Генетическая система контроля конъюгации хромосом у растений мягкой пшеницы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КОНЪЮГАЦИИ ХРОМОСОМ У РАСТЕНИЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

Л.В. ЦАЦЕНКО

Рассматривается генетическая система, контролирующая конъюгацию хромосом у растений мягкой пшеницы. Описана природа возникновения гена Ph, механизмы его действия на примере нескольких гипотез, система генов промоторов и ингибиторов конъюгации гомеологичных хромосом. Проанализировано влияние добавочных хромосом на конъюгацию. Большое внимание уделено индукции конъюгации гомеологичных хромосом посредством интеграции генов других видов, и представлена информация о достижениях в этой области. Обсуждаются возможности методов хромосомной и молекулярной инженерии.

Необходимость изучения мейоза у растений пшеницы возникла с развитием целого направления в цитогенетике этой культуры, связанного с отдаленной гибридизацией и непосредственным изучением видов трибы Triticeae Dumort, подтрибы Triticinae. Оказалось, что цитогенетическая стабильность созданных природой и искусственных гибридов, а на их основе сортов и возможность оставить потомство зависят от генов, контролирующих поведение хромосом в мейозе (1). У мягкой пшеницы, как у многих видов культурных растений, целостность генома защищена «каскадом генетических систем, канализирующих процессы генетической изменчивости и ограничивающих спектр доступных естественному отбору рекомбинантов» (2). Status quo генофонда эукариот количественно и качественно поддерживается множеством механизмов. На сегодняшний день в селекции озимой пшеницы при непрерывном использовании лучших сортов в качестве исходного селекционного материала имеет место концентрация в селекционном пуле генов, полученных из ограниченных коммерческих источников. В этой связи центральное место в селекционных программах, особенно в экологической генетике, занимает мейотическая рекомбинация, служащая механизмом формирования адаптивно-значимой и доступной отбору генетической изменчивости. хромосома ген конъюгация ингибитор

Проанализируем генетическую систему контроля конъюгации хромосом у растений пшеницы, механизмы ее возникновения и регулирования с целью расширения рекомбинационного потенциала современных сортов озимой пшеницы.

Г е н ы п ш е н и ц ы и е е с о р о д и ч е й, в л и я ю щ и е н а к о н ъ ю г а ц и ю х р о м о с о м. Гексаплоидная форма пшеницы (Triticum aestivum L., 2n = 6x = 42) -- по своей природе естественный гибрид, у которого в мейозе в норме образуется 21 бивалент. После того, как Kihara установил, что этот вид является аллополиплоидом, три генома которого (A, B и D) произошли от трех разных диплоидных видов, такое поведение хромосом в мейозе объяснялось тем, что геномы диплоидных предков пшеницы настолько отдалены друг от друга, что их хромосомы не могут конъюгировать (3). В 1952 году, однако, выяснилось, что это не так. Sears открыл способность компенсировать недостаток одних хромосом избытком других и показал, что все хромосомы пшеницы можно распределить по семи гомеологичным группам (по три в каждой) (4). Далее он доказал, что три хромосомы, составляющие гомеологичную группу, обладают близкими генетическими функциями и происходят от трех диплоидных предков. Эффект хромосомы 5В был обнаружен в 1958 году Sears с соавт. (США) и независимо от них Riley с соавт. (Англия) (5, 6). Это открытие позволило ответить на вопрос, почему хромосомы трех геномов пшеницы, даже будучи генетически близкими, не могут конъюгировать. Локус, ответственный за конъюгацию гомологичных хромосом у гексаплоидной формы пшеницы, сначала обозначили индексом Ph (супрессор конъюгации) (7), а затем Ph1 (8). При удалении длинного плеча хромосомы 5В, где расположен локус Ph1, сразу же обнаружилась скрытая способность к конъюгации не только хромосом гомеологичных групп пшеницы, но и хромосом родственных ей видов (9).

Гены-супрессоры конъюгации гомеологичных хромосом были обнаружены также у растений ряда культур: гексаплоидных форм овса, тетраплоидных образцов табака Nicotiana L., хлопчатника (Gossypium L.), овсяницы (Festuca arundinaceae Shreb. O.), бородача (Bothryiochloa Kuntze), осоковых (Dixhanthim), хризантемы (Сhrysanthemum L.), люцерны (Medicago sativa L.) (10-17). Видимо, существование генетической системы регуляции мейоза является характерным свойством естественных аллополиплоидов.

Вопрос о том, как влияет ген Ph на конъюгацию хромосом, оставался загадкой несколько десятилетий. Первые гипотезы, объясняющие механизм действия этого гена, появились в конце 60-х годов прошлого столетия. Гипотеза Riley с соав., названная ими «временнуй гипотезой», основана на предпосылке, что процесс конъюгации гомологичных хромосом делится на две стадии: I -- притяжения; II -- отталкивания (18). На I стадии могут сближаться как гомологи, так и гомеологи, на II стадии (истинный синапсис) конъюгируют только гомологичные хромосомы.

Riley предположил, что хромосома 5В оказывает влияние на продолжительность стадии притяжения таким образом, что в норме успевают конъюгировать только гомологичные хромосомы; при отсутствии же в геноме хромосомы 5В фаза притяжения становится более продолжительной, что способствует соединению и гомологов, и гомеологов. При этом дополнительная «доза» длинного плеча хромосомы 5В вызывает сокращение стадии притяжения настолько, что не успевают сблизиться даже гомологичные хромосомы.

Согласно пространственной гипотезе Feldman, хромосома 5В обусловливает притяжение гомологов, подавляя сближение гомеологов в соматических клетках, вследствие чего в промейотическом ядре первые располагаются ближе друг к другу, чем вторые, что и определяет строгую бивалентную конъюгацию гомеологичных хромосом у мягкой пшеницы (19). Если хромосома 5В отсутствует, то сближение хромосом не подавляется, и тогда могут конъюгировать как гомологи, так и гомеологи, формируя мультиваленты. Дополнительные «дозы» длинного плеча хромосомы 5В, наоборот, тормозят сближение гомологичных и гомеологичных хромосом, что является причиной асинапсиса у ди- и триизосомиков по хромосоме 5В (20).

