Морфология хромосом некоторых видов картофеля

Изучение систематики картофеля преследует цели таксономического упорядочения накопившихся обширных сведений об этой группе растений. Система видовых взаимоотношений внутри секции Tuberarium полиморфного рода Solanum L. значительно усложняется сортовым разнообразием издавна культивируемых видов картофеля. Широкая амплитуда внутривидовой изменчивости затрудняет установление видовых границ и обусловливает потребность в комплексном методе изучения с привлечением цитологии, биохимии, физиологии и анатомии.
Число хромосом и их морфология используются в качестве одного из критериев для определения таксономического положения исследуемых представителей секции Tuberarium рода Solanum L.
Первоначально кариологические исследования этого рода ограничивались подсчетом хромосоме соматических тканях и в пыльце. Самые первые определения были неточны и иногда противоречивы. По-видимому, более точные результаты впервые получены А. Г. Николаевой, указавшей для Solanum tuberosum L. 2n = ±48. Все это объясняется известными методическими трудностями. К их числу в первую очередь нужно отнести мелкие размеры хромосом, их плохое окрашивание красителями, используемыми для выявления хромосом, зависимость правильного хода редукционного деления в пыльце от колебания температуры окружающей среды.
Постепенное усовершенствование методик фиксации и окрашивания привели к тому, что в настоящее время у основной массы видов картофеля число хромосом определено.
Числовой характеристикой обычно и ограничиваются все сведения о видовых кариотипах картофеля, что значительно обедняет возможности цитологического анализа. Кроме основного числа хромосом, кариотип вида включает данные по морфологии и размерам хромосом. Основным условием для составления подробного описания кариотипа является получение серии хороших метафазных пластинок с четкими контурами хромосом. Сам по себе трудоемкий процесс описания во многом усложняется спецификой хромосом картофеля. Для них прежде всего характерны малая величина хромосом, слабая дифференциация их по величине, а также значительная изменчивость размеров хромосом в зависимости от температуры. Все это вместе взятое создает трудности для выявления их строения и особенно места расположения вторичных перетяжек.
Так, Эллисон исследовал числа хромосом и их морфологию у английских сортов S. tuberosum L. Испробовав 7 различных фиксаций, он приходит к выводу, что морфология хромосом не может использоваться в качестве признака разграничения видов и сортов, так как перетяжки (вероятно, имеются в виду первичные) и спутники не всегда хорошо выражены.
В то же время нет сомнений в структурной специфичности хромосом разных видов картофеля. Установленная Н. А. Лебедевой различная сокращаемость хромосом под действием низких температур, устойчиво наблюдавшаяся ею у разных видов картофеля, с одной стороны, подтверждает видовую специфичность хромосом, а с другой, может быть использована для характеристики кариотипов видов.
Одна из первых работ по морфологии хромосом картофеля принадлежит E. М. Шепелевой. Результаты ее обстоятельных исследований изложены в небольшой по объему статье, на страницах которой рассмотрены кариотипы нескольких видов.
Все фиксации корешков проводились платин-формолом слабым по Г. А. Левитскому, с окраской железным гематоксилином; увеличение рисунков 4000.
Даются описания кариотипов и рисунки метафазных пластинок S. henryi Buk. et Lechn. (рис. 139, А) серия Commersoniana Buk. и S. subtilius Bitt,. (рис. 139, Б), трактуемый в настоящее время как S. chacoense Bitt. серия Glabrescentia Buk., S. vavilovii Juz. et Buk. (рис. 139, B), серия Vaviloviana Buk., S. ajanhuiri Juz. et Buk. (рис. 139, Г), S. goniocalyx Juz. et Buk. (рис. 139, Д) и S. kesselbrenneri Juz. et Buk. (рис. 139, E), входящего в состав consp. S. rybinii Juz. et Buk. серия Andigena Buk. Кроме этих 24-хромосомных видов, исследовался один 48-хромосомный вид S. tuberosum L. сорт Great Scot серии Tuberosa (рис. 139, Ж). К неопубликованным E. М. Шепелевой материалам наблюдений относится рисунок кариотипа S. phureja Juz. et Buk. с идеограммой.

