза, обусловленные мутациями генов, могут вести к возникновению генетически несбалансированных гамет, а следовательно к снижению или полной потере фер-тильности.

Благодаря методам индуцированного мутагенеза и инбридинга у разных видов растений были выявлены и описаны рецессивные мутации генов, действующие на определенной стадии мейоза (Golubovskaya, 1979, 1989; Kaul,Murthy,1985).

Большая часть мутаций проявляется на стадии профазы1 мейоза, при этом преобладают мутации, блокирующие мейоз на ранних стадиях пролазы I и затрагивающие процесс конъюгации хромосом. Это соответствует представлению о том, что основные критические события, детерминирующие ход мейоза, происходят в профазе I (Резникова, Богданов, 1972). В настоящее время наиболее адекватным методом исследования процесса конъюгации хромосом в мейозе является электронномикроскопи-ческое исследование синаптонемных комплексов - СК (i,foses,1977). Наиболее полная картина мейотическсй конъюгации хромосом выявляется при электронномикроскопическом исследовании СК на тотальных препаратах распластанных ядер мейоцитоз. Лля мейоза у растений этот метод адаптирован Гиллисом (Gillies,1984) и другими.

Сформированный между гомологичными хромосомами в биваленте синалтонемньй комплекс (СЮ из осевых элементов хромосом создает "раму", которая обеспечивает тесный синапсис гомологичных хромосом и создает условия для прохождения кроссинговера, образования хиазм и редукционного расхождения хромосом в ходе мейоза (Богданов,1975). Было установлено, что нарушения в формировании СК отражают нарушения нормального синапеиса гомологичных хромосом. С помосью элек-тронномикроскопического анализа было показано полное отсутствие СК у асинаптической пшеницы (La Cour, Wells, 1970) и синоптических мутантов рта syl ; sy3 (ФздогоЕа, 1988), а также неполное формирование и преждевременное разрушение СК у десинаптических томатов (Moens,1969),десинаптических »мутантов кукурузы (Голубовская и др. ,1984) и синаптического му-

- 2 -

танта рзки эуЗ С Федотова, 1992).

Таким образом, исследование отдельных этапов мейоза, в частности, профазы I, выявление отдельных фенов и изучение действия различных мутаций дает возможность сделать заключение о функциях нормальных аллелей соответствующих генов (Инге-Вечтомов, 1989).

Цели и задачи исследования. Основная цель работы состояла в скрининге семей ржи с вышепляющимися синаптически-ми мутантами, изучение природы этих мутантов, выявление растений с хромосомными перестройками из генетической коллекции ржи.

В задачи исследования входило:

1. Изучить синалсис осевых элементов хромосом и формирование СК на стадии профазы1 у синаптичэских мутантов зу2, зуб, эу7, эу10, характеризующихся формированием на стадии метафазы I унивалентов и различающихся средними числами уни-валенгов.

2. Изучить тотальные препараты СК у мутанта 10, характеризующегося тем, что на стадиях диакинеза-метафазы 1 хромосомы этого мутанта укорочены за счет сильной спирали-гации хроматина.

3. Изучить поведение осевых элементов хромосом у растений с хромосомными перестройками.

4. Провести электронномикроскопический и генетический анализ потомства 1| от растений с хромосомными перестройками.

Научная новизна работы. Бри электронномжроскопическом исследовании профазы I- мейоза у десинаптических стерильных мутантных растений диплоидной рда впервые было показано, что причиной десинапсиса хромосом является негомологичная конъюгация хромосом.

Впервые обнаружены атипичные аморфные утолщения на боковых элементах СК и расслоения осевых элементов хромосом у стерильных мутантов ряи те ПО.

Впервые у растения р^и методом электронномикроскопи-ческого анализа распластанных СК была обнаружена небольшая спонтанная инверсия. Последнее свидетельствует об адекваг-

ности данного метода для выявления хромосомных перестроек малых размеров. Впервые проведен генетический анализ потомства Ь от родительского растения, гетерозиготного по инверсии на основе цитологических признаков, обнаруженных при электронномикроскопическом исследовании.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные дополняют исследования в области генетического контроля мейоза. Выяснено,что у исследованных в работе синапти-ческих мутантов нарушен генетический контроль гомологичной конъюгации хромосом, в результате чего происходит кегсмо-логичный синапсис, то есть СК формируется мезду негомологичными хромосомами. Установлено, что у мутантов me i 10 формированию нормального СК, а следовательно и процессу конъюгации мешавт дефекты на осеЕых элементах хромосом. Выявленные нарушения генетического контроля мейоза раскрывают причины отклонений от нормального течения мейоза на последующих стациях, а гайке причины стерильности диплоидных растений ржи. мутантных по сияаптическим генам и гену ffii 10.

