Шаманин В.П., Трущенко А.Ю. Общая селекция и сортоведение полевых культур

Подождите немного. Документ загружается.

101

Линии с замещёнными хромосомами получают различными пу-

тями, обычно методом возвратных скрещиваний, используя в каче-

стве родителя-донора линию с добавленной парой хромосом от дру-

гого вида, а в качестве рекуррентного родителя – линии моносомика

или нуллисомика.

В настоящее время созданы линии, в которых пара хромосом

пшеницы замещена парой хромосом видов Secale cereale, Aegilops

comosa, Ae. ventricosa, Agropyron intermedium, Agr. elongatum. У таба-

ка были использованы хромосомы Nicotiana glutinosa и N. plumbagini-

folia для замещения хромосом N. tabacum с целью передать этому ви-

ду устойчивость к табачной мозаике.

Возможны замещения не только пары хромосом, но и отдельных

хромосом. Например, Р. Райли передал пшенице мягкой от эгилопса

одну хромосому, контролирующую устойчивость к жёлтой ржавчине.

Успех использования дополненных и замещённых линий, также

как и амфидиплоидов, зависит от их стабильности и озернённости. К

сожалению, все полученные дополненные линии цитологически не

стабильны, по-видимому, из-за нарушения сбалансированности

функций генов. Наблюдается утеря пары добавленных хромосом и

возврат к 42-хромосомным пшеницам. Замещение отдельных хромо-

сом даёт лучший эффект, чем добавление чужой хромосомы, по-

скольку генотип в данном случае более сбалансирован, однако эти

линии часто маложизнеспособны, т. к. чужая хромосома может не

компенсировать отсутствующую хромосому.

4. Индуцированные переносы сегментов хромосом одного ви-

да в другой. Для переноса фрагментов хромосом одного вида в хро-

мосомы другого вида используют транслокации типа вставок, т. е.

небольшой участок чужеродной хромосомы дикого вида с нужным

геном перемещается в хромосому культурного вида. Этот тип транс-

локаций наиболее редкий, так как для его осуществления необходи-

мы два разрыва в одном плече хромосомы. Для индуцирования

транслокаций применяют ионизирующие излучения. В настоящее

время получены транслокации между хромосомами пшеницы и дру-

гих злаков. Например, в Кембридже получены транслокации, вклю-

чающие II и III хромосомы ржи. Хромосома III несёт в длинном плече

ген устойчивости к жёлтой ржавчине и мучнистой росе, а хромосома

II – ген, ответственный за устойчивость к мучнистой росе. В 1955–

1956 гг. Э. Сирсом получена вставка участка хромосомы Aegilops

umbellulata в одну из хромосом пшеницы. Гомозиготные по этой

транслокации растения отличались устойчивостью к стеблевой и бу-

102

рой ржавчинам и более поздним созреванием. Так была получена ли-

ния под названием «Трансфер», которая используется сейчас в селек-

ции.

Новые возможности для обмена сегментами хромосом у пшени-

цы при отдалённой гибридизации открываются в связи с установле-

нием того факта, что хромосома 5В несёт ген или гены, эффективно

ограничивающие межгеномную конъюгацию. В 1970 г. Моррис и

Сирс описали технику переноса желательных генов из других видов

или родов в хромосомы пшеницы на основе использования нуллисо-

мических по хромосоме 5В растений.

5. Перенос геномов одного вида в цитоплазму другого. Путём

переноса генома одного вида в цитоплазму другого получают формы

с ЦМС. Это позволяет использовать эффект гетерозиса гибридов F

ряда культур. Например, японский генетик Х. Кихара в 1951 г. полу-

чил мягкую пшеницу с ЦМС путём переноса её геномов в цитоплазму

Эгилопса.

Таким образом, использование отдалённой гибридизации в соче-

тании с современными цитогенетическими методами может быть

перспективным для передачи отдельных полезных признаков от ди-

ких форм культурным растениям.

5.5. Эффективность отдалённой гибридизации в зависимости

от способа размножения культуры

Эффективность метода отдалённой гибридизации зависит от био-

логических особенностей культуры и, в частности, от способа её раз-

множения.