В дальнейших исследованиях полиплоидных форм пшеницы были выявлены многочисленные факты, как подтверждающие, так и опровергающие отдельные положения этих гипотез. Так, с помощью геномной гибридизации in situ и использования геномной ДНК ржи было показано, что эффект локуса Ph1 проявляется уже в премейотических клетках, нарушая ассоциации хромосом и меняя структуру хроматина; ген Ph1 предотвращает синапсис и рекомбинацию гомеологичных хромосом (21). В присутствии этого гена сначала сближаются гомологичные центромеры, затем начинается синапсис и рекомбинация гомологичных хромосом.

Третья гипотеза, о которой следует упомянуть, была предложена Upadhya с соавт. и основана на том, что хромосома 5В определяет компактность (скорость и степень сокращения) хромосом при подготовке к конъюгации (22). В присутствии хромосомы 5В проходит быстрое сокращение длины участка гомеологичной рекомбинации и конъюгация гомеологов не происходит. При нуллисомии по 5В-хромосоме сокращение хромосом идет не так быстро, как в присутствии гена Ph. В этом случае хромосомы успевают найти своего гомеологичного партнера и проконъюгировать. Однако позже было обнаружено, что у растений, нуллисомных по хромосоме 6А, компактизация хромосом идет медленно, но при этом конъюгации гомеологов не наблюдается. По-видимому, и эта гипотеза не могла служить ключом к пониманию механизма работы гена Ph1.

При изучении эффекта хромосомы 5В было установлено, что от того, как расположены гомологичные хромосомы в профазе мейоза, зависит их конъюгация. В ряде работ было показано, что не только хромосомы, но и их определенные участки локализованы в ядре не случайно (23). У полиплоидных видов, сложные геномы которых включают несколько простых геномов, существует по крайней мере два уровня взаимодействия хромосом в ядре -- внутри каждого элементарного генома и между отдельными геномами.

Нарушение премейотических связей гомологичных хромосом пшеницы, вызванное воздействием колхицина, приводит к асинапсису в профазе мейоза. Как отмечалось выше, образование ассоциаций гомологов в соматических клетках, возможно, регулируется геном Ph, локализованным на длинном плече хромосомы 5В, поэтому было высказано предположение, что этот ген оказывает влияние на чувствительность к действию колхицина субъединиц белка микротрубочек веретена. Тогда, согласно пространственной гипотезе Feldman, при изменении дозы гена Ph в интерфазном ядре должна, вероятно, измениться и локализация точек контакта хромосом с ядерной мембраной (24). Однако местоположение хромосом в интерфазном ядре строго фиксировано. Движение хромосом в ядре происходит во время метафазы--анафазы митоза и предполагается, что именно на этих стадиях осуществляется перераспределение хромосом в ядре у растений, имеющих различные дозы гена Ph. Важную роль в таком перераспределении играет веретено деления, о чем свидетельствует различная чувствительность к колхицину и другим митостатическим агентам микротрубочек веретена в делящихся клетках корневой меристемы у растений, имеющих различные дозы гена Ph. На основании этих данных был сделан вывод о способности локуса Ph влиять на чувствительность белков микротрубочек веретена (БМВ) к колхицину. БМВ стимулируют сборку микротрубочек и обусловливают их стабильность, то есть эти белки представляют собой главную мишень, на которую действует ген Ph.

Различные стадии мейоза находятся под генетическим контролем, и в зависимости от порядка включения генов в ходе мейоза последние делят на следующие группы: премейотические, мейотические, постмейотические (25). Ген Ph относят к первой группе генов. Исследования ультраструктурных мейоцитов мягкой пшеницы на ранних стадиях профазы мейоза, когда осуществляются последовательные процессы -- синапсис, формирование синаптонемного комплекса (СК) и кроссинговер -- дали новые представления о механизме работы гена Ph, подтвердившие классификацию генов (26).

В раннезиготенных ядрах эуплоидной формы пшеницы были обнаружены мультивалентные СК и интерлокинги, тогда как в позднепахитенных ядрах -- только бивалентные СК (27). Таким образом, несмотря на присутствие гена Ph, происходит конъюгация гомеологичных хромосом, что опровергает положение гипотезы Feldman о строго гомологичной конъюгации хромосом у мягкой пшеницы в присутствии гена Ph (24). Отсутствие мультивалентных СК в поздней пахитене объясняется их распадом и разрывом интерлокингов в результате коррекции. Однако, для того чтобы мультивалентные СК могли распасться, а интерлокинги разорваться, необходимо, чтобы кроссинговер не препятствовал процессу коррекции. На основании этого Hobolth предположил, что роль гена Ph заключается в задержании кроссинговера до конца пахитены, до блокировки процесса распада мультивалентов на строго бивалентные СК (27). В том случае, если ген Ph отсутствует, кроссинговер происходит раньше, когда гомологи еще соединены в мультивалентные СК, и тогда кроссинговер закрепляет последние посредством образования хиазм (28). Эту модель действия гена Ph можно рассматривать как вариант «временнуй гипотезы» Riley (29).

Для понимания природы гена Ph представляется важным рассмотреть вопрос о его происхождении. Существует четыре возможных источника возникновения гена Ph: он уже присутствовал у диплоидных видов, которые являются предполагаемыми донорами генома В; был передан хромосоме 5В посредством добавочных хромосом; возник как мутация, после образования амфидиплоида ААВВ; проявился у мягкой пшеницы как гомеоаллель гена Ph у эммера. Первая гипотеза была предложена Wains, который аргументировал ее тем, что при гибридизации с диплоидными видами (возможными источниками генома В) гомеологичная конъюгация хромосом подавляется (30). Видимо, по мнению автора гипотезы, супрессор конъюгации гомеологичных хромосом возник как изолированный механизм, предотвращающий обмен генов между представителями разных видов.

Однако эту гипотезу пришлось пересмотреть после того, как открыли гены-супрессоры конъюгации хромосом у растений ржи (31). Из этого открытия следовало, что существуют диплоиды, родственные пшенице, имеющие супрессоры конъюгации хромосом, то есть гипотеза несостоятельна.

По второй гипотезе, ген Ph появился как транслокационный сегмент, который был перенесен от добавочных хромосом T. speltoides в геном T. aestivum (32). Однако и в этом случае нет доказательств существования гена Ph на добавочных хромосомах и соответственно того, что он мог быть передан при рекомбинации. Возможно, добавочные хромосомы поддерживали бивалентную конъюгацию хромосом у амфидиплоида ААВВ.