Результаты исследования поведения осевых элементов хромосом з районе инверсии на стадии профзгы I у растения, гетерозиготного по этой перестройке, могут быть включены в курс цитогенетики на кафедрах генетики университетов.

Обнаруженная в исследовании хромосома с инвертированным участком мотет быть использована как маркерная при проведении генетического анализа в коллекции ржи.

Семьи растений ржи, в которых вылепляются синалтичес-кие мутанты, могут быть использованы в качестве источника для получения растений с хромосомными перестройками, а саки синаптлческие мутанты, учитывая их способность к формированию не редуцированных гамет - для получения полиплоидных форм ржи.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 3-ей Всесоюзной конференции по генетике и цитологии мейоза - стендовое сообщение (сентябрь 1930 г., г. Новосибирск), на Всесоюзном совещании "5ункцисжш>ная морфология клетки" ( 22-24 октября 1991г., г.С.-Петербург), на ме.жлабораторном

семинаре Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН (5 июня 1992 г. ).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы.

Материал диссертации изложен на (?о(у страницах машинописного текста, включая 6 таблиц, /О схем и 6Ь элект-ронномикроскопических фотографий. Список литературы насчитывает № наименований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 1. Выбор объекта

Выбор объекта обусловлен следующими причинами. Рожь (2п=14) является одним из наиболее удобных объектов в патогенетических исследованиях среди изучаемых хозяйственно валиых культур, так как имеет довольно крупные пыльники с большим количеством мейопитов на разных стадиях по всей длине колоса, а также достаточно крупные хромосомы, легко доступные как для светомикроскопического, так к электронно-микроскопического изучения.

2. Формы, взятые едя исследования.

Использована генетическая коллекция ржи БиНИЕ С. -Петербургского государственного университета.

Мутанты зу2, эуб, эу7 л эуЮ выделены С. П. Соснихиной из популяции сорко-полевой рда и определены как скналтичес-кие. Все перечисленные мутанты характеризуется наличием унивалентов в диакинезе- М I мейоза и частичной стерильностью. Мутант пе1 10 также выделен С. П. Соснихиной из семьи, в которой выщеплядмсь синаптические мутанты эуЮ. Он характеризуется значительно укороченными по сравнению с нормальными хромосомами на стадиях диакинеза-М I мейоза.

Нам были любезно предоставлены С. П. Соснихиной семена озимой рзки от семей, которые являются потомством от самоопыления (1^- 18) гибридов, полученных от скрещивания исходных нормальных, гетерозиготных по генам Бу2, эуб, зу7 и эуЮ растений с авгофертилькой линией Ку, а также полевой мате-

риал - семьи, в которых выщеплякггся синаптические мутанта Семенное потомство от семей, где выщеплялись мутанты, мы выращивали в теплице при 20-26°С с предварительной яровизацией на открытом воздухе в течение 2-х месяцев при 0-9°С.

3. Мзтоды

Определение стадий ыейоза у нормальных и мутантных растений проводили под световым микроскопом на давленых, окрашенных ацетокармином препаратах МЩ

Для электронномикроскопического анализа отбирали колосья, в которых находили мейоциты на стадии профазы I мей-оза.

Излучение и окрашивание препаратов для электронной микроскопии проводилось описанными ранее методами (Федотова, 1988; Федотова и др. ,1989).

Пыльники помешали в холодную солевую среду для выделения (среда Игла+0,1Х-ный раствор бычьего сывороточного альбумина + 2тМ ЭДТА, рН 7,7), разрезали лезвием на несколько частей и выдавливали содержимое пыльников пинцетом. Полученную суспензию гомогенизировали автоматической пипеткой и каплями наносили на поверхность гипофазы (капли 0,2Ы сахарозы). Через 1,5-2 минуты прикасались к каплям предметным _ стеклом с пленкой из пластика Ра1коп (0,62-ный раствор в хлороформе) и, равномерно распределив суспензию по пленке, фиксировали в парах формалина (40Х) в чашках Петри в холодильнике несколько часов. Затем стекла высушивали не менее трех суток, промывали в дистиллированной воде и окрашивали 50Х-ным раствором азотнокислого серебра (рН 3,5) при 60°С до двух часов. СК с окрашенными ядрами находили под световым микроскопом, вырезали участок пленки с этими ядрами, переносили на бленды для электронного микроскопирования. Препараты исследовали под электронным микроскопом ДМ-ЮОВ, Япония. Всего проанализировано свыше 1000 ядер мейоцитов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. Нормальные растения

При исследовании расщепляющихся семей мы определяли

под световым микроскопом, с каким растением имеем дело -нормальным или мутантным, анализируя М1 мейоза. У нормальных растений в М1 наблюдается 7 бивалентов, обычно кольцевых. редко встречаются мейошты с 1-3 открытыми бивалентами.

