Полиплоидия

Хромосомная теория наследственности показала, что большинство родов растений состоят из отдельных видов, различающихся друг от друга кратным числом хромосом. Например, у рода Triticum L. виды состоят с набором хромосом 2n, 4n, 6n и т.д. Такой ряд чисел хромосом получил название полиплоидный ряд. Гаплоидное число хромосом, кратное умножение которого дает полиплоидный ряд, было названо основным числом и обозначается буквой X. Кратность повторения основного числа (X) в соматической клетке (2n) определяет плоидность организма. Основное число хромосом организма может быть увеличено кратно (ортомлоидия), например, в два раза (диплоид), в четыре (тетраплоид), в шесть раз (гексаплоид) и т.д. Нечетное увеличение кратности (анортоплоидия) в три раза образует триплоид, в пять пентаплоид и т.д.
Явление полиплоидии (названное Винклером) впервые было открыто в начале XX столетия Де Фризом на мутации gigas у Oenothera lamarekiana. Вслед за этим последовало искусственное получение тетраплоидов у Solanum nigrum.
После этого начались масштабные подсчеты хромосом у растений, которые позволили подтвердить предположения, что виды многих родов растений обладают числом хромосом, кратным основному числу, и что полиплоидия явление широко распространенное, особенно у высших растений.
Кихара и Оно впервые указали, что в природе существуют два типа полиплоидов:
Автополиплоиды, у которых удвоен один и тот же набор хромосом (одного вида). Название проходит (от греч. autos - сам). Такое увеличение числа хромосом проходит не постепенно, а наступает сразу, скачкообразно. Поэтому этот процесс считается мутационным.
Аллополиплоиды, у которых суммируются различные наборы хромосом путем межвидовых скрещиваний. Иногда такое удвоение называют амфидиплоидией (от греч. amphi - двоякий).
Классификация Кихара и Оно была принята многими исследователями, за исключением Clausen I et al. и Stebbins G., которые несколько ее видоизменили. Так, Stebbins G. полиплоиды поделил та четыре группы: I) аутополиплоиды, 2) сегментные аллополиплоиды, 3) истинные или геномные аллополиплоиды, 4) аутоаллополиплоиды.
Сегментные аллополиплоиды, по мнению Stebbins, содержат две пары геномов, обладающих значительным количеством гомологичных сегментов хромосомы или даже целых хромосом, но отличающихся друг от друга достаточно большим числом генов. Соединение этих геномов на диплоидном уровне проводит к стерильности.
Истинный аллополиплоид содержит два или более набора значительно отличающихся друг от друга геномов и обозначается формулой ААВВ или ААВВСС и т.д. Каждая буква в этой формуле представляет набор хромосом в числе, равном основному числу (X) рода. Такие аллоплоидны в большинстве случаев являются отчетливо выраженными видами.
При увеличении числа хромосом, как правило, происходит увеличение размеров ядер, а вследствие этого увеличиваются и размеры клеток. Такое непрерывное увеличение размеров ядер и клеток приводит к увеличению, как отдельных органов, так и целого растения. Однако размеры целого растения увеличиваются только до тех пор, пока число хромосом не достигнет некоторого предела, после которого дальнейшее увеличение числа хромосом приводит уже не к увеличению, а к уменьшению размеров, как всего растения, так и отдельных его органов.
Поведение хромосом в редукционном делении автополиплоидов довольно разнообразно. У них гомологичные хромосомы всех типов представлены в двойном (диплоидов), тройном (триплоидов), четвертом (тетраплоидов) и большем количестве наборе. По этой причине довольно часто вместо бивалентов (две гомологичные хромосомы, конъюгирующие между собой) в мейозисе образуются поливаленты (группы более чем из двух хромосом). Ho для образования поливалентна необходимо, чтобы у хромосомы было не менее двух хиазм, которые чаще всего образуются у наиболее длинных хромосом.
В аллоплоидов гомологичные хромосомы всегда бывают в двойном наборе, поэтому в мейозисе у них всегда образуются только биваленты.
По внешнему виду и физиологическим свойством аллоплоиды занимают промежуточное положение между родительскими видами.