Из-за отсутствия доказательств двух первых гипотез происхождение гена Ph как мутации у тетраплоида ААВВ кажется наиболее вероятным (33). У каждого диплоидного вида пшеницы существуют гены-промоторы и гены-ингибиторы, которые входят в систему генетической регуляции конъюгации хромосом. Оба эти типа генов могли мутировать с образованием у тетраплоидов гена Ph (34). Если бы это были супрессоры конъюгации, то ген Ph мог возникнуть только в качестве некоторого типа дупликации или множества дупликаций, как, например, ген Q (скверхедный тип колоса) от гена q гексаплоидной формы пшеницы (35). Если же источником гена Ph служил промотор, то он появился в результате спонтанной мутации (антиморфная) у диплоидных видов (36). Feldman объяснил такой механизм передачи мутации как простое наследование, подобно хлорофилльной мутации у гексаплоидной формы пшеницы (37). Гипотеза возникновения гена Ph на тетраплоидном уровне предусматривает, что хромосомы тетраплоидного эммера T. dicoccum полностью компенсировали отсутствие хромосомы 5В у T. timopheevii (38). Возможно, тетраплоид обладает одинаковыми Ph-генами, которые контролируют бивалентную конъюгацию хромосом. Присутствие генов, подобных гену Ph у T. timopheevii, позволяет предположить, что тетраплоидные виды произошли от общих амфидиплоидных предков после возникновения системы Ph-генов. Видимо, ген Ph у T. timopheevii, согласно этой гипотезе, появился как гомеоаллель гена Ph у эммера.

У T. aestivum как вида с высоким уровнем плоидности (2n = 6x = = 42) и сложным геномом (ААВВDD) образование системы, отвечающей за генетическую стабильность вида, было просто необходимо. Из всех рассмотренных гипотез две последние наиболее аргументированы, что позволяет рассматривать возникновение гена Ph на тетраплоидном уровне. Однако вопрос о том, как возник ген Ph, остается до конца нерешенным.

Помимо гена Ph у пшеницы существуют и другие гены, препятствующие конъюгации гомеологичных хромосом, которые расположены на хромосомах следующих групп: первой -- 1B (39, 40); второй -- 2A^L, 2B^L, 2D^L (41); третьей -- 3A^S (42, 43), 3B^S (44), 3D^S (22, 45-47); четвертой -- 4D (46); пятой -- 5D (48); седьмой -- 7A (49), 7D^S (50).

Mello-Sampayo установил, что число конъюгирующих хромосом возрастало при отсутствии бета-плеча хромосомы 3D, даже если хромосома 5В присутствовала (47). На основании этого было высказано предположение, что хромосома 3D тоже должна иметь гены-супрессоры, которые подавляют эффект хромосомы 5В. Позднее было обнаружено наличие подобного супрессора на бета-плече хромосомы 3А (46). Эти данные свидетельствовали о том, что роль хромосомы 5В как супрессора конъюгации -- не исключительная привилегия этой хромосомы. Доказательства были получены при скрещивании растений T. aestivum (моносомик по хромосоме 3D) c T. sharonensis и T. aestivum (моносомик по хромосоме 3D) с Secale cereale.

В зависимости от того, как гены влияют на конъюгацию хромосом, их делят на главные и второстепенные (мажорные и минорные супрессоры конъюгации хромосом). Подобное деление основано, видимо, на том, что первые затрагивают многие стадии конъюгации хромосом и процессов, связанных с ними, а вторые -- лишь отдельные стадии, что не позволяет им в полной мере ингибировать конъюгацию гомеологов. Так, второстепенный супрессор конъюгации ген Ph2 (хромосома 3В) отличается от главного гена Ph1 (хромосома 5В) по следующим признакам: ген Ph2 не оказывает влияния на взаимосвязи хромосом, в то время как от гена Ph1 зависит пространственное распределение хромосом в премейотическом ядре (51); у растений, нуллисомных по хромосоме 3В, в мейозе не наблюдается интерлокинг бивалентов, видимо, гены хромосомы 3В не затрагивают этот процесс, в отличие от гена Ph1 (48); гены хромосомы 3В влияют на постзиготенную стадию мейоза, в то время как ген Ph1 действует как на пре-, так на и постзиготенную стадию мейоза (51).

Из четвертой гомеологичной группы только хромосома 4D известна как супрессор конъюгации гомеологичных хромосом; ее относят к малым супрессорам.

В пятой группе кроме хромосомы 5В идентифицированы супрессоры гомеологичной конъюгации хромосом на длинном плече хромосомы 5D. Ранее считалось, что хромосома 5D несет на обоих плечах только промоторы конъюгации (37). Однако Viegas c соавт. при исследовании мутантных линий сорта Чайниз Спринг обнаружили, что длинное плечо хромосомы 5D обладает не только промотором, но и супрессором конъюгации гомеологов, который они обозначили как ген Ph3 (48). Следовательно, супрессия конъюгации хромосом контролируется тремя генами: Ph1 (5В); Ph2 (3В); Ph3 (5D). При анализе мейоза у маркерных телоцентрических линий яровой пшеницы сорта Кога II отмечено, что короткое плечо хромосомы 7D несет ген(ы), обеспечивающий(щие) нормальную бивалентную конъюгацию хромосом (50). Отсутствие короткого плеча хромосомы 7D (у монотелоцентриков) приводит к асинапсису.

К промоторам конъюгации хромосом относят гены, расположенные на хромосомах следующих групп: первой -- 1A, 1D (49); второй -- 2A^S, 2B^S (52, 53), 2D^S (54, 55); третьей -- 3А^L (47), 3B^L (56), 3D^L (42, 47); пятой -- 5А^L (24), 5В^S (57), 5D (48, 58); седьмой -- 7D^S (49). Обнаружить способность хромосом второй группы стимулировать конъюгацию гомеологичных хромосом удалось при изучении мейоза у гибридов F₁ анеуплоидных линий сорта Чайниз Спринг (тетрасомики по хромосомам 2А, 2В и 2D), моносомиков по хромосоме 2D, дителосомиков по короткому и длинному плечу хромосомы 2D, использованных в качестве материнских растений при скрещивании с Ae. variabilies, S. cereale и двумя линиями Ae. longissima.

