Развитие отечественного АПК является одним из приоритетных направлений для нашей страны. Поэтому надеемся, что материалы публикуемые в журнале внесут достойный вклад в успешное развитие научного поиска, повышение значимости научных разработок, подъем сельскохозяйственного производства
 д. с.-х. н., профессор А.В.Алабушев

 

ВЫПУСКИ ЖУРНАЛА

№6 2011

№5 2011

№4 2011

№3 2011

№2 2011

№1 2011

 

АРХИВ

№1-6 2010

№1-6 2009

 

 

 

Теоретический и научно-практический журнал ISSN 2079-8733

УДК 633.15:631.5/9:576.356.52

 

Э.Б. Хатефов,  канд. биол. наук,

ГНУ Кабардино-Балкарский НИИСХ Россельхозакадемии
kbniish2007@yandex.ru

 

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАПЛОИНДУКТОРОВ В МОНОПЛОИДНЫХ И ГЕТЕРОПЛОИДНЫХ СКРЕЩИВАНИЯХ КУКУРУЗЫ

Проведены гетероплоидные скрещивания между диплоидной и тетраплоидной кукурузой с использованием мутации ig1. Получены початки с различным сочетанием в зерновке плоидности зародыша и эндосперма. Произведены расчеты неменделевского расщепления при использовании мутации ig в моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях. При применении приведенных схем скрещивания возможно получение зерновок сочетающих плоидность эндосперма от 0n до 6n и зародыша от 0n до 4n. Ведутся исследования по генетическому маркированию зерновок с различной плоидностью.
Thesearecarriedoutheteroploidcrossingsamongdoubleploidandtetraploidmaizewithiglmutationusage. These are received ears with different combinations of germ and endosperm ploidy in grains. These are made calculations of non-Mendelian split while using igl mutation in monoploid and heteroploid crossings. While using given schemes of crossings it is possible to receive grains combined endosperm ploidy from 0p till 6p and germ from 0p till 4p. These are made researches in genetic marking of grains with different ploidy.
Ключевые слова: кукуруза, тетраплоидная кукуруза, диплоидная кукуруза, моноплоидные и гетероплоидные скрещивания, зародыш, эндосперм, зерновка.
Keywords: maize, tetra ploid maize, double ploid maize, monoploid and heteroploid crossings, germ, endosperm, grains.
Введение. Классическая работа С.Г. Навашина [1] по двойному оплодотворению  явилась крупнейшим вкладом в биологическую науку. Одно из главных значений двойного оплодотворения заключается в том, что при слиянии двух разнокачественных гамет (яйцеклетки и спермия) происходит обогащение наследственности растений, повышение жизненности и приспособляемости к условиям окружающей среды. Кукуруза является третьим по экономическому значению хлебным злаком в мировом производстве зерна, в чем немаловажную роль сыграло ее постоянное селекционно-генетическое улучшение. Основным селекционным методом улучшения кукурузы, за последние несколько десятилетий, является использование гетерозиса.
Зародыш, образующийся в результате слияния двух гаплоидных гамет – яйцеклетки и одного из спермиев, является диплоидным (2n=2x) и имеет одинаковое соотношение геномов обоих родителей. Эндосперм же образуется в результате слияния диплоидного центрального ядра с гаплоидным вторым спермием, в результате чего образуется триплоидная (2n=3x) клетка, из которой в дальнейшем развивается триплоидная ткань эндосперма. При этом на один геном отца приходится два генома матери. Нарушения же нормального хода процесса слияния гамет у диплоидов могут привести к возникновению либо гаплоидных,  либо полиплоидных зерновок.
У тетраплоидных форм соотношение геномов, в отличие от диплоидов, сохраняется с той лишь разницей, что с увеличением генома в два раза, зародыш зерновки формирует тетраплоидную (2n=4x), а эндосперм – гексаплоидную (2n=6x) ткань. Соответственно тычинки (пыльники) формируют пыльцу с диплоидным набором хромосом вместо гаплоидного, а пестики (столбики) – диплоидную яйцеклетку и тетраплоидное центральное ядро. 