В обеих группах (автополиплоиды и аллополиплоиды) часто встречается так называемая анеуплоидия - уменьшение или увеличение числа хромосом к основному числу (X) хромосом вида. Такие организмы получили название анеуплоиды.
Организмы, у которых в дополнение к диплоидному набору имеется еще одна хромосома (2n+1), называются трисомиками; у которых не достает одной хромосомы (2n-1), называются моносомиками; не достает двух хромосом (2n-2) - нуллисомиками.
Полиплоидные ряды могут образовываться путем межвидовых или межродовых скрещиваний или воздействием шоковых (мутагенных) факторов.
Возникновение полового процесса вызвало как свое естественное следствие появление на арене жизни полиплоидии. Первая зигота, образованная в результате оплодотворения, была и первой диплоидной клеткой. Поэтому диплоидное состояние клетки, можно рассматривать как первый этап в развитии полиплоидии (рис. 5.31).
Примером доказательства такого явления является происхождение гексаплоидной мягкой пшеницы (2n=42) - Т. aestivum, состоящий из 3-х генов AA - (от Т. monocpccum), BB - (от A. speltoides) и ДД (от A. sqaurrosa) (рис. 5.32)

Возникновение мягкой пшеницы проходило в Передней Азии. Так, в результате спонтанной гибридизации Т. boeoticum с A. speltoides возник аллоплоид, дикий вид T.dicoccoides с 2n=28. Таким образом у древних земледельцев для одомашнивания оказалось два дикорастущих вида пшеницы: древняя однозернянка Т. boeoticum с 2n=14 и более молодая, дикая полба друзернянка - T.dicoccoides с 2n=28.
Кихара этому виду пшеницы дал формулу генома ААВВ, наводящую на мысль об их аллоплоидном происхождении. Идея эта подтверждается тем фактом, что они регулярно образуют 14 бивалентов в мейозе. Однако геномы AA и ВВ близкородственны генетически, и при некоторых обстоятельствах хромосомы, принадлежащие к этим 2-м геномам, могут конъюгировать друг с другом. Следовательно, родительский вид T.dicoccoides мог первоначально быть сегментным аллоплоидом, который вследствие естественного или искусственного отборов благодаря своей высокой плодовитости диплоизировался в T.dicoccum.
Также спонтанная гибридизация T.dicoccum или T.dicoccoides с A.sqaurrosa уже в условиях примитивного земледелия дала начало новому аллоплоиду Т. spelta с геном ААВВДД (2n=42), Это экспериментально подтвердил Thompson W. et al., Мак-Федден и Сирс и др.

Экспериментально полученный Thompson W. et al. аллополиплоид от скрещивания T.dicoccoides Ч A. speltoides образовывал в мейозе большей частью 21 пару хромосом и был умеренно плодовитым. Позднее Мак-Феддене и Сирс получили несколько похожий аллополиплоид, использовав T.dicoccoides и A.sqaurrosa. Он оказался высокоплодовитым и по внешней морфологии чрезвычайно похожим на T.spelta. Гибриды F1 между экспериментально полученным аллополиплоидом и Т. spelta образовывали в мейозисе 21 бивалент и были полностью плодовитыми. Это свидетельствовало о том, что вновь созданный аллополиплоид T.dicoccoides х A.sqaurrosa, в сущности имел хромосомную структуру мягких пшениц, что также подтверждает, что мягкие пшеницы произошли от гибридов между твердыми пшеницами и сорным злаком - Aegilops squarrosa.
A. sqaurrosa маленький, нигде не использующийся сорняк с твердыми колосковыми чешуями, длинными расходящимися остями, хрупким соцветием с осыпающимся зерном, растущий в изобилии по краям пшеничных полей во многих частях Передней Азии - от Балкан до Армении, в Иране и Афганистане. A. sqaurrosa имеет исключительно вредный признак - сильно склонен к поражению различными грибными болезнями, что и было передано мягким пшеницам.
Спонтанные скрещивания видов, вошедших в состав генома мягкой пшеницы носили случайный характер, как и превращение их стерильных F1 в растения плодовитые. Вероятно такие скрещивания повторялись неоднократно, в особенности на тетраплоидном уровне. В результате отборов, проводившихся в продолжение тысячелетий древними земледельцами, сформировались три группы видов рода Triticum диплоидная (2n=14), тетраплоидная (2n=28) и гекваплоидная (2n=42).