Хромосомы второй группы на коротком плече несут гены-промоторы, а на длинном -- гены-ингибиторы конъюгации гомеологичных хромосом, однако свойства промоторов проявляются интенсивнее. По этой причине вторую группу хромосом рассматривают как стимулирующую конъюгацию гомеологов у образцов и гибридов пшеницы (41).

Хромосомы третьей группы в большей степени выступают как супрессоры конъюгации гомеологичных хромосом, однако они обладают и свойствами промоторов. Driscoll с соавт., изучая конъюгацию хромосом в МI мейоза у гибридов T. aestivum T. kotschyi, наблюдали увеличение числа мультивалентов в отсутствие короткого плеча хромосомы 3D (59). Гены-промоторы хромосом 3А и 3D оказывали более слабое влияние на конъюгацию гомеологов, чем таковые хромосомы 3В. Хромосома 5D является одним из сильных промоторов конъюгации гомеологичных хромосом из пятой группы. Объяснить ее преимущество по отношению к другим хромосомам можно тем, что промоторы конъюгации у нее расположены как на длинном, так и на коротком плече. Хромосома 5А оказывает незначительное влияние на конъюгацию, уступая хромосомам 5В и 5D. Эффект влияния хромосом первой и седьмой групп на конъюгацию невелик по сравнению с воздействием хромосом второй, третьей и пятой групп.

Гены-промоторы конъюгации хромосом 2В, 2А, 3В, 3D и 5D локализованы на одном плече, а гены-супрессоры -- на другом; хромосома 5А несет гены-промоторы конъюгации на обоих плечах. Каждая из хромосом второй, третьей и пятой групп на обоих плечах несет гены, контролирующие конъюгацию хромосом, хотя часто эти гены являются антиморфными (41). Антиморфные гены каждой хромосомы различаются между собой. Так, у хромосом 3D и 5D гены-ингибиторы активнее, чем гены-активаторы гомеологичной конъюгации хромосом, а у хромосом 2D, 3А и 5В -- наоборот.

Итак, геном T. aestivum обладает сложной генетической системой контроля конъюгации хромосом, в которую входят гены-ингибиторы и гены-промоторы: первые обусловливают конъюгацию гомологичных, вторые -- гомеологичных хромосом. Роль генетической системы, отвечающей за контроль конъюгации хромосом, заключается в обеспечении высокой стабильности генома пшеницы, что позволило виду сохранить генетическую константность в процессе эволюции.

В трибе Triticeae существуют виды, способные стимулировать конъюгацию гомеологичных хромосом при гибридизации с Triticum. К наиболее сильным промоторам конъюгации хромосом относятся Ae. speltoides и Ae. mutica, при гибридизации которых с представителями Triticum наблюдается высокая степень конъюгации хромосом в мейозе, сравнимая с таковой у растений, нуллисомных по хромосоме 5В (60).

Вид Ae. speltoides является полиморфным по способности стимулировать конъюгацию гомеологов. Неодинаковая частота образования хиазм при скрещивании одного и того же сорта пшеницы с различными образцами Ae. speltoides свидетельствует о существовании генотипов, обладающих разной степенью ингибирования эффекта хромосомы 5В. Согласно классификации Kimber с соавт., выделяют высоко-, средне- и низкоэффективные генотипы по способности стимулировать конъюгацию гомеологичных хромосом (61). При этом у гибридов от скрещивания с образцами Ae. speltoides, имеющими высоко-, средне- и низкоэффективный генотип, в MI мейоза выявлено в среднем соответственно 11-12, 1-9 и 0-3 бивалентов и 0-6, 0-3 и 0-1 мультивалентов на одну клетку (62). Кроме перечисленных видов Ae. mutica обладает таким же разнообразием генотипов, как и Ae. speltoides, но их эффект проявляется в меньшей степени.

К промоторам конъюгации гомеологичных хромосом можно отнести также следующие виды: Ae. caudata, Ae. cylindrica, Ae. kotschyi, Ae. umbellulata, Ae. variabilies, Ae. longissima, Ae. tripsacoides (63-67).

Супрессоры гена Ph были обнаружены и у представителей других родов трибы Triticeae -- пырея (Agropyron intermedium) (68) и ржи (S. cereale) (69-72). У ржи, как и у пшеницы, контроль за мейозом осуществляется многими генами. Анализ конъюгации хромосом в F₁ отдаленных гибридов показал, что генотипы Hordeum parodii, H. californicum могут подавлять действие хромосомы 5В и, следовательно, выступать в качестве промоторов гомеологичной конъюгации хромосом (73).

В л и я н и е н а к о н ъ ю г а ц и ю в м е й о з е д о б а в о ч- н ы х х р о м о с о м. Рассмотрение вопроса о генетическом контроле конъюгации хромосом у пшеницы будет неполным, если не остановиться на эффекте добавочных хромосом, которые, как и многие перечисленные ранее факторы, влияют на конъюгацию хромосом. Впервые этот феномен был обнаружен при изучении мейоза у гибридов Lolium temulentum L. perenne: при отсутствии хромосомы В в МI мейоза появились мультиваленты как результат гомеологичной конъюгации; при наличии добавочных хромосом не происходило конъюгации гомеологов (74).

Dover с соавт. одними из первых обнаружили в трибе Triticeae у видов Ae. speltoides и Ae. mutica добавочные хромосомы, которые, подобно гену Ph, блокировали конъюгацию гомеологичных хромосом (60). У гибридов мягкой пшеницы (T. aestivum) с Ae. speltoides и Ae. mutica, нуллисомных по хромосоме 5В, но имеющих добавочные хромосомы, степень конъюгации хромосом была такой же, как и в присутствии хромосомы 5В.

При увеличении числа добавочных хромосом меняется и характер их влияния на конъюгацию. Так, у гибридов пшеницы, в геноме которых имелась одна хромосома В Ae. speltoides, конъюгация гомеологичных хромосом подавлялась в меньшей степени, чем у таковых с двумя и более добавочными хромосомами. В случае шести добавочных хромосом наблюдалось общее снижение степени конъюгации хромосом не только у гибридов, но и у родительской формы Ae. speltoides (75).

