Способ преодоления неспособности гибридных семян к прорастанию
Обновлено: 08.07.2024
Гибридизация между представителями различных видов и родов — важнейший метод селекции плодовых и ягодных культур. Решение современных селекционных задач, особенно по созданию высококачественных сортов и клоновых подвоев, невозможно без вовлечения новых ценных признаков, источниками которых являются дикорастущие виды. В этом отношении потенциал сортов наших традиционных плодовых растений ограничен, у них нет генов отдельных селекционно ценных признаков и их приходится передавать от других видов и родов путем отдаленных скрещиваний. Проблема создания сортов яблони, груши, вишни, персика, иммунных к парше, мучнистой росе, коккомикозу, курчавости, решается только за счет использования дикорастущих видов, поскольку иммунных к этим болезням сортов нет.
Для создания зимостойких сортов яблони, груши, сливы и абрикоса в селекцию были включены яблони сибирки, груши и сливы уссурийские, абрикос сибирский и маньчжурский. Отдаленной гибридизацией были созданы такие новые плодовые культуры, как малония (гибрид яблони с айвой), черный абрикос (гибрид алычи и абрикоса), смородино-крыжовниковый амфидиплоид — Рибелария (гибрид смородины и крыжовника), гибрид земляники ананасной с земляникой мускатной или клубникой. Этим методом выведены такие ценные клоновые подвои, как Парадизка Будаговского (яблоня домашняя х яблоня Недзвецкого х Парадизка), Кубань 86 (алыча х персик), ВП-1 (вишня обыкновенная х вишня Маака), ВВА-1 (микровишня войлочная х алыча), F-677 (миндаль обыкновенный х персик) и др.
Возможность использования отдаленной гибридизации в селекции плодовых и ягодных культур возрастает в связи с разработкой новых методов генетики и биотехнологии, направленных на преодоление генетической несовместимости видов и родов.
При скрещивании различных видов и родов плодовых и ягодных растений генетическая несовместимость проявляется, начиная с процесса оплодотворения, и действует в течение ряда генераций полученных гибридов. Можно выделить три основных барьера несовместимости, которые необходимо преодолеть в процессе получения и селекционного использования отдаленных гибридов:
- нескрещиваемость или трудная скрещиваемость между видами и родами, препятствующая получению гибридного потомства;
- низкая жизнеспособность полученных отдаленных гибридов, приводящая к их гибели или возникновению хилых, депрессивных бесплодных экземпляров;
- бесплодие или низкая плодовитость гибридов, затрудняющая получение генеративного потомства.
Г. Д. Карпеченко все комбинации отдаленных скрещиваний делит в зависимости от специфических проявлений несовместимости на конгруэнтные (совместимые)и инконгруэнтные (несовместимые), разница между которыми условна.
Плохая скрещиваемость при опылении пестиков одного вида пыльцой другого в отличие от межсортового скрещивания вызывает появление многочисленных аномалий в росте пыльцевых трубок и развитии зародыша. В результате опыления не происходит или зародыши погибают и завязь опадает. Гибель зародыша может наступить на различных фазах его развития.
Для преодоления нескрещиваемости разработаны различные методы. И. В. Мичурин предложил метод смеси пыльцы. При опылении смесью пыльцы различных видов часто достигается лучшее завязывание гибридных плодов за счет использования избирательности оплодотворения.
Ряд исследователей предложили способы усовершенствования этого метода. Для стимулирования выделения на рыльце пестика материнского вида секреторной жидкости в смесь пыльцы рекомендовано вводить небольшое количество пыльцы материнской формы. Предлагается также вводить в смесь пыльцы различных видов не живую, а мертвую пыльцу материнского вида. Живая пыльца материнской формы, даже самобесплодной, может опылять лучше, чем пыльца других видов. Последняя нередко стимулирует самоопыление. Для стимулирования процесса оплодотворения предложено также обрабатывать цветки борной кислотой, гиббереллином, облучать пыльцу, укорачивать пестики и т. д. Во многих случаях от применения этих рекомендаций получен положительный эффект, но широкого применения в селекционной практике они не получили.