По данным E. М. Шепелевой, наиболее крупными размерами хромосом отличаются S. ajanhuiri и S. phureja (рис. 139, ГЗ). У этих двух видов, а также у S. vavilovii на метафазных пластинках отмечен 25-й элемент в виде фрагмента, обычно расположенного около одной и той же хромосомы (с), хотя непосредственной связи его с этой хромосомой установить не удалось. В соответствии с современными цитологическими представлениями можно было бы предположить, что этот 25-й элемент представляет собой добавочную В-хромосому. В таком случае становится необъяснимой его связь с хромосомой, обозначенной на рисунках буквой с, так как хорошо известно, что отдельные хромосомы на разных пластинках располагаются различным образом.
В ходе изучения полученных материалов E. М. Шепелева выделила 6 основных типов и 2 подтипа хромосом у картофеля, дав им буквенные обозначения.
Тип а. Большие, сильно неравноплечие хромосомы со вторичными перетяжками на конце большого плеча. У S. henryi и S. goniocalyx это от-членение имеет вид небольшой головки, а у остальных — вид удлиненного придатка, узкого у перетяжки и расширяющегося к концу. Особенно резко это выражено у S. ajanhuiri, но у этого же вида имеются еще 2 пары хромосом с головкой на длинном плече (а1), очень сходных с подобными же хромосомами S. henryi и S. goniocalyx.
Тип b. Неравноплечие хромосомы: большие, сильно неравноплечие (b) и маленькие с незначительной разницей в размере плечей (b1). Первые встречаются только у 3 видов: у S. goniocalyx и S. kesselbrenneri по одной паре и у S. henryi 2 пары. Вторые в различном числе повторяются почти во всех видах: у S. vavilovii, S. ajanhuiri, S. goniocalyx и S. kesselbrenneri по одной паре, у S. henryi 2 пары. У S. subtilius (= chacoense) неравноплечих хромосом типа b и 6, совсем не встречается.
Тип с. Равноплечие хромосомы. Таких хромосом у всех видов по 2 пары, причем у S. vavilovii, S. ajanhuiri, S. goniocalyx и S. kesselbrenneri обе нары одинаковой величины, а у S. henryi и S. subtilius (= chacoense) одна пара меньше и имеет бисквитообразную форму (короткие, равноплечие).
Тип d. Небольшие хромосомы со вторичными перетяжками. Их можно разбить на несколько групп: d, d1 — различные по величине равноплечие хромосомы, заканчивающиеся головкой или спутником, d2 — неравноплечие хромосомы с головкой на длинном плече встречаются у всех видов по одной паре.
У S. henryi хромосом тина d и d1 нет, у S. subtilius (chacoense) 3 нары с головкой и 2 пары бисквитообразных со спутником, у S. vavilovii 2 пары с головкой и одна со спутником, у S. ajanhuiri 2 неравные по величине пары со спутником, у S. goniocalyx 4 пары с головкой и у S. kesselb-renneri 3 пары таких же головчатых хромосом.
Тип g. Головчатые хромосомы без вторичных расчленений. Такие хромосомы встречаются у всех исследованных видов, но в разном количестве: у S. subtilius, S. kesselbrenneri и S. ajanhuiri — по 2 пары, у S. goniocalyx — одна пара, у S. henryi и S. vavilovii — по 3 пары, но у первого одна из них более длинная с очень маленькой головкой.
Тип е. Головчатые хромосомы со спутником. Они встречаются у всех видов, за исключением S. ajanhuiri. У S. vavilovii и S. goniocalyx эти хромосомы очень маленькие и резко отличаются от всех остальных.
Впоследствии цитологами была разработана более или менее общепринятая терминология для классификации хромосом и буквенно-цифровые обозначения для составления формулы кариотипа.