Под электронным микроскопом исследовано 76 клеток на стадиях зиготены-диплотены мейоза от 10 нормальных растений из разных семей. Анализ мейоцитов на стадии профазы! от нормальных растений из этих семей под электронным микроскопом показал, что в них формируется 7 СК бивалентов, не отличающихся по морфологии и структуре от СК нормальных растений ржи, исследованных ранее другими авторами.

2.Синаптические мутанты зу2. эуб, 5у7 и эуЮ

Цитологические признаки мейоза у этих мутантов имеют много общего, поэтому целесообразно описывать их в одном разделе, сравнивая между собой.

При светомикроскопическом анализе мейоза у инбредного потомства от растений из семей, где вылеплялись мутанты Бу2, эуб, эу7 и зу10, были выделены мутантные растения с различными числами унивалентов - от 2 до 14 на стадиях диакин^за-М I. Мутанты различались по среднему числу унивалентов на клетку. Так, у мутантных растений эу2 среднее число униза-лентов на клетку составило 3,2; у мутантов оуЮ - 6,2; что соответствует данным С. П. Соснихиной, по которым мутант эу2 отнесен в группу со слабой степенью десинапсиса, а эуЮ - к "средним" десинаптикам. Внутри каждой группы выявленных мутантов также были обнаружены различия между отдельными растениями по среднему числу унивалентов. Так, например, среди 7 мутантных по синаптическому гену эуЮ растений одно растение имело 0,4, второе - 0,7, а у выявленных нами 2-х мутантных по гену Буб растений - 0,5 унивалентов на клетку. Эти данные не соответствуют классификации С. П. Соснихиной, по которой мутанты эуб и эуЮ относятся к группе средних деси-наптиков со средним числом унивалентов на клетку 5,7 и 6,8 соответственно. Возможно, это явление обусловлено генетической неидентичностью выявляемых мутантов. По-видимому, растения с большим числом унивалентов гомозиготны по мутантному

гену, а меньшее число унивалентов наблюдается у растений, гетерозиготных по мутантному гену с неполным доминированием нормального синоптического гена.

Кроме унивалентов на стадиях диаккнеза и !П у мутантов зу7 и эуЮ обнаружены фрагменты хромосом.

На стадиях А I и А II отмечены мосты и фрагменты хромосом. Доля тетрад с микроядрами у мутантов syZ, зу7 и эуЮ составила 14,4%; 74,5% и 100' соответственно.

При изучении тотальных препаратов СК у мутантных растений мы обнаружили, что уж в ранней зиготене с хорош выраженным "букетом" хромосом осевые элементы хромосом начинают синаптировагь нэ только попарно. На этой стадии можно наблюдать, как один из двух спаренных осевых элементов на некотором расстоянии от сформированного участка СК синапти-рует с третьим осевым элементом. Ьзсто смены партнеров спаривания мы будем называть в дальнейшем "переключением" В поздней зиготене у мутантов эу7 и эу10 между фрагмента).® СК наблюдались участки неспаренных осевых элементов разной длины, которые при "переключении" как бы связывали эти фрагменты в цепочки. На этой стадии также отмечены участки осевых элементов, синаптируюпме сами на себя - "шпильки". Большая часть "шпилек" образуется вблизи мест "переключений". В "шпильках" обычно хорошо выражен центральный элемент. На этой стадии обнаружены разрывы осевых элементов и СК

На протяжении пахитены наблюдаются мультивалекты, образованные несколькими осевыми элементами. "Переключения" в мулътивалентах формируют трехлучевые структуры (рис. 1 ) в отличие от крестообразных фигур при транс локациях. _ Иногда в местах смены конъюгирукщих осевых элементов наблюдаются обширные области асинапсиса. В состав мультивалентов очень часто входят "шпильга'Ч рис. 1). Так, у мутанта зу10 в 79% мейоцитов на стадии пахитены "шпильки" были представлены внутри мультивалентных образований. У мутантов зу7 и эуЮ "шпильки" иногда достигали значительной длины - до 25 мкм, причем некоторые из них сформированы унивалентами, частично или полностью синаптировавшими "на себя". Выявленные у му-

тантных растений эу2 "шпильки" можно охарактеризовать как мелкие (0,1-2мкм) и средние (2-4мкм), а у одного из двух исследованных мутантных растений эуб обнаруженные "шпильки" в основном мелкие (у второго растения мы не нашли "шпилек").

