Новости
09.12.2016


08.12.2016


08.12.2016


08.12.2016


07.12.2016


16.12.2015

Рекомбинационная изменчивость у высших растений, базирующаяся на обмене целых хромосом, сегментов хромосом (межгенный кроссинговер) и нуклеотидов (внутригенный кроссинговер, конверсия) в гибридах, обеспечивает образование преобладающей части адаптивно значимых генотипов в расщепляющихся поколениях и вполне обоснованно рассматривается в качестве «краеугольного камня» в селекции. При этом кроссинговер лишь один из нескольких источников генетического комбинирования. Репарация двунитевых повреждений ДНК качественно не отличается от генетической конверсии, поскольку и в том и в другом случае образуется локальный гетеродуплекс, который затем репарируется с использованием в качестве матрицы одной из гомологичных молекул ДНК. Кроссинговер, генетическая конверсия и репарация двунитевых повреждений ДНК считаются независимыми событиями. На рис. 4.34 представлены классические схемы митоза и мейоза. За счет рекомбинаций образуются новые адаптивные, в т.ч. трансгрессивные по хозяйственно ценным признакам и их сочетаниям варианты, происходит инфильтрация зародышевой плазмы при межвидовой гибридизации (интрогрессия), появляются формы с аномальной изменчивостью. Многие предполагаемые мутации по своей природе являются либо рекомбинациями, либо следствием последних. Более того, именно путем рекомбинаций мутационную изменчивость можно преобразовать в адаптивно значимые сочетания генов, сохраняемые в процессе естественного и искусственного отбора. Благодаря рекомбинации организмы обладают лучшей способностью адаптироваться к стохастически изменяющимся условиям внешней среды, избегать поражения патогенами, приспособившимися к исходным популяциям. В естественных популяциях рекомбинация не только важнейший механизм генетической изменчивости организмов, но и высвобождения ее в наиболее подходящий период времени.

Рекомбинация - основной источник доступной отбору адаптивно значимой генотипической изменчивости у высших растений