Очень важное значение для положительных результатов отдаленной гибридизации имеет использование из числа сортов или форм одного вида тех, которые проявляют способность легче скрещиваться с другими видами. Это связано с отсутствием у них гена St, ответственного за перекрестную несовместимость. Так, при отдаленных скрещиваниях алычи с абрикосом, персиком и миндалем с успехом были использованы в качестве материнского родителя сорта Культурная красная, Васильевская 41, Кубанская комета, Гибрид 9-55. В то же время сорта Пурпуровая, Десертная, Обильная очень трудно скрещивались с теми же видами.
В составе некоторых родов плодовых и ягодных растений также можно выделить виды, которые сравнительно легко дают гибриды от отдаленных скрещиваний, тогда как другие виды того же рода трудно скрещиваются с ними. Например, из видов сливы (род Prunus L.) легче всего образует межродовые гибриды алыча (Р. cerasifera), труднее — слива китайская (Р. salicina) и терн (Р. spinosa). Очень сложно получить отдаленные гибриды с участием сливы американской (Р. americana) и сливы домашней (Р. domestica).
Изменяется способность к образованию отдаленных гибридов и в зависимости от условий внешней среды. Так, на Памире идет естественная гибридизация между алычой (Р. cerasifera), луизеанией вязолистной (L. ulmifolia), микровишней простертой (М. prostrata), миндалем бухарским (A. bucharica). На Северном Кавказе в опытах Крымской опытно-селекционной станции такие гибриды были получены с большими трудностями и в небольшом числе.
В ряде случаев, когда при отдаленных скрещиваниях гибридный зародыш отмирает не сразу, а в процессе роста плода, эффективным оказывается метод выращивания зародыша, выделенного из зеленого плода, на искусственных средах (in vitro). В этом случае молено вырастить гибридные сеянцы, когда плоды опадают перед созреванием или у таких плодов семена имеют нежизнеспособный зародыш. Этот метод успешно был использован Г. А. Курсаковым при получении отдаленных гибридов косточковых растений.
Низкая жизнеспособность гибридных сеянцев проявляется во всех комбинациях при межвидовых скрещиваниях. У плодовых и ягодных растений это является одним из показателей правомерности выделения самостоятельных видов, поскольку при межсортовой гибридизации снижения жизнеспособности гибридов обычно не наблюдается.
При гибридизации между видами одного рода (на одном уровне плоидности) нежизнеспособных сеянцев сравнительно немного. При межродовой гибридизации число нежизнеспособных сеянцев в гибридных семьях резко возрастает, а иногда такие гибриды преобладают.
Наблюдаются различные формы проявления несовместимости. Появляются альбиносы (хлорофилл в листьях отсутствует). Эти сеянцы, как и часть сеянцев, нормально развитых вначале, отмирают после того, как будут полностью израсходованы запасные вещества в семядолях. Появляются различные тераты (уродливые растения) и недоразвитые растения, которые и при вегетативном размножении сохраняют свои особенности (наследственные аномалии). Эти нежизнеспособные растения селекционной ценности не представляют и подлежат выбраковке.
Низкая жизнеспособность отмечается среди отдаленных гибридов не только в первом, но и в последующих поколениях. Во втором поколении в отдельных гибридных семьях она бывает выражена даже резче, чем у гибридов первого поколения. В частности, при опылении гибридов пыльцой отцовского вида проявляется ядернопротоплазменная несовместимость. Эта форма несовместимости связана с взаимодействием в клетках гибридов протоплазмы, которая всегда принадлежит материнскому компоненту скрещивания, и ядра, наследственное вещество которого принадлежит обоим компонентам скрещивания в различных соотношениях и зависит от того, кто участвовал в возникновении гибридов F1.
При гибридизации алычи (мать) и абрикоса (отец) в первом поколении большинство гибридов имеют нормальную жизнеспособность. Она еще более возрастает, если гибриды F1 опыляют пыльцой алычи, но резко снижается, если гибриды F1 опыляют пыльцой абрикоса. В первом случае в ядре гибридов F2 75 % хромосом принадлежит алыче, что способствует повышению жизнеспособности гибридов F2 по сравнению с F1, где алыче в гибридном ядре принадлежит 50 % хромосом. В ядре гибридов F2, полученных от беккроссов с абрикосом, доля его хромосом составляет 75 %, а на долю алычи приходится 25 %. Наличие в гибридном ядре более 50% хромосом отцовского компонента — абрикоса в данном случае не обеспечивает нормальную совместимость гибридного ядра и протоплазмы материнского вида, что и приводит к снижению жизнеспособности и почти полной гибели гибридов F2, полученных от повторного скрещивания алычово-абрикосовых гибридов с абрикосом.