 

Мутация “indeterminate gametophyte” [5] известна давно и используется для получения гаплоидных зерновок на диплоидных початках кукурузы. Использование ig1 мутации в моноплоидных (2x x 2x; 4x x 4x) и гетероплоидных (2x x 4x; 4x x 2x) скрещиваниях между диплоидной (2x) и тетраплоидной (4x) кукурузой позволяет получить неменделевское соотношение плоидности зародыша и эндосперма, тогда как при обычном скрещивании без мутации ig1 оно ограничено всего 4-мя вариантами. При этом в широких пределах изменяются соотношения геномов родительских пар и сочетание различных состояний аллелей в зародыше и эндосперме. Остается пока сложным вопрос маркировки компонентов зерновки (зародыш, эндосперм) различной плоидности для цитологического анализа.
Материалы и методы. В опыте были использованы диплоидный и тетраплоидный гаплоиндуктор кукурузы ЗМК селекции КНИИСХ им. П.П.Лукьяненко, диплоидная и тетраплоидная линии кукурузы, триплоидные гибридные растения и початки кукурузы.
Результаты. При гетероплоидном скрещивании (4x x 2x, 2x x 4x) без использования мутации ig1 формируются дефектные зерновки с невыполненным либо слабовыполненным эндоспермом и триплоидным (обычно стерильным) зародышем (рис.1).

                           
Рис. 1. Развитие триплоидных зародышей без эндосперма на початке при гетероплоидном скрещивании

Причем, при схеме скрещивания 4x х 2x формируется триплоидный зародыш и пентаплоидный эндосперм, а при схеме 4x х 2x формируется триплоидный зародыш и тетраплоидный эндосперм. В изученных гетероплоидных схемах скрещивания эндосперм зерновки, в отличие от зародыша, не развивается.
В гетероплоидных скрещиваниях без использования мутации ig1 соотношения геномов изменяются в зависимости от схемы скрещивания (таблица 1). При моноплоидных скрещиваниях нормальные соотношения геномов родителей у зародыша и эндосперма сохраняются согласно закономерности механизма двойного оплодотворения. В гетероплоидных скрещиваниях эти соотношения незначительно изменяют  баланс геномов.

1. Соотношение геномов родительских пар в компонентах зерновки кукурузы при моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях


Гибридные комбинации
(x)

Соотношения геномов в компонентах зерновки

эндосперм

зародыш

2x x 2x

1

2

1

1

4x x 4x

1

2

1

1

2x x 4x

1

4

1

2

4x x 2x

1

1

2

1

Так, по схеме 2x x 4x зародыш имеет на один геном матери два генома отца, а эндосперм – одинаковое соотношение материнских и отцовских геномов. По схеме 4x х 2x  зародыш имеет на два генома матери один геном отца, тогда как эндосперм содержит в четыре раза больше генома матери, чем отца. Несмотря на то, что триплоидная кукуруза имеет слабо развитый эндосперм, триплоидные растения при благоприятных условиях нормально растут и проходят все основные фенологические фазы. При наступлении фазы цветения большая часть мужских соцветий (метелок) оказывается стерильной, но часть растений нормально цветет и дает фертильную пыльцу.  Початки же в основном фертильны и легко завязывают семена с пыльцой любой плоидности. Завязавшиеся на триплоидных початках зерна имеют как нормальный, так и слаборазвитый и неразвитый эндосперм. Тестирование растений из таких зерновок показало, что нормального развития эндосперма достигают в основном диплоидные и тетраплоидные зерновки. Зерна со слаборазвитым или неразвитым  эндоспермом чаще всего оказываются эу- и анеуплоидными (рис. 2).