По размерам выделяют 3 класса хромосом, обозначая их начальными буквами названий: длинные (L), средние (M), короткие (S). Для характеристики морфологии хромосом особое внимание обращают на положение первичной перетяжки — центромеры; различают срединное ее положение — медианная центромера — хромосомы равноплечие, мета-центрические (m) и субмедианная центромера — хромосомы неравноплечие, субметацентрические (s) и положение, близкое к концу хромосомы, — субтермиальная центромера — хромосомы резко неравноплечие, акроцентрические (a). Нам представляется удобным составлять характеристику хромосомы из большой буквы, обозначающей ее размер, и маленькой, отмечающей положение ее центромеры. Вторичная перетяжка обозначается буквой с, а спутник буквой t. Буквы, обозначающие первичное расчленение хромосом, располагаются в нижнем ряду, а буквы, обозначающие вторичное расчленение (спутники и вторичные перетяжки), — в верхнем ряду возле буквы, обозначающей размеры хромосом. Стоящая перед ними цифра указывает на число пар таких хромосом в кариотипе вида. Таким образом, кариотип состоит из суммы всех типов хромосом, обнаруженных при изучении метафазных пластинок. Диплоидность и полиплоидность обозначается числом, стоящим перед скобками, в которые заключено буквенноцифровое обозначение гаплоидного набора. Составленные таким образом формулы кариотипов очень удобны для кариосистематического сравнения разных видов (рис. 140, Б, Г).
Описания S. phureja E. М. Шепелевой не приводятся, но его можно составить, основываясь на имеющемся рисунке с идеограммой. Надо только отметить, что этот рисунок отличается некоторой схематичностью изображения и отсутствием вторичных расчленений хромосом в виде вторичных перетяжек и спутников. Кариотип S. phureja Juz. et Buk. 2n = 24 (см. рис. 139, S) представлен четырьмя тинами хромосом. Хотя у Шепелевой на идеограмме обозначено 6 типов, но 1-й и 2-й типы можно объединить в тип длинные неравноплечие хромосомы, а 3-й и 4-й — в тип головчатые. Все они различаются незначительно только размерами: I тип — 3 пары длинных неравноплечих хромосом с субмедианными центромерами; II — 6 пар средних резко неравноплечих (головчатых) хромосом с субтерминальными центромерами; III — I пара средних равноплечих хромосом с медианными центромерами; IV — 2 пары коротких равноплечих хромосом с медианными центромерами.
Исследования Е. М. Шепелевой сразу же привлекли к себе внимание и предложенная ею классификация типов хромосом подверглась обсуждению и проверке. Для этого цитологами разных стран было предпринято изучение кариотипов тех же видов Solanum и видов, не изучавшихся E. М. Шепелевой. Результаты получились разноречивые. Одни посчитали классификацию Шепелевой нереальной, потому что, по их мнению, она основывалась на исследовании единичных метафазных пластинок для каждого вида. Другими при исследовании 24-хромосомных видов (S. simplicifolium, S. ryqiuii, S. parodii и S. infundibuliforme) были обнаружены разные числа хромосом с медианной, субмедианной и субтерминальной перетяжками.
Ламм исследовал S. stenotomum, S. rybinii и S. verrucosum и был не в состоянии различить типы хромосом E. М. Шепелевой на своих препаратах, хотя он не исключает возможности выявления их при лучшей технике фиксации и окрашивания. В то же время им наблюдались 2 спутничные хромосомы у S. tuberosum, 4 — у S.acaule и 4 — у аутотетраплоида S. rybinii. Холодная обработка материала (при 2° С в течение 6 дней), по его данным, вызывает сильное сжатие хромосом и при этом у S. acaule обнаружилось, что дистальные концы длинных плечей четырех спутничных хромосом, вероятно, из-за их гетерохроматичности были слабо окрашены.
Все это приводило к убеждению, что из-за малых размеров хромосом картофеля сведения об их морфологии еще очень недостаточны, и более точные результаты будут возможны только при улучшении техники исследования.
Нами подробно, с выяснением морфологии хромосом, изучались ка-риотипы двух видов картофеля: S. phureja и S. rybinii. О некоторых других сообщаются только самые общие сведения, полученные при подсчете числа хромосом у них.