При работе с культурами, размножающимися половым путём,

применение метода отдалённой гибридизации создаёт большие труд-

ности. Требуется много времени для восстановления фертильности

потомства межвидовых гибридов и образования константных форм. В

течение всего этого периода проводят отборы и в некоторых случаях

возвратные или ступенчатые скрещивания.

При отдалённой гибридизации вегетативно размножающихся

культур успех может быть достигнут быстрее, поскольку закрепление

признаков проводится достаточно легко. У вегетативно размножаю-

щихся растений для производственных целей может быть использо-

вано уже первое гибридное поколение, когда проявляется гибрид-

ная мощность потомства (гетерозис). Например, С.М. Букасовым,

А.Я. Камеразом и другими исследователями были созданы устойчи-

103

вые к раку и фитофторе сорта картофеля. В отдалённых скрещивани-

ях с культурным картофелем широко использутся S. demissum Lindl.

(2n = 72) благодаря его высокой устойчивости к фитофторе и низким

температурам. Выделить сорта в подобных скрещиваниях удаётся

лишь после трёх возвратных скрещиваний с S. tuberosum. Многие из

фитофтороустойчивых сортов созданы путём четырёхступенчатых и

более сложных скрещиваний: Камераз, Агрономический, Веселов-

ский, Искра и др. Кроме последовательных беккроссов применяют

межгибридные скрещивания. Получены так же трёхвидовые и четы-

рёхвидовые гибриды. Например, сорт Детскосельский происходит от

скрещивания трёх видов: S. tuberosum, S. andigenum и S. demissum.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое отдалённая гибридизация, каковы её задачи?

2. На какие группы подразделяются отдалённые скрещивания?

3. С какой целью проводят скрещивания твёрдой пшеницы с мягкой?

4. Охарактеризуйте работу по созданию пшенично-пырейных и

ржано-пшеничных гибридов, приведите примеры новых сортов.

5. Перечислите трудности, возникающие при отдалённой гибри-

дизации.

6. Назовите причины нескрещиваемости далёких видов. Какими

методами её можно преодолеть?

7. Каковы причины стерильности отдалённых гибридов F

, каки-

ми методами она преодолевается?

8. Какими методами преодолевают невсхожесть гибридных семян?

9. Перечислите и опишите основные методы межвидовой переда-

чи признаков.

10. Каким образом биологические особенности культуры отра-

жаются на эффективности отдалённой гибридизации?

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МУТАГЕНЕЗ

6.1. Понятие о мутациях и мутационной изменчивости.

Задачи и преимущества мутационной селекции

Генетические структуры клетки способны изменяться под влия-

нием различных физических и химических факторов. Генетически

стойкие изменения в генах и хромосомах называются мутациями.

Новый организм с изменённым признаком вследствие мутирования

104

гена или перестройки хромосомы называют мутантом. Мутации мо-

гут быть полезными, вредными или нейтральными для организма.

Большинство из них вредные или даже летальные, например хлоро-

фильные мутации.

Мутагенами называют различные физические и химические фак-

торы, с помощью которых получают индуцированные мутации. Из

них используют главным образом различного типа излучения и хи-

мические вещества.

Основы теории мутаций были заложены в трудах Х. Де Фриза

(1901–1903), вскоре после переоткрытия законов Г. Менделя. Пред-

ставления о скачкообразном изменении наследственных свойств бы-

ли впервые сформулированы русским ботаником С.И. Коржинским,

который обосновал мутационную теорию эволюции в своём труде

«Гетерогенезис и эволюция» (1899).

Основные положения мутационной теории С.И. Коржинского –

Х. де Фриза сводятся к следующему:

1. Мутации возникают внезапно как дискретные изменения при-

знака.

2. Новые формы стабильны.

3. В отличие от ненаследственных изменений мутации не обра-

зуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо сред-

него типа. Они являются качественными изменениями.

4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезны-

ми, так и вредными.

5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от размера выбор-

ки исследованных особей.

6. Сходные мутации могут возникать неоднократно.

Строгие доказательства возникновения мутаций впервые были

представлены В. Иоганнсеном (1908–1913), изучавшим наследование

количественного признака – массы семян в чистых линиях фасоли и

ячменя.