Среди этих групп пшеницы на первом месте по крупности зерна, по массе зерна на один колос стоит группа твердых пшениц (2n=28). Особенно много экотипов и сортов этой группы характеризуется высокой устойчивостью к грибным болезням. Однако виды этой группы страдают слабой экологической пластичностью.
Третья группа, в основном ее ядро - мягкая пшеница Т. aestivum уступает группе Т. durum по признаку крупности зерна, устойчивости к грибным болезням, но превосходит ее по значительной наследственной изменчивости, и в особенности высокой экологической пластичности. В результате последнего признака местные и селекционные сорта мягкой пшеницы занимают в настоящее время свыше 90% всей „пшеничной” площади на земном шаре.
Происхождение пшениц типа Т. aestivum иллюстрирует два момента, касающихся аллополиплоидии и имеющих величайшее значение. Во-первых, отнюдь не требуется, чтобы при гибридизации диплоидные родители обладали выдающимися качествами. В этом случае способствует не данный факт, а способность к комбинированию признаков. Во-вторых, получение удачных естественных аллополиплоидов включает непрерывный ряд редких случайностей.
Чтобы выяснить, как влияет увеличение числа хромосом на изменение тех или иных видов, необходимо сравнить диплоидные и полиплоидные разновидности одного вида. Такие сравнения стали доступными только после того, как были разработаны простые и удобные способы экспериментального удвоения числа хромосом.
Вначале для удвоения числа хромосом применяли воздействие на делящиеся клетки резко повышенными или пониженными температурами, что нарушило нормальное деление и привело к возникновению двуядерных клеток, ядра которых потом сливались и давали начало ядрам с удвоенным числом хромосом. Однако такой способ удвоения числа хромосом очень трудоемкий и не всегда удавалось получить диплоидные растения.
Положение резко изменилось в 1937 году, когда цитолог Nebel и генетики Blakeslee и Avery разработали новую колхициновую методику удвоения числа хромосом. Алкалоид колхицин является специфическим цитоплазматическим ядом, воздействие которого препятствует расхождению хромосом и делению клеток (рис. 5.33).

При длительном воздействии высокими концентрациями колхицина проходит многократная репродукция хромосом, и возникают высокополиплоидные клетки. Однако такие клетки, как правило, имеют резко пониженную жизнеспособность, что приводит к гибели обработанных растений.
При слабых дозах воздействия колхицина можно вызвать однократное удвоение числа хромосом и получить жизнеспособные растения с удвоенным числом хромосом.
Так, уже в 1938 году были получены полиплоиды у 41 вида растений; в 1940 г. - у 92-х видов, в 1947 г. - у 212 видов, а в 1954 г. - у 471 вида.
Первым, обратившим на себя внимание действие полиплоидии, пробудившим большие надежды, был гигантизм, считавшийся неизбежным следствием удвоения числа хромосом. Пиршле, Кэйн, Стеббинс опубликовали сводки литературы, посвященные основному эффекту действия полиплоидии на морфологические особенности растений. К основным из них можно отнести: увеличение высоты растений, толщины стебля, уменьшения ветвей, более толстые и зеленые листья (но менее многочисленны), более крупные цветки и его органы, семена. Два последних признака у полиплоидов встречается так часто, что они используются обычно в качестве предварительного указания на наличие полиплоидии.
Постоянно наблюдаемым следствием полиплоидии является увеличение размера пыльцевых зерен (рис. 5.34), размера или объема клеток, что, по-видимому, всегда сопровождается удвоением числа хромосом.

Вместе с морфологическими изменениями, у полиплоидов изменяются и физиологические процессы нередко в направлении повышения жизнедеятельности. У них повышается изменчивость, они становятся более пластичными и поэтому легче приспосабливаются к изменяющимся условиям существования, что в свою очередь позволяет полиплоидным формам выходить за рамки исторически сложившихся ареалов и видов. Самое же существенное состоит в том, что изменения в морфологии и физиологии организмов, внесенные полиплоидией, могут быть наследственно закреплены и, следовательно, имеют формо- и видообразовательное значение.
