Геномы пшеницы тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Геномы пшеницы"



А'4

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОЩЕНА ДРУЖШ,НАРОДОВ ШДЩМ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ ФИЭЙОДОШ РАСТЕНИЙ И ГЕНЕТИКИ

ГЕНОШ ПШЕНИЦЫ: ИССЛЕДОВАНИЕ И ПЕРЕСТРОЙКА 03.00.15 - Генетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

На правах рукописи

Жиров Евгений Григорьевич

УДК 631.523:577.21 + 576.316.7

Киев - 1989

. Работа выполнена в Краснодарском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте сельского хозяйства им. П.П.Лукьяненко НПО "Кубаньзерно" Всероссийского отделения ВАСХНИЛ.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, академик АН УССР Ю.Ю.Глеба;

доктор биологических наук И.Н.Голубовскач;

доктор биологических наук, профессор В.А.Пухальский.

Ведущая организация - Институт цитологии и генетики СО АН СССР.

Защита диссертации.состоится ..... 19. . г.

в . . . часов на заседании Специализированного совета Д 016.57.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени Доктора наук при. Институте-физиологии растений и генетики АН УССР по адресу: г. Киев, ул. Васильковская, 31/17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии растений и генетики АН УССР..

Автореферат разослан ". . ."....... 1989 года.

Ученый секретарь

Специализированного совета доктор биологических наук

А.М.Силаева

' I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'.•-..л Актуальность темы. Селекция пшеницы достигла того порога, когда применение только ее традиционных методов оказывается недостаточным. С их помощью" можно успешно использовать главным образом лишь генофонд культурной пшеницы, который в результате интенсивной эксплуатации сильно сократился за последнее время (Ргап1св1 , 1980; Неттевич, 1982?. В меньшей степени сокращение коснулось потенциала урожайности сорта и в большей' степени - его адаптивных свойств. Продолжение эррозии культурного генофонда может превратиться в существенный тормоз будущей селекции,- Чтобы этого не произошло, необходимо, с одной стороны, остановить генетическую эррозию, а с ^другой -найти возможности для широкого использования в селекции пшеницы полезных генов от других видов. Такой поиск связан самым тесным образом с развитием и использованием методов генетической инженерии в широком смысле этого слова.

Придание пшенице новых ценных свойств путем введения индивидуальных генов в ее геном от неродственных видов - блестящая перспектива генной инженерии. Имеющиеся сейчас в арсенале исследователей цитсгенетические методы позволяют вовлекать в цитогенетические манипуляции пока только близких или отдаленных сородичей пшеницы, подвергая перестройке высшие звенья ее генома - субгеномы и хромосомы. Тем не менее, сородичи пшеницы обладают столь большим разнообразием полезных свойств, а она сама - генетическим механизмом, позволяющим относительно просто вводить в ее геном инородный генетический материал, что эти ограничения не могут служить заметпым препятствием для расширения в должной степени генофонда культурной пшеницы таким путем (Рв1<3тап , Бвага , 1981).

Однако традиционные методы передачи полезной генетической информации пшенице от других видов далеки от совершенства и их улучшение - важная и актуальная задача. Поскольку ее решение связано с перестройкой геномов пшеницы, знания о которых все еще недостаточны для отыскания наиболее рациональных подходов к такой перестройке, в улучшении прежде всего нуждаются наши представления о них, в первую очередь об их происхождении и устройстве.

прль и задачи исследования. Основная цель настоящей ра-

1

боты заключалась в отыскании новых возможностей для. растре- -над генофонда культурной, пшеницы за счет генетических ресурсов ее сородичей. На пути к ее достижению предстояло решить следующие задачи:

1. Создать амфидиплоиды и гибриды определенного геномного состава, исследование которых помогло бы ответить на вопрос о происхождении первых двух геномов пшеницы.

2. Создать гекоашгоидные формы пшеницы, все различия между которыми обусловлены различиями в геноме в , и на их основе разработать метод детального анализа этого генсма.

3. Разработать метод геномной инженерии, основанный на возможности удалять геном в мягкой пшеницы и подставлять вместо него геномы ее сородичей.

4. Создать пригодные для селекционного использования источники инородных генов в виде геномно-добавленных, геномно-замещенных и геномно-рекомбинантных ферм и межвидовых хромосомно-замещенных линий пшеницы.

5. Разработать генетические модели и методы, расширяющие возможности генетического анализа и манипулирования хромосомами пшеницы и ее сородичей.

Научная новизна работы: - предложена и подтверадена экспериментальными данными новая гипотеза о происхождении полиплоидной пшеницы, согласно которой оба ее генома возникли в результате рекомбинации хромоссям диплоидных видов пшеницы и видов эгилопса из секции ззлорв±а Zh.uk.;

- впервые созданы такие формы гексаплоидной пшеницы, все различия между которыми обусловлены различиями в их геноме в На основе этих форм разработан метод геномного анализа количественных признаков пшеницы;

- разработан метод геномной инженерии, основанный на создании геномно-замещенных форм пшеницы. Впервые получен набор таких форм, содержащих вместо генома I» мягкой пшзницы геномы 6 видов эгилопса, 3 видов диплоидной пшеницы, ржи,и пырея;

- создан ряд уникальных сочетаний хромосом герома о озимого сорта мягкой пшеницы Аврора с хромосомами Айгоругоп £1аисит, Аев±1орз оЬагопепз1а и Ао .'ЛвЪеНиД^а;

- синтезирован новый вид - аналог мягкой пшеницы -тп-Здсш тЛзизоЬоуае йМг.;

г

- переданы новые (дум пшеницы) гены устойчивости к листовой ржавчине и мучнистой росе сортам мягкой пшеницы от Ае. вйаголепв1в , Ле. apeltoid.ee , Ав.итЪе11и1аЪа , А£.§1аисша И Т.т1^зоЬоуае;

- впервые передача хромосом потомству пентагоюидными и анеуплоидными гибридами смоделирована с помощью дифференциальных уравнений. Использование этих моделей позволяет существенно сократить объем цитологических работ и выбрать правильную стратегию при создании моносомных и замещенных линий;

- созданы моносомные серии по сортам озимой мягкой пшеницы Аврора, Кавказ и Скороспелка 35 и разработаны модели моно-сомного анализа количественных признаков пшеницы, существенно расширившие возможности этого метода.

Практическая значимость работы определяется тем, что в результате использования методов генсмной и хромосомной инженерии были получены линии пшеницы, обладающие устойчивостью к болезням и высоким содержанием белка. Поскольку гены устойчивости перенесены в сорта культурной пшеницы от ее диких сородичей, выработавших в процессе вволюции .надетую защиту против фитопатогенов, они могут надолго оградить от них сорта пшеницы. Полученный материал используется в селекции пшеницы в нашей стране (НПО-"Кубаньзерно", НПО "Дон") и за рубежом (НРБ, ЩР, ЧССР). С его помощью решаются, кроме того, некоторые теоретические вопросы .генетики во Всесоюзном научно-исследовательском институте растениеводства, Всесоюзном селекционно-генетическом институте, Саратовском госунивероитете, Сибирском институте физиологии и биохимии растений и др.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Манипуляции с геномами пшеницы и ее сородичей (добавление, перенос от одного вида к другому, замещение, рекомбинация), осуществляемые в рамках псловсй гибридизации, позволяют решить ряд важных теоретических и прикладных проблем генетики и селекции, в том числе показать, что:

1. Происхождение как генома А, так и генома В полиплоидной пшеницы связано с рекомбинацией хромосом пшениц-однозернянок и эгилопсов из группы ЭПюрзАз.

2. Создание геномно-замещенных форм пшеницы облегчает и упрощает исследование, поддерживание и передачу пшенице полез-

3

него генетического материала ее сородичей.

3. Перенос генома й от разных источников на одинаковый генетический фон геномов А и В дает основу для геномного анализа хозяйственно-ценных признаков пшеницы.

Апробация работы. Материалы настоящей работы были доложены или представлены на Всесоюзных в Международных съездах, конференциях и совещаниях, в том числе: на Ш и У Всесоюзных съездах ВОГИС им.Н.И.Вавилова (Ленинград, 1977; Москва, 1987), на конференциях Европейского объединения исследований по анеу-шюидии упшеницы, еяас (Югославия - Новый Сад, 1974; Венгрия - Мартонвашар, 1987), на Х1У Международном генетическом конгрессе (Москва, 1978), на Международной научной конференции ученых стран-членов СЭВ (Одесса, 1981), на Всесоюзном совещании по отдаленной гибридизации растений и животных (Москва, 1981), на Всероссийском совещании по биотехнологии растений (Саратов, 1987), на 7 Международном симпозиуме по генетике пшеницы, 7 хисэ (Англия - Кембридж, 1988).