Рис. 1. Схематическое изображение "переключений" (указаны стрелками) и "шпилек" (отмечены звездочками) из распластанного ядра Ш1 на стадии пахитены.

В отдельных клетках можно было найти биваленты, однако в большинстве случаев их трудно отличить от фрагментов мультивалентов. Такие фрагменты появляются в результате разрывов боковых элементов СК в местах "переключений" или у основания "шпилек". В пахитене в большинстве ядер мейоцитов наблюдаются разрывы боковых элементов СК.

В поздней пахитене у мутантов эу7 и БуЮ мы наблюдали цепочки СК с полностью завершенным синапсисом в местах "переключений".

На стадии диплотены количество разрывов боковых элементов СК увеличивалось, однако "переключения" и "шпильки" также можно было обнаружить. Исследованные мутанты различались по числу "переключений" и "шпилек" в среднем на мейо-шт.- Кроме того, у мутантов зу2 и зуб данные нарушения встречались не во всех клетках. Количественные отличия между мутантами зу7, зу10 - с одной стороны и эу2 - с другой -соответствуют классификации С. П. Соснихиной (см.стр.6).

а

6 5 4 3 2 I О

"ШПИЛЬКИ"

-¿Г

II.3.

П.П. Р.Д. д.

Рис. 2. Динамика изменения числа "переключений" (а) и "шпилек"(б) на стадии профазы I мейоза у синаптических мутантов. З.-зигогена; П.З.-поздняя зиготена;П -лахитена; П.П.-поздняя пахитена; Р.Д.-ранняя' дпплотэна; д.-згплотэка; I- мутант 5у 10 ; 2- ; 3- $у 2.

-и-

Анализ динамики изменения количества "шпилек" и "переключений" у мутантов зу2, эу7 и эуЮ по стадия« профазы I показал следующее. Для мутантных растений эуЮ характерно увеличение среднего числа "переключений" от 1,77 в зиготене до максимального 4,8 в поздней пахитене и постепенное уменьшение к диплотене до 0,3 в-среднем на кейоцит(рис.2,а). Аналогичную картину мы увидели при анализе изменения среднего числа "переключений" у мутанта зу2: в клетках на стадиях от зиготены к пахитене также наблюдалось увеличение числа "переключений" от 0,45 до максимального значения 0,71 в среднем га клетку.

В ыейоштах мутантов зу7 максимальное число "переключений" наблюдалось в поздней зиготене и оно достоверно меньше (до 3 на клетку), чем у Бу10. Небольшой пик числа "переключений" у мутантов эу7 наблюдается такхе в ранней диплотене. В поздней пахитене число "переключений" у Бу7 меньше, чем исходное в зиготене. Таким образом, по динамике этого показателя мутант эу7 отличается от эуЮ и зу2. Обаде тенденции наблюдаются только в начале (от зиготены к поздней зиготене) и в конце (от ранней к средней диплотене) профазы I.

Подобная картина наблюдается и при анализе изменения среднего количества "шпилек" на мейбцит. У мутантных растений эу2 незначительное увеличение числа "шпилек" от 0,93 до максимального значения 1,1 в среднем на мейоцит происходит в интервале стадий зиготена-пахитена и постоянное значение максимального показателя сохраняется до конца стадии пахи-тены. У мутанта эуЮ максимум достигается в поздней пахитене (5,8), а у эу7 - в поздней зиготене (3.0). Для обеих последних групп также характерно существование периода сохранения практически постоянного значения числа "шпилек". Для мутантов Бу2 и эуЮ этот период приходится на среднюю часть профазыI, а для эу7 он несколько смещен к концу профазы I (поздняя пахитена - ранняя диплотена) (рис.2,6).

Таким образом, каждая группа мутантов характеризуется своей динамикой количества "переключений" и "шпилек", при этом наблюдаются общие закономерности. Максимальное суммарное число аномалий формирования СК у мутантов эу2 и эуЮ

приходится на пахитену - позднюю пахитену, а у Бу7 - на позднюю зиготену.

Суммируя наши и ранее предпринятые исследования аси-наптических и десиналтических мутантов разных видов растения, мы пришли к заключению, что общей для всех синаптичес-ких мутантов причиной появления унивалентов в метафазе1 мейоза является снижение вероятности образования хиазм между гомологичными хромосомами. Разные десинаптические мутанты могут отличаться условиями, при которых образование хиазм затрудняется. У всех ранее описанных десинаптиков редукция числа хиазм на бивалент и появление унивалентов в М1 являлись, по-видимому, результатом неполного построения СК в профазе и/или преждевременной их деградации.