Долго оставался открытым вопрос о том, каким образом добавочные хромосомы влияют на конъюгацию хромосом. Ответить на этот вопрос удалось лишь после того, как была выявлена способность добавочных хромосом Ae. speltoides и Ae. mutica разрушать митотическое веретено. Дополнительные хромосомы этих видов характеризуются высоким содержанием сателлитной ДНК, которая, возможно, нарушает нормальное функционирование таковой хромосом основного набора (76, 77). Нарушение целостности сателлитной ДНК хромосом основного набора отражается и на стабильности митотического веретена, вследствие чего меняется и пространственное расположение хромосом в премейотическом ядре. Можно предположить, что добавочные хромосомы обладают способностью ограничивать гомеологичную конъюгацию хромосом у гибридов пшеницы (подобно хромосоме 5В) посредством влияния на взаимосвязи хромосом в течение и после последнего премейотического митоза (78). Позже был обнаружен эффект добавочных хромосом ржи на конъюгацию хромосом. Однако В-хромосомы ржи незначительно влияют на конъюгацию хромосом у гибридов с T. aestivum, независимо от того, присутствует или отсутствует хромосома 5В (79).

И н д у к ц и я к о н ъ ю г а ц и и г о м е о л о г и ч н ы х х р о м о с о м у р а с т е н и й п ш е н и ц ы. Сужение генетической основы T. aestivum L. за счет использования одних и тех же доноров в селекции на продуктивность и устойчивость к грибным болезням часто приводит к эпифитотийным ситуациям и огромному экономическому ущербу. Стратегия генетической защиты сортов пшеницы от болезней и вредителей предусматривает обогащение зародышевой плазмы генами сородичей. Однако использование в селекционном процессе генотипов, создаваемых методом отдаленной гибридизации, часто затруднено из-за несбалансированности генома гибридов и экспрессии ряда нежелательных генов, полученных от дикорастущих видов.

Интрогрессия чужеродного генетического материала в геном растений пшеницы затруднена из-за сложной генетической системы регуляции мейоза, где главную роль выполняет ген Ph, препятствующий конъюгации гомеологичных хромосом. В связи с этим были разработаны методы, инициирующие конъюгацию гомеологичных хромосом: удаление из генома хромосомы 5В (нуллисомик по хромосоме 5В); делеция локуса, несущего ген Ph; подавление активности гена Ph посредством скрещивания с эгилопсом дикого вида, несущим гены гомеологичной конъюгации хромосом.

В цитогенетической и селекционной практике для повышения частоты рекомбинации между чужеродными хромосомами зачастую используют эффект нуллисомии по 5В-хромосоме. Поскольку нуллисомики по хромосоме 5В характеризуются слабой жизнеспособностью, то их заменяют нуллитетрасомиками. Так, с помощью нулли-5В-тетра-5D осуществлен перенос небольшого локуса, контролирующего устойчивость к Puccinia recondita, от хромосомы 7D Agropyron elongatum (Host) Beauv. в хромосому 7D T. aestivum (36).

Использование двух первых методов при получении транслокаций приводит к нарушению баланса генома пшеницы. Наиболее оптимальный вариант -- это взаимные обмены между хромосомами пшеницы и отдаленных видов, что обеспечивает стабильное состояние генома пшеницы. Интеграция хромосом пшеницы с чужеродными хромосомами может быть достигнута также при естественной рекомбинации участков гомеологичных хромосом. Преимущество третьего метода по сравнению с двумя первыми состоит в том, что при обмене гомологичными участками хромосом может передаваться очень небольшой участок чужеродной хромосомы. В результате несбалансированность генотипа при такой естественной рекомбинации может быть сведена до минимума. Так, было показано, что вклад гена ph1b в общий уровень конъюгации составляет 16 %, а генотипа Ae. speltoides, характеризующегося высокой степенью гомеологичной конъюгации, -- 42 % (80). Привлечение в геном мягкой пшеницы гена ph1b может привести к взаимным реципрокным транслокациям, а также нежелательным селекционным последствиям (80). Индукция конъюгации гомеологичных хромосом с помощью генома Ae. speltoides как одного из сильных супрессоров гена Ph впервые была применена в селекции мягкой пшеницы Riley с соавт., которые скрещивали линию T. aestivum с дисомным добавлением хромосомы 2М от Ae. comosa (материнская форма) c Ae. speltoides (отцовская форма) (81). В результате была получена форма пшеницы T. aestivum, устойчивая к желтой ржавчине (обусловлена хромосомой 2М Ae. comosa). Синтезированный сложный гибрид в дальнейшем беккроссировали с T. aestivum. В F₃ была выделена 42-хромосомная форма, устойчивая к ржавчине, гетерозиготная по доминантному гену устойчивости и образующая в мейозе 21 бивалент. Новый аллель обозначили индексом Yr₈, а полученную форму пшеницы назвали Компайер.

Dvorak удалось передать устойчивость к расе возбудителя листовой ржавчины от T. speltoides к T. aestivum (82). Выбранные пять образцов T. speltoides, устойчивые к этой расе возбудителя листовой ржавчины, были скрещены и беккроссированы 4-5 раз с сортами мягкой пшеницы Manitou и Neepana. Устойчивость к возбудителю, по-видимому, контролируется одним не полностью доминантным геном, так как большинство гетерозиготных устойчивых растений характеризовалось нормальной конъюгацией хромосом в мейозе и в их потомстве наблюдалось монофакторное расщепление 3:1 (устойчивые:восприимчивые). На основании анализа расщепления был сделан вывод о том, что гены устойчивости T. speltoides интегрированы в хромосомах сортов T. aestivum.

С помощью гомеологичной конъюгации хромосом пшенице от T. speltoides были переданы гены устойчивости к стеблевой ржавчине и мучнистой росе (соответственно Sr-32 и Pm-12) (83, 84). При использовании этого метода были получены рекомбинантные генотипы с комплексом хозяйственно ценных признаков от T. kihara и Ae. triuncialis, отобраны образцы Ae. speltoides, имеющие высокую степень гомеологичной конъюгации хромосом (К-205, К-452, К-1316, К-1596) и новые гены устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе (К-62903, К-62904, К-62905) (85). Удалось выделить гены устойчивости к бурой ржавчине от Ae. speltoides и Ae. variabilies c помощью геномно-замещенной формы Авродес (86). В работе Friebe с соавт. получены хромосомно-дополненные линии T. aestivum--Ae. speltoides (87).

