2Б. Получение мутантов с помощью химических веществ.

Возможность получения мутаций под влиянием химических веществ была установлена в начале 1930-х гг. Приоритет открытия многих высокоактивных мутагенов, широко применяемых в настоящее время, принадлежит И.А.Раппопорту.

В селекции растений широко используют этиленамин, этилметансульфонат, диэтилсульфат, нитрозоалкилмочевина и многие другие вещества.

Химическими мутагенами можно обрабатывать сухие и проросшие семена, черенки, клубни, луковицы, вводить эти вещества в стебель растений перед их вступлением в генеративную фазу и т.д. Продолжительность обработки семян варьирует от 3 до 18 часов.

Установлено, что по мере увеличения концентрации мутагена до определенного уровня частота жизнеспособных мутаций возрастает, а затем она снижается. Это объясняется гибелью клеток, в которых возникли изменения при повышении концентрации мутагена сверх оптимальной величины. Следовательно, в селекционной работе использование высоких концентраций мутагенов нецелесообразно, но концентрации не должны быть слишком низкими, иначе воздействие будет неэффективным.

Химические мутагены во многих случаях значительно эффективнее физических. Если под влиянием ионизирующих излучений у сельскохозяйственных растений возникает до 10-15 % жизнеспособных изменений, то химические мутагены позволяют получить до 30-60 % их.

В селекционной работе при использовании метода экспериментального мутагенеза следует учитывать, что разные семейства, роды, виды и отдельные сорта одного вида проявляют четко выраженную неодинаковую чувствительность как к типам воздействующих мутагенных факторов, так и к их дозам. Это проявляется в разной степени выживаемости растений, неодинаковой частоте возникновения индуцированных мутаций и в различии спектров мутаций.

* Разные сорта одного и того же вида часто резко различаются по чувствительности к действию мутагенов и имеют неодинаковый спектр мутаций. Для получения желательных результатов следует вовлекать в работу возможно больше сортов.

3 Полиплоидия: типы полиплоидов и методы их получения

Изучение хромосомного состава дикой и культурной флоры показало, что многие важнейшие сельскохозяйственные растения представляют собой полиплоиды. Они встречаются среди зерновых, плодовых, цитрусовых, технических, лекарственных и других культур.

Так, гексаплоидная мягкая пшеница – самая продуктивная и наиболее распространенная. На ее долю приходится более 4/5 всей площади посева этой культуры. Примерами полиплоидных культурных растений могут также служить: картофель (2n = 48), табак (2n = 48), арахис (2n = 20, 40), клевер белого (2n = 16, 32) и т.д.

Однако у отдельных культур в природе не обнаружено полиплоидных видов. Например, культурные виды ржи (2n = 14), ячменя (2n = 14), свеклы ( 2n = 18) имеют низкое, не полиплоидное число хромосом.

Полиплоидия имела огромное значение в эволюции дикорастущих и культурных растений (полагают, что около трети всех видов растений возникли за счёт полиплоидии, хотя в некоторых группах, например у хвойных, грибов, это явление наблюдается редко). Доказательством роли полиплоидии в эволюции служат т. н. полиплоидные ряды, когда виды одного рода или семейства образуют эуплоидный ряд с увеличением числа хромосом, кратным основному гаплоидному (например, пшеница Triticum monococcum имеет 2n = 14 хромосом, Tr. turgidum и др. — 4n = 28, Tr. aestivum и др. —6n = 42). Полиплоидный ряд видов рода паслён (Solanum) представлен рядом форм с 12, 24, 36, 48, 60, 72 хромосомами.

Экспериментальная полиплоидия, анеуплоидия и гаплоидия открыли новые возможности для дальнейшего прогресса селекции растений на генетической основе.

Типы полиплоидов и их селекционная ценность

Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному набору, называется геномными мутациями, а получаемые формы — эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию — кратное увеличение числа наборов хромосом одного и того же вида (например, АА + АА = АААА), и аллополиплоидию — путем суммирования геномов разных видов (А + Б = АБ, затем удвоение хромосом → ААББ) (межвидовая и межродовая гибридизация).

Морфологически автополиплоид сходен с родительской формой, тогда как аллоплоид занимает промежуточное положение между родительскими видами и похож на гибрид между ними. Первый происходит от фертильного материнского растения, второй – от стерильного гибрида F_{1 .}

Различные типы культурных растений, даже генотипы внутри вида, по-разному реагируют на индуцирование у них полиплоидии.