У мутантов эу2, зуб, зу7 и зуЮ образованию хиазм между гомологами по-видимому, препятствует негомологичный си-напсис, который выражается в образовании мультивалентов и "шпилек". Из этого можно заключить, что мутации, приводящие щие в данном случае к преждевременному десинапсису, затронули на самом деле ген(ы), контролирующий(ие) гомологичную конъюгацию хромосом.

У мутантов эу2 л" эуЮ элиминация негомологичного синапсиса начинается только в поздней пахитене, фактически вместе с деградацией СК, когда происходит отталкивание конъюгирухмих хромосом. Вследствие этого негомологичные хромосомы, занятые в мультивалентах, становятся унивалента-ми, а гомологичные могут образовывать открытые биваленты. У мутантов зу7 можно предполагать начало коррекции мультивалентов и элиминации негомологичного синапсиса в поздней зи-готене. Однако образование бивалентов и формирование хиазм между гомологичными хромосомами задерживается, по-видимому, более медленной деградацией СК в "шпильках" и сохранением некоторого числа "шпилек" вплоть до ранней диплотены. У мутантов вуб распад мультивалентов начинается в поздней пахитене, как у мутантов зу2 и зуЮ, однако деградация "шпилек" - несколько раньше.

Мы предполагаем, что конъюгация негомологичных хромосом у исследованных мутантов идет по типу гаплоидов, у

которых мультиваленты могут сохраняться в течение профазы I мейоза и даже в ыетафазе I встречаются биваленты (Wang, 1988). У гаплоидов такой эффект может бьггь обусловлен половинной дозой одного или нескольких генов, контролирующих гомологичную конъюгацию. Если у диплоидного организма этот признак контролируется несколькими кумулятивно действующими генами, то мутация хотя бы в одном из таких генов или его делеция будут вызывать эффект, подобный тому, что дает галлон д из ация.

3.Мутант mei 10

Светомикроскопкческий анализ мейоза инбредного потомства от растений из семьи, где выщеплялись синаптические мутанты sylO, позволил выделить 2 мутантных растения с сильной степенью спкрализации хромосом (впервые выделены и описаны С. П. Соскихиной).

При светомикроскопическом■ анализе повышенная спирали-зация (компактизация) хромосом при сравнении с нормой заметна уже начиная со стадии диллотенк.

Элегронномикроскопическое исследование ядер мейоцитов мутантов me i10 позволило обнаружить электронноплотные утолщения на боковых элементах СК на стадии пахитены.

Морфология выявленных утолщений различна Они более аргентофильны, чем боковые элементы ÇK и имеют вид аморфных тел (бляшек). В одной клетке могут встречаться утолщения разной величины. Во всех исследованных ядрах центральный элемент не прокрашивался.

Утолщения могут иметь вытянутую форму, веретеновидную или округлую. Локализуются утолщения как интеркалярно, Tait и в теломерных районах. Чаще они располагаются на двух боковых элементах - парно или на одном. Количество утолщений варьировало как в разных клетках, так и при сравнении среднего числа на клетку у двух растений. Так, у одного растения насчитывается до 51 утолщения в клетке, в то время как у другого мы обнаружили от 0 до 7 утолщений на клетку.

Кроме утолщений мы наблюдали расслоения боковых элементов СК начиная со стадии лахитены в виде локальных ответвлений от оеювкоги ствола бокового элемента СК. Б еыи-

чие от аморфных утолщений расслоения имеют вид волокнистых образований. В среднем у двух растений 70% клеток на стадии пахитены имели утолщения и расслоения боковых элементов СК.

С.П.Соснихиной было отмечено, что у мутанта те¿10 в 60% тетрад наблюдались аномалии, которые в основном проявлялись как микроядра. Кроме того, ею же была отмечена еще одна особенность данного мутанта при светомжроскопическом исследовании - преждевременное, начиная со стадии пахитены, образование пыльцевой оболочки.

Можно предположить, что наблюдаемые наш нарушения в структуре СК происходили именно в тех мейоцитах, у которых уже была сформирована пыльцевая оболочка.

По-видимому, появление утолщений к расслоений в структуре боковых элементов СК является следствием остановки ме-йоза на разных стадиях профазы. Определенный процент клеток на стадиях зиготены и пахитены без нарушений свидетельствует о том, что в этих клетках мейоз мотет быть блокирован и на более поздних стадиях.

Блокада мейоза на ранних стадиях профазы была обнаружена у стерильных растений кукурузы, гомозиготных по аллелю алрга1( Гребенникова, 1991). В результате злетроняомикроскопи-ческого исследования автор пришел к заключению, что у му-таятных растений критическими стадиями для действия аллеля атргаявляк?гся поздняя лептотена и ранняя эиготена. Неспарен-ные 03 в дальнейшем расщеплялись или расслаивались так, что в структуре ОЭ можно было различить несколько субъединиц.