На сегодняшний день в создании новых сортов и линий озимой пшеницы посредством гомеологичной конъюгации хромосом просматривается два подхода: «смешивание геномов» на основе методов хромосомной инженерии, когда один из субгеномов замещается геномом дикого вида с генами устойчивости к тем или иным факторам среды (88); молекулярный подход, предложенный Feldman с соавт., основан на выделении хромосомно-специфических последовательностей в геноме пшеницы и их активации, что определяет инициацию конъюгации хромосом (89). Каждый из этих подходов имеет свои достоинства и недостатки, связанные с продолжительностью работы, точностью и безопасностью методов. Процесс мейотического деления зависит у представителей Triticum от многих факторов и проходит под четким контролем генов. Наметившаяся в последнее время тенденция получения новых сортов и линий со сложной гибридной природой показывает, что в этих случаях можно наблюдать такие же аномалии мейоза, как и при воздействии химических и физических агентов. Следующий большой круг проблем может быть связан с разработкой методов генетического мониторинга, обеспечивающих слежение, контроль и прогноз возможных изменений генотипа образцов озимой пшеницы в меняющихся условиях агросреды.

Литература

1. Г о л у б о в с к а я И.Н. Мейоз и гены. Природа, 1997, 10: 63-72.

2. Ж у ч е н к о А.А. Экологическая генетика культурных растений. Самара, 2003.

3. K i h a r a H. Genomalyse boi Triticum and Aegilops XII. Uber die Ergebnisse der Jahre 1934-1936. Met. Cell. Agr. Kyoto, 1973, 41: 1-61.

4. S e a r s E. Homoeologous chromosomes in Triticum aestivum. Genetics, 1952, 37.

5. S e a r s E., O k a m o t o M. Intergenomic chromosome relationships in hexaploid wheat. Proc. 10 Int. Cong. Genet. Monreal, Canada, 1958, 2: 258-259.

6. R i l e y R., C h a p m a n V. Genetic control of the cytologically diploid behavior of hexaploid wheat. Nature, 1958, 182: 713-715.

7. W a l l A., R i l e y R., G a l e C. The position of a locus on chromosome 5B Triticum aestivum affecting homoeologous meiotic pairing. Genet. Res., 1971, 18: 329-339.

8. M c I n t o s h R.A. Catalogue of gene symbols for wheat. Ann. Wheat. Newsl., 1979, 25: 17-19.

9. R i l e y R., L a w N. Genetic variation in chromosome pairing. Advances in Genetics, 1965, 13: 57-114.

10. T h o m a s H., A l - A s a r i N. Genetic control of chromosome pairing in amphidiploids involving the cultivated oat Avena sativa L. Euphitica, 1988, 37, 1: 37-45.

11. G e r s t e l D.U. Evolutionary problems in some polyploid crop plants. See Reg., 1966, 72: 481-504.

12. K i m b e r G. Basis of the diploid like behavior of polyploid cotton. Nature, 1961, 191: 98-100.

13. E n d r i z z i J.E. The diploid-like cytological behavior of tetraploid cottons. Evolution, 1962, 16: 325-329.

14. J a u h a r P.P. Genetic control of diploid-like meiosis in hexaploid tall fescue. Nature, 1975, 254: 295-297.

15. C h e d a H.R., H a r l a n J.R. Mode of chromosome association in Bothriochloa hybrids. Caryologia, 1962, 15: 461-467.

16. W a t a n a b e K. Studies on the control of diploid like meiosis in polyploid taxa of chrysanthemum. 4. Colchiploids and the process of cytogenetic diploidization. Theor. Appl. Genet., 1983, 66: 9-14.

17. W e n d e l J.F. Genome evolution in polyploids. Plant Mol. Biol., 2000, 42: 225-249.

18. R i l e y R., C h a p m a n V., Y o u n g R. e.a. Control of meiotic chromosome pairing by the chromosomes of homoeologous group 5 of Triticum aestivum. Nature, 1966, 212: 1475-1477.

19. F e l d m a n M., M e l l o - S a m p a y o T., S e a r s E. Somatic association in Triticum aestivum. Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), 1966, 56: 1192-1199.

20. z k a n H., L e v y A.A., F e l d m a n M. Allopolyploidy -- induced rapid genome evolution in the wheat (Aegilops-Triticum) group. Plant Cell, 2001, 13: 1715-1747.

21. С о с н и х и н а С.П., К и р и л л о в а Г.А., С м и р н о в В.Г. и др. Генетический контроль синапсиса хромосом в мейозе у ржи Secale cereale L., ген sy19, вызывающий гетерологичный синапсис. Генетика, 2001, 37, 1: 81-90.

22. U p a d h y a M.D., S w a m i n a n t h a n M.S. Mechanism regulating chromosome pairing in Triticum. Biol. Zbl., 1967, 87: 239-255.

23. A v i v i L., F e l d m a n M. Arrangement of chromosomes in the interphase nucleus of plants. Hum. Genet., 1980, 55: 281-295.

24. F e l d m a n M. The effect of chromosomes 5B, 5D and 5A on chromosomal pairing in Triticum aestivum. Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), 1966, 55: 1447-1453.

25. Б о г д а н о в Ю.Ф. Изменчивость и эволюция мейоза. Генетика, 2003, 39, 4: 453-473.

26. Т и м о ф е е в а Л.П. К вопросу о гомологичной и гомеологичной конъюгации хромосом. В сб.: Цитология зерновых культур. Таллинн, 1990: 129-140.

27. H o b o l t h P. Chromosome pairing in allohexaploid wheat var. Chinese Spring. Transformation of multivalents into bivalents, a mechanism for exclusive bivalent formation. Carlsberg. Res. Commun, 1981, 46: 129-173.

28. H o l m P. Ultrastructural analysis of meiotic recombination and chiasma formation. Tokai J. Exp. and Clin. Med., 1986, 11, 6: 415-436.

29. R i l e y R. Cytogenetics and evolution of wheat. Essays on crop plant. Cambridge, 1965: 101-122.

30. W a i n s J. A model for the origin of diploidizing mechanisms in polyploid species. Am. Nat., 1976, 110: 46-61.

31. D v o r a k J. Chromosomal distribution of genes in diploid Elytrigia elongata that promote or suppress pairing of wheat homoeologous chromosome. Genome, 1987, 29, 1: 34-40.

