1.3 Создание исходного материала методом полиплоидии

Полиплоидия -- увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (3n), тетраплоиды (4n) и т. д.

Полиплоидией называют изменчивость, связанную с кратным увеличением основного числа хромосом в клетках организма. Для полиплоидов характерно более мощное развитие вегетативных и репродуктивных органов, что вызвано увеличением у них размеров клеток. Полиплоидия играет большую роль в эволюции культурных растений. Большинство родов покрытосеменных растений включают полиплоидные виды (1/3 от всех изученных видов). Ряд важнейших сельскохозяйственных культур представляют собой полиплоидные формы. Обычно более ценными оказываются формы с большим числом хромосом.

В селекции растений полиплоидию как практический приём стали применять после открытия А. Блексли в 1937 г. направленного полиплоидизирующего действия колхицина на делящиеся клетки растений. Колхицин - это алкалоид, выделенный из семян и клубнелуковиц безвременника осеннего.

Экспериментальная полиплоидия позволяет решать следующие проблемы селекции и генетики растений:

1. Повышение продуктивности.

2. Преодоление самонесовместимости.

3. Преодоление межродовой и межвидовой нескрещиваемости.

4. Восстановление плодовитости у отдалённых гибридов.

5. Закрепление гетерозиса.

6. Проведение синтеза и ресинтеза видов.

7. Установление групп сцепления при генетическом анализе.

Типы полиплоидов и их различия.

Требования к объектам полиплоидии. В селекции используют два типа полиплоидов: аутополиплоиды и аллополиплоиды. Аутополиплоиды получают путём кратного увеличения в клетках наборов хромосом одного и того же вида (АА>АААА). Аллополиплоиды - соединением в одном геноме хромосомных наборов разных видов с последующим удвоением числа хромосом у гибридов F1 (АА х ВВ = F1 AB A AABB). Аллополиплоиды получают также путём скрещивания разных аутополиплоидов (АААА х ВВВВ = F1 ААВВ).

Сегментные аллополиплоиды - это промежуточные между аутополи-

плоидами и аллополиплоидами формы, у которых хромосомы разных геномов различаются не по всей длине, а частично. Основные различия между аутополиплоидами и аллополиплоидами:

1. Фертильность наиболее сильно снижается у аутополиплоидов,

что связано с нарушениями процесса мейоза, особенно у культур, возделываемых на семена. У аллополиплоидов хромосомы каждого типа представлены парами, поэтому мейоз протекает нормально и плодовитость снижается меньше, чем у аутополиплоидов.

2. Морфологически аутополиплоид сходен с родительской фор-мой, а аллополиплоид занимает промежуточное положение между родительскими видами и похож на гибрид между ними. Известный шведский селекционер А. Леван (A. Levan, 1942) сформулировал основные положения, указывающие, какие растения наиболее перспективны для полиплоидизации.

1. Растения с небольшим числом хромосом лучше реагируют на их удвоение, чем растения с высоким числом хромосом.

3. Перекрёстноопыляющиеся культуры более подходят для селекции на основе полиплоидии, чем самоопылители. У них скорее восстанавливается фертильность.

4. Чем более гетерозиготен материал, тем больше шансов получить выгодную новую комбинацию. Поэтому в качестве исходного материала для полиплоидизации целесообразно брать гибридный материал.

5. Растения, у которых используются вегетативные части, представляют более перспективный материал для полиплоидии, чем выращиваемые на семена (Е.П. Раджабли, В.Д. Рудь, 1972) Кроме того, при использовании в селекции метода экспериментальной полиплоидии следует учитывать, что для разных видов растений характерен определённый оптимальный уровень плоидности (геномный оптимум), после достижения которого при дальнейшем увеличении числа хромосом интенсивность роста растений снижается. Например, удвоение числа хромосом у мягкой пшеницы приводит к слабому развитию растений. Наоборот, у ржи удвоение хромосом увеличивает мощность и продуктивность растений.

Использование аутополиплоидии.