Нарушение структуры ОЭ на ранних стадиях может происходить и при стрессовом воздействии на растение. Так, Лойдл (1_о1с11,1989) показал, что экспозиция растений лука'во время предмейотических делений при повышенной температуре (35°С) приводит к тому, что мейоз останавливается на стадии лепто-тены, синалсиса осевых элементов хромосом не происходит и на них формируются утолщения.

В нашем случае преждевременное образование пыльцевой оболочки может представлять стрессовую ситуацию для клетки. Прекращение мейоза может быть результатом неспецифической ответной реакции на стресс. Одним из признаков остановки

мейоза на стадии лептотены является расшепление осевых элементов (Гребенникова,1991).

4. Растения с проявлением признаков двух мутаций

При светомикроскопическом анализе мейоза у инбредного потомства от растений из семьи, где вышеплялись синаптичес-кие мутанты эуЮ и мутанты теПО, были выделены 2 растения с проявлением признаков двух указанных мутаций. Микроспоро-циты этих растений имели униваленты и укороченные хромосомы в клетках на стадиях диакинеза - метафазы I.

Электронномикроскопическое исследование подтвердило, что изменения в структуре осевых элементов хромосом и нарушения синапсиса в мейоцитах данных растений аналогичны проявлению действия двух мутантных генов зу10 и те ПО на стадиях профазы!.

Электронномикроскопический анализ мейоза растений с проявлением двух мутаций позволил проследить динамику изменения числа нарушений синапсиса на стадиях профазы I и сравнить их с мутантами, гомозиготными по гену эу10. Достоверных различий обнаружено не было. Такой же вывод мы сделали при сравнении с мутантом теНО по признаку изменения числа утолщений и расслоений осевых элементов хромосом и боковых элементов СК в мейоцитах от стадии зиготены до стадии ди-плотены.

Таким образом, можо высказать предположение о независимом действии двух генов - синоптического эуЮ и те ¡10.

Данные два гена наследуются независимо, так как. в одной семье выщеплялись как растения, мутантные по гену БуЮ, так и растения, мутантные по гену гоеИО без нарушений синапсиса.

5. Растение ржи, гетерозиготное по инверсии и потомство Ь

При электронномикроскопическом анализе растений, мутантных по гену эуб, было выявлено растение, гетерозиготное по инверсии. Инверсия была идентифицирована на основании поведения боковых элементов СК в дистальном участке одного

бивалента - образования классических инверсионных петель.

Из семенного потомства, полученного при самоопылении родительского растения, несущего гетерозиготную инверсию, было изучено 15 растений. С помощью эдектронномикроскопи-ческого исследования выявлено 9 растений, гетерозиготных по инверсии.

Кроме образования классических инверсионных петель в участке, гетерозиготном по инверсии, мы нашли и другие конфигурации, образованные осевыми элементами гомологичных хромосом.

Все конфигурации мы классифицировали в зависимости от формы и полноты синалсиса. Нами выделено 5 типов конфигураций, образованных осевьми элементами гомологичных хромосом е районе инзерсии у . родительского растения и потомтав (табл.1). V тип конфигурации, т.е. прямой линейный синапсис в зоне инверсии был выявлен в нескольких клетках только у растений потомства

Таблица 1

Частота конфигураций различных типов, образованных боковыми элементами СК в районе инверсии у родителя к /потомства

Стадия Зиго- Пахи- X. от кле- % от иссле-

тена тена ток с иден- дованных

(кол-во кле- тифициров. клеток

конфигурации ток) инверсией

1 2 3 4 5

ч 'А

I. Классическая 1/1 3/9 13,8/9,8 5,6/6,3

вереионная петля

Таблица! (продолжение)

1 2 3 4 5

1/1 2/4 10,3/4,9 4,2/3,1

II. Атипичный обратный синапс ис

т II¡.Неполный обратный синапс ис 7/6 3/6 34,5/11,8 13,9/7,5

IV. Асинапсис 3/38 9/30 41,4/66,7 16,7/42,5

V. Прямой бивалент 0/1 0/6 0/6,9 1 0/4,4

Разнообразие типов конфигураций, образованных боковыми элементами СК в зоне ингерсии, по-видимому, зависит от локализации точек инициации и направления синапсиса в зоне инверсии. При недостатке точек инициации в собственно инвертированном участке возникает асинапскс, т. к. уже сформированные участки СК вблизи инвертированного участка создают пространственные трудности для гомологичного синапсиса в зоне инверсии. При запаздывании синапсиса в дкстальном участке возможно образование негомологичного синапсиса.