Диссертация рассамтривалась на заседании методической комиссии Краснодарского НИИСХ, на объединенном заседании кафедр селекции и семеноводства полевых "культур, технических культур, растениеводства и ботаники Кубанского СХИ с участием ведущих сотрудников Всесоюзного НИИ риса, Всесоюзного НИИ масличных культур и Всесоюзного НИИ табака и махорки, получила голожи-тельную оценку и рекомендована к защите.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 работ.

Структура и объем работа. Обзор литературы представлен двумя главами. Экспериментальная часть состоит из 6 глав, каждая из которых включает описание материалов и методов. Обсуждение главных результатов работы вынесено в отдельную главу. Работа изложена на 310 страницах машинописного текста и имеет 33 рисунка и 82 таблицы. Список цитированной литературы содержит 519 наименований на русском и иностранных языках.

2. ПРОИСХСВДЕНИЕ ТБТРАППОИЦНОЙ ПШЕНИЦЫ

Существующие ныне точки зрения на происхождение тетрапло-идной пшеницы сходятся на том, что ее первый геном (А) произошел от диплоидного вида пшеницы (Мигушова, 1975). Различия

4

между ними относятся ко второму ее геноцу. Обсуждаются в основном три гипотезы: а) геном В, как и геном Аг был получен тетраллоидом от диплоидного вида пшеницы ( ¿Ышзоп, 1975);

б) донором генома В был сдан из видов секции 314орз±з _рода АеяНоря Ъ. (Багкаг , StвbЪlxLa »1956? ЕИеу е* а1. , 1958);

в) геном В возник от нескольких видов АеаИоря в результате рекомбинации хромосом у гибрида между первичными амфидиплои-дами, содержащими одинаковый первый геном и разные вторые геномы (гоЪагу , Ре1йтап , 1962).

В настоящем исследовании были получены данные, дающие основание предположить, что оба генома тетрапловдной пшеницы возникли в результате рекомбинации геномов а4 и з . Здесь а3-означает геном любого вида диплоидной пшеницы, а Б - геном любого вида секции Б«орз1в рода Автора.

Для того, чтобы смоделировать эти гипотезы, были синтезированы восемь амфвдидяовдов от скрещивания двух наиболее вероятных ИСТОЧНИКОВ реяома В, Ae.speltoici.e3 7 Ае.аЬягоаеав1а , с четырьмя видами диплоидной пшеница. Кластерный анализ1 этих синтетиков и природных форм пшеница и эгилоасов показал, что природные тетраллоидные пшеницы проявляют большее сходство в диплоидными пшеницами, чем с видами эгилопса (рис. I), тогда как синтетика больше тяготеют к эгилопсам. Вели придерживаться хорошо аргументированной гипотезы об участии видов группы 31-Ъор81а в происхождении генома В, то это означает излишек генетического материала пшениц-однозернянок в геноме природных тетраплоидов пшеницы и соответствующий недостаток генетического материала эгилопса. К такому результату могли привести возвратное скрещивание первичного амфидиплоида или гибрида А% с диплоидной пшеницей и последовавшая вслед за ним рекомбинация хромосом'и восстановление тетрапяоидного уровня плоидности генома пшеницы. Следствиями такого происхождения полиплоидной пшеницы, которые можно проверить экспериментально, должны быть: I. Высокая степень гомологии между геномами А и В и, поэтому, высокая способность хромосом этих геномов конъюгировагь друг с другом..2. Разная способность индивидуальных хромосом геномов Айв конъюгировать со своими гомеологами из геномов А4 из.

В норме у полиплоидной пшеницы гемеодогичной конъюгации не происходит из-за действия генетической системы, главным

5

элементом которой является ген Eh (Sears , 1976). Такую конъюгацию можно вызвать разными способами, в том числе скрещиванием с Ae.speltoidee . Этот способ мы использовали для выяснения подлинной способности к конъюгации геномов А и В. У гибрида с геномной конституцией abss , у которого геномам А и В была предоставлена возможность проявить такую способность, наблюдался высокий уровень конъюгации хромосом (с = 0,71), сравнимый с таким уровнем у амфидапловда a^a^ss , имеющего 14 пар гомологичных хромосом (табл.1). Заметная разница между abss и a^a^ss заключалась в тсаа, что среднее число мультивалентов у гибрида было значительно выше, чем у амфвдишоида. Этого как раз и следует ожидать исходя из рекомбинантной ad/s -гипотезы. Уровень конъюгации хромосом у гибрида a^abs , который является индикатором близости геномов В и s , был значительно ниже

Рис. I. Дендрограмма связей видов пшеницы и эгилопса с синтетическими формами: ü.boeoticum (01), i.urartu (02), T.monococcum (03), I.ainskajae (04), T.monococcum - tetra (05), T.dicoccoides (E1-E7), Ae.sharonenais - T.boeoticum (Al), Ae.ahaionensis - T.urartu (A2), Ae.sharonenaia - T.mo-txococcum (A3), Ae.aharonensia - I.sinskajae (A4), Ae.speltoidea - T.boeoticum (A5), Ae.apeltoiáea - T.urartu (Аб), Ae.speltoidea - T.slnska^ae (A7), Ae.sharonenais - T.urartu x T.aonoooccum (T3), Ae.speltoidea - T.t>oeoticum x T.monococcum -tetra (Г4), Ae.shaxoneaaia (Э1), Ae.speltoidea (Э2).

tyí'OÜy?'!^ tn « Ш и M

в t. « ft г

zr

0,5

1.0

уровня конъюгации хромосом у гибрида авзз. это означает, что. . геном В имеет большее сходство с геномом А, чем с геномом 2. Дальнейшее тому доказательство можно увидеть из того факта, что семенная фертильность у гибрида авзз 'почти такая же как и у амфэдкялоида АйАаБЗ (15,0$ и 18,5$ соответственно), тогда как гибрид а^абэ полностью стерилен.

Таблица I

Ассоциация хромосом в МКП амфидишюидов и гибридов

¡вдекс: •'сттгппп-'ушяу.я .•Бивалентов: Три- :Квадрива- :

жала*:ГеН0Ш:°

и А*3 109 8,86 2,21 0,25 0,07 0,00 0,00 0,204

Г2 А^ 166 7,20 2,84 0,41 0,07 0,00 0,00 0,272

13 А^Б 182 6,58 0,59 5,97 0,40 0,03 0,00 0,959

А7 АйАйЗЗ 150 3,36 4,97 6,92 0,13 0,05 0,03 0,690

Г5 АВЭЙ 85 2,33 3,71 5,61 1,86 0,24 0,13 0,710

Г6 А^АВг 48 7,31 4,17 4,60 0,94 0,06 0,02 ),554

* П - Ае.эре11;о1с1еа х !Е.а1пзкаЗае , Г2 - Ае,а11агоп.епа1в х I. игаг1гц , - Ае.а1шгопепа1а - Т.игаг-Ьи х Т.топососоша, А7 - Ae.speltoid.es - Т.аЗлаказае , Г5 - Авродес X Ае.ареЗ^о!-йез . Авродес представляет собой генсмно-замещенную форму, полученную заменой субгенома о у сорта мягкой пшеницы Аврора на геном Ае.эре11;о1йе8 (см. раздел 4.2), Г6 - Авродес х Е.Ъоео-■ЬАошп.

зое - отношение наблюдаемого числа хиазм к возможному на одно плечо хромосомы.

В пользу рексмбинантной гипотезы А4/г свидетельствуют также данные, полученные при изучении триплоидных гибридов. Они показали, например, что не все хромосомы геномов В и о могут в равной степени конъюгировать с хромосомами генома Б1. У т.агага-исит почти половина хромосом генома а не может конъюгировать или конъюгирует редко с хромосомами. Ае.аЪвто-пепзха. В геноме В Т.с11соссо1с1еа и т.йигиш , по крайней мере одна хромосома плохо конъюгирует со своим гомеалогом из генома г1.

Поскольку эти данные вполне подтвердили предполагаемые следствия рекомбинантной А. /з -гипотезы, то их можно рассмат-

7

■риватьикак подтверждение этой гипотезы.

Согласно Харлану и де Вету (Нагlea de vfet , 1975) .наиболее вероятным способом возникновения-.полиплоидов в природе является- репродукция. типа (2п + п). Исходя из этой концепции можно представить два пути возникновения тетраплоидной пшеницы следующим образом: нередуцированет ss -яйцеклетка + Ad «спермй в: Adss -триплоид —> А^э-нередуцированная- яйцеклетка + Ad-спермий = AdAdss -тетраплойд. Второй путь представлен на ри* сунке.2» Рекомбинация хромосом и изолирование рекомбинантных геномов друг от друга посредством й -системы привсдят к появлению тетраплоида ААВВ. Вероятно, таким путем возникли и тет-раплоида AAGG.