Мейотические полиплоиды. К полезным изменениям при полиплоидии относят увеличение размеров органов и самих растений, повышение их продуктивности, содержания некоторых полезных веществ, устойчивости к полеганию и др. К нежелательным изменениям относится, прежде всего, снижение плодовитости аутополиплоидов. Они часто более позднеспелые, содержат больше воды в вегетативной массе. Характер наследования у аутополиплоидов сложнее, чем у диплоидов. Требуется больше времени для получения гомозиготного материала. С другой стороны, возможность поддержания селекционного материала полиплоидов в течение длительного времени в гетерозиготном состоянии можно использовать в селекции на гетерозис.

При селекции полиплоидов важно иметь большой исходный материал, разнообразный в генетическом отношении. У самоопылителей целесообразно вовлекать в работу возможно большее количество линий при небольшом числе растений от каждойлинии. У перекрёстников можно брать меньше семей, но с большим количеством растений в каждой семье. У вегетативно размножающихся растений и у тех растений, где бессемянность желательна, стерильность оказывается выгодной, поэтому в селекции этих культур полиплоидия оказывается перспективной. Например, полиплоидия используется при создании сортов нарцисса, тюльпана, гиацинта, хризантемы (тетраплоиды). Сорта винограда, чая, яблони являются также аутополиплоидами.

Полиплоидия успешно используется для преодоления межвидовой несовместимости диких видов с культурными.

Использование аутополиплоидии в селекции культур, возделываемых на семена (рожь, гречиха) связано с определёнными трудностями, в частности со снижением плодовитости растений. При этом уменьшение общего количества семян на них обычно не компенсируется большей массой отдельного полиплоидного семени. Однако путём переопыления разных линий, их пересева и многократного отбора можно повысить фертильность тетраплоидов и увеличить их урожайность. Например, были получены устойчивые к полеганию, интенсивные сорта ржи: Стил (в Швеции), Белта, Ленинградская тетра и др. Сорт тетраплоидной ржи Тетра короткая (1986) создан путем удвоения числа хромосом у озимой ржи Короткостебельная 69, созданного путем ввода доминантного гена короткостебельности от сорта Болгарская низкостебельная в сорт Омка. В СибНИИСХе развивается направление селекции озимой тетраплоидной ржи, основанное на гибридизации тетраплоидных форм разного географического происхождения и последующих отборов. Вкачестве материнских форм используются сорта: Свеча, Белта, Пуховчанка, Крыжачек, Шатиловская тетра и др. В качестве отцовских форм (тестера) - Тетра гибрид, Тетра короткая, Популяция 2. Например, новый сорт тетраплоидной ржи Сибирь (1999) выведен в результате скрещивания трех тетраплоидных сортов: местная репродукция Белта, Тетра короткая, Шатиловская тетра. Тетраплоидные формы ржи создаются также на основе диплоидных гибридов первого поколения с целью закрепления гетерозисного эффекта переводом гибридов на полиплоидный уровень. Наиболее доступный и эффективный метод удвоения числа хромосом - обработка семян, проростков или колосьев раствором колхицина (Р.И.Рутц, 1990).Созданы также тетраплоидные сорта гречихи с дружным созреванием, хорошей озернённостью, с более низким стеблестоем, устойчивые к полеганию и осыпанию, с повышенным содержанием белка в зерне (13-16%): Искра, Минчанка, Большевик 4 и др.

Переопыление полиплоидных сортов с диплоидными приводит к резкому снижению семенной продуктивности (особенно у тетраплоидов). Поэтому должна быть пространственная изоляция между диплоидными и полиплоидными сортами одной культуры. У растений, размножающихся семенами, но возделываемых для получения их вегетативных органов, пониженная плодовитость не имеет решающего значения.

В последние годы в селекции ржи более широко изучаются и применяются методы перевода диплоидных сортов на полиплоидный (тетраплоидный -- 2n = 28) уровень.

В настоящее время селекционеры используют немного методов удвоения числа хромосом у ржи с помощью колхицина.