Мутационный процесс подчинён определённым законам. Так

Н.И. Вавилов в 1920 г. установил, что мутации у генетически близких

видов имеют большое сходство (закон гомологических рядов). Мута-

ции, возникающие случайно в разных направлениях, при объедине-

нии их в системе вида обнаруживают общую закономерность.

Первая удачная попытка индуцирования мутаций была осу-

ществлена академиком Г.А. Надсоном и его учеником Г.С. Филиппо-

105

вым в Ленинграде на микроорганизмах (грибах). В 1925 г. они пока-

зали, что с помощью рентгеновского излучения можно во много раз

увеличить мутационную изменчивость. Однако первенство в этом от-

крытии перешло к американскому учёному Г.Д. Мёллеру, который в

1927 г. на V Международном генетическом конгрессе в Берлине по-

казал на примере дрозофилы высокую мутагенную активность рент-

геновского излучения.

В 1928–1930 гг. А.А. Сапегин и Л.Н. Делоне использовали излу-

чения для получения исходного материала в селекции зерновых куль-

тур. А.А. Сапегин получил рентгеномутанты у мягкой и твёрдой

пшеницы, отличающиеся от исходных форм по разным признакам, в

том числе мутантную форму с повышенной морозостойкостью от

сорта Кооператорка. В 1928 г. американский генетик Л. Стадлер

успешно индуцировал с помощью рентгеновского излучения мутации

у кукурузы и ячменя.

Широкие исследования по мутагенезу проводились в нашей

стране с начала 50-х гг. под руководством Н.П. Дубинина, И.А. Рапо-

порта, В.В. Хвостовой и П.К. Шкварникова после открытия высоко-

эффективных мутагенов.

В условиях Западной Сибири исследования по искусственному

получению мутаций у яровой пшеницы были начаты в 30-е гг. в

ОмСХИ М.С. Бодровым и в 1958 г. – в ИЦиГе СО РАН П.К. Шквар-

никовым и И.В. Чёрным.

5 февраля 1979 г. в СибНИИСХе Р.И. Рутцем была создана лабо-

ратория экспериментального мутагенеза, где с использованием мето-

да мутагенеза созданы многие сорта пшеницы (Омская озимая, Си-

бирская Нива, Омская 4, Жатва Алтая, Росинка, Росинка 2, Славянка

Сибири, Росинка 3 и др.).

В селекции с помощью индуцированного мутагенеза можно ре-

шать следующие задачи:

1) обеспечение изменчивости с широким спектром мутаций и вы-

сокой частотой их проявления в целях получения исходного материа-

ла для отбора;

2) получение мутантов со специфическими изменениями отдель-

ных признаков в целях исправления отдельных дефектов сортов. При

этом другие хозяйственно важные признаки должны остаться без из-

менений;

106

3) увеличение рекомбинации генов и разрыв нежелательного

сцепления генов;

4) осуществление переноса фрагментов хромосом одного вида в

хромосомы других видов при отдалённой гибридизации;

5) получение гомозиготных мутантов путём воздействия на гаплои-

ды излучениями и последующего удвоения у них числа хромосом и т. д.

Преимущества метода мутагенеза перед другими методами

селекции.

1. При улучшении одного или многих признаков существенно не

перестраивается генотип улучшаемого сорта. При мутагенезе возникает

меньше гетерозиготных локусов в первом поколении, поэтому за более

короткий срок можно получить константно не расщепляющиеся линии.

Гомозиготность достигается главным образом к М

, а у 10–20% от все-

го мутантного материала гомозиготны уже семена растений в М

, т. е. мутации проявляются уже без расщепления. 10–20% не рас-

щепляющихся в М

семей содержат относительно большую частоту

полезных мутаций, чем все остальные.

2. В результате мутаций у растений могут проявляться новые, ра-

нее неизвестные, полезные признаки, для передачи которых гибри-

дизация является неэффективной. Общий механизм, добавляющий

большое число совершенно новых полезных признаков, заключается

в том, что мутагены индуцируют перемены таких генов, которые по-

являются в спонтанном порядке крайне редко или не отмечаются во-

обще. Если мутанты имеют отдельные положительные отклонения,

их используют в скрещиваниях с лучшими сортами или другими му-

тантами.