нередукция нередукция

рекомбинация +РЬ-мутация

i'

1ААВВ

Рис. 2. Рекомби-нантная Ad/s -гипотеза происхождения тетраплоидной пшеницы

Ряд литературных данных, касающихся морфологических и биохимических особенностей, конъюгации хромосом и их дифференциальной окраски, подтверждают рекомбинантную А^Б-гипотезу.

8. 1ХНОМНО-ДОБШЕННЫЕ ФОРШ ПЛГСЯИПН И ГЕНОМНЫЙ

АНАЛИЗ ЕВ АГРОНОМИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ Оошмавне авохюционных событий, которые развертывались в

процессе длительного возделывания растений и которые привели • к возникновению форм, чьи характерные особенности составляют суть понятия "культурное растение", необходимо.для совершенствования селекционных программ и методов. Однако многочисленные детали, касающиеся эволюции, генетики и селекции пшеницы, ухе не могут быть исследованы при использовании одних природных форм, необходимо-создание специального генетического материала. Так, для детального изучения генома ß мягкой пшеницы необходимо иметь такие ее формы, все различия между которыми можно было бы свести к различиям в этом геноме. Мы решили эту проблему, перенося геном D от разных источников на один и тот же генетический фон геномов А и В.

Задача заключалась в замещении геномов А и В мягкой пшеницы аналогичными геномами твердой пшеницы при сохранении в неизменном виде ее субгенома D . Такое замещение выполнили с помощью серии возвратных скрещиваний гибрида между этими видами с твердой пшеницей. В качестве доноров генома D использовали яровой сорт мягкой пшеницы Кальянсона (КО) и ее озимке сорта Кавказ (КВ) и Альбвдум П4 (АЛ). Реципиентом генома служила озимая линия Ï.durum Desf. var. muticitalicum Do-ro£. et A.Filât. (МИ).

Пентаплоидные гибриды беккроссировали в качестве женского родителя с МИ. Поскольку только 35-хромосомные растения содержали полный комплект непарных хромосом генома D , лишь они отбирались для получения следующего поколения.

Доля пентаплоидных растений в беккроссных потомствах (01,2$) оказалась недостаточной для выполнения всей программы непрерывных беккроссов. Поэтому, начиная с первого беккросса для КВ и второго - для КС и АЛ, переход к следующему беккроссу осуществлялся только после самоопыления 35-хромоссмных растений предыдущего беккросса и отбора в их потомстве 35-42-хромо-сомных растений.

Гексаплоиды, восстановленные в самоопыленных поколениях пентаплоидов после пятого беккросса для КВ (МИ^КВ), шестого для КС (МИ®КС) и четвертого для АЛ (Мй^АЛ) считались в достаточной степени гомозиготными в отношении генотипа МИ. Подтверждением этому служили результаты сравнения восстановлении тетраплоидов с МИ. Никаких различий по основным морфологичео-

9

Кем признакам не обнаружено. Восстановленные тетраплоиды имели спектр, глиадинов, идентичный спектру МИ.

Синтетические гексаплооды представляют собой фертильные формы, относящиеся к группе разновидностей зет1гхёх<1ит а.и,-1а1;. в* Бого?. подвида Т.абз1;1уит Ь. Ьайгоругит (БЧакв.) 12Уе1. Кроме них было получено 5 амфидиплоидов в результате гибридизации разновидностей Ав£11орз гаиасМх с МИ.

Установление различий мевду природными и синтетическими формами пшеницы и различий мевду их гибридами дает основу для анализа геномного контроля ее признаков. Возможны 4 типа сравнений. I. Сравнение синтетических гексаплоидов с тетраплоидом-донором их геномов А и В позволит на фоне этих геномов определить влияние отдельных геномов I) на проявление исследуемого признака.- 2. Сравнение самих синтетиков и их гибридов друг с другом даст возможность охарактеризовать генетический контроль признака со стороны генома и . 3. Подобное сравнение синтетиков с сортами пшеницы-дояорами их генома и позволит исследовать генетические различия между геномами А и В сортов мягкой пшеницы и соответствующими геномами линии твердой пшеница. 4. Сравнение синтетиков-носителей "культурного" генома I) с синтетиками-носителями его "дикой" формы даст ответ на вопрос о том, какие изменения произошли в геноме и в процессе "окультуривания" и селекции гексаплоидной пшенида.

В качестве примеров использования некоторых из зтих типов геномного анализа количественных признаков в диссертации приведены результаты изучения морозоустойчивости, даты колошения и ряда признаков, характеризующих растение пшеницы и компоненты урожайности зерна.

Предпринимались также попытки перенести с помощью бек-кроссов геном с мягкой пшеницы к т.тШ-Ыпае - виду, обладающему, подобно другим членам секции ГхтоглееуН , устойчивостью ко многим патогенам, но отличающемуся от них легким вымолотом зерна. В случае удачи, существенно облегчилось бы использование этого вида в селекции мягкой пшеницы. Они, однако, оказались безуспешными из-за сильной стерильности гибрвдов и чрезвычайно низкой частоты 35-хромосомных растений в беккрос-сном потомстве. Поэтому попита по более простому пути - доба?-ления генома дикого вида Ае.ЪаивсЬхх к Т.пШ*4-. (Мигушо-

10

ва, 1975). Полученный амфидиплоид. оказался мощной фертильной формой с относительно нормальным ходом мейоза. Первоначально он не унаследовал от T.militlnae легкого вымолота, шгв С2 было найдено растение с компактным колосом и относительно легким вымолотом зерна. Оно дало начало линии, получившей в дальнейшем статус вида T.miguschovae.

Главная ценность этого синтетика - устойчивость к видам ржавчины, мучнистой росе и некоторым другим болезням - была передана после проведения серии беккроссов сортам мягкой пшеницы Кавказ и Безостая I. Устойчивые линии этих сортов используются в настоящее время в селекционных программах КНШСХ.

4. ГЕНОШО-ЗАМЕЩЕННЫХ ФОН® ПШЕНИЦЫ И ГЕНОМНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

В последнее время благодаря лучшему пониманию филогенетических связей в трибе швеницевых и усовершенствованию методов отдаленной гибридизации стало возможным исследовать и вовлекать в селекцию пшеницы многое из того генетического равнооб-разия, которое заключено в этой обширной группе злаков. Стандартная процедура передачи пшенице чужеродной генетической га-формации начинается с получения амфидишгоида. Затем, используя беккроссы и цитологический отбор, создают серию линий, у которых в дополнение к геному пшеницы остается пара гомологичных хромосом другого вида. Далее получают моносомную серию у преобразуемого сорта жненицы и переносят чужеродные хромосомы от добавленных линий к моносомнда, подставляя тем сэ1шм определенную чужеродную хромосому вместо хромосомы пшеницы.

Наш подход заключался в том, что вместо того, чтобы добавлять инородный геном к геному пшеницы, мы замещали им субгеном d мягкой пшеницы. При этом предполагалось, что, вводя новый геном в геном пшеницы этим способом, мы сможем избежать существенного нарушения генетической гармонии, сложившейся в ходе эволюции трехгенамной пшеницы и, тем самым, избежать существенного снижения семенной фертильносги до того уровня, до которого она снижается при добавлении генома. Кроме того, использование геномно-замещенных форл для "разборки" чужеродных геномов до отдельных хромосом позволило бы, минуя этапы генетически несбалансированных моносомннх и добавленных линий,срезу же переходить к хорошо сбалансированным замещенным линиям.

II

4.1, Извлечение"тетраплоидного компонента ААВВ из генома мягкой пшеницы

Замещение субгендаа в мягкой пшеницы основано на возможности извлекать ее тетраллощдаый компонент путем замещения генома твердой пшеницы ва геномы ААВВ мягкой пшеницы с помощью беккроссов-(КегЪег , 1964). При реелизации »то® возможности в отношении трех сортов (озимого - Аврора-и яровых - Саратовская 29 и Кальянсона) в отличие от Кербера пентаплоиды использовали в качестве женского родителя, а не мужского. Это увеличивало объем цитологических работ по отбору пентаплоидов в беккроссных потомствах, но позволяло быстрее и с большей полнотой вытеснять геном твердой пшеницы за счет устранения преимущества более жизнеспособных 14-хромосомных спередиев, несущих .генетический материал твердой пшеницы. Б случае малого числа 35-хромосшных-растений в беккросснсм потомстве, их оставляли на самоопыление, чтобы отобрать затем растения с числами хромосом от 28 до 35.