Колхицинирование. Полиплоидизирующее действие натурального алкалоида колхицина основано на подавлении функции веретена деления в процессе митоза, в результате чего в клетке остается удвоенный набор хромосом. Наиболее широко применяемые:

1) Проростки с колеоптилями длиной 2--4 мм укрепляют корнями вверх на сетке (колхицин подавляет рост корней) и опускают в чашки Петри, наполненные 0,25%-ным водным раствором колхицина. Колеоптили погружают на 30 мин в раствор, а корни покрывают влажной фильтровальной бумагой, предохраняющей их от высыхания. Обработанные проростки высаживают в посадочные ящики в теплице (Элиот, 1961).

2) Проростки с колеоптилями и корнями длиной 2- -4 мм погружают в небольшой толщины слой 0,1%-ного водного раствора колхицина на З ч при температуре 27 ос, затем промывают З ч в проточной воде и высаживают в теплице.

З) Семена проращивают в течение 1,5--2 дней в термостате на влажной фильтровальной бумаге при 200 С. Когда длина колеоптилей достигнет 3--6 мм, проростки намачивают в 0,2%-ном водном растворе колхицина в течение 2 ч, а затем для прекращения действия остатков колхицина промывают в течение 4 ч в проточной воде. Обработанные проростки высаживают в пикировочные ящики в теплице (Цахов, 1975).

Указанные методы различаются лишь концентрацией водного раствора колхицина и экспозицией обработки проростков. Многие авторы предлагают методики обработки с более продолжительной экспозицией (до 24 ч) и уменьшением концентрации раствора колхицина до 0,05%. Не все обработанные проростки дают желаемый эффект. Изменившиеся под действием колхицина растения приобретают темно-зеленый цвет, на зародышевом листе появляются вздутия, а затем отмечается курчавость листовой пластинки; рост их угнетен. Сильно поврежденные растения отмирают.

Мировая селекция насчитывает около 40 сортов тетраплоидной ржи. Большие работы по созданию и изучению ее проводятся в ГДР, ФРГ, Швеции, Нидерландах, Польше, Венгрии и других странах. В нашей стране селекция тетраплоидной ржи начата сравнительно недавно и велась главным образом с использованием коллекции ВИР, включающей около 30 сортов и форм этой культуры. В связи с тем, что полиплоидные формы зарубежной селекции недостаточно приспособлены к суровым климатическим условиям, во многих селекционных учреждениях страны большое внимание уделяется созданию оригинальных тетраплоидных форм озимой ржи на базе районированных диплоидных сортов, обладающих высокой зимостойкостью.

Полиплоидия у ржи сопровождается увеличением клеток в 1,5-- 3 раза. Это приводит к изменению ряда хозяйственно-ценных и биологических признаков. Увеличение размеров листьев способствует повышению выхода зеленой массы, превосходящей по питательной ценности зеленую массу диплоидной ржи, что благоприятствует использованию тетраплоидной ржи на зеленый корм. Увеличение мощности соломины, особенно толщины ее стенок, и увеличение доли склеренхимной ткани в строении нижнего междоузлия значительно повысили устойчивость тетраплоидной ржи к полеганию. Она превосходит диплоидную рожь по крупности зерна и в большинстве случаев по содержанию белка в нем. Благодаря увеличению цветковых чешуй и более крепкой плодоножке уменьшается осыпаемость зерна тетраплоидной ржи. Для нее характерен более продолжительный период послеуборочного дозревания, что должно способствовать большей устойчивости к прорастанию на корню.

Однако тетраплоидная рожь обладает и рядом существенных недостатков. Увеличение размеров листьев в ранние фазы развития сопровождается возрастанием количества воды в листьях, что приводит к снижению морозостойкости растений, особенно в зимы с малым снежным покровом.

Наблюдается низкая продуктивная кустистость сортов тетраплоидной ржи в сравнении с их диплоидными аналогами. Одна из главнейших причин, препятствующих широкому внедрению тетраплоидной ржи в производство-- высокий процент череззерницы, снижающий урожай зерна. Увеличение череззерницы тетраплоидов в сравнении с диплоидной рожью обусловлено как недостаточным опылением вследствие меньшей летучести крупных пыльцевых зерен, так и значительным количеством в популяциях анеуплоидных растений, которые образуют гаметы с нарушенным числом хромосом, не способные к оплодотворению.