32. D o v e r G. The genetics and interaction of «A» and «B» -- chromosomes controlling chromosome pairing in the Triticinae. Proc. 4^th Intern. Wheat Genet. Symp. Columbia, Missouri, 1973: 653-666.

33. М о р и с Е., С и р с Э. Цитогенетика пшеницы и родственных форм. В кн.: Пшеница и ее улучшение. М., 1970: 33-110.

34. R i l e y R., K e m p a n n a C. The homoeologous nature of the nonhomoeologous meiotic pairing in Triticum aestivum deficient for chromosome V (5B). Heredity, 1963, 3: 287-306.

35. M u r a m a t s u M. Dosage effect of spelta gene of hexaploid wheat. Genetics, 1963, 48: 469-482.

36. S e a r s E. The nature of mutation in hexaploid wheat. Symp. Biol. Hung. Budapesht, 1972, 12: 73-82.

37. F e l d m a n M. Regulation of somatic association and meiotic pairing in common wheat. Sec. Ref., 1968, 10: 31-40.

38. D h a l i w a l H.S. The Ph gene and the origin of tetraploid wheats. Genetica, 1977, 47, 3: 177-182.

39. D a r v e y N.Z., L a r t e r E.N. Monosomic segregation in heхaploid Triticale. c.v. «Rosnes». EWAC Newslett, USA, 1974, 4: 70-71.

40. S c o l e s C.J., K a l t s i k e s P.L. The cytology and cytogenetics of Triticale. Z. Pflanzenzucht, 1974, 73: 13-43.

41. C e o l o n i C., S t r a u s s I., F e l d m a n M. Effect of different doses of group-2 chromosomes on homoelogous pairing in intergeneric wheat hybrids. Can. J. Genet. Cytol., 1986, 28, 2: 240-246.

42. D r i s c o l l C.J. Genetic suppression of homoeologous chromosome pairing in hexaploid wheat. Can. J. Genet. Cytol., 1972, 14: 39-42.

43. M e l l o - S a m p a y o T., C a n a s A. Supressors of meiotic chromosome pairing in common wheat. Proc. 4^th Wheat Genet. Symp. Columbia, Missouri, 1973: 709-713.

44. K a t o T., G a m a g a t a H. Analysis of the action of 3B chromosome on meiotic. Homologous pairing in common wheat. Proc. 6^th Int. Wheat Genet. Symp. Japan, Kyoto, 1983: 321-325.

45. A t t i a T., E k i n g e n H., R o b b e l e n Y. Origin of 3D-supressor of homoeologous pairing in hexaploid wheat. Zeitschrift fur Pflanzeizruht., 1979, 83, 2: 121-126.

46. D r i s c o l l C.J. Minor suppressors of homoeologous pairing in wheat. Genetics, 1973, 74: 566-570.

47. M e l l o - S a m p a y o T. Genetic regulation of meiotic chromosome pairing by chromosome 3D of Triticum aestivum. Genet. Iber., 1971, 24: 97-104.

48. V i e g a s W.S., M e l l o - S a m p a y o T., F e l d m a n M. e.a. Reduction of chromosome pairing by spontaneous mutation on chromosomal arm 5D^l of Triticum aestivum. Can. J. Genet. Cytol., 1980, 22: 569-575.

49. G a l e M.D., M i l l e r T.E. Introduction an alien variation in wheat. In: Wheat breeding: its scientific basis /Ed. E.G.H. Lupton. London, 1987: 173-210.

50. L a w C.N., W o r l a n d A.J. Asynapsis genes of wheat. EWAC Newslett, USA, 1974, 4: 9-10.

51. K a t o T., G a m a g a t a H. Effect of 3B deficiency on the meiotic pairing between the arms of an isochromosome in common wheat. Jpn. J. Genet., 1982, 57: 403-406.

52. R i l e y R., C h a p m a n V., K i m b e r G. Position of the gene determining the diploid-like meiotic behavior of wheat. Nature, 1960, 186: 259-260.

53. S e a r s E.R. Mutations in wheat that raised level of meiotic chromosome pairing. Gene manipulation in crop plants. Proc. 16^th Stadler Genet. Symp. Colombia, Missouri, USA, 1984: 296-300.

54. Ж и р о в Е.Г., Б е с с а р а б К.С., Г у б а н о в а М.А. Генетическое изучение частичного десинапсиса у мягкой пшеницы. Генетика, 1973, 9, 4: 18-29.

55. C e o l o n i C., F e l d m a n M. Effect of Ph2 mutants promoting homoeologous pairing on spindle sensitivity to colchicine in common wheat. Genome, 1987, 29, 4: 658-663.

56. K e m p a n n a C., R i l e y R. Relationships between the genetic effects of deficies for chromosome III and V of meiotic pairing in Triticum aestivum. Nature, 1962, 195: 1270-1273.

57. R i l e y R., C h a p m a n V. Effect of 5B^S in suppressing the expression of altered doses of 5B^L on meiotic chromosome pairing in Triticum aestivum. Nature, 1967, 216: 60-62.

58. B a y l i s s M.W., R i l e y R. An analysis of temperature-dependent asynapsis in Triticum aestivum. Genet. Res., 1972, 20: 193-200.

59. D r i s c o l l C.J., Q u i n n C.J. Genetic variation in Triticum affecting the level of chromosome pairing in intergeneric hybrids. Can. J. Genet. Cytol., 1970, 12: 278-282.

60. D o v e r G., R i l e y R. The prevention of pairing of homoeologous meiotic chromosomes of wheat by an activity of supernumerary chromosomes of Aegilops. Nature, 1972, 240: 159-161.

61. K i m b e r G., A t h w a l R. A reassessment of the course of evolution of wheat. Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), 1972, 69, 4: 912-915.

62. R u b e n s t e i n J., K i m b e r G. The effect of the S-genome of T. speltoides on the pairing of homoeologous chromosomes of T. aestivum L. Wheat Inform. Serv., 1976, 41-42: 5-7.

63. S i m e o n e R., B l a n c o A. Chromosome pairing in hybrids between Triticum turgidum L. and Aegilops caudata L. Cereal Res. Commun., 1987, 15, 2-3: 157-160.

