Новости
07.12.2016


07.12.2016


07.12.2016


06.12.2016


06.12.2016


16.12.2015

Необходимость разработки методов индуцированного рекомбиногенеза, с целью повышения доступной отбору адаптивно значимой генотипической изменчивости, при селекции на сочетание высоких показателей величины и качества урожая с экологической устойчивостью культивируемых растений обусловлена следующим:
1. Переход к качественно новому этапу комбинационной (рекомбинационной) селекции связан с управлением изменчивостью сложных количественных по своей генетической природе хозяйственно ценных признаков. Между тем многочисленные данные указывают на ингибирование множественных обменов в геноме (вследствие влияния инверсионных и транслокационных перестроек на кроссинговер, большей стерильности гамет и зигот при увеличении частоты и спектра рекомбинаций и др.), что не только резко снижает темпы селекции при межсортовой гибридизации, но и делает практически нереальными задачи широкого использования в селекции «залежей» зародышевой плазмы диких видов, введения в культуру новых видов растений, преодоления отрицательных генетических корреляций между их признаками и т.д. Иными словами, переход от управления изменчивостью преимущественно моногенных признаков к комбинаторике большого числа хозяйственно ценных признаков, контролируемых сложными полигенными системами интегрированного генома и идиотипа, представляет качественно новый и, безусловно, более сложный этап адаптивной селекции, тесно связанный с широким использованием методов индуцированного рекомбиногенеза.
2. В тех случаях, когда селекция базируется на внутривидовых скрещиваниях, единственной возможностью повышения уже достигнутого однажды предельного порога потенциальной продуктивности, качества и устойчивости к экологическим стрессорам сортов и гибридов (интенсивности истинного фотосинтеза, эффективности использования минеральных веществ и воды, зимостойкости, засухоустойчивости, устойчивости к заморозкам, жаре, высокого содержания в урожае биологически ценных веществ и т.д.) является получение в расщепляющихся поколениях Трансгрессивных и интрогрессивных рекомбинантов.
К настоящему времени получены многочисленные данные о возникновении трансгрессивных по потенциальной продуктивности, экологической устойчивости и их сочетанию рекомбинантов при скрещивании исходных форм со средним и даже низким уровнем проявления указанных свойств. Можно предположить, что генетической основой таких трансгрессий оказываются принципиально новые (нетрадиционные) комбинации генов и/или блоков коадаптированных генов, т.е. новый спектр генетическо-мейотической рекомбинации. Поскольку трансгрессивные генотипы по ряду признаков (например, зимостойкости) появляются чрезвычайно редко, в селекционной практике важно обнаруживать и использовать формы даже с незначительным превышением значений этих признаков по сравнению с уже достигнутым их предельным уровнем у стандартных сортов.
Данные обзоров, например, по повышению зимостойкости пшеницы, ячменя, овса, люцерны и других культур убедительно свидетельствуют о том, что дальнейшее продвижение зимующих однолетних и многолетних культур в более северные районы, а также обеспечение устойчивого роста их урожайности в зонах с периодически повторяющимися суровыми зимами при внутривидовой гибридизации должны базироваться на получении и обнаружении трансгрессивных по признаку зимостойкости генотипов. Так, согласно Marshall, наиболее зимостойкие сорта ячменя (Kearney) и пшеницы (Minhardi, Minturki) были получены в результате трансгрессивного расщепления. Наиболее часто трансгрессивные по зимостойкости рекомбинанты появляются у овса (сорта Wintok, Hickory, Doubois, Le Conte, Norline, Dade, Pennwin и др.). Поскольку трансгрессивные генотипы выщепляются очень редко, для их получения необходимо использовать большие расщепляющиеся популяции, т.е. масштабы селекции должны быть увеличены. Естественно, что такие популяции и масштабы работ в данном случае рассматриваются лишь в качестве одного из условий повышения вероятности появления и обнаружения трансгрессивных генотипов. Что же касается существа такого подхода, то он базируется на перемещении кроссоверных обменов в «запретные» зоны хромосом и получении «нетрадиционных» рекомбинантов.
