Новости
07.12.2016


07.12.2016


07.12.2016


06.12.2016


06.12.2016


16.12.2015

Наибольшие трудности в реализации возможностей межвидовой гибридизации связаны как с преодолением репродуктивной изоляции разных видов, так и с функционированием многочисленных генетически детерминированных механизмов, препятствующих обмену генами или сегментами хромосом между компонентами скрещивания (низкая гомологичность геномов инконгруэнтных скрещиваний, резкое уменьшение частоты и спектра рекомбинационных обменов, различия систем модификаторов скрещиваемых форм и др.). Создание межвидовых гибридов F1 требует преодоления барьеров несовместимости на этапах прорастания пыльцы, роста пыльцевых трубок, оплодотворения, формирования зародыша и семян. Причем ограниченный рост пыльцевой трубки - наиболее существенный барьер во всех межвидовых и особенно межродовых скрещиваниях. Отсутствие оплодотворения при межвидовой гибридизации обычно обусловлено генетической несовместимостью мужских и женских гамет и их геномов, а гибель семян - несоответствием эндосперма и зародыша.
Благодаря использованию методов гамма-облучения пыльцы и культуры зародышей, применению биологически активных веществ возможность получения семян межвидовых гибридов значительно возросла. Однако даже если и удается получить межвидовые и межродовые гибриды F1, интрогрессия оказывается существенно ограниченной, а многие гибриды - стерильными или с низкой жизнеспособностью. При инконгруэнтных скрещиваниях нарушается гармония физиологических связей на этапах оплодотворения и развития семени, отмечается значительное несоответствие цитоплазмы, структуры и числа хромосом. Межвидовые и особенно межродовые гибриды растений обычно характеризуются и генетической несбалансированностью, приводящей к физиологическим нарушениям, аномальному развитию репродуктивных структур (стерильность развития) и существенному нарушению комбинаторики хромосом и генов (стерильность расщепления). Показано, что при скрещивании пшеницы и ржи нередко возникает «гибридный некроз» спорофита F1. Гены, контролирующие мужскую стерильность и обычно рецессивные в пределах вида, у межвидовых и межродовых гибридов нередко проявляют доминантность, обусловливая проявление «гибридной стерильности», особенно в микроспорогенезе. Наиболее постоянными в рекомбинационном отношении структурами хромосом являются блоки коадаптированных генов, контролирующие хозяйственно ценные признаки. При скрещивании разных видов томата в отдельных зонах генома уровень обменов уменьшается в 2-10 раз. Даже в потомстве фертильных межвидовых гибридов хлопчатника частота обменов между некоторыми локусами снижается в 2-3 раза, а в ряде сегментов генома полностью блокируется. При использовании для межродовых скрещиваний пшеница х рожь линий пшеницы без хромосомы 5В или мутанта ph, обеспечивающих высокий уровень гомеологичной конъюгации, наблюдается низкая частота передачи генов ржи и несоответствие между частотой конъюгации и рекомбинацией.
Одной из весьма трудных проблем при отдаленной гибридизации является полное или частичное отсутствие экспрессии чужеродной генетической информации у растения-реципиента. Хотя, например, пшенично-ячменные гибриды и отличаются по морфологическим признакам от исходных форм пшеницы, они все же не проявляют явных морфологических признаков ячменя. Предполагается, что экспрессия генов холодоустойчивости генома ржи у тритикале ингибируется, возможно, поэтому лишь около 10% его сортов обладают зимостойкостью, равной или несколько выше зимостойкости исходных линий ржи. McClintock считает, что, несмотря на длительную нестабильность генома первичных тритикале, новые виды все же могут появляться как следствие случайной межродовой гибридизации.