Провести намеченную серию иг шести беккроссов удалось только для сортов Аврора и Саратовская 29. Работа с сортом Кальянсона была прекращена после третьего беккросса из«за чрезвычайно низкой доли пентаплоидов и их стерильности при самоопылении. Частота те^раллоадов в самоошленном потомстве пеЕташюидов шестого беккросса составила 6$ и з£ для сортов Аврора и Саратовская 29 соответственно.

Тетрашгаад,- полученный от сорта Саратовская 29 (далее Са-ратовская-Т) оказался с&мофертильнсй формой при выращивании в оппзшльных условиях, но .его репродуктивная способность очень низка: приблизительно I семя на одно растение.Жизнеспособность тетраплоида, полученного от сорта Аврора, снижена в еще большей степени. Его растения развивались крайне медленно; многие погибли еще до выхода в трубку. Поэтому этот тетракомпонент сохраняли и использовали через посредство пентаплоидов (Авро-ра-П), отбираемых всякий раз в беккроссных потсмствах предшествующих пентадлоидных растений.

Изучение споро- и гметагенеза в пыльниках показало, что процессы, приводящие к стерильности, развиваются во время га-кетогенеза. Мейоз протекает без видимых нарушений и характеризуется высокой степенью конъюгации хромосом.

12

4.2, Подстановка, вместо генома о мягкой пшеницы геномов ее сородичей

Для того,, чтобы, получить новые сочетания геномов А и 3 мягкой пшеницы с геномами родственных видов, в гибридизацию с. ними были вовлечены пентаплоидные растения шестого и последующих беккроссов с Сортом Аврора и Саратовскчя-Т.

Большинство гибридов от скрещивания Авроры-П с диплоидными видами имело эуплоидный набор хрсмосш (2п «= 21).доля такжх растений колебалась от 50$ до 86$ для разных опылителей, тогда как ожидаемая доля, вычисленная для случая, когда пентапжоидн опыляются пыльцой мягкой пшеницы, составляет только 23$. Эту разницу, по-видимому, можно объяснить избирательным оплодотворением 14-хромосомных яйцеклеток 7-хромосомными спешиями. 3 случае Ag.glau.cum , у которого мужские гаматы содержат 21 хромосому, в слиянии участвовали преимущественно те женские гаметы пенташюида, которые имели больше 14 хромосом.

В результате обработки колхицином молодых 21-хромосоминх растений межвидовых-гибридов, геномы А и Б которых произошли от сорта Аврора, были получены гексаплоидные геномно-звмещенные форш, названные для краткости следующим образом: Авродэо (третий геном ОТ Ae.3peltoid.es ), АврозИС (-Ае.эЬагопепв1о ), Авролата (-Ае.шпЬе11и1а£а ), Авротата (-Ao.шll.ariвtata ), Ав-родата (-Ae.caud.ata ), Авротика (-Ае.ппШоа ), Авроэле (-3. сегеа1е ). Кроме того, от скрещивания Авроры-П с гексаплоидныа видом Ag.glaucum были получены 76- и 78-хромосомные ам^ядя-плойды. Таким образом, на генетическом.фоне одних и тех же геномов А и В мягкой пшеницы Аврора были сосредоточены значительные генетические ресурсы ее сородичей. 7 сорта Саратовская 29 геном 0 был замещен геномами пшенжц-однозернянок и ржи.

Результаты изучения нейоза у гибридов Р^ и получения от них генсмно-замещенных форм указали на существование строго! обратной зависимости между уровнем конъюгации хромосом у первых и степенью правильности мейоза у вторых. Наименьший уровень конъюгации хромосом был у тришгоидных гибридов о Ae.ua-Ъе11и^а и Ae,uniaristata и соответствующие гексадлсжда характеризовались наиболее правильным мейозом. Нажвысяая степень синалсиса наблюдалась у гибрида, содержащего геном А*.ар»1^1-аев , и геидано-замещенную форму Аврод^с отличало от други

13

обилие мультивалентов и унивалентов в М1. Такое поведение хромосом в мейозе определялось выдающейся способностью использованного образца этого вида подавлять активность гена Еь..

У гибрида Аврора-П х З.сегеа1е формировалось заметно больше бивалентов, чем у других пшенично-ржаных гибридов. Это несомненно связано с переходом транслокации 1В/1Н от сорта Аврора к его тетракомпоненту. Конъюгация хромосом у триплоид-ных гибридов, содержащих геном однозернянок, очень редко достигала уровня 7 бивалентов. Аналия их распределения ясно показал, что только 6 хромосом тетраксмпонента мягкой пшеницы способны с большой вероятностью конъюгировать с хромосомами диплоидных пшениц.

Теоретическая и практическая ценность геномно-замещенных форм определяется тем, что они, унаследовав от сородичей пшеницы полезные свойства, оказались гораздо более удобным объектом исследований этих свойств и источником их для селекции, чем сами сородичи и другие типы амфидишшидов, полученные с их участием. Так, например, оценить хлебопекарные свойства диких сородичей пшеницы трудно по той простой причине, что их мелкое зерно не поддается механическому вымолоту. У большинства же геномно-замещенных форм зерно вымолачивается-относительно легко и это дает возможность получить такую оценку.

Данные исследования в этом отношении четырех геномно-замещенных форм в сравнении с сортом Аврора пока щи, что замещение его генома о любым из геномов а4 , з , з1 или и ска залось отрицательно на качестве хлеба. Однако такое ухудшение не было одинаковым для всех геномов. Ген»' Ае.ш1Ъе11и1аЪа снизил качество хлеба незначительно, а по отдельным показателям, характеризующим качество муки и зерна, превосходил геном И сорта Аврора.

Вывод о ценности генома и , сделанный в отношении хлебо-: пекарных свойств, в полной мере справедлив и в отношении морозоустойчивости: у геномно-замещенной формы, несущей этот геном, сохранилось 23$ растений, у сорта Аврора - 25$, у Безостой I - 10$, тогда как формы, несущие геномы Ай, з, Б1 и Ив , полностью погибли после промораживания в течение суток при -19°С.

Эти результаты наводят на мысль, что в те далекие време-

14

На, когда возникла мягкая пшеница в результате гибридизации тетраплоидной пшеницы с Ae.tauschli , геном и вполне мог составить конкуренцию геному D в отношении по меньшей мере двух признаков, считающихся главными атрибутами этого генома -высоких хлебопекарных свойств и зимостойкости, а сейчас мажет быть использован для улучшения мягкой пшеницы га некоторым компонентам качества зерна.

Другой важной особенностью геномно-замещенных форм является то, что они предоставляют возможность, с одной стороны, использовать обычные генетические методы исследования там, где в обычной ситуации они неприемлемы, например, в случае стерильности межвидовых диплоидных гибридов (большинство гибридов между геномно-замещенными формами фертильны, а любой гибрид между видами-донорами их третьих геномов стерилен). С другой стороны, они дают возможность разрабатывать новые подходы к решению трудных генетических проблем. Пример такого подхода уже был дан во втором разделе автореферата, когда, используя геномно-замещенную форму Авродес, удалось выяснить истинную гомологию геномов А и В мягкой пшеницы.

Среди полезных признаков геномно-замещенных форм, определяющих их значение для практической селекции, в первую очередь следует отметить их устойчивость к болезням пшеницы, формы, полученные С участием Ae.apeltoidea, Ae.uabellulata, Ае.caudate и Ае.mutica , обладают иммунитетом к видам ржавчины, а с участием Ae.sbaronensis, aVboeoticum,, T.slnslcajao - высокой устойчивостью к ним. Все формы, за исключением Аврояаты, устойчивы к мучнистой роое и все, без исключения, обладают повышенным содержанием белка в зерне (худшая из них - Авроале -содержит 16$, лучшая, Авродес, - около 23$). Формы Аврозис и Авротата обладают выполненной по всей длине соломиной. Этот признак имеет значение для селекции пшенипы на устойчивость к нападению хлебного пилильщика. Все эти ценные свойства в той или иной степени были переданы сорту Аврора через посредство межвидовых хромосомно-замещенных линий.

5.3АМЕЩЕНИЕ ХРОМОСОМ ГЕНОМА D ПШЕНИЦЫ ХРОМОСОМАМИ ЕЕ СОРОДИЧЕЙ

Геномно-замещенные формы хорошо скрещиваются с пшеницей, а их гибриды дают потомство как от беккроссов с пшеницей, так

15

и от самоопыления. Благодаря этому оказалось возможным создавать линии пшеницы не только с одиночными, но и множественными замещениями хромосом генома I) хромосомами других видов.