Различие в размерах между диплоидами и полиплоидами начинает сказываться очень рано. Так, А. Мюнтцинг нашел, что у рода Potentilla с появлением тетра-, гекса и октоплоидных видов связано прямое увеличение мощности растения. Наряду с этим существуют полиплоиды противоположного характера. Например, у тетраплоидной формы яровой ржи, полученной при замачивании зерен в 0,2%-ном водном растворе колхицина, проростки задерживают свое развитие и никогда не достигают размеров диплоидной формы (рис. 5.35).

Биологический эффект полиплоидии прежде всего связан с огромной ролью ядра и в особенности хромосом в физиологии клетки, во внутриклеточном обмене веществ и в наследственности. О роли ядра для жизни клетки было доказано классическими экспериментами русского ботаника Н. Герасимова на нитчатой водоросли спироире (Spirogyra). При воздействии на водоросль низкими температурами или некоторыми наркотиками, возникали безъядерные клетки (которые не делились) и клетки с двумя ядрами. Безъядерные клетки вскоре отмирали; клетки же с двумя ядрами становились диплоидными, гораздо крупнее по сравнению с обычными одноядерными. В этих работах впервые было доказана возможность искусственно вызывать явление диплоидии.
Блестящим примером селекционного использования полиплоидии явился опыт Sears с пшеницами. Мягкая пшеница как вид, весьма восприимчива к бурой ржавчине. Диплоидный вид Aegilops umbellulata (2n=14) весьма учтойчив к бурой ржавчине, но хромосомы его не спариваются с хромосомами гексаплоидной мягкой пшеницы (2n=42). Сирс скрестил его с Т. dicoccoides (2n=28) и в F1 удвоил хромосомы, от чего возник 42-х хромосомный амфидиплоид. Этот гексаплоид успешно скрещивался с гексаплоидной мягкой пшеницей. Для облагораживания гибрида дважды были применены беккроссы, после чего получены растения с 42-мя хромосомами пшеницы плюс одна хромосома (2n=42+1) A. umbellulata. Растения были устойчивы к бурой ржавчине, но имели плохой рост. Эти слабые растения были обработаны лучами Рентгена перед мейозисом, после чего необработанные контрольные растения были опылены пыльцой обработанных. Из потомства были выделены 40 растений мягкой пшеницы с 2n=42, вполне устойчивые к бурой ржавчине. Устойчивость придало хромосомное плечо A. umbellulata, попавшего на одну из хромосом мягкой пшеницы. Сирс показал, как можно сочетать искусственную полиплоидию с влиянием ионизирующего излучения.
Кроме этого Сирсом было установлено, что в тетра - и гексаплоидных пшеницах присутствует дуплицированный генетический материал, который позволяет таким полиплоидам выдерживать потерю целых хромосом или хромосомных сегментов-явление, которое было бы роковым для диплоидных организмов.
Особенно ярко это свойство проявляется у Т. aestivum, у которой Сирс сумел получить 21 различной жизнеспособности нуллисомик, в каждом из которых нахватало одной из 21-й хромосомной пары. Сирс также показал, что генетический материал может быть дуплицирован в хромосомах, полностью неспособных конъюгировать друг с другом.
Как известно, хромосомы основного числа, входящие в гаплоидный набор (одинарный набор хромосом) аллоплоида настолько отличаются друг от друга, что при обычных условиях не конъюгируют друг с другом и заключают много генов, существенно отличающихся друг от друга. Ho вместе с тем они сходны друг с другом, которые иногда способны компенсировать потерю какой-либо хромосомы, чем самым обеспечивать сохранение жизнеспособности моносомику или нуллисомику.
Благодаря этому у аллоплоидов, с одной стороны, образуется много различных разновидностей первичных трисомиков, так как каждая из хромосом их общего гаплоидного набора может давать начало особенному трисомику и, с другой стороны, не только трисомики, но и моносомики и нуллисомики достаточно жизнеспособны и фертильны и могут быть успешно использованы в селекции.