3. Действие мутагенов на генетический аппарат более упорядоче-

но, чем при спонтанном мутагенезе. Часть мутагенов совсем не вы-

зывает хромосомных перестроек.

4. Мутагенезом можно вызывать взаимные транслокации хромо-

сом у отдалённых гибридов F

, когда естественная рекомбинация не

даёт желаемого эффекта. При внутривидовой гибридизации частота

рекомбинации тесно сцепленных генов может быть значительно по-

вышена мутагенными факторами. Этим же устраняются нежелатель-

ные корреляции между признаками: например, между урожайностью и

склонностью к полеганию, поскольку хромосомные перестройки

нарушают сцепление генов, определяющих коррелирующие признаки.

107

6.2. Получение мутантов с помощью излучения

Излучения, вызывающие мутации, бывают двух видов: ионизи-

рующие и неионизирующие.

Среди ионизирующих излучений в селекционной работе наиболее

широко применяют: 1) рентгеновское излучение; 2) гамма-излучение;

3) нейтронное излучение.

Ионизирующими они называются потому, что способны превра-

щать атомы и молекулы в электрически заряженные частицы – ионы.

Рентгеновское излучение стали использовать в селекции для по-

лучения мутаций раньше всех других источников. Рентгеновские ап-

параты имеются во многих учреждениях, легко управляются, на них

удобно работать с любыми органами растения, несложно изменять

дозы излучения.

Источником гамма-излучений обычно служит радиоактивные ко-

бальт (

Со) или цезий (

137

Сs). Для кратковременного облучения слу-

жат специальные мощные облучающие установки. Длительное воз-

действие на растения малыми дозами (хроническое облучение веге-

тирующих растений) проводят на гамма-поле. Источник излучения

располагают в центре поля (рис. 6.1).

Нейтроны возникают в результате ядерных реакций, в частности

при делении ядер урана и плутония. Различают быстрые нейтроны

(энергия ионообразования 0,2–26 МэВ) и медленные, или тепловые

(энергия – 0,025 эВ). Быстрые нейтроны оказывают мутагенное дей-

ствие преимущественно в момент облучения, а тепловые вызывают

наведённую радиоактивность в самой клетке. Относительная биоло-

гическая эффективность нейтронов в 10–40 раз выше, чем гамма- и

рентгеновского излучения.

108

Рис. 6.1. Схема размещения гамма-установки на гамма-поле:

1 – контейнер для хранения гамма-излучателя (

Со); 2 и 4 – система подъёма

и спуска излучателя; 3 – блок управления установкой; 5 – защитный контейнер

Частота появления мутаций зависит от дозы излучения. Суще-

ствует положительная линейная зависимость между дозой излуче-

ния и частотой мутаций. Однако эта зависимость наблюдается в ос-

новном в интервале 100%-ной выживаемости. С переходом в интер-

вал ЛД

– ЛД

100

(ЛД

– порог выживаемости, ЛД

100

– гибель всех рас-

тений) выход мутаций уже не может увеличиваться пропорционально

дозе, поскольку будет гибнуть больше растений.

Дозы мутагенов следует подбирать с учётом видовой принад-

лежности растений, физиологического состояния органов растения и

других факторов.

Например, у риса удаление чешуй с семян повышает их радиочув-

ствительность. На покоящиеся семена нужно воздействовать большей

дозой, чем на прорастающие. Вегетативные органы более чувстви-

тельны к излучению, чем покоящиеся семена.

Для получения мутаций следует воздействовать достаточно вы-

сокой дозой, чтобы обеспечить большее число полезных наслед-

ственных изменений. Необходимо установить для каждого вида сель-

скохозяйственных культур критическую дозу радиации, выше кото-

рой уже наблюдается значительное снижение жизнеспособности и

плодовитости растений. За критическую дозу принимают такую дозу,

при воздействии которой выживают 30–40% растений (ЛД

30-40

). Кри-

109

тическая доза у различных сельскохозяйственных культур при обра-

ботке сухих семян варьирует от 50 до 2000 Гр.