Аналогичные результаты получены и у гибридов F2 от беккроссов с отцовским видом и в других межродовых комбинациях скрещивания. Степень проявления несовместимости в гибридах F2 может быть различной и не приводить к гибели всех гибридов второго поколения. В связи с этим насыщающие скрещивания гибридов межродовых скрещиваний с отцовским видом в большинстве случаев нежелательны.
Преодолеть снижение жизнеспособности в гибридах F2 можно использованием гибридов F1 в качестве опылителя любого родительского вида. Перспективны также сибсы между гибридами одной семьи и опыление гибридов F1 пыльцой материнского вида или пыльцой другого вида из одного рода с последним.
Из препятствий несовместимости особенно важное значение имеет бесплодие или низкая плодовитость гибридов у плодовых и ягодных растений. В большинстве гибридных семей от конгруэнтных скрещиваний значительная часть гибридов нормально плодовита. Это относится прежде всего к отдаленным гибридам, полученным от скрещивания видов одного рода (одного уровня плоидности). При межродовых скрещиваниях результаты бывают неодинаковы в зависимости от степени родства. Чем более удалены между собой виды в систематическом отношении, тем сильнее выражено снижение плодовитости гибридов.
У косточковых плодовых растений (виды подсемейства Prunoideae семейства Rosaceae) хорошо плодоносит большинство гибридов между диплоидными видами сливы (алычой, китайской сливой, американской сливой и т. д.), между видами абрикоса, между видами персика. Хорошо плодоносят многие гибриды диплоидных слив с видами микровишни из секции спирейных (Spiraeopsis), особенно с микровишней низкой — Microcerasus pumila (или бессеей — С. besseyi). Относительно нормально плодоносят гибриды миндаля секции Euamygdalus (миндаля обыкновенного, Фенцля и бухарского) с видами персика. Бесплодны все межродовые гибриды слив (род Prunus) и абрикоса (род Armeniaca) с видами миндаля и персика (родов Amygdalus и Persica). У многих гибридов F1 сливы с абрикосом плодовитость пониженная. Это же относится к гибридам сливы с микровишнями секции Amygdalocerasus (микровишнями войлочной, простертой), к гибридам абрикоса с микровишней.
Гибриды с различной степенью плодовитости получены и между видами других родов плодовых и ягодных растений. Межродовые плодовитые гибриды получены между яблоней и грушей, яблоней и айвой, грушей и айвой, рябиной и боярышником, смородиной и крыжовником. Это позволило получить гибридное потомство и совершенствовать гибриды, создавая новые типы растений.
У большинства плодовитых межвидовых гибридов геномы родительских видов имеют высокую степень гомологии хромосом, и их можно отнести к категории конгруэнтных. В других гибридных семьях от межвидовой и межродовой гибридизации, где много нежизнеспособных и бесплодных сеянцев, имеются нормально развитые и плодовитые экземпляры. В этом случае можно говорить о гомологичности (родственном сходстве) геномов, но не об их гомологии. Даже у наиболее плодовитых межвидовых, а особенно межродовых, гибридов наблюдается снижение жизнеспособности пыльцы, часто возникают гибриды с мужской стерильностью. Например, гибриды видов Primus и видов Microcerasus, большинство гибридов которых в F1 и F2 имеют нежизнеспособную пыльцу, в том числе сорта вишнеслив (М. pumila х X р, salicina) — Сапа, Опата, Черессото и их гибриды с алычой.
У гомеологичных (частично гомологичных) геномов плодовых и ягодных растений, состоящих в более отдаленном родстве, уменьшение степени гомологичности приводит к снижению плодовитости и бесплодию гибридов. Это уже инконгруэнтные гибридные комбинации. К их числу можно отнести гибриды видов сливы с абрикосом и микровишней войлочной, гибриды между яблоней и айвой, персиком и миндалем низким.