Межвидовая несовместимость реализуется и на этапах эмбрионального развития («постсингамная несовместимость») вследствие формирования нежизнеспособных зародышей и эндосперма, а также при прорастании семян. Так, у гибрида F1, полученного при скрещивании диплоидных или тетраплоидных форм Hordeum vulgare и H. bulbosum, уже на ранних стадиях развития зародыша (причем независимо от того, какой из видов использовался в качестве материнской формы) происходила элиминация хромосом одного из видов. Лишь при использовании в скрещивании диплоидной формы H. vulgare и тетраплоидной H. bulbosum удалось создать триплоидный гибрид. Элиминация хромосом отцовского компонента в период развития гибрида F1 наблюдалась также у гибрида Nicotiana tabacum х N. plutnbaginifolia. Из зародыша гибрида от скрещивания Triticum aestivum х Н. bulbosum в результате элиминации хромосом последнего Barclay получил полигаплоидные растения пшеницы. По данным James, на ранних стадиях роста гибрида F1 кукуруза х сорго из 30 хромосом в каждой клетке на долю хромосом кукурузы приходилось 20. Однако по мере роста растений все большее число хромосом сорго элиминировало. Элиминация разного числа хромосом одного из компонентов скрещивания установлена в мейозе гибридов F1, от скрещиваний Т. aestivum х Aegilops variabilis, H. vulgare x T. aestivum, H. aestivum x H. vulgare и др.
Интрогрессивная гибридизация в селекции растений до настоящего времени применяется эпизодически. При этом, как и 50 лет тому назад, «решающее значение при отдаленной гибридизации имеет масштаб работы» (Вавилов, 1940). Во всяком случае, селекционеры, которые путем межвидовой гибридизации создали ценные формы, удачно сочетающие признаки двух видов, в большинстве случаев проводили работу в течение многих лет и с очень большим числом растений. И все же такое утверждение не означает, что метод межвидовой гибридизации вообще не получил развития. В широко известных работах Sears по индуцированному переносу сегмента Aegilops umbellulata в геном Triticum aestivum, по существу, была реализована идея Карпеченко о том, что формообразовательные процессы в отдаленных скрещиваниях можно кардинально изменить путем воздействия на гибриды различными внешними агентами. Расшифровка механизмов генетического контроля конъюгации разных геномов у пшеницы практически открыла путь (за счет удаления или ингибирования хромосомы 5В) к индуцированному рекомбиногенезу у межвидовых и межродовых гибридов злаковых колосовых культур.
Во многих работах показано, что использование полиплоидов является эффективным средством интрогрессии зародышевой плазмы между разными видами растений. Карпеченко впервые преодолел стерильность редечно-капустных гибридов за счет амфидиплоидии, назвав эти растения аллотетраплоидами. Используя амфидиплоиды Nicotiana glutinosa х N. tabacum, Терновский получил гибридные семена со всхожестью 5-11%. И хотя амфидиплоиды были лишь частично фертильны, за счет последующего их скрещивания с одним из родительских видов и/или целенаправленного отбора удалось создать полностью фертильные линии. Использование тетраплоида L. esculentum Mill. в качестве материнской формы эффективно при скрещивании с L. peruvianum. Наиболее результативна полиплоидизация гибридов с последующим многократным отбором хозяйственно ценных форм. Вот почему вполне обоснованно полиплоидную структуру Zohary сравнивает с губкой, которая впитывает вариации из различных геноисточников.
Классическим примером полиплоидного ряда является род Triticum, в котором существует три группы видов с хромосомными числами n = 7, 14 и 21. Другим хорошо документированным примером амфидиплоидии стали три широко распространенных диплоидных вида рода Brassica - В. oleracea, В. nigra и В. campestris, которые имеют соответственно гаплоидные числа 9, 8 и 10 и представляют, вероятно, филогенетически восходящий ряд. В. juncea (ААВВ) относится к естественным амфидиплоидам, сочетающим основные наборы хромосом В. campestris (АА) и В. nigra (ВВ). В. napus (ААСС) и В. carinata (АВСС) также считаются естественными амфидиплоидами, в которых объединены основные наборы В. campestris (АА) и В. oleracea (СС), а также В. nigra (ВВ) и В. oleracea (СС) соответственно. Эти филогенетические связи удобно представить, расположив основные диплоидные виды в треугольнике (рис. 4.38), известном под названием «треугольник U. В нем возможны разные амфидиплоидные комбинации n = 16, 17, 18, 19, 20, 24, 25, 26, 26, 27, 28, 29, 30 и т.д., а числа n = 17, 18, 19, 27 и 29 встречаются у естественных и полученных искусственным путем амфидиплоидов. Установление указанных отношений между видами проясняет многие особенности генетики рода Brassica и помогает создать основу для селекции морфологически отличимых форм.