5*1» Хромосомы А5.$1аисш1

Процесс рекомбинации хромосом был зацущен скрещиванием сорта Аврора с 76-хрсмосомным амфидиплоадом, содержащим помимо геномов А и Б этого сорта часть хромосом его генома о и полный комплект хромосом пыпея. Гибрид Р^ беккроссировали с сортом Аврора. Далее беккросс чередовали с одним или несколькими самоопылениями для того, чтобы достичь максимального разнообразия в сочетании хромосом субгенсма 3) пшеницы с хромосомами пырея.

Число хромосом растений разных поколений колебалось от 36 до 63. Средняя ряда растений, полученных от первого беккросса, составила величину 45,3. Второй беккросс случайно взятых растений »того ряда дал снижение среднего числа до 43,1, третий беккросс - до 42,4. Модальный класс ряда растений третьего бехкросса - 42. Процент 42-хромосомных растений в популяциях первого, второго и третьего беккроссов составил 5,8, 36,1 и 73,8 соответственно. Самым большим средним числом хромосом обладала популяция Р2 (56,1), а самым большим размахом варьирования - популяция Рд (от 39 до 63 хромосом). В та и другая величины уменьшились, по-вйдимому, в результате естественного отбора цитологически более стабильных выщепенцев (рис. 3).

В и Р5 был выполнен отбор 41-46-хрсмосомшх растений в качестве родителей для следующих поколений с целью ограничить размах йх варьирования пределами 42- и 44-хромосомных особей, между которыми только и можно ожидать появления агоо-номически ценных типов, Таким же способом были получены популяции В1Р3. В1Р4, В^ и В^д.

Доля особей с 21^ или 22^ в мейозе в самоопнленных поколениях зависела от числа предшествующих беккроссов и самоопылений. Так, в В^Рд, В|-г4 было 0, 28 и 42 процента таких растений, а в В^» и ^2^4 ~ 25, 34 и 50 пРоцентов соответственно.

йрш анализе 138 мейотически стабильных линий было

16

установлено, что в их геноме содержится от 0 до 3 хромосом пырея (табл. 2). Среди тех линий, у которых не было обнаружено чужеродной хромосомы, 10$ составляли линии, обладающие устойчивостью к листовой ржавчине - одному из маркерных признаков пырея. Они, по-видимому, имеют транелокащго участка хромосомы пырея, несущего ген устойчивости.

160 но

>53

со

<51

700

1

ВО 4а го

'гП-

в, ь

N=25

N=51

N=498

ВгРг

Т1л-п~, II 1к

ИМ76

г4 П N=258

ггТ ТГЛ-П^

в/з

145

ТНГл-тт.......

N=355

.......а

N=181

39 « 1? 31 55 33 39 43 17 31 55 39 О

число хромосом

Рис. 3. Распределение числа хромоссм в потомствах гибрида между амфидиплоидом Аврора-П - Ag.gla.ucum (2п = 76) н сортом Аврора (2п - 42). Закрашенная часть означает долю особей с 21^ в мейозе.

Таблица 2

Число хромосом пырея у 138 устойчивых или восприимчивых к листовой ржавчине линий о 21 бивалентом в мейозе

Линии

линий с сор-

в скобках)

:Ассоциация хромоссм в М1 У г :том Аврора и чиоло хромосом ;

♦ 2Тй(0) -го11* 2Т(Т) :19п+ Л1 {9) втгэ)

Устойчивые Восприимчивые

6 52

Т8

20

21 9

12

0

Оценка пшеничном ирейннх замещенных линий на содержание белка и лизина в зерне показала, что около 4* из них с высоко»

[

степенью достоверности превосходят сорт Аврора по первому показателю и не отличаются от него по второму. Более 10$ исследованных замещенных линий достоверно превосходили этот сорт по морозоустойчивости (температура промораживания -22°С, время - 24 часа). Ни одна из них, однако, не была лучше в этом отношении сорта Альбидум 114.

Таким образом, пшенично-пырейные замещенные линии представляют ценность для селекции в отношении, по меньшей мере, трех признаков - устойчивости к болезням, содержания белка в зерне и морозоустойчивости.

5.2. Хромосомы Ае. шЛеИиЛ^а

Геномно-замещенная форма-Авролата дает возможность получить различные сочетания хромосом этого эгилопса с хромосомами генома I) пшеницы без использования беккроссов потому, что гибрид между этой формой и сортом Аврора оказался для этого достаточно самофертильным. В среднем один колос гибрида дает около шести жизнеспособных зерен.

Число хромосом в разных поколениях колебалось от 28 до 48 (рис, 4). На этом рисунке в характере распределения числа хромосом можно заметить отражение того факта, что, по-видимому, растения с четным числом хромосом имеют преимущество перед растениями с нечетным числом хромосом соседних классов. В и особенно в Рд размах варьирования существенно сократился, и значительно увеличилась доля 42-хромосомных особей.

В по сравнению с Рд заметно увеличится уровень бивалентной конъюгации. Так, у 38-хромосомных растений среднее число бивалентов возросло от 14,3 до 17,3,у ЗЭ-хромоссмных - от 15 до 18,у 40-хромосомных - от 15 до 18,4, у 41-хромосомных -от 17,5 до 19 и т.д.В £д было найдено одно нуллисомное растение с 2Лв 3?4 среди 42-хромосомных растений деля особей, содержащих 21П в Щ составила 42$. Таким образом,массовый отбор стабильных гексашгоидных типов можно проводить, начиная с Р4.

Анализ конъюгации хромосом у гибридов сорта Аврора с линиями, имеющими 211* в М1,показал, что у 15, 55, .20 и 10 процентов из них содержится 0, I, 2 и 3 пары и -хромосом соответственно. Среди них был отобран ряд линий, характеризующихся типом реакции на заражение листовой ржавчиной йт 0 до 2^ ;

18

Рис. 4. Распределение числа хромоссм в потомстве гибрида Аврояата х Аврора. Закрашенная часть столбика -доля растений с 21^ в мейозе.

тг хромосом

Ае . вЬ.&гоп.епз1а

число

5.3. Хромосомы

Применение обычной методики для передачи этих хромосом пшенице, т.е. движение по цепочке "амфидишюид - добавленные линии - моносомные линии - замещенные линии" не привело к ожидаемому результату в виде полной серии замещенных линий из-за действия гаметоцидной хромосомы 431 (Ш1ег , 1983). Есть все основания считать, что критическим звеном в этой цепочке являются добавленные линии. Поскольку метод генсмно-замещенных форм не содержит такого звена, можно было надеяться, что с его' помощью удастся получить замещенные линии сорта Аврора, содержащие, кроме 4Э1 и другие хромосомы. Ае.зЬагоп.епэ1а.

Эта работа, однако, не была такой простой, как работа с хромосомами Ае.шЛеИиЗ^а из-за относительно сильной стерильности как в мужской, так и в женской половых сферах у растений разных поколений от скрещивания геномно-замещенной формы Аврозис с сортом Аврора. Тем не менее, в и последующих поколениях были отобраны особи, содержащие в М1 2А Среди них выделилось 8 четко различающихся между собой морфологических типов, три из которых имели отдельные маркерные признаки: устойчивость к листовой ржавчине, устойчивость к мучнистой ро-

19

се и выполненность стебля. Эти данные свидетельствуют о том, что такой подход оправдал возлагавшиеся на него надежды, и теперь полезные признаки Ав.вЬагопеп81е доступны для селекционного использования.

6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ХРОМОСОМ В ПОТОМСТВАХ ПЕНТА1Ш0ИД0В ПШЕНИЦЫ

В литературе накоплено большое количество данных, касающихся различных сторон передачи хромосом генома I) потомствам пентаплоидных гибридов пшеницы. Однако более или менее точное представление о такой передаче до последнего времени по существу отсутствовало. Между тем, оно крайне необходимо для планирования экспериментов и правильного объяснения их результатов. Кроме того, знание закономерностей передачи пентаплоада-ми хромосом генома Б своим потомствам поможет найти способ делать отбор, путь предназначенный лишь для "обогащения сырья',' без использования трудоемких цитологических методов.