3. Анализ результатов селекции на большую устойчивость культивируемых растений к экологическим стрессорам дает основание считать, что межсортовые скрещивания хотя и позволили увеличить верхний предел проявления специфических признаков у некоторых видов, для многих хозяйственно ценных из них, и прежде всего повышенной устойчивости растений к температурным стрессорам, практически оказываются малоэффективными. В силу этого в последние 15-20 лет среди генетиков и селекционеров все больше утверждается мнение о том, что следующий качественно новый этап в селекции растений может быть обеспечен лишь за счет лучшего использования зародышевой плазмы громадного разнообразия диких видов высших растений (причем не только в качестве доноров хозяйственно ценных признаков, но и новых объектов культивирования, средств фитомелиорации природной среды и т.д.) и вовлечения в кроссоверный обмен традиционно «молчащих» участков хромосом путем эндогенного и экзогенного индуцирования мейотической (а возможно, для соматических межвидовых и межродовых гибридов и митотической) рекомбинации.
В целом, к проблеме индуцированного рекомбиногенеза следует подходить с учетом того, что в обозримом будущем метод комбинационной селекции, базирующийся на гибридизации и мейотической рекомбинации, будет определяющим в управлении наследственной изменчивостью культурных растений. При этом возможности генной инженерии пока сводятся к манипуляции отдельными генами и могут сыграть лишь вспомогательную роль в улучшении растений. Поэтому главным факторам эффективности комбинационной селекции - преодолению межвидовой несовместимости (в широком смысле слова), индуцированию частоты и, главное, спектра мейотического кроссинговера, предотвращению элиминации рекомбинантных гамет и зигот, определяющих потенциал доступной по отбору генотипической изменчивости полигенных по своей природе признаков, - должно быть уделено первостепенное внимание. Последний аспект следует подчеркнуть особо, поскольку возможности повышения урожайности в неблагоприятных и экстремальных условиях внешней среды связаны прежде всего с генетическим преобразованием количественных признаков (зимостойкость, засухоустойчивость и др.).
К настоящему времени накоплен огромный фактический материал, подтверждающий принципиальную возможность увеличения доступной отбору генотипической изменчивости за счет эндогенных и экзогенных воздействий на процессы мейотической рекомбинации в гибридных организмах. Эффективность указанных подходов в селекции растений была продемонстрирована в работах Barter, Elliott, Sears, Knott и многих других. Наиболее известным примером является индуцирование транслокаций с помощью рентгеновских лучей при передаче устойчивости к бурой ржавчине от эгилопса пшенице. Путем облучения гибридных семян F1 Эллиоту удалось передать устойчивость к бурой ржавчине от пырея (Agropyron elongatum) гексаплоидной пшенице. В экспериментах с ячменем показано, что рентгеновское облучение (50 кР) гибридных семян приводит к разрыву тесного сцепления между локусами v и /и хромосомы 2 и выщеплению селекционно ценных рекомбинантов. Установлено, что мутагенные воздействия на гибридный материал, в т.ч. на семена, обусловливают изменение не только частоты, но и спектра генотипической изменчивости в структуре расщепляющейся популяции. При этом была доказана возможность изменения параметров распределения количественных признаков и увеличения выхода хозяйственно ценных форм в потомстве межвидовых гибридов.
Индуцирующий эффект экзогенных воздействий может быть следствием не только прямого влияния температуры, рентгеновского и гамма-излучения, химических мутагенов, эдафических условий и других факторов на процесс мейоза гибридов, но и опосредованных изменений их метаболических реакций. Причем изменения частоты и спектра кроссинговера в ответ на экзогенные стрессовые воздействия зависят от особенностей генотипа, этапа генеративного цикла, типа и дозы обработки, оказываясь специфичными для разных зон хромосомы и генома. При отклонении факторов внешней среды от оптимума величина частоты кроссинговера варьирует от U- до О-образной зависимости, что, в свою очередь, указывает на необходимость учета условий выращивания гибридных растений в селекционных посевах. В целом же экзогенное индуцирование рекомбинаций следует рассматривать в качестве важнейшего метода комбинационной селекции.