Часть межродовых гибридов всегда имеет женскую стерильность (бесплодие). Особенно это хорошо проявляется у гибридов, полученных от скрещивания далеких в систематическом отношении родов, например видов персика и миндаля с видами сливы, абрикоса, микровишни и луизеании.
Однако проявление женской стерильности бывает различным. В одних случаях при нормальном цветении и частичной фертильности пыльцы пестик в цветках недоразвит. В других случаях опыляются цветковые почки в фазу набухания. В третьих — цветки не образуются вообще (особенно у депрессивных растений). Все эти типы встречаются, в частности, у гибридов персика и миндаля с видами сливы и абрикоса.
Отдаленная гибридизация способствует возникновению форм, отличающихся от родительских видов по проявлению мужской стерильности и самоплодности. В частности, у таких гибридогенных видов, как слива домашняя, вишня обыкновенная, персик, земляника ананасная, а также у гибридов алычи и китайской сливы возникли мужски стерильные формы. Для сортов сливы (Очаковская желтая, Тулеу Грас), персика (Эльберта стерильная, Дж. Хейл) доказано, что это цитоплазматическая мужская стерильность.
Наряду с этим у некоторых гибридогенных видов возникли и самоплодные формы, хотя у исходных видов самоплодные формы отсутствуют. Это относится к вишне обыкновенной в отличие от черешни и вишни степной; к сливе домашней в отличие от алычи и терна; к сливе альпийской в отличие от алычи и сливы западной.
Во втором поколении гибридов от скрещивания видов одного рода как при сибсах, так и при беккроссах плодовитость гибридного потомства повышается вплоть до полного ее восстановления, за исключением случаев ядернопротоплазменной несовместимости. В последнем случае большинство даже относительно жизнеспособных гибридов остаются бесплодными или слабо плодовитыми. Но и здесь бывают исключения. Протоплазма клеток у некоторых гибридов может несколько изменять свои свойства, и ее несовместимость с гибридным ядром сглаживается. Гибриды восстанавливают плодовитость. Такие гибриды выделены, в частности, в семьях (микровишня низкая X слива китайская) х алыча.
В третьем и последующих поколениях, полученных от плодовитых гибридов F2, F3 и т. д., численность нежизнеспособных и бесплодных растений снижается, хотя они и появляются еще в нескольких генерациях. Всегда более жизнеспособны и плодовиты те гибриды, у которых доля хромосом материнского вида в ядре составляет более половины.
При получении трехродовых гибридов наличие в гибридном ядре менее 50 % хромосом материнского вида также приводит к низкой жизнеспособности или к снижению плодовитости гибридов. Это отмечено у гибридов (микровишня низкая Х слива китайская) X (алыча X персик обыкновенный), (микровишня низкая X абрикос) X алыча. В то же время выделились умеренно плодовитые гибриды (слива китайская X алыча) X (абрикос Х персик). У последних половина хромосом принадлежала видам сливы.
И. В. Мичурин предложил метод посредника для преодоления нескрещиваемости видов и родов плодовых и ягодных растений. Для получения гибридов миндаля бобовника с персиком обыкновенным (Р. vulgaris) он скрестил первый с персиком Давида. Гибрид, названный посредником, легче скрещивался с персиком. П. Н. Яковлев скрестил его с миндалеперсиком (гибрид миндаль х персик) и получил гибрид — двойной посредник. Далее эта программа продолжена не была. В наших опытах гибриды посредника с персиком погибли в первые месяцы жизни. При использовании этого метода в селекционных программах надо также учитывать явление ядернопротоплазменной несовместимости. Межродовые гибриды F1 при гибридизации с видами третьего рода следует использовать в качестве опылителя.
Источник: Г.В. Еремин, А.В. Исачкин, Е.Н. Седов; под ред. проф. Г.В. Еремина. Селекция и сортоведение плодовых культур. Колос. Москва. 1993
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
При отдаленной гибридизации селекционер сталкивается с рядом трудностей.
Основные из них следующие:
1) нескрещиваемость генетически далеких видов;
2) неспособность гибридных семян к прорастанию;
3) стерильность гибридов.