Частоты встречаемости клеток с различными типами конфигураций в бивалентах с инверсией у родительского растения и потомства мало отличалась друг от друга

Наиболее часто встречающейся конфигурацией в районе инверсии как у родительского растения, так и у растений потомства, оказался асинапскс. Можно предположить, что у ие-

т- телоиерныя конец

следованных гетерозигот по инверсии в большинстве мейоцитов вероятнее всего препятствием для прохождения кроссинговера в инвертированном участке, а следовательно, и образования несбалансированных гамет служит асинапсис. Вероятность кроссинговера в области инверсии у гетерозигот шкет быть обусловлена рядом факторов. Так, Роде (№оас!ез, 1988) показал, что в некоторых случаях у кукурузы кроссинговер не происходит, но наличие этой перестройки провоцирует двойные кроссоверы в нормальных, прилегающих к ней сегментах хромосом.

Одной из наименее часто встречающихся конфигураций оказалась классическая инверсионная петля С табл.1). Обычно конъюгация гомологичных хромосом у ржи начинается с концов. По-видимому, для завершения гомологичного синапсиса в участке, гетерозиготном по инверсии, необходима инициация синапсиса не с теломерных концов хромосом, что практически осуществляется редко. Можно предположить, что такое направление синапсиса носит приспособительный характер в случаях изменения линейного положения и порядка сцепления генов.

Клетки со вторым типом конфигурации - атипичным обратным синапсисом составили незначительную долю от общего числа исследованных клеток как у родительского растения, так и в потомстве. Причем если формирование инверсионных петель можно было наблюдать начиная со стадии ранней зкготены, то И тип конфигурации мы встречали только в клетках на стадии пахитена

Нам удалось идентифицировать бивалент с инверсией в' 36,IX клеток у родительского растения и в 46,71 - в потомстве.

Как видно из таблицы, в большем количестве ядер, где бивалент с инверсией был идентифицирован, наблюдался полный или частичный асинапсис осевых элементов в зоне инверсии. Таким образом, у данного гетерозиготного растения обнаружено довольно малое количество мейоцитов, в которых биваленты с инверсией образует СК по типу строго гомологичного синапсиса, тем более," что даже классическая инверсионная петля варьирует в размерах в разных ядрах.

С целью локализации проксимального конца инвертированного участка у родительского растения в 20 ядрах на стадиях от поздней зиготены до поздней пахитены была измерена длина СК бивалента, несущего инверсию и теломерного участка с инверсией: У растений потомства Ь в 7 клетках были проведены аналогичные измерения. Средняя длина теломерного участка с инверсией на стадиях ранней пахитены - средней пахитены составила 10,87. от длины всего бивалента (у родительского от 7,0 до 11,5%), т.е. потомки не отличались от родительского растения по расположению и размерам инвертированного участка.

На стадии пахитены у родительского растения в некоторых клетках (122) наблюдался негомологичный синалсис осевых элементов хромосом: "шпильки", "переключения", "спиральный" синапсис, неспаренные осевые элементы.

В клетках 11 растений потомства мы обнаружили "переключения" и "шпильки".

б.Генетический анализ потомства Ь от растения, гетерозиготного по инверсии

Поскольку среди растений в потомстве, как и у родительского растения мы обнаружили признаки мутантного гена зуб, мы предположили, что родительского растение было му-тантным по этому гену.

В нашем опыте мы нашли 4 фенотипических класса растений:

1. Гомозиготные по инверсии или неинвертированной хромосоме, т.е. со всеми прямыми бивалентами, и нормальные- по гену Буб, т. е. без "переключений" и "шпилек". Мы обозначили этот фенотипический класс как "гомо +".

2. Гомозиготные по инверсии (или неинвертированной хромосоме) и мутантные по гену Буб, обозначенные "гомо зуб".

3. Гетерозиготные по инверсии и нормальные по гену Зуб -"гет +".

4. Гетерозиготные по инверсии и мутантные по гену Буб -"гет Буб".

Следовательно, родительское растение было гетерозигот-

янм по ген/ зуб.