Понимание зависимости частоты и спектра мейотической рекомбинации от условий внешней среды имеет важное значение, поскольку меняет традиционные представления о якобы нейтральной роли экологического фона в гибридных питомниках. Как показали исследования, выращивание гибридов F1 растений в необычных условиях среды (действие температурного и/или водного стрессоров, высокий уровень минерального питания и др.) приводит к существенному изменению генетической структуры расщепляющейся популяции. Было установлено также, что в потомстве менее конкурентных на лимитирующих фонах среды гибридов F1 спектр генотипической изменчивости выше. При этом действие экстремальных факторов внешней среды нередко вызывает появление качественно нового спектра рекомбинантов, которые обычно не обнаруживают в нормальных условиях.
Важную роль при переходе потенциальной генотипической изменчивости в доступную отбору играет и эндогенное индуцирование рекомбинаций. Примером служит манипулирование системой контроля гомеологичной конъюгации у пшеницы, обеспечивающее возможность обмена генами и блоками генов между обычно не конъюгирующими хромосомами. Расширение спектра генотипической изменчивости путем деканализации мейоза достигается также за счет использования мутантных форм (мейотических, анеуплоидных, полиплоидных и др.) в качестве компонентов скрещивания.
Разумеется, процесс формирования потенциальной генотипической изменчивости в мейозе гибридов, и особенно ее переход в свободную, доступную отбору, является исключительно сложным. Каждый этап в нем контролируется различными генетическими системами, роль и особенности функционирования которых в различных условиях внешней среды (действие их также носит комплексный характер) пока не выяснены. К настоящему времени представления о механизмах мейоза и постмейотических процессах сложились лишь в общих чертах, поэтому многие вопросы, связанные с реальными возможностями использования индуцированного рекомбиногенеза, требуют дополнительных исследований. К ним относятся: зависимость частоты и спектра рекомбинаций от уровней гетерозиготности и гетерозисности гибридов; взаимосвязь преобразовательных и воспроизводительных функций мейоза; возможности использования расщепляющихся поколений в качестве сортов-популяций (по аналогии с многолинейными и синтетическими сортами) на основе целенаправленного подбора компонентов скрещивания и управления процессом формирования свободной, генотипической изменчивости на этапах мейоза и постмейоза и т.д. В пользу последнего подхода свидетельствуют данные Foster, Schooler о том, что некоторые популяции F2 ячменя превосходили исходные сорта по урожайности на 29%. В целом, феноменологический уровень знаний в области мейотической рекомбинации достаточно высок, и необходимость его использования в теории и практике селекции высших растений очевидна.
Помимо возможностей применения методов эндогенного и экзогенного индуцирования частоты и спектра кроссоверных обменов, понимание зависимости рекомбинационной изменчивости у гибридных растений от условий внешней среды, а также особенностей перехода потенциальной генотипической изменчивости в свободную позволяет раскрыть причины ранее приведенных примеров эффективности эколого-географической селекционной сети и дизруптивного сезонного отбора, оценить роль влияния фона выращивания гибридов F1 не только на мейоз, но и на постмейотические этапы, связанные с элиминацией рекомбинантных гамет и зигот и т.д. Выращивание гетерозигот в различных (во времени и/или пространстве) условиях внешней среды, вследствие возможной разнонаправленности их действия на мейотическую рекомбинацию и элиминацию рекомбинантных гамет и зигот (их естественный внутренний и внешний отбор), собственно, и обеспечивает «формирующее» влияние абиотических и биотических факторов на большую или, наоборот, меньшую суммарную гетерогенность расщепляющихся популяций по потенциальной продуктивности и экологической устойчивости составляющих их генотипов. Это позволяет ускорить темпы селекции, в т.ч. при создании сортов и гибридов с широкой адаптивностью. Таким образом, знания о феноменологии мейотической рекомбинации и постмейотических этапах у конкретного вида растений значительно расширяют возможности селекционера в управлении формообразовательным процессом. При этом важно подчеркнуть, что типичные условия абиотической и биотической среды селекционного поля не только «сортируют» генотипы в расщепляющихся поколениях, обусловливая большую возможность распознавания искомого генотипа за «фасадом» фенотипа, но и существенно влияют на частоту и спектр рекомбинаций в мейозе гибридов, а также на интенсивность и направление естественного отбора («внутреннего» и внешнего) гамет и зигот на постмейотических этапах, в значительной степени предопределяя «предъявляемую» искусственному и/или естественному отбору генотипическую изменчивость.