Экспериментальные данные, используемые в этом разделе, получили при исследовании 16 потомств разных типов пенталлои-дов. Отправной точкой математического моделирования служила гипотеза о случайном отхождеющ каждого из семи унивалентов к одному или другому полюсу мейоцита, т.е. биномиальная модель. Ни одно из распределений числа хромосом в беккроссных потомст-вах пентаплоидов не соответствовало этой модели. При анализе несоответствия возникло предположение, что оно вызвано, главным образом, дифференциальной жизнеспособностью гамет, содержащих разное число хромосом. Зависимость между числом хромосом генома и и жизнеспособностью гамет (у) удалось описать уравнением

¿^й-Х - №

где «с -коэффициенты пропорциональности, отражающие разный уровеИь жизнеспособности 14- и 21-хромосомных гамет, а уо -жизнеспособность гамет, не содержащих в -хромосом.

Теоретические кривые изменения жизнеспособности гамет,вычисленные »таким способом, в большинстве случаев хорошо соответствовали фактическим кривым (рис. 6) точно так же, как и построен®е с учетом дифференциальное хианеспособности гамет .

20

1(х) » и л е. к (I)

теоретические распределения числа хромосом в беккроссных (рис. 5) и самоопыленных (рис. 7) поколениях пентаплоидов'соответствовали наблюдаемым распределениям.

Рис. о.Теорети-ческие распределения беккроссных потомков пентаплоида, построенные на основе биномиального распределения без включения (I) и с включением (2) в модель фактора дифференциальной жизнеспособности гамет, в сравнении с эмпирическим распределением.

Рис. 6,&тиричес~ кая и вычисленная по формуле (I) кривые жизнеспособности женских гамет у пентагигаяа. Fue. 7. Распределение особей по числу хромосом в самоопыленном потомстве пентаплоида: летаная кривая характеризует эмпирическое распределение, плавная - теоретическое.

Таким образам, развитые здесь представления о закономер- • ностях изменения жизнеспособности гамет, образуемых пенталлои-дами пшеницы, дают возможность прогнозировать состав их потомства в отношении числа хромосом.

Изучение таких признаков семян, как вес и плотность (отношение веса к объему) показало, что между ними и числом хромосом зародыша существует такая же зависимость, как зависимость между, числом хромосом и жизнеспособностью гамет. Это позволяет, делая отбор по определенным градациям этих признаков, отбирать фракции.проростков, обогащенные особями с определенным числом хромосом (Терновская, Жиров, 1979).

На практике, как правило, требуется отобрать один или два типа растений по числу хромосом, чаще всего это — певтапаовдн

21

в беккроссных потомстЕах и тетраплоиды или гексаплоиды - в самоопыленных потсмствах. В этих случаях для отоора нужных типов очень полезно разделить семена на 3 класса - выполненные, промежуточные и щуплые. Этот прием особенно эффективен, когда в качестве отцовского родителя исследуемого потомства при бек-кроссировании используется пентаплоид (пример в таблице 3).

Таблица 3

Процент 35- и 42-хромосомных особей, выращенных из

семян разной степени выполненности

Материал : Щуплые : Средние .•Выполненные

: 35 : 42 : 35 : 42 : 35 : 42

Златоклас х Fj (Злат. х МИ) 28,9 П,5 13,3 18,5 1,6 28,7 Pj (Злат. х МИ) х Златоклас 8,9 0,0 5,5 0,8 0,0 0,0

Таким образом, предварительный отбор семян может существенно сократить объем цитологической работы.

?. моносомики пшенищ и моносомкый тлш

Проблема расширения генофонда культурных форм пшеница тесно связана с проблемой рационального создания и эффективного применения анеупяоидных серий мягкой пшеницы, особенно мо-косомных серий. Большинство методов целенаправленного введения чужеродного генетического материала в геном пшеницы основано на использовании моносомиков (Sears , 1981, 1983). Даже тогда, когда такой материал можно вводить без помощи моносомиков, его таентифккация и локализация была бы крайне затруднительна без Ш!Х.

Новые моносомные серии, как правило, создаются путем пы. оедачи моносомного состояния хромосом от уже готовой ионосоы-ной серии с помощью беккроссоз. Метод беккроссов, с первого взгляда кажущийся очень простым, осложняется несколькими обстоятельствами, среда которых "смена унивалента", возникающая из-за частичного асинапсиса или десинапсиса, является одним из главных. Поскольку сорта и гибриды мягкой пшеницы различаются по степени десинапсиса (Riley , Law , 1965; Жиров и др., IS73), возникает проблема оценки смены унивалента при создании моносомкой серии.

7.1. Смена унивалента

На основании данных, полученных в ходе создания моносом-ных серий у сортов озимой мягкой пшеницы Скороспелка 35, Кавказ и Аврора, была построена математическая модель, дающая возможность оценить вероятность смены унивалента Pus в любом беккроссном или самоопкленном поколении. Ока рассчитана на случай, когда в мейозе моносомика'может образоваться от I до 5 унизалентов:

р^ _ uirze~*~\ + fuzlr5z__ (2)

гге~х *■ 3u.irze'xx + Wi¿zV-3z где и - вероятность включения унивалента в ядро гаметы, £г - вероятность элиминации унивалента, z- л , Л> -

число пар избыточных унивалентов родительского моносомика,

ЬЛоп+^-ЬЬт)-*™'*'*

где t - число беккроссов, %Аот.~ среднее число унивалентов у сорта-рецшшевта моносомного состояния, A¿> - среднее число избыточных унивалентов в 3?£, f -коэффициент пропорциональности.

Таким образом, .вероятность смены унивалента в любом поко-лении-можно найти по трем экспериментальным величинам. АоИ ХАсъ определяются путем подсчета числа унивалентов в MI мейо-за,величина и приблизительно равна деле дисомиков в популяции.

Данные по смене унивалента, полученные при создании моно-сомных серий у сортов Скороспелка 35 и Аврора но формуле (2), свидетельствуют о хорошем совпадении фактических результатов с ожидаемыми.

Использование модели (2) помогает правильно спланировать эксперимент с моносомиками. Так, расчеты показали, что при больших значениях д, чередование беккросса с самоопылением -прием, употребляемый для уменьшения вероятности смены унивалез-та при создании замещенных линий - становится бесполезным,, В этом случае необходимы тесты на смену унивалента в каждом поколении и использование монотелосомиков вместо моносомиков.

7.2. Моносомный анализ межвидовых замещенных линий

Если исследуемый признак контролируется геном, расположенным в чужеродной хромосоме замещенной линии пшеницы, и нет

23

преимущественной или, наоборот, пониженной передачи потомству, чужеродной хромосомы, то расщепление у критических моноссмных популяций не будет существенно отличаться от расщепления, характерного. для критических моносомиков пшеничных гибридов. Однако расщепление диссмной популяции и популяции, полученной от некритических моносомных гибридов, может значительно отклоняться от соответствующего расщепления у пшеничных гибридов. Это вызвано тем, что в мейозе чужеродная-хромосома, и ее пшеничный гомеслог образуют 2 унивалента, которые с большой вероятностью (для пшеницы в среднем 0,75) теряются в цитоплазме, искажая тем самым пропорцию расщепления. Бели допустить, что ¿а. = ¿¡а- = о- , где ~ вероятность потери чужеродного унивалента, а 1/аг ~ пшеничного и что с мужской стороны функционируют только 21-хромосомные типы гамет, а с женской - все типы, то в случае одного доминантного гена отношение доминантов к рецессивам в популяции диссмиков составляет

Огг * 1,6¿ги. + 0,5и.г)/(1ги. * и.&) При¿г = 0,75 это отношение будет 0,625:0,375 или 5:3 вместо 3:1. Некритические популяции от моносомиков должны были бы проявить такое же расщепление, если бы не вмешивался фактор дифференциальной жизнеспособности раэнохрдаосомного потомства. Он должен оказывать влияние на расщепление потому, что в популяциях от дисомных гибридов доли анеуплоидов среди доминантов и рецессивов будут иными, чем в популяциях от моносомных гибридов, так как у первых образуется по меньшей мере 2 унивалента, а у вторых - 3. Такой .фактор, был смоделирован в виде уравнения

2

где у - жизнеспособность анеуплоида, жизнеспособность эуплоида, х - еео - разность между числом хромосом у эу- и анеуплоида. С его помощью удалось объяснить необычные с первого взгляда результаты моногамного анализа устойчивости к листовой ржавчине сортов Нойцухт и Скороспелка 35, различающихся меаду собой тем, что у первого за этот признак ответственна целая хромосома Ш, замещающая хромосому 1В, а у второго -транслокация 1В/т„

8. ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Понимание того, каким образом произошла полиплоидная пшеница и как устроены ее геномы, способствует решению проблемы нового генетического разнообразия. Так, открытие факта большой близости геномов А и В в отношении гомеологичной конъюгации хромосом означает, что система а пшеницы способна реагировать на очень небольшие различия между геномами. Возможно, что различия, существующие между геномами пшениц типа т.-Ъиг^йша и типа Е.1;1тор}1еет11 , достаточны для того, чтобы РЬ -система сработала и вызвала асинапсис и стерильность у их гибридов. Если это так, то можно было бы восстановить фертильность такого рода гибридов введением в их гене»! РЬ -супрессора (добавив, например, геном Ae.apeltoid.ea к Т.-МдюрЬевуН И скрестив полученный амфиплоид с геномно-замещенной формой Авродео). С селекционной точки зрения это означало бы наведение более широкого моста для обмена генетической информацией между подро-дами Тг11:1сит и-Воео-М-сит Щ.®1зоЬ.# et Бого£.