Наши исследования проводились на давленых препаратах. Кончики корней картофеля предварительно обрабатывались в течение 4,5—5 часов 0,01%-ным раствором колхицина или в течение 3 часов 0,1%-ным его раствором. Затем проводилась фиксация в фиксаторе Батталия 5:5:1:1 (Battaglia, 1957) и окраска по Фельгену с холодным гидролизом в течение 2 часов. Изредка проводилась еще подкраска ацетокармином. Препараты переводились в постоянные. Фотографии сделаны фотонасадкой МФН-12, увеличение рисунков 7100.
Прежде чем остановиться на данной методике, опробовались другие известные цитологические методы обработки соматических тканей растений с использованием различных фиксаторов и красителей. Так, проведено сравнение фиксаций по Карнуа (3:1), Карнуа (6:3:1), Батталия (5:5:1:1). Для получения отчетливого изображения хромосом, необходимого при их морфологическом изучении, сравнивались результаты окрашиваний с применением ацетокармина, ацето-гематоксилина, сафранина + анилиновая синь в 45%-ной уксусной кислоте, реактива Шиффа и реактива Шиффа с подкраской ацетокармином.

Специфика картофеля как объекта цитологических исследований потребовала существенного изменения методики окраски хромосом по Фельгену путем удлинения холодного гидролиза с 20 минут до 2 часов.
Для установления кариотипов изучалось не менее десяти метафазных пластинок для каждого вида с использованием как рисунков, так и фотографий.
Кариотип S. phureja Р5-42, основной номер 1815-в, 2n = 24 представлен следующими типами хромосом (см. рис. 140, А, Б): I — 1 пара длинных неравноплечих хромосом с вторичными перетяжками, центромеры субмедианные; II — 2 пары средних неравноплечих хромосом с вторичными перетяжками, центромеры субмедианные; III — 4 пары средних неравноплечих хромосом, центромеры субмедианные; IV — 3 пары средних равноплечих хромосом, центромеры медианные; V — I пара средних хромосом со спутниками; VI — I пара коротких равноплечих хромосом, центромеры медианные.
Формула кариотипа S. phureja: К = 2n = 24 = 2 (1Lcs + 2Мcs + 4Ms + 3Mm + 1Mt + 1Sm).
При более продолжительном действии колхицина хромосомы в пластинках располагаются удобнее для подсчета, но зато значительно укорачиваются (рис. 140, Д), что затрудняет изучение их строения, особенно выявление вторичных перетяжек. По таким препаратам формула выводится в более общем виде: К = 2n = 24 = 2 (1Lcs + 6Мs + 3Мm + 1Mt + 1Sm).
Отличие приведенной формулы от формулы кариотипа S. phureja по E. М. Шепелевой, возможно, зависит от следующего.
E. М. Шепелевой исследован оригинальный образец S. phureja, выращенный из клубней. Нами изучался образец полового потомства от неоднократного пересева. Это не исключает возможности естественной гибридизации с S. stenotomum, выращиваемом на соседних делянках.
Кариотии S. rybinii Р5-126, Р5-127, к-2890 (827а) Ecuador Napo-Pastaza Oyacache, 2n = 24 представлен следующими типами хромосом (рис. 140, В, Г): I — 1 пара длинных неравноплечих хромосом с вторичными перетяжками, центромеры субмедианные; II — 2 пары средних неравноплечих хромосом с вторичными перетяжками, центромеры субмедианные (иногда 3 пары); III — 4 пары средних неравноплечих хромосом, центромеры субмедианные; IV — 3 пары средних равноплечих хромосом, центромеры медианные; V — I пара средних хромосом со спутниками; VI — I пара коротких равноплечих хромосом, центромеры медианные.
Формула кариотипа S. rybinii: К = 2n = 24 = 2 (1Lcs + 2Мcs + 4Ms + 3Mm + 1Mt + 1Sm).
Нами был также исследован один тетраплоидный вид S. acroscopi-cum и сеянцы S. curtilobum Juz. et Buk.