Количество растений в каждом классе было следующим: гсмо зуб гет зуб гет + гомо + 6 5 3 1

И растепление в этом случае по фенотипу при полном доминировании должно быть:

2гомо эу6 : 2гет зуб : бгет -I- : бгомо ■+ Такое соотношение не соответствует полученному в опыте. }.!ожно предположить, что доминирование нормального гена 5уб неполное, поскольку у родительского растения, гетерозиготного по этому гену, мы нашли мутантные признаки "переключения", "епильки"). Поскольку проявление мутантного гена зуб слабое, отличить гетерозиготу с неполным доминированием от гомозиготы по нутантному гену практически невозможно. Тогда фенотипическому классу гомо эуб кроме генотипов 1П Зуб N зуб

Ш зуб N эуб будут соответствовать еще и генотипы ш + N +

¡п зуб N зуб

а фенотипу гет зуб -

N эуб N +

__и__

1П зуб ¿п эуб и расщепление по фенотипу должно быть следующим: бгомо эуб бгет эуб : 2гет + : 2гомо + Проверив по критерию "Хи-квадрат", мы увидели, что полученные нами данные соответствуют такому расцеплению, т. к. сравнение табличногоХ-'Л31 и фактического £-1.1 при п«3 на 52 уровне значимости дает полное основание для того, чтобы признать это соответствие.

Следовательно, родительское растение, гетерозиготное по инверсии, было гетерозиготным по гену губ с неполным доминированием нормального гена

Проверка гипотезы о сцеплении гена зуб с инвертирован-

- 20 -

ним участком не подтвердилась. ВЫВОДЫ

Злектронномикроскопически исследованы тотальные препараты синаптонемных комплексов (СК) хромосом на стадиях лептотены - диплотены МКП растений ржи из семей в которых выщеплялись мейотические мутанты, характеризующиеся определенным средним числом унивалентов на стадии метафазы I мейоза.

1. Подтверждена синалтическая природа четырех исследованных мутаций (эу2, губ, зу7, эуЮ). Установлено, что эти мутации вызывают качественно сходные аномалии синапсиса хромосом, однако их действие различается количественно: по степени и времени максимального проявления признака (кинетике) в ходе профазы I мейоза. Последнее указывает на полигенный контроль гомологичного синапсиса хромосом в мейозе у ржи.

2. Впервые у десинапгических мутантов диплоидных растений ржи обнаружены специфические нарушения спаривания гомологичных хромосом: смена партнеров синапсиса -"переключения", определяющие формирование мультивален-тов в ходе зиготены и пахитены мейоза, а также формирование "шпилек" по длине осевых элементов хромосом.

3. Количественные разлита действия изученных мутаций выражаются в разных числах "переключений" и "шпилек" на клетку, а также - в различной длине "шпилек" осевых элементов.

4. В семьях, в которых вьщеплялись синаптические мутанты зу10, были обнаружены растения с плотно конденсированными, укороченными хромосомами в метафазе I (мутант иеиО). У этих растений впервые под электронным микроскопом выявлены локальные утолщения осевых элементов хромосом на стадии лептотены и боковых элементов СК на стадиях зиготены и пахитены. Доказано независимое наследование мутаций те410 и эу10.

5. В семье, где вьщеплялись синаптические мутанты зуб, выявлено одно растение, у которого на основе элек-тронномикроскопического анализа СК установлена гете-

- 21 -

розиготность по парацентрической инверсии. Выделено пять самостоятельных типов конфигураций, образуемых боковыми элементами СК в инвертированном и прилегающих к нему участках. Наибольшая частота конфигураций с асинапсисом указывает на отсутствие кроссияговера в участке, гетерозиготном по инверсии. Аналогичное распределение конфигураций боковых элементов СК обнаружено у гетерозигот по инверсии в потомстве Ь от самоопыления этого растения.

6. Впервые данные злектронномикросколического исследования СК служили основой для генетического анализа. Установлено, что родительское растение, гетерозиготное по инверсии, является гетерозиготным и по мутации губ с неполным домлнированием нормального гена БУб. Показано, что мутация губ не сцеплена с участком инверсии.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Федотова ¡0.С. , Гаджиева С.А., Богданов Ю.Ф. Цитологический анализ растений ржи из семей, в которых вьшеплялись кейотические мутанты.- Тезисы 3-ей Всесоюзной конференции по генетике и цитологии ыейоза, Новосибирск, 1390, с. 27-28.

2. Федотова а С. , Коломиец 0. Л. , Гаджиева С. А. Электрон-номикроскогагееский анализ тотайнкг препаратов синаптонем-ных комплексов растения р*и, гетерозиготного по парацентрической инверсии. - Цитология, 1931, т. 33, К 9,-с. 3-11.

3. Гаджиева С. А. , Федотова Ю. С. , Богданов Ю. ф. Изучение синаптокекких комплексов мейотических мутантов ржи методом электронкс-микроскопического анализа распластанных микро-спороцитсв. - Тезисы Всесоюзного совещания 'функциональная морфология клетки", С.-Петербург, 1991, с. 62.