Как отмечалось ранее, в гаплоидном наборе Т. aestivum набор от T.monococcum (7 хромосом) обозначаются буквой А, хромосомы от A.speltoides - В и от A. squarrosa - Д. В пределах каждого набора хромосомы обозначаются цифрами - 1А, 2А, 3А ... 7А; 1В, 2В ... 7В; 1Д, 2Д ... 7Д. В некоторых изданиях встречается старое обозначение - 1, 2, 3...20, 21.
Хромосомы 1A и 2A, 1B и 2В и т.д. гомологичны друг другу, в первом делении мейозима попарно соединяются между собой и образуют биваленты. Хромосомы же 1А и 1В, 2В и 2Д, 3А и 3Д и т.д. гомелогичные (разные) друг другу, в нормальных условиях не соединяются и не образуют между собой хиазм. В результате у Т. aestivum в мейозе образуется 21 бивалент, а поливаленты отсутствуют.
При опылении цветков Т. aestivum сорта Чайниз Спринг пыльцой ржи (Secale cereale, n=7) в F1, среди 105 растений Sirs обнаружил 2 гаплоида, из которых один был бесплодный, а другой при опылении пшеницей завязал 14 семян, при опылении рожью - 9. Из 14 семян, полученных от опыления гаплоида пшеницей, было выращено 13 растений, из которых 4 оказались диплоидами (2n=42), 7 моносомиками (2n=41) и 2 нуллисомиками (2n=40). Нуллисомики не оставили потомства, а от моносомиков Сирс получил 14 различных моносомиков: 11 с хромосомами геномов А и В и 6 - с геномом Д.
Позднее на основе этих моносомиков были получены нуллисомики для всех хромосом гаплоидного набора хромосом Т. aestivum. Однако жизнеспособность и фертильность нуллисомиков была значительно ниже, чем у 42-хромосомной пшеницы. Ho все же они были достаточно жизнеспособны.
Из 21 нуллисомика Т. aestivum 3 образовали нежизнеспособные женские гаметы, а 7 - нежизнеспособные мужские гаметы. Сохранение их было возможно только путем возвратных скрещиваний с соответствующими моносомиками. Остальные (11) нуллисомики сохранялись путем их самоопыления.
Нуллисомики Т. aestivum подразделяются на 7 групп, причем в состав каждой группы входят 3 нуллисомика, которые по многим признакам сходны между собой (рис. 5.36).

Подробное изучение признаков и свойств различных нуллисомиков позволило получить сведения, показывающие какие гены расположены в утраченных хромосомах и как эти потери отражаются на изменении тех или иных морфологических признаков и физиологических свойств. Например, при изучении нуллисомиков по хромосоме 5В было установлено, что у гаплоидов, полученных у таких нуллисомиков, образуются 3-4 бивалента. У гибридов, полученных путем скрещивания этих нуллисомиков с Т. monoccocum, наблюдается высокая парность, что в свою очередь повышает плодовитость аллоплоидов.
Нуллисомические формы также могут быть использованы для замещения одной пары хромосом определенного сорта парой гомологических хромосом другого сорта или разновидности, например, обладающих повышенной устойчивостью к некоторым грибным болезням, контролируемой генами, расположенными в этой паре хромосом.
Таким образом, явление полиплоидии в селекции используют для:
- переноса через барьер межвидовой стерильности ценного признака. Примером такого использования является перенос генов устойчивости к болезням в пшеницу;
- для включения в ценную культуру несколько желанных признаков, контролируемых многими генетическими факторами. Примером является создание амфидиплоидов тритикале или пшенично-пырейных гибридов. Сейчас амфидиплоиды получены во многих странах, причем независимо друг от друга;
- для создания совершенно новых культур с иными качествами, чем известные родители. Примером может служить аллополиплоид между Agropyron Ч Triticum, заменяющей многолетние злаки в качестве кормовой культуры.
Селекционер, имея определенную цель, обладая точными сведениями о новых желаемых качествах, генетической структуре и взаимодействия, имеющихся в распоряжении диплоидных видов, а также немалым терпением и настойчивостью, в состоянии создать аллополиплоиды, более отвечающие нуждам человечества, чем те, которые создала природа, и сделать это в значительно более короткий срок.
Кстати, при проведении некоторых исследований иногда требуется эффект магнитного поля. Для получения такого проще всего будет постоянный магнит купить, которому не требуется потребление энергии. Просто и эффективно.