В настоящее время установлены следующие положения:

1) растения с небольшим числом хромосом лучше реагируют на их удвоение, чем растения с высоким числом хромосом;

2) работа с перекрестноопыляющимися растениями дает лучшие результаты.

Плодовитость искусственно полученных полиплоидов обычно ниже, чем у диплоидов. В этом отношении наблюдаются существенные различия между автополиплоидами и аллополиплоидами. Наиболее сильно фертильность снижается у автополиплоидов, что связано с нарушениями процесса мейоза. Это затрудняет их практическое использование, особенно у культур, возделываемых для производства семян (зерновые, бобовые, масличные и т.д.). У аллополиплоидов хромосомы каждого типа представлены парами. Поэтому мейоз у них протекает в основном нормально и плодовитость снижена меньше, чем у автоплолиплоидов.

Значение автополиплоидов в селекции. Изменения, происходящие в результате удвоения числа наборов хромосом в клетках, бывают как полезными, так и нежелательными. К полезным относятся: увеличение размеров отдельных органов и растений в целом, повышение их продуктивности и содержания некоторых полезных веществ, устойчивости к полеганию (у зерновых культур) и др. Эти полезные изменения широко используются селекционерами. К нежелательным изменениям прежде всего относится снижение плодовитости автополиплоидов, они частично бывают более позднеспелыми, содержат больше воды в вегетативной массе и могут иметь другие недостатки.

Практическая ценность экспериментально полученных аллополиплоидов может существенно зависеть от цитоплазмы, на базе которой они создаются, а также от выбора для скрещивания таких биотипов, синтез которых обеспечивает наилучшую комбинацию признаков.

В тех случаях, когда вследствие более или менее высокой гомологии геномов, объединившихся в клетках аллополиплоидов, в мейозе проявляется повышенная способность к конъюгации хромосом разных геномов и снижается фертильность, необходим поиск и включение в генотип амфидиплоидов наследственных факторов, исключающих эти процессы. На реальность такого пути указывает открытие у пшеницы в длинном плече хромосомы 5В гена (возможно, комплекса генов), подавляющего конъюгацию между хромосомами разных геномов, несмотря на их значительную генетическую общность.

Методы получения полиплоидных форм

Существуют разные методы получения полиплоидов. Кратное увеличение числа хромосом в клетках может возникать:

1) под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, в результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к разрушению веретена деления, в результате чего удвоившиеся хромосомы не могут разойтись, оставаясь в одном ядре. Было обнаружено, что некоторые химические соединения, препятствуют расхождению в митозе сестринских хромосом к противоположным полюсам и образованию дочерних клеток. В результате клеточная перегородка не образуется и сама клетка не делится. Удвоившиеся хромосомы остаются в одной исходной клетке, обладающей теперь вдвое большим числом их, чем нормальная клетка.

2) Наиболее эффективен в этом отношении колхицин (С₂₂Н₂₆О₆), получаемый из семян и клубнелуковиц безвременника (Colchicum autumnale L.). В чистом виде этот препарат представляет собой желтовато-белый порошок, легко растворимый в воде, спирте, хлороформе. Применение его дало возможность получать полиплоидные формы практически в неограниченных количествах.

3) Кроме колхицина, для получения полиплоидных форм можно использовать также аценафтен, хлористый сангуинарин, гаммексан, линдан, закись азота и другие вещества. В селекции обычно применяют колхицин.

Успех работы зависит от ряда условий:

1. Для удвоения числа хромосом необходимо воздействовать колхицином на меристематические ткани (прорастающие семена, молодые проростки, бутоны, клубни и др.

2. Необходимо учитывать разную чувствительность разных растений к колхицину. Оптимальную дозу и экспозицию определяют экспериментальным путем. Начиная с концентрации 0,01-0,2 % и времени от нескольких часов до нескольких суток.

3. Для роста опытных растений необходимо создавать оптимальные условия как во время обработки, так и в последующий период.

С учетом этих положений разработан ряд методов использования колхицина применительно к различным культурам. Это обработка семян, обработка проростков, обработка молодых сеянцев, обработка корней, обработка почек, побегов и стеблей.

Полиплоидия может возникать и вследствие эндомитоза — удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая полиплоидия) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая полиплоидия.) — половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (так называемые нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n) — при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n) — при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.