Межвидовая гибридизация как важнейший источник генотипической изменчивости

Установлено, что у многих видов растений имеются экотипы, легко скрещивающиеся с другими видами. Так, Г. Мейстер и Н. Мейстер обнаружили различные формы мягких пшениц, сравнительно легко скрещивающиеся с твердой пшеницей и рожью. Позднее Thompson выделил формы мягкой пшеницы, которые в 90% случаев удачно скрещивались с рожью. Среди популяций L. peruvianum var. dentatum и L. hirsutum Humb. et Bonpl. нам удалось выявить формы, использование пыльцы которых при гибридизации с L. esculentum Mill. дало полноценные гибридные семена. По данным Skiebe, стерильность мужских гамет у межвидовых гибридов иногда преодолима за счет получения большого числа гибридов в разных условиях внешней среды или полиплоидизации.
Harlan, de Wet классифицировали культурные виды растений и их диких родичей на первичные, вторичные и третичные генофонды. К числу первичных они относят виды и сорта, легко скрещиваемые и дающие фертильное потомство. Во вторичный и третичный генофонды авторы включили сорта и дикие виды, которые можно скрещивать, но процесс генетической рекомбинации при этом ингибируется вследствие низкой конъюгации хромосом, стерильности гибридов F1, недоразвитости зародышей и т.д. Доступность указанных трех генофондов для интрогрессивной гибридизации варьирует в зависимости от вида. Так, Avena sterilis и A. sterilis var. ludoviciапа являются ценными геноисточниками первичного генофонда в селекции овса на зимостойкость и устойчивость к заморозкам. При их использовании получены трансгрессивные генотипы. Хотя межвидовая гибридизация ячменя в пределах вторичного генофонда (за исключением H. vulgare х H. bulbosum) затруднена, весьма эффективно использование каллусной культуры гибридов H. vulgare х H. jubatum для получения растений с частичной фертильностью и последующего их включения в селекционный процесс с целью передачи генов устойчивости к холоду от H. jubatum культурному виду. Зимостойкие формы растений были получены в потомстве от скрещивания H. vulgare с амфидиплоидом H. brachyantherum и H. bogdanii.
Важную роль в использовании диких видов могут играть методы выращивания гибридных зародышей в культуре in vitro, соматическая гибридизация, перенос генов с помощью методов генетической инженерии. Так, метод культуры зародышей применен на томате, в т.ч. для получения гибридов между L. esculentum х L. peruvianum; в скрещиваниях разных видов Cucurbitaceae; при выращивании гибридов Hordeum jubatum х Secale cereale и др. Для гибридов между пшеницей (Triticum mоnососсum) и рожью (Secale cereale) культура зародышей оказалась успешной лишь в случаях, когда растения ржи использовали в качестве материнской формы.
К настоящему времени широко известны и практические результаты, полученные в селекции за счет межродовой гибридизации. Так, большинство товарных сортов сахарного тростника и банана созданы на основе скрещивания отдаленных форм. В качестве кормовой культуры используют гибриды между сорго и суданской травой. Во многих странах мира распространены гексаплоидные сорта тритикале - первой зерновой культуры, созданной человеком. Отдаленная гибридизация особенно широко применяется при селекции вегетативно размножаемых видов растений. Например, удалось интрогрессировать зародышевую плазму из Saccharum в сорго, из Tripsacum в кукурузу. В потомстве гибридов L. esculentum х L. hirsutum обнаружены трансгрессивные формы, способные выдерживать заморозки -3°С и ниже. Именно на основе межвидовой гибридизации были получены сорта томата, устойчивые к различным расам кладоспориоза, фитофторе, фузариозному и вертициллезному увяданию, септориозу, альтернариозу, серой пятнистости листьев, бактериальным болезням, вирусам (мозаики, бронзовости, курчавости верхушек), корневым нематодам.
В потомстве межвидовых гибридов нередко обнаруживают признаки, которых нет ни у одного из родительских видов (аномальная изменчивость). Так, при скрещивании культурных сортов томата с L. minutum, благодаря объединению генов В и hp, удалось создать линии с пятикратным увеличением содержания β-каротина в плодах и высокой концентрацией ликопина. Нередко рецессивный ген, скрытый у диких видов, не проявляется в фенотипе до тех пор, пока не будет интрогрессирован в генетический фон рекуррентного родителя. Этот тип аномальной изменчивости отличается от латентной вариации, поскольку такой же признак невозможно получить при инбридинге растений дикого вида или за счет мутации. Возможно также взаимодействие различных типов аномальной изменчивости. По данным Rick, Butler, при скрещивании различных видов томата в расщепляющихся поколениях получены растения с рецессивными мутациями, что связано с гомозиготизацией соответствующих аллелей.
Для передачи признаков, находящихся под моногенным контролем (а к ним, как известно, относится и устойчивость ко многим болезням и вредителям), при межвидовой гибридизации весьма эффективен метод беккроссирования. Согласно модели Bridges, Gardner, F2 или ВС, межвидовых гибридов более предпочтительны для отбора, если средняя величина приспособленности по хозяйственно ценному признаку в потомстве выше или равна средней величине соответствующего признака дикого донора.
В целом же доступная искусственному отбору генотипическая изменчивость в потомстве межвидовых и межродовых гибридов отражает лишь небольшую часть потенциально возможной и желательной вариабельности. Однако увеличивающиеся потребности населения мира в продуктах питания, требующие устойчивого роста величины и качества урожая сельскохозяйственных растений, особенно в зонах с неблагоприятными и экстремальными почвенно-климатическими и погодными условиями, указывают на то, что роль отдаленной гибридизации в селекции растений будет постоянно возрастать. Связано это, в первую очередь, с тем, что потенциал адаптивной генотипической изменчивости, доступной селекционеру при внутривидовой гибридизации, во многих случаях неадекватен современным задачам улучшения культивируемых видов растений. В то же время громадное разнообразие диких видов и разновидностей представляет неисчерпаемый запас хозяйственно ценной зародышевой плазмы, созданной в течение длительной эволюции, и одна из главных задач генетики и селекции состоит в том, чтобы суметь использовать в интересах человека эти «залежи» наследственности. Причем не только каждый вид, но даже экотип уникальны по своим приспособительным возможностям к конкретным условиям внешней среды.