Нескрещиваемость разных видов. Известны разнообразные методы преодоления нескрещиваемости растений, относящихся к разным видам и родам, в том числе применение реципрокных скрещиваний, использование разных биотипов, изменение уровня плоидности у родительских форм, получение посредника, проведение опыления на ранних этапах развития пыльцы, укорачивание столбика или внутризавязное опыление, удаление рыльца перед опылением и замена его кусочком питательной смеси, обработка пестиков стимуляторами роста, опыление смесью пыльцы, вегетативное сближение скрещиваемых форм, культивирование на питательной среде вычлененных семяпочек, предварительное воздействие на скрещиваемые растения химическими и физическими факторами и др. Для совмещения сроков цветения разных видов применяют методы длительного хранения пыльцы. Наиболее радикальный путь преодоления несовместимости отдаленных видов - использование метода гибридизации соматических клеток путем слияния изолированных протопластов. Неспособность гибридных семян к прорастанию. Образование при межвидовых скрещиваниях семян еще не гарантирует получения гибридных растений. Во многих случаях такие семена бывают слаборазвитыми и не прорастают. Преодолеть неспособность недоразвитых гибридных семян к прорастанию удалось путем разработки и применения метода культуры зародышей и тканей в стерильных условиях. Известно много питательных сред для искусственного выращивания зародышей растений. Более подробно этот метод описан в главе 11.
Для иллюстрации практического использования метода эксплантации зародыша можно назвать получение гибридов от скрещивания хлопчатника обыкновенного (тетраплоидного) с различными диплоидными видами, разных видов донника, ляд-венца, клевера, ячменя, риса, тыквы и других растений. Большое значение этот метод имел в выращивании гибридных растений из недоразвитых семян от межвидовых скрещиваний табака. Он был решающим в получении пшенично-элимусных гибридов. При длительном покое или замедленном прорастании гибридных семян выращивание зародышей на искусственных средах также позволяет ускорить получение сеянцев. Стерильность гибридов первого поколения. При отдаленной гибридизации приходится сталкиваться не только с возможной нескрещиваемостью разных видов или неспособностью гибридных семян к прорастанию. Важную проблему представляет пониженная плодовитость или полная стерильность гибридов F1. При этом можно принять за правило, что чем дальше отстоят друг от друга в филогенетическом отношении скрещиваемые формы, тем сильнее выражена стерильность их гибридов. Она имеет либо хромосомную, либо генную основу, а также может быть вызвана несовместимостью ядра и цитоплазмы у родительских форм.
Хромосомная стерильность обычно обусловлена различиями в числе или гомологии хромосом у скрещиваемых видов. В этих случаях в мейозе у гибрида обнаруживаются различные аномалии: полная или частичная неспособность хромосом к конъюгации, образование ассоциаций с разным их числом, инверсионные петли на стадии пахитены, мосты и фрагменты в анафазе и др. При полном асинапсисе гибриды совершенно стерильны. Это, в частности, характерно для пшенично-элимусных, ржано-пырейных и других гибридов.
Генная стерильность гибридов обычно характеризуется тем, что в пыльнике или семяпочке мейоз не происходит или он протекает с нарушениями вследствие асинапсиса или десинапсиса.
Несовместимость ядра и цитоплазмы скрещиваемых видов может проявляться по-разному, начиная от стерильности пыльцы гибридных растений и кончая гибелью проростков в ранний период их развития. Для преодоления стерильности гибридов первого поколения применяют различные методы, из которых можно выделить два главных: 1) возвратные скрещивания; 2) удвоение числа хромосом у гибрида F\.
Применение возвратных скрещиваний основано на том, что женские гаметы гибрида обычно обладают большей жизнеспособностью, чем мужские. Использование для опыления гибрида нормальной пыльцы одного из родительских компонентов позволяет получить семена для дальнейшей работы. С этой же целью гибриды первого поколения можно опылять пыльцой третьего вида. Однако наиболее надежный метод преодоления стерильности межвидовых и межродовых гибридов F1 - удвоение у них числа хромосом. Поскольку у полученных таким путем амфидиплоидов каждый тип хромосом представлен парой, то мейоз протекает в основном нормально с образованием жизнеспособных гамет, содержащих по одному геному скрещиваемых видов. Иногда такие гаметы могут образоваться и на амфигаплоидных гибридных растениях F\. У табака удается обнаружить в небольшом количестве плодовитые амфидиплоиды среди большой массы обычно бесплодных гибридных растений.