Отыскание возможностей использования генетического разнообразия сородичей культурней пшеницы в селекции - это, может быть, главная, но не единственная проблема генофонда пшеницы. Другая важная проблема - его сохранение. До последнего времени к решению этих взаимосвязанных проблем прокладывались разные пути. Создание геномно-замзщенных форм и их производных -форм с рекомбинантными геномами, замещенных и транслокационных линий - открывает возможность сохранять и использовать в качестве исходного материала для селекции генетические ресурсы диких сородичей пшеницы не только в виде сырья, т.е. в их первозданной форме, но и в виде "полуфабрикатов". Целый ряд свойств таких полуфабрикатов, приближающий их к культурным формам, дает возможность обращаться с ними так же, как с обычным селекционным материалом. Это обеспечивает значительное преимущество "полуфабрикатов" перед сырьем в деле сохранения и использования чужеродных генетических ресурсов. Поэтому очень важно в будущем создать генофонд родов' АеЕЗЛ.ора , Авгоругоп , На1паХ-й±& , Ногйешп и др. в виде коллекций геновшо-замещенных форм, замещенных и транслокационных линий.

Возможности дальнейшего развитие геномной и хромоссмвс*

25

инженерии можно искать на путях:

1) преодоления нескрещиваемости пшеницы с отдаленными видами. Природа предоставила здесь огромные, пока еще мало исследованные и используемые возможности (Банникова, 1986; Суриков, 1987);

2) ускорения создания межвидовых замещенных линий пшеницы. Так, используя культуру пыльников, взятых от гибридов ге-номно-замещенных форм, можно получить уже в первом поколении гомозиготные линии с рекомбинантным третьим геномом. Пример подобного рода известен ( Wang, 1985). Можно ускорить процесс замещения, воспользовавшись способностью чужеродной хромосомы компенсировать отсутствующую хромосому пшеницы так, как это сделали Кота и Дворжак (Kota , Dvorak , 1985);

3) ускорения идентификации чужеродного генетического материала в геноме пшеницы. Здесь главную роль, на наш взгляд, должны сыграть разного рода геномные и хромосомные маркеры. Метод идентификации хромосом и их участков, основанный на дифференциальной окраске, достиг приемлемого уровня надежности и широко используется в геномном;анализе (Endo , Gill , 1984; Зеленин и др., 1987; Щапова и др., 1987). Большой интерес в качестве молекулярных маркеров вызывают зонды специфических умеренных и часто повторяющихся последовательностей ДНК (Appels , Moron , 1984). Такие зонды уже были получены для хромосом генома D пшеницы, ржи и ячменя ( НауЪигп , Gill , 1987; lapitan et а1.Д986; Силина и др., 1987). Наиболее перспективными в этом отношении кажется метод полиморфизма по длине ре-стрикционных фрагментов (ВДРФ). Потенциально маркеры ЩРФ более многочисленны и более полиморфны, чем любые другие маркерные системы ( Erola et al., 1986);

4) сокращения количества чужеродного генетического материала, вводимого в хромосомы пшеницы. Это - одна из главных задач хромосомной инженерии у пшеницы, от решения которой часто зависит положительный ответ на вопрос: даст ли она прямой выход своей продукции в производство или селекцию или практическая ценность такой продукции будет определяться лишь ее скрытым потенциалом, который может быть приведен в движение другими методами. Требованию "ограниченного размера" удовлетворяет пока только метод индуцированной гомеологичной конъюга-

26

•ции хромосом. Сейчас известно уже о многих генетических фак- . торах, влияющих на гомеологичнуго рекомбинацию, и .существуют свидетельства тому, что соединение их в одном генотипе может повысить ее уровень (Miller , 1985; Ceoloni , 1987).

Хотя хромосомная инженерия имеет свои пределы, с уверенностью можно ожидать, что даже тогда, когда она окажется бессильной выполнить требования, предъявляемые к размеру вводимого инородного материала, ее значение для генетической инженерии не уменьшится, если не возрастет. Очень возможно, что соединение методов хромосомной инженерии, как поставщика новых генов для пшеницы, с методами молекулярного картирования хромосом, как источника маркеров этих генов, создаст необходимые предпосылки для.клонирования и идентификации последовательностей ДНК, заключающих в себе хозяйственно-ценные гены.

РЕКОМЕВДАЦИИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1. Заключить геномное и видовое разнообразие сородичей пшеницы в набор геномно-замещенных форм. Это существенно расширит возможности его исследования и использования в селекции, а также упростит заботу о его сохранении.

2. Селекционным учреждениям включить в программы гибридизации полученные в хсяе работы линии сортов Безостая I, Кавказ и Аврора, несущие инородные гены устойчивости к мучнистой росе и видам ржавчины.

3. Для более полного использования полезного генетического потенциала группы видов Eimopheevii в селекции мягкой и твердой пшеницы вводить в их гибрвды доминантный ингибитор гена Ph.

4. Геномно-замещенные формы, несущие геномы Ae.epeltoides и Ae.mutlca применять в качестве индукторов транслокации го-меологичных хромосом пшеницы и ее сородичей, которые в норме не конъюгируют.

5. Для анализа генетических различий между видами, гибриды которых стерильны, заменять их гибридами между генсмно-за-мещеннымн. формами, содержащими геномы таких видов.

6. Для избежания ошибок при проведения экспериментов о пентаплоидами и анеуплсадами пшеницы применять математические модели передачи потомству непарных хромосом.

выводы

I» Известные литературные иполученные в этой работе данные, трудно объяснимые с точки зрения существующих гипотез о происхождении полиплоидной пшеницы, хорошо укладываются в рамки предлагаемой рекомбинантной А^/Б-гипотезы. В соответствии с ней тетраплоидные виды пшеницы являются сегментными аллотет-рапловдами, оба генома которых возникли в результате тщсой рекомбинации хромосом диплоидных видов пшеницы (геном Ай ) и вгилопсов из секции Sitopsis (геном s ), при которой их первый геном (А) получил больше генетического материала от пшениц-однозернянок, чем их второй геном (В). Выявленная с помощью ци-тогенетических экспериментов с геномами более высокая по сравнению о геномом 3 способность хромосом генома А конъюгировать с хромосомами генома В подтверждает Ad/S -гипотезу.Эта результаты поддерживают предположение Harlan и de Wet (1975) о том, что в возникновении полиплоидных видов растений главную роль сыграло оплодотворение типа 2п + п.

2. Результаты извлечения и исследования тетракомпонента мягкой пшеницы свидетельствуют о том, что в ходе эволюции с геномом D геномы А и В в значительной степени потеряли свою самостоятельность и не могут теперь существовать отдельно в виде тетраялоидной пшеницы. Однако в сочетании с другими диплоидными видами трибы пшеницевых они дают в большинстве случаев генетически гармоничные фертильные формы. Сравнительный анализ таких геномно-замещенных форм показал, что полноценным заменителем генома D мягкой пшеницы в отношении его главных атрибутов - высокого хлебопекарного качества и зимостойкости -МОГ быть геном Aegilopa umtellulata.

3.Метод геномной инженерии, основанный на использовании геномно-замещенных фора, имеет преимущество перед традиционным методом благодаря тому, что I) инородный геном не вызывает

у них такого нарушения генетической гармонии, какое возникает при добавлении его к сложному геному мягкой пшеницы; 2) их- гибриды с мягкой пшеницей обладают удовлетворительной самофертильностью; 3) позволяют при "разборке" инородных геномов до отдельных хромосом миновать этапы генетически несбалансированных моносомных и добавленных линий и сразу же 28

переходить к сбалансированным замещенным линиям; 4) дают возможность создавать линии не только с одиночным, но и множественным замещением хромосом.