64. G i o r g i B., B a r b e r a F. Increase of homoeologous pairing in hybrids between a Ph mutant of Triticum turgidum L. var. durum and two tetraploid species of Aegilops: Aegilops kotschyi and Aegilops cylindrica. Cereal Res. Commun., 1981, 9, 2: 205-211.

65. R i l e y R., C h a p m a n V., M i l l e r T. The determination of meiotic chromosome pairing. Proc. 4^th Int. Wheat Genet. Symp. Colombia, Missouri, 1973: 731-738.

66. F a r o o g S., I g b a t N., S h a n T.M. Promotion of homoeologous pairing in the hybrids of Triticum aestivum Aegilops variabilies. Genome, 1989a: 567-569.

67. M e l l o - S a m p a y o T. Promotion of homoeologous pairing in hybrids of Triticum aestivum Ae. longissima. Genet. Iber., 1971, 23: 1-6.

68. G u p t a P.K., F e d a k G. Intergeneric hybrids between Triticosecale cv. Welsh (2n = 42) and three genotypes of Agropyron intermedium (2n = 42). Can. J. Genet. and Cytol., 1986, 28, 2: 176-179.

69. D v o r a k J. Effect of rye on homoeologous chromosome pairing in wheat and rye hybrids. Can. J. Genet. Cytol., 1977, 19, 3: 549-556.

70. M i l l e r J. The homoeologous relationship between the chromosomes of rye and wheat. Can. J. Genet. Cytol., 1984, 26, 5: 578-589.

71. B e r n a r d M., S a i g n e B. Study of some genetic factors promoting homoeologous chromosome pairing in wheat-rye hybrids. Proc. 3^rd EUCARPIA Meet. Cereal. Sec. Triticale (Clermont-Ferrand, 2-5 Jill., 1984). Paris, 1985.

72. N a r a n j o T., G i r a l d e z R., G o e c o e c h e a P.C. Chromosome pairing in hybrids of phIb mutant wheat with rye. Genome, 1988, 30, 5: 639-646.

73. G u p t a P.K., F e d a k G. Variation in induction of homoeologous pairing among chromosomes of 6x Hordeum parodii as a result of three triticale (Triticosecale Wittmark) cultivars. Can. J. Genet. and Cytol., 1986, 28, 3: 420-425.

74. E v a n s G.M., M a c e f i e l d A.J. The effect of B-chromosomes on homoeologous pairing in species hybrids. I. Lolium temulentum Lolium perenne. Chromosoma, 1973, 41: 63-73.

75. D o v e r G. The heterogenety of B-chromosome DNA: no evidence for a B specific repetitive DNA correlated with B-chromosome effects on meiotic pairing in the Triticinae. Chromosoma, 1975, 53: 153-173.

76. V a r d i A., D o v e r G. The effect of B-chromosomes on meiotic and premiotic spindles and chromosome pairing in Triticum Aegilips hybrids. Chromosoma, 1972, 38, 4: 367-385.

77. G i b s o n I., H e w i t t G. Isolation of DNA from B-chromosomes in grasshoppers. Nature (London), 1970, 225: 67-68.

78. n t a S., T a n a k a M. Genome relationships between Ae. mutica and other diploid Aegilops and Triticum species, based on the chromosome pairing in the hybrids or without B-chromosomes. Proc. 6^th Int. Wheat Genetics. Japan, 1983: 983-991.

79. L e l l e y T. The effect of supernumerary chromosomes of rye on homoeologous pairing in hexaploid wheat. Z. Pflanzenzucht, 1976, 77, 4: 281-285.

80. Л а п о ч к и н а И.Ф. Взаимодействие ph1b-гена мягкой пшеницы Triticum aestivum L. с генотипом Aegilops speltoides Tausch. Генетика, 1995, 31, 4: 510-513.

81. R i l e y R., C h a p m a n V., J o h n s o n R. The incorporation of alien disease resistance into wheat by genetic interference with the regulation of meiotic chromosome synapsis. Genet. Res., 1968, 12: 198-218.

82. D v o r a k J. Transfer of leaf resistance from Aegilops speltoides to Triticum aestivum. Can. J. Genet. Cytol., 1977, 19: 133-141.

83. S h e p h a r d K.W., I s l a m A.K. Fourth compendium of wheat alien chromosome lines. Proc. 7^th Int. Wheat Genet. Symp. Columbia, USA, 1988, 2: 1373-1381.

84. Я ч е в с к а я Г.Л., Н а у м о в А.А. Использование метода отдаленной гибридизации в селекции пшеницы. Обзор МС Агропроминфор. М., 1990.

85. Л а п о ч к и н а И.Ф. Реконструкция генома мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) при отдаленной гибридизации. Автореф. докт. дис. Немчиновка, 1999.

86. Ц а ц е н к о Л.В. Конъюгация хромосом у гибридов пшеницы и геномно-замещенных форм Аврозис и Авродес с видами Aegilops kotschyi Boiss. и Aegilops variabilies Eig. Цит. и ген., 1994, 28, 5: 6-10.

87. F r i e b e B., Q i L.L., N a s u d a S. e.a. Development of a complete set of Triticum aestivum--Aegilops speltoides chromosome addition lines. Theor. and App. Genet., 2000, 101, 1-2: 51-58.

88. Ж и р о в Е.Г., Т е р н о в с к а я Т.К., И в а н о в Г.И. Геномно-замещенные формы пшеницы. В сб.: Селекция и генетика пшеницы. Краснодар, 1985: 84-102.

89. F e l d m a n M. The origin of cultivated wheat. In: The Wheat Book a History of Wheat Breeding /Eds. A.P. Benjean, W.J. Angus. Lavoisier Publishing, Paris, 2001: 3-56.

Annotation

GENETIC CONTROL OF CHROMOSOMES CONJUGATION IN PLANTS OF SOFT WHEAT

L.V. Tsatsenko

The genetic system of the control of chromosomes conjugation in soft wheat plants is considered. The nature of Ph gene appearance, the possible mechanisms of its action, the promoters and inhibitors of homoeologous chromosomes conjugation were described. The influence of accidental chromosomes on conjugation was analyzed. The induction of conjugation of homoeologous chromosomes by means of integration of foreign genes has a great attention and the information about achievements in this field was presented. The possibilities of the chromosomal and molecular engineering were discussed.

Размещено на Allbest.ru

...