Преодолению несовместимости разных видов и стерильности их гибридов могут способствовать и некоторые другие приемы, например, создание благоприятных условий во время цветения растений, применение физиологически активных веществ, химических мутагенов и других факторов. Количество завязывающихся семян на гибридных растениях F\ зависит также от общего числа цветков. Увеличить его можно созданием наиболее благоприятных условий для формирования генеративных органов, а также путем вегетативного размножения растений. Разработаны достаточно эффективные способы клонирования разных видов растений, в том числе и злаковых, например риса, пшенично-ржаных гибридов и др.
21. Методы преодоления нескрещиваемости отдалённых видов и родов. Преодоление нескрещиваемости генетически далёких видов. В основе всех причин нескрещиваемости лежит генетическая дифференциация видов, их генетическая изоляция, которые выражаются в несовместимости генотипов видов. Существуют генетическое, физиологическое и структурное несоответствия гамет отдалённых форм. Степень скрещиваемости в значительной мере определяется филогенетическим родством скрещиваемых форм. В связи с этим выделяют две основные причины трудной скрещиваемости при отдалённой гибридизации:
а) Препятствия к опылению и оплодотворению: несовпадение циклов размножения (несовпадение циклов развития гамет), несовместимость пыльцевых трубок с тканью пестика, генетическая несовместимость ядер, несущих разные геномы (несовместимость яйцеклеток и спермиев), физиологическая несовместимость ядра и цитоплазмы.
б) Нежизнеспособность (бесплодие) или малая жизнеспособность (низкая плодовитость) гибридной зиготы (зародыша).
И.В. Мичуриным и другими исследователями были предложены следующие методы преодоления нескрещиваемости:
– Предварительная прививка. Прививка одного растения на другое изменяет химический состав тканей, осмотическое давление в клетках и т.д. Это увеличивает вероятность прорастания чужих пыльцевых трубок в пестике материнского растения. Например, пшенично-элимусные гибриды были получены путём предварительной пересадки зародыша пшеницы на эндосперм элимуса.
– Метод посредника (метод мостов) состоит в том, что нескрещиваемость двух видов преодолевается с помощью третьего вида. Если виды А и В не скрещиваются между собой, то вид А скрещивают с близким видом С, а полученный гибрид – с видом В. В результате в гибриде могут быть совмещены хромосомы и признаки трёх видов. Данный метод нашёл применение в селекции картофеля, пшеницы, овса и других культур. И.В. Мичурин при скрещивании персика с бобовником использовал в качестве посредника дальневосточный персик Давида Диплоидные виды овса A. strigosa и A. pilosa не скрещиваются между собой, но успешно гибридизируются с A. longiglumis. Гибриды между данными диплоидными видами и A. Longiglumis легко скрещиваются между собой.
– Опыление смесью пыльцы разных видов также повышает скрещиваемость за счёт того, что пыльца, имеющая разный генотип, может взаимно стимулировать рост составных частей её, создавая в пестике условия, благоприятные для прорастания разной пыльцы. В данном случае используют смесь пыльцы различных биотипов. Подобные явления происходят при использовании таких приёмов, как повторное опыление и доопыление материнской пыльцой.
– Использование разных биотипов. При получении гибридов Raphanobrassica завязываемость семян при скрещивании редьки масличной с сортом кормовой капусты Синий гигант была в 7–10 раз выше, чем от скрещивания с сортом капусты Мозговая зелёная вологодская.
– Изменение уровня плоидности у родительских форм. Перевод скрещиваемых видов на тетраплоидный уровень способствует получению гибридных семян, что свидетельствует об изменении селективности оплодотворения.
– Предварительное воздействие на скрещиваемые растения химическими и физическими факторами – радиацией, химическими мутагенами, биологически активными веществами, стрессовыми условиями выращивания. Применение стероидных глюкозидов при межвидовой гибридизации томатов приводило к повышению завязываемости гибридных семян. Обработка пестиков стимуляторами роста и другими химическими веществами позволяет изменить активность ферментов, рН среды в пестике в период оплодотворения. Например, в СИММИТе (Мексика) для преодоления генетической несовместимости исходных родительских форм применяют обработку родительских растений в период формирования у них генеративных органов 0,1%-ным раствором эпсилон-амино-капроновой кислоты (опрыскиванием или инъекцией). Таким путём удалось скрестить пшеницу с ячменём.