Установлено, что сорта разной плоидности обладают неодина-

ковой радиочувствительностью и разным спектром мутаций.

Например, у гречихи тетраплоиды значительно более устойчивы к

гамма-излучению, чем диплоиды. Было показано, что с увеличением

уровня плоидности у пшеницы частота хлорофильных мутантов

уменьшается, а морфологических и других видимых мутантов воз-

растает.

Кроме этого, различные сорта одного вида с одинаковым набо-

ром хромосом могут иметь разную радиочувствительность. Напри-

мер, у сортов гороха Торсдаг, Рамонский 77, сои Кубанской 276, яро-

вой пшеницы Теремок воздействие гамма-лучей на семена обуслови-

ло появление значительного количества мутаций с широким спек-

тром, в том числе по скороспелости, продуктивности, склонности к

полеганию. В тех же опытах абиссинская форма гороха, карликовый

сорт сои, сорт ярового ячменя Винер оказались маломутабильными.

Поскольку разные сорта часто отличаются по чувствительности к

мутагенам и имеют неодинаковый спектр мутаций, для получения

желаемых результатов нужно вовлекать в работу больше сортов.

При высоких дозах излучения, дающих сильный повреждающий

эффект, доля хозяйственно-ценных мутаций меньше, чем при средних

дозах. Поэтому в селекционных целях рекомендуется использовать до-

зы излучения в 1,5–2 раза ниже критических (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Рекомендуемые дозы гамма- и рентгеновских излучений

для обработки сухих семян и вегетативных частей (ростков, клубней)

Культура Доза, Гр

Пшеница яровая и озимая, ячмень, кук

руз

–

100

Овёс 70–100

Горох овощной

–

Соя 50–80

Люпин

140

–

160

Гречиха, рожь 50–150

Сахарная свёкла

200

–

250

Картофель (ростки, клубни) 6–30

Картофель (семена)

100

–

150

*1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

110

При облучении семян нейтронами оптимальная доза для пшеницы

и ячменя составляет 2,5–7,5 Гр (250–750 рад), гороха и других зернобо-

бовых – 3–5 Гр (300–500 рад), для ростков и клубней картофеля – 7,5 Гр

(750 рад).

Генетически эффективным неионизирующим излучением считают

ультрафиолетовое (УФ) излучение. Оно имеет значительно большую

длину волны (200–400 нм), чем ионизирующие излучение, и мень-

шую энергию. При его использовании происходит только возбужде-

ние молекул.

Проникающая способность УФ-излучения очень мала. Поэтому

его можно использовать только для обработки пыльцевых зёрен.

УФ-излучение вызывает высокую частоту мутаций, особенно в пре-

делах длины волны, которая поглощается ДНК (260–265 нм). Напри-

мер, при обработке пыльцы кукурузы УФ-лучами с длиной волны 253 нм

в дозе 10

Дж/м

наблюдается угнетение оплодотворения, а при уве-

личении дозы до 10

–10

Дж/м

пыльца становится полностью сте-

рильной.

При воздействии на семена и вегетирующие растения импульс-

ным и непрерывным лазерным излучением видимой области спектра

также можно получать высокий выход мутантных форм.

На эффект излучений с низкой ЛПЭ (гамма- и рентгеновские лу-

чи) сильно влияют факторы среды. Повреждающее действие этих

излучений усиливается при наличии кислорода во время облучения и

облучении набухших семян; кроме того, на степень их повреждения

оказывают влияние влажность семян, температура, длительность хра-

нения и ряд других факторов. Длительное хранение семян в течение

нескольких месяцев или даже недель усиливает повреждение хромо-

сом, клеток и организма в целом.

Для повышения частоты мутаций, а также для последовательного

индуцирования мутаций ряда генов, действующих на развитие одного

признака для усиления степени его выраженности, применяют много-

кратное облучение. По данным В.Г. Володина, частота мутаций после

однократного облучения составляет 1%, а после пятикратного – 12%.

При пятикратном последовательном облучении ряда поколений ди-

кого мелкоплодного томата (плоды размером с крупную клюкву)

Г. Штуббе удалось отобрать формы с плодами такой же величины,

как у культурных мелкоплодных сортов. Повторное облучение в те-