Развивая представление о генетической природе адаптивного потенциала культурных растений как функции взаимосвязи генетических программ (и составляющих систем) онтогенетической и филогенетической адаптации, мы показали, что высокая приспособленность гетерозигот в онтогенезе к варьирующим условиям внешней среды выступает как бы в качестве «буфера», защищающего потенциал генотипической изменчивости популяции и вида от излишнего рассеивания. Именно указанной особенностью взаимосвязи генетических систем онтогенетической и филогенетической адаптации можно объяснить всевозрастающую роль рекомбинационной (а не мутационной) изменчивости в процессе эволюции живых организмов от прокариот к высшим эукариотам, функционирование обратной связи в системе «генотип - фенотип - среда», образование блоков коадаптированных генов и других систем коадаптации в масштабе генома и идиотипа, неслучайность распределения кроссоверных обменов в геноме, формирование эволюционной и онтогенетической «памяти» организмов об условиях внешней среды в процессе их эволюции и онтогенеза и др. Спецификой взаимосвязи генетических систем онтогенетической и филогенетической адаптации определяются особенности функционирования рекомбинационной системы у каждого вида растений, в т.ч. и сбалансированная реализация его потенциала генотипической изменчивости. Теоретическое и практическое значение перечисленных выше положений для селекции растений очевидно.
Ведущая роль рекомбинационной изменчивости неизбежно приводит к пониманию того, что основой теории и практики селекции растений должны быть современные представления о механизмах и генетическом контроле рекомбинации у высших эукариот, включая информацию о генетических системах несовместимости, динамической организации мейоза, гаметогенеза, сингамии и эмбриогенеза, архитектуре системы генетического контроля рекомбинации (концепция «грубого» и «тонкого» контроля), системной регуляции генотипической изменчивости в популяции, связи механизмов рекомбинаций и мутаций, влиянии на частоту и распределение кроссоверных обменов плоидности, пола, возраста, добавочных хромосом, гетерохроматиновых узелков, дифференцированной элиминации рекомбинантных гамет и зигот и т.д.
Эффективность комбинационной селекции определяется прежде всего уровнем знаний о феноменологии рекомбинационной изменчивости, специфичной для каждого культурного вида растений. Важную роль при этом играет выяснение особенностей частоты и распределения кроссоверных обменов. Показаны существенные сегментоспецифичные количественные различия по частоте кроссинговера при формировании мужских и женских гамет у гороха, кукурузы, ячменя, томата, лука и других культур. Так, если у гороха более высокая частота обменов по изученным сегментам в микроспорогенезе, то у ячменя частота кроссинговера больше в макроспорогенезе. Согласно Chang, Kikudome, частота кроссинговера для сегмента y-su2 в макроспорогенезе кукурузы в 2 раза выше, чем в микроспорогенезе, а частота двойных обменов в микроспорогенезе в интервале yg-sh-bz-wx в 2-12 раз выше, чем в макроспорогенезе. Рекомбинационные различия в микро- и макроспорогенезе установлены также у томата в зоне sy-bls-sf. Причем для сегмента sy-bls, содержащего центромеру, частота кроссинговера существенно выше, когда гетерозигота используется в анализирующем скрещивании в качестве материнского компонента. Половые различия по частоте кроссинговера (rf) в мужском и женском мейозе у томата и арабидопсиса носят ярко выраженный сегментоспецифичный характер и в четырех зонах превышают 400%. Обнаружено также, что при скрещивании разных видов растений, различающихся по числу хромосом, потомству гибрида передается яйцеклетками большее число хромосом, чем пыльцой, т.е. макроспоры функционально более устойчивы, чем микроспоры. Большинство межродовых гибридов отличаются пыльцевой стерильностью, тогда как обычным для них оказывается производство функционирующих женских гамет. Показано, что у томата даже небольшие нехватки в микроспорах приводят К их гибели, тогда как яйцеклетки с такой же нехваткой сохраняют жизнеспособность. В целом считается, что макроспорогенез у высших растений обеспечивает более надежную передачу новой генетической информации, чем микроспорогенез. Отмечается и реципрокный эффект по рекомбинации, когда частота и распределение Кроссоверных обменов у гибрида зависят от выбора направления скрещивания исходных форм.
Наряду с гипотезой об общем генетическом контроле кроссинговера, высказываются предположения о двухуровневом контроле образования и распределения хиазм. Процесс мейотической рекомбинации может находиться как под моногенным, так и полигенным контролем. Полигенный контроль мейотической рекомбинации обнаружен, например, у томата. И все же, по мнению большинства исследователей, частота рекомбинаций регулируется сбалансированной генетической системой, а значительная часть изменчивости по частоте кроссинговера является аддитивной.
Установлено влияние цитоплазмы на частоту кроссинговера, в т.ч. и при межвидовой гибридизации. Отбор на количественные признаки приводит к изменению частоты кроссинговера, которое, в свою очередь, обусловлено взаимодействием ядерных и цитоплазматических факторов. Получены доказательства генетической обусловленности неслучайного распределения обменов и выявлены соответствующие факторы (рис. 4.35). Имеются весьма многочисленные данные и о том, что частота кроссинговера в разных зонах одной и той же хромосомы по-разному изменяется под действием экзогенных и эндогенных факторов. Так, в зоне C-sh-wx 9-й хромосомы кукурузы частота кроссинговера не зависит ни от температуры, ни от возраста растения. В то же время отмечаются изменения частоты кроссинговера в разных направлениях (плюс и минус) в проксимальной и дистальной зонах этой же хромосомы. В процессе гомологичной (законной) рекомбинации осуществляется не только комбинаторика ранее возникших мутаций, но может произойти и неравный кроссинговер как на межхромосомном, так и внутрихромосомном уровне. В этих случаях наряду с дупликацией в одной из хромосом образуется нехватка в другой.
Рекомбинация - основной источник доступной отбору адаптивно значимой генотипической изменчивости у высших растений