При подсчете хромосом у нескольких образцов S. acroscopicum (2n = 48) отмечены 2 пары длинных хромосом и 2 пары спутничных. Хромосомы у этого вида несколько меньше по своим размерам, чем хромосомы 24-хромосомных видов. Это представляет интерес для сопоставления с данными E. М. Шепелевой относительно также тетраплоидного вида S. tuberosum, не отличающегося величиной хромосом от диплоидных культурных видов S. kesselbrenneri и S. goniocalyx. У диплоидных диких видов картофеля, исследованных E. М. Шепелевой, тоже были различия по величине хромосом.
При определении числа хромосом в пыльце у сеянцев S. curtilobum Juz. et Buk. выяснилась числовая неоднородность кариотипов у разных образцов вида. Были обнаружены образцы с n = 12, 21, 25, 26. В кариотипе образца с n — 12 имеется 1 более крупная хромосома с вторичной перетяжкой и хромосома со спутником. Полное изучение кариотипа у этих видов не проводилось.
Полученные нами подробные кариотипические характеристики двух видов картофеля S. phureja и S. rybinii позволяют сопоставить их с данными E. М. Шепелевой, установленными с применением другой цитологической методики.
Содержание статьи E. М. Шепелевой по существу не исчерпывается установлением классификации хромосом у изученных ею видов. Основные выводы заключены в следующих положениях, которые до настоящего времени могут рассматриваться как имеющие общее значение для цитосистематики всех видов секции Tuberarium рода Solanum. Во-первых, предложенную классификацию хромосом можно считать классификацией типов хромосом для всех картофелей, во-вторых, все морфологическое разнообразие хромосом у картофелей можно свести к описанным 6 основным типам хромосом с двумя подтипами, в-третьих, все видовое разнообразие кариотипов — к повторению примерно одних и тех же типов хромосом, но с разным числом пар каждого типа и выпадением у некоторых видов отдельных типов хромосом. Возможность такой универсализации в морфологии хромосом картофеля использована С. М. Букасовым для установления степени родства видов.
Отсутствие обстоятельных исследований по морфологии хромосом большого числа видов картофеля позволяет рассматривать классификацию типов хромосом E. М. Шепелевой в качестве исходной при дальнейших исследованиях.
Наши данные подтверждают устойчивую морфологическую неоднородность хромосом в кариотипе вида и повторяемость типов хромосом в кариотипах разных видов. Отмечается и общее совпадение типов хромосом, описанных E. М. Шепелевой, с наблюдавшимися нами у изученных видов.
По-видимому, дальнейшие работы в этом направлении с привлечением данных по другим видам из всех серий секции Tuberarium рода Solanum заставят внести уточнения, а возможно, и изменение самой классификации.
Наши исследования касались двух близкородственных видов S. phureja и S. rybinii, которые некоторыми специалистами объединяются даже в один. Наличие одних и тех же типов хромосом и одинаковое число пар этих типов подтверждают близость видов, но S. phureja отличается от S. rybinii более крупными хромосомами.
Интересно также отметить, что для всех видов, изученных E. М. Шепелевой и нами, характерно наличие 1—2 пар хромосом, резко выделяющихся по своим размерам (L) и имеющих вторичные перетяжки, а также, как правило, 1—2 пары спутничных хромосом. Возможно даже, что эти типы хромосом присущи всей секции Tuberarium рода Solanum.
Распространение вывода E. М. Шепелевой о повторяемости типов хромосом в кариотипах разных видов находит подтверждение в существовании полиплоидных рядов у видов картофеля, обнаруженных В. А. Рыбиным. Это доказывается и экспериментальными работами. Позже было показано, что и в ряде серий имеются свои полиплоидные ряды. Н. А. Чуксановой отмечено, что «эволюция картофеля могла идти как по пути автополиплоидии, так и по пути аллополиплоидии с дальнейшей дифференциацией геномов».
Проведенные исследования показывают необходимость дальнейшего подробного кариологического изучения видов картофеля, причем особенный интерес представляет изучение и сравнение кариотипов видов, относящихся к разным сериям.