               
Рис. 2. Развитие зерновок различной плоидности на триплоидных (3x) початках, опыленных гаплоидной (слева) и диплоидной (справа) пыльцой

Изучению вопроса взаимодействия между зародышем и эндоспермом в настоящее время  уделяется недостаточно внимания. В основном исследователи сосредоточили свои усилия на получении гаплоидов [2,3,4] Получение беззародышевых зерновок либо зерновок только с зародышами без эндосперма нашло бы свое применение в перерабатывающей промышленности. Так, одним из обязательных этапов технологического процесса при получении крахмала и кукурузного масла из зерна является механическое отделение зародыша от эндосперма. Кроме механических повреждений и недостаточной чистоты отделения этот прием сопровождается большими затратами энергии и средств.
При развитии кукурузного растения содержание белка в зерновках часто зависит от выполненности початка [9]. На слабоозерненных початках содержание белка было выше, чем на хорошо выполненных початках. При развитии на початке зерновок только с эндоспермом или только с зародышем, несомненно, приведет к накоплению тех или иных биохимических компонентов, содержащихся в этих  частях зерновки. В настоящее время выявлено и изучено достаточное количество мутаций эндосперма и некоторые из них используются в селекции для изменения биохимического состава зерна. При гетероплоидных скрещиваниях, использование таких мутаций позволяет получать наравне с зерновками с необычным сочетанием плоидности зародыша и эндосперма также и необычные сочетания в этих частях родительских геномов (таблица 2, 3). С возрастанием плоидности геномов, в моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях с использованием ig-мутации, количество зерновок различается по соотношению состояния аллелей одного локуса в эндосперме и зародыше одной зерновки.

  1. Частоты изменения состояния аллелей в локусе в компонентах зерновки кукурузы при использовании ig1 мутации в моноплоидных и

гетероплоидных скрещиваниях


Состояние аллелей (эндосперм-зародыш)

Схема скрещивания
(x)

Сумма

2x x 2x

4x x 2x

2x x 4x

4x x 4x

АА-АА

1

1

1

1

4

АА-аа

1

1

1

1

4

АА-Аа

2

4

4

7

17

Аа-АА

4

7

8

13

32

Аа-Аа

8

28

32

111

179

Аа-аа

4

7

8

13

32

аа-Аа

2

4

4

7

17

аа-АА

1

1

1

1

4

аа-аа

1

1

1

1

4

итого

24

54

60

155

293

С возрастанием плоидности геномов, в моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях с использованием ig-мутации, количество зерновок различается по соотношению состояния аллелей одного локуса в эндосперме и зародыше одной зерновки. Количество гетерозиготных состояний аллелей в зародыше и эндосперме одной зерновки возрастает с увеличением плоидности родителей с 8 до 111 зерен при моноплоидном скрещивании. При гетероплоидных скрещиваниях количество зерновок с гетерозиготными аллелями в зародыше и эндосперме колеблется от 28 до 32 для (4x x 2x) и (2x x 4x) соответственно.
При введении в геном диплоидов и тетраплоидов мутации ig1 расширяется разнообразие не только соотношения геномов гибридизируемых генотипов, но и соотношения плоидности зародыша и эндосперма в зерновке кукурузы. В этом случае возникает проблема – как отличить зерновки с разными по плоидности эндоспермом и зародышем? Кроме того, многие зерновки могут вообще не развиваться, несмотря на факт оплодотворения яйцеклетки спермием (рис. 4). Наиболее вероятный путь в разрешении этой проблемы, возможно, кроется в использовании мутаций окраски основных компонентов зерновки в качестве генетических маркеров.
3. Частоты сочетаний плоидности эндосперма и зародыша в зерновках при моноплоидном и гетероплоидном  моногибридном (ig) скрещивании.


Плоидность компонентов зерновки

Схема скрещивания
(x )