Многочисленные данные в области индуцированного мутагенеза и рекомбиногенеза, а также изменчивости репаративных функций и мобильных генетических элементов указывают на способность абиотических и биотических стрессоров существенно влиять на частоту и спектр генетических вариантов, «предлагаемых» отбору не только в текущем, но и в последующих поколениях. Кроме того, именно экологическая зависимость функций и эволюционных изменений самих R-систем оказывается наиболее важным механизмом прямых и обратных связей в триаде: «R-системы ⇔ F-система ⇔ среда», т.е. кибернетических принципов ее функционирования. Заметим, что наличие связей между модификационной и генотипической изменчивостью, индивидуальной и популяционной приспособленностью организмов отмечалось многими исследователями. Однако в этих работах недостаточно учитывалась зависимость важнейших параметров R-систем от условий внешней среды, а также от особенностей F-системы (уровня индивидуальной приспособленности гетерозигот, их генотипической среды, плоидности, хромосомного числа, возраста, пола, наличия добавочных хромосом и др.).
Доказано, что, чем меньше организм адаптирован к определенному фактору внешней среды, тем эффективнее этот фактор индуцирует рекомбинационные изменения. Так, в опытах Plough частота рекомбинаций (rf) была минимальной при оптимальной температуре и проявляла U-образную зависимость с увеличением отклонения температуры от оптимума (рис. 4.36 и 4.37). Получила экспериментальное подтверждение и высказанная нами гипотеза о том, что высокая онтогенетическая приспособленность гетерозигот и гетерогенных популяций к неблагоприятным условиям внешней среды снижает частоту и спектр рекомбинаций, т.е. играет адаптивную роль, защищая их потенциал рекомбинационной изменчивости от излишнего рассеивания. При этом экологическая зависимость R-систем и «буферирующая» роль F-системы гетерозигот могут быть реализованы через систему rес-локусов (гомозиготизация рецессивных rес-аллелей), систему полового размножения (частоту случайного скрещивания) и, наконец, путем эколого-филогенетического адаптациогенеза самих R-систем. Известно также, что организмы с преимущественно бесполым размножением в экстремальных условиях среды переходят к половому размножению, а различные формы инбридинга сменяются перекрестным опылением, и наоборот, что также влияет на характер рекомбинационной изменчивости. Наконец, следует учитывать существенное влияние факторов внешней среды на функционирование систем гаметогенеза, сингамии, эмбриогенеза, т.е. «внутренний» отбор рекомбинантных гамет и зигот, определяющих, в конечном счете, переход потенциальной генотипической изменчивости в свободную и доступную отбору.
Особенно важное значение имеет выяснение видовых и экотипических особенностей частоты и распределения кроссоверных обменов. Так, многочисленными исследователями установлено, что самоопыляющимся видам в случае перекрестного опыления свойственен больший уровень кроссинговера, тогда как у аутбридинговых видов он реализуется с регулярной частотой. Смена способа размножения под влиянием факторов внешней среды, в т.ч. переход от вегетативного к половому, от инбридинга к аутбридингу, и наоборот, весьма характерен для каждого вида и, в свою очередь, влияет на уровень и спектр рекомбинационной изменчивости. Установлено, например, что у пшеницы, наряду с самоопылением, имеется и доопыление рылец чужой пыльцой. Причем в зависимости от условий среды изменяется соотношение хазмогамных и клейстогамных цветков, а при повышенной или пониженной температуре так же, как при низкой влажности воздуха и засухе, клейстогамия усиливается. Считается, что засуха является наиболее важным фактором, вызывающим экологическую клейстогамию не только у пшеницы, но вообще у злаков, поскольку в этих условиях пыльники и пыльца недоразвиты, что существенно усиливает образование мужских стерильных цветков и, как следствие, естественную гибридизацию. Один и тот же сорт в одних зонах может иметь открытый тип цветения, в других - закрытый. Очевидно, что с изменением характера опыления под действием факторов внешней среды изменяются частота и спектр рекомбинации, а следовательно, и свободная генотипическая изменчивость. Кроме того, можно предположить, что стрессовая среда для F1 у пшеницы и других злаковых культур выступает в качестве фактора повышенной гетерогенности популяций F2.
Рекомбинация - основной источник доступной отбору адаптивно значимой генотипической изменчивости у высших растений