4. Практическая ценность геномно-замещенных форм определяется тем, что они, унаследовав от сородичей пшеницы полезные свойства, превратились в гораздо более удобный источник этих свойств для селекции пшеницы, чем сами сородичи. Кроме того они дают возможность создавать новые свойства благодаря возможности получать рексмбинантные геномы. Такие их свойства как устойчивость к ржавчине и мучнистой росе, высокое содержание белка в зерне, выполненный стебель были переданы сорту Аврора. '

5. Получением синтетического вида Tri.ti.cum шХеивоЬогм подтвердилось предположение о возможности создания аналога мягкой пшеницы с геномной формулой ,шзош> , обладающего имцу-нитетом ко многим болезням пшеницы. С псмощью беккроссов удалось передать от него устойчивость к листовой ржавчине и мучнистой роев сортам Безостая I и Кавказ.

6. С созданием геномно-добавленных форм пшеницы в результате переноса субгенома и сортов мягкой пшеница в геном твердой и добавления к нему "дикого" генома в от Аа^аизсЬИ открылась перспектива детального анализа геномов в связи с эволюцией, генетикой и селекцией пшеница.

7. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных, полученных в ходе манипуляций с геномами и хромосомами пшеницы, свидетельствует о том, что процессы, определяющие расщепление по числу хромосом потомств пенталлоидов и анеу-плоидов, можно удовлетворительно описать с помощью математических моделей. Это дает возможность предвидеть пропорцию определенных хромосомных типов (включая типы со сменой унивалея-та у моноссмиков) в ряду последовательных поколений по нескольким параметрам родительских форм или гибридов и, избирая наиболее рациональную тактику в работе, сокращать значительную часть трудоемких цитологических анализов.

8. В результате цитогенетических манипуляций сорт мягко® пшеницы Аврора превращен в универсальную модель цитогенетичоо-ких исследований, которая включает: I. Моноссыную серию.

2. Тетраслоидный компонент. 3. Гевомно-замещеняые формы, со«

29

держащие 6 геномов эгилопса, геномы пшениц-однозернянок, ржи и пырея. 4. Межвидовые замещенные линии, содержащие одиночные и множественные хромосомы Ag.glaucum , Ae.umbellulata и Ae.Bharoneaale.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. ЖИров Е.Г., Бессарай К.С., Губанова М.А. 0 нередукции числа хромосом в макроспорогенезе аллополиплоида Eriticum aes-tivum L. //. Симпозиум по апомиксису у растений: Тез. докл. -Тбилиси: Мецниереба, 1971. - С. 7-9.

2. Жиров Е.Г., Бессараб К.С., Губанова М.А. Генетическое изучение частичного десинапсиса у мчгкой пшеницы // Генетика.-1973. - Т. 9, №1. - С. 18-29.

3. Жиров Е.Г., Губанова М.А., Бессараб К,С. Цитологическое изучение аллополигшловдсв мягкой пшеницы // Сб. науч. тр. Краснодарского НИИСХ им. П.П.Лукьяненко. - 1975. - В. 9. -

С. I64-171.

4. Жиров Е«Г., Бессараб К.С. Цитологические особенности сорта озимой мягкой пшеницы Скороспелка 35 // Тр.Краснодар-ского НИИСХ им, П.П.Лукьяненко. - 1977. - Вып. 10. - С.44-45.

5. Жиров Е.Г., Терновская Т.К. Наследование хромосом генома D в беккроосных потомствах пентаплоидов пшеницы//14 Меж-дунар.генет.конгр.: Тез.докл. - М., 1978. - Ч. I. - С. 292.

6. Цучков D.M., Жиров Е»Г., Лавриченко В.Г. Генетический контроль морозоустойчивости у мягкой пшеницы //14 Международный генетический конгресс: Тез. докл. - М., 1978. -

Ч. П. - С. 116.

7. Puchkov y.m., Zhirov e.g. Breeding of common wheat varieties with a high frost resistance and genetic aspects of ,it // World Science Hews. - 1978. - V. 15, К 8. - P. 17-22.

8. Жиров Е.Г., Терновская Т.К. Наследование хромосом генома d в потомстве пентаплоидов пшеницы. I. Анализ беккроо-сов // Генетика. - Х979. - Т. 15, * I. - С. 120-130.

9. Жиров Е.Г., Терновская Т.К., Бессараб К.С. Генетический анализ тетраплоидной пшеницы с использованием моносомной серии мягкой пшеницы // Цитология и генетика. - 1979. - Т. 13, * 3. - С. 199-204.

10. Терновская Т.К., Жиров Е.Г. Наследование хромосом ге-

30

нема D в потомстве пентаплоидов пшеницы. П. Анализ плотности эндосперма семян с разными числами хрсмоссм // Генетика. -1979. - Т. 15, № 4. - С. 701-707.

11. Терновская Т.К., Жиров Е.Г. Выделение тетраплоидного компонента ААВВ из мягкой пшеницы сорта Саратовская 29 // Докл. ВАСХНИЛ. - 1979. - № 3. - С. 8-10.

12. Жиров Е.Г. Синтез новой гексаплоидной пшеницы // Тр. по .прикл. ботан., генет. и селекции. - 1980. - Т. 69, вып. I.-С. 14-16.

13. Жиров Е.Г. Новые амфидиплоиды от скрещивания Aegi-Хорз sharonenals и Ae.speltoidee с ДИПЛОИДНЫМИ видами пшеницы //Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. - 1980. -Т. 68, вып. I. - С. 139.

14. Жиров Е.Г., Терновская Т.К. Замещение генсма D мягкой пшеницы T.aestivum L. геномом Ae.speltoidea Tauacb. // Всесоюзное совепи по отдаленной гибридизации растений и животных: Тез. докл. - М., 1981. - С. 126-127.

15. Жиров Е.Г., Бессараб К.С., Терновская Т.К., Иванов Г. И. Создание нового исходного материала для селекции пшеницы и тритикале с ломощья методов геномной и хромосомной инженерии // Теор.. и прикл. аспекты селекции и Семенов, пшеницы, ржи, тритикале: Тез. докл. Междунар. науч. конф. стран-членов СЭВ. - Одесса, 1981. - С. 27.

16. Жиров Е.Г., Бессараб К.С. Проблема смены унивалента при создании моносомной серии мягкой пшеницы // Генетика. -1982. - Т. 18, № 5. - С. 793-801.

17. Жиров Е.Г., Бессараб К.С. Использование анеушгоидов в патогенетических исследованиях мягкой пшеницы // Селекция и генетика пшеницы. - Краснодар, 1982. - С. 160-184. - (Сб. науч. тр. / КНШСХ).

18. Жиров Е.Г., Терновская Т.К. Геномная инженерия у пшеницы // Вестник с/х науки. - 1984. - Л 10. - С. 58-66.

19. Жиров Е.Г., Терровская .Т.К., Иванов Г.И. Геномно-за-мещенные формы пшеницы // Селекция и генетика пшеницы. - Краснодар, 1985. - С. 84-102. - (Сб. науч. тр. / КНИИСХ).

20. Zhirov E.G., Temovskaya Т.К., Bessarab K.S. Investigation on wheat cytogenetics at Krasnodar Lukyanenko Research Institute of Agriculture // EWAC Newsletter. - Plant Breeding

31

Inet., Cambridge, 1986.

21. Zhlrov E.G., Ternovskaya Т.К. Substitution of D genome In wheat //European Wheat Aneuploid Co-operative newsletter. - Agricultural Bee. Inst, of the Hungarian Aoad. Sci., Martonvasar 8&d bust* of Plant Sci» R©s* C&mbsrldge Le.b»j 1987. - P. 60-65.

22. Жиров Е.Г. Геномная инженерия у пшеницы // У съезд ВСИМС: Тез. докл. - М., 1987. - Т. 6. - С. 1П.

23. Киров Е.Г., Терновская -Т.К. Перенос генома D от мягкой пшеницы в твердую // Докл. АН СССР. - 1987. - Т. 296. -С. 1252-1254.

24. Еойников В.К., Побежимова Т.П., Варакина Н.Н., Жиров Е.Г. Влияние отдельных хромосом морозоустойчивой мягкой пшеницы на морозоустойчивость растений и энергетическую активность митохондрий при гипотермии // Генетика. - 1987. - Т. 23, * 2. - С. 287-294.

25. Zhlrov E.G., leioovskaya Т.К. Transfer of D genome from oommon wheat to durum wheat // Wheat Inform. Serv. -1988. - И 65. - P. 4-6.

26. Жиров Е.Г. Новые данные о происхождении полиплоидной пшешпы // Докл. АН СССР. - 1988. - Т. 302, № 2. - С. 965-968.

27. Жиров Е„Г., Терновская Т.К. Мог ли быть конкурент у генома D пшеницы // Цитология и генетика. - 1989. - Т. 24, £ 3. - С. 45-48.