Сумма

эндосперм

зародыш

2x x 2x

2x x 4x

4x x 2x

4x x 4x

6

0

-

-

-

1

1

5

0

-

-

1

2

3

4

0

-

1

2

3

6

3

0

1

2

2

3

8

2

0

2

3

2

3

10

1

0

2

2

2

2

8

0

0

1

1

1

1

4

6

1

-

-

-

2

2

5

1

-

-

2

4

6

4

1

-

2

4

6

12

3

1

2

4

4

6

16

2

1

4

6

4

6

20

1

1

4

4

4

4

16

0

1

2

2

2

2

8

6

2

-

-

-

3

3

5

2

-

-

2

6

8

4

2

-

2

4

9

15

3

2

1

4

4

9

18

2

2

2

6

4

9

21

1

2

2

4

4

6

16

0

2

1

2

2

3

8

6

3

-

-

-

2

2

5

3

-

-

1

4

5

4

3

-

1

2

6

9

3

3

-

2

2

6

10

2

3

-

3

2

6

11

1

3

-

2

2

4

8

0

3

-

1

1

2

3

6

4

-

-

-

1

1

5

4

-

-

-

2

2

4

4

-

-

-

3

3

3

4

-

-

-

3

3

2

4

-

-

-

3

3

1

4

-

-

-

2

2

0

4

-

-

-

1

1

Итого

24

54

60

155

293

Исследователями выделено множество доминантных генов,  контролирующих окраску различных частей растения и зерновок в том числе. Удобнее всего использование сигнальных  генов–маркеров, способных проявляться в фенотипе гаплоидных зерновок.   Для удобства обнаружения гаплоидов в гаплоиндукторах  используются  гены окраски зерновки – АСR-nj, обуславливающий сильную пигментацию алейрона и зародыша, хорошо заметную на сухих зерновках (рис. 3). Такие гаплоиндукторы (ЗМК-1, ЗМК-2) в настоящее время синтезированы и используются для получения гаплоидов и стерильных аналогов кукурузы и в Краснодарском НИИСХ им. П.П. Лукьяненко [6,7,8].
 
Рис. 3. Гаплоиндуктор (ЗМК-1) с генетически маркированным
алейроном и зародышем


Рис. 4. Початки диплоидного (1) и тетраплоидного (4) гаплоиндукторов и результатов их диаллельных скрещиваний (2 - 2x x 4x, 3 - 4x х 2x)

Обсуждение. Использование гаплоиндукторов с ig-мутацией в моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях между 2x и 4x кукурузой позволяет получить 293 варианта различных сочетаний плоидности зародыша и эндосперма в зерновке, тогда как при скрещивании без мутации ig1 оно ограничено 4-мя вариантами. Использование ig-мутации позволяет изменять в широких пределах соотношения родительских геномов в гибридных зерновках и состояния аллелей в одном локусе в зародыше и эндосперме зерновки. Разрешение проблемы генетического маркирования состояния аллелей в локусе и плоидности различных компонентов зерновки в гетероплоидных и моноплоидных скрещиваниях позволит получить новые знания о взаимодействии разноплоидных компонентов зерновки кукурузы и разработать технологии для его практического применения.

Литература

1. Навашин, С.Г. Избранные труды / С.Г. Навашин.–Т.1.- М.-Л., Изд-во. АН СССР, 1951.– 364с.
2. Chase, S.S.. Monoploid frequencies in a commercial double cross hybrid maize and in its component single cross hybrid and inbred lines.-Genetica.– 1949.–№34: p.328-332.
3. Chase, S.S. Monoploids in maize.-In: Goven J.W. Heterosis Iowa State Coll. Press. 1952a.
4. Chase, S.S. Production of homozygous diploid of maize from monoploids.- Agronomy Journal, –1952b.–№44–p.263-267.
5.  Kermicle, J.L. Indeterminate gametophyte (ig): Biology and use. In: The Maise Handbook. M.Freeling and V.Walbot (eds). – New York, Springer-Verlag,- 1994 –p.388-393.
6.  Shatskaya, O.A., Zabirova E.R., Shcherbac V.S.,Chumak M.V. Mass induction of material haploids in corn.- Maize Genetic Cooperetion. News Letter 1994, v68,p.51.
7. Shatskaya, O.A., Zabirova E.R., Shcherbac V.S. The use of gen ig in sterile counterparts production of corn lines.- Maise Genetic Cooperetion. News Letter.-1977,-v.71,p.45.
8. Забирова, Э.Р., Технология массового ускоренного получения гомозиготных линий кукурузы/ Э.Р. Забирова, М.В.Чумак, О.А. Шацкая, В.С. Щербак // Кукуруза и сорго.– 1996.– №4.– С.17-19.
9. Павлов, Н.П. Накопление белка в зерне пшеницы и кукурузы/ Н.П. Павлов.– М., 1968.– 136с.

 

 

© 2009 ГНУ ВНИИЗК
им. И.Г.Калиненко
Главная | Поиск | Авторам | Контакты | Архив