Необходимо также учитывать и феноменологию зависимости рекомбинационной изменчивости от возраста растений. Так, Stadler установил значимые различия по частоте кроссинговера в макроспорогенезе кукурузы для первого початка на основном стебле и боковых побегах (у них частота кроссоверных обменов была выше). По данным Griffing, Langridge, частота кроссинговера у томата по маркерам в зависимости от расположения кисти на растении F, варьировала в диапазоне от 6,3 до 20,7%, причем корреляция между частотой кроссинговера и порядковым номером кисти на растении была значимой и отрицательной. Авторы пришли к выводу, что семена плодов первых кистей томата, на которых уровень кроссинговера по указанному сегменту оказался в 3 раза выше по сравнению с последующими кистями, следует отбирать и использовать в селекционном процессе отдельно. Отрицательная связь между частотой кроссинговера и номером кисти у гибридов F1 томата была подтверждена в наших исследованиях на маркерных сегментах Wo-d, Wo-aw, hl-a. Различия по частоте хиазм в разных частях пыльников установлены у ржи, томата и других культур.
В комбинационной селекции необходимо учитывать действие всего комплекса факторов, существенно ограничивающих уровень и спектр доступной генотипической изменчивости. Важнейшими из них являются: механизмы репродуктивной изоляции видов; существование «запретных» для кроссинговера зон хромосом (блоки коадаптированных генов); ограничение частоты множественных обменов из-за положительной интерференции; рецессивность rес-аллелей, увеличивающих частоту кроссинговера, что снижает общий уровень рекомбинаций при гибридизации; селективная элиминация «нетрадиционных» рекомбинантов на этапах гаметогенеза, сингамии и постсингамных стадиях (гаметная и зиготная стерильность, существование «рекомбинантных леталей» и др.).
Показано, что обычно системы размножения растений, способствующие увеличению генотипической изменчивости, находятся в коррелятивной связи с системами генетического контроля рекомбинации, ограничивающими частоту и спектр кроссоверных обменов, обеспечивая, таким образом, сбалансированную реализацию потенциала генотипической изменчивости вида в варьирующих условиях внешней среды. В то же время указанный характер взаимосвязи генетических систем, закрепившийся в процессе эволюции как важное адаптивное свойство вида, - серьезное препятствие в комбинационной селекции. Поэтому задача увеличения доступной адаптивной генотипической изменчивости, особенно в случаях вовлечения в селекционный процесс зародышевой плазмы диких видов и разновидностей, на основе разработки методов индуцированного рекомбиногенеза весьма актуальна.
Еще в 1929 г. Н.И. Вавилов писал, что перед нами стоит совершенно конкретная, более того, утилитарная задача - овладеть этапами формообразования, строительным материалом для того, чтобы на его основе развертывать творческую работу биологов по созданию видов и форм по произволу. В современных условиях возможности селекционера по увеличению доступной генотипической изменчивости значительно возросли: имеются новые методы индуцирования мутаций, хромосомной и генной инженерии, культуры клеток и тканей, включая слияние протопластов и др. Однако с учетом блочной и коадаптивной природы генетических детерминантов, контролирующих основные хозяйственно ценные признаки растений, в т.ч. определяющих их потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость, можно считать, что управлению рекомбинационным процессом в гетерозиготах высших эукариот в обозримом будущем будет принадлежать решающая роль.