– Перенос скрещиваемых форм в другие экологические условия. На скрещиваемость видов в сильной степени влияет различное физиологическое состояние генеративных органов растений, которое зависит от факторов внешней среды. Преодоления фенотипической несовместимости видов иногда можно добиться путём переноса скрещиваемых растений в иные экологические условия. Например, в Закавказье скрещивание между разными видами пшеницы происходит значительно легче, чем в другой зоне.
– Использование метода гибридизации соматических клеток (парасексуальная гибридизация) путём слияния изолированных протопластов. Таким путём можно получать, например, ЦМС аналоги культурных растений, без применения насыщающих скрещиваний. Гены цитоплазмы кодируют ряд признаков, представляющих практический интерес (ЦМС, скорость фотосинтеза, устойчивость к патогенам и абиотическим факторам). С помощью соматической гибридизации возможно получение цибридов, совмещающих пластомы двух видов. Путём соматической гибридизации получены гибриды картофеля с томатом, капусты с турнепсом, культурного картофеля с диким и др. Кроме рассмотренных методов для преодоления нескрещиваемости в селекции используют культивирование на питательной среде вычлененных семяпочек, проводят опыление на ранних этапах развития рыльца, укорачивают столбик или удаляют рыльце перед опылением с заменой его кусочком питательной смеси и т. д.
22. Методы преодоления невсхожести гибридных семян и стерильности отдалённых гибридов. Преодоление неспособности гибридных семян к прорастанию осуществляется путём применения метода культуры зародышей и тканей в стерильных условиях. Эндосперм является как бы промежуточным звеном между зародышем и материнским растением. Он несёт ответственность за отклонения в развитии гибридных зёрен. Поэтому различные нарушения в развитии эндосперма (замедленное формирование клеток, образование гигантских ядер, нарушения в образовании хлорофиллоносного слоя и клеток перикарпия и др.) отрицательно влияют на гибридный зародыш. Метод культуры зародышей широко используют, например, при получении пшенично-элимусных гибридов. Во многих случаях прорастанию зародышей способствуют применение биологически активных веществ и создание определённых условий для прохождения длительного покоя (приём часто применяют для семян с твёрдой оболочкой). Для определения степени жизнеспособности гибридных семян индийскими селекционерами разработан рентгеноскопический метод анализа, позволяющий отделять здоровые семена от недоразвитых и пустых.
3) преодоление стерильности (бесплодия) гибридов первого поколения. Как правило, чем дальше в филогенетическом отношении отстоят друг от друга скрещиваемые формы, тем сильнее выражена стерильность их гибридов. Стерильность гибридов F1 вызывается следующими причинами: а) недоразвитием генеративных органов (чаще всего пыльников); б) абортивностью зародыша из-за несоответствия зиготы и эндосперма; в) нарушениями в мейозе и митозе, приводящими к появлению нежизнеспособной пыльцы и аномальных яйцеклеток. Нарушения в мейозе и митозе вызываются:
– Различиями в структуре, числе хромосом и генных наборов у скрещиваемых форм, т.е. несовместимостью геномов, хромосом и отдельных генов, следствием чего является нарушение конъюгации хромосом в мейозе (асинапсис, десинапсис, образование унивалентов). Хромосомная стерильность наблюдается, например, у пшенично-элимусных, пшенично-ржаных, ржано-пырейных и других гибридов.
– Несовместимостью ядра и цитоплазмы у родительских форм, что приводит к нарушению митотического деления клеток в процессе образования генеративных органов, что проявляется в стерильности пыльцы гибридных растений. Действие отдельных генов препятствует развитию мужских и женских органов цветка. Проростки могут гибнуть на ранней стадии их развития.
– геномной аллоциклией, которая вызывается различиями в темпах деления хромосом исходных видов. Так, у мягкой пшеницы темп деления хромосом 24 ч, твёрдой – 30 ч, ржи – 51, тритикале – 34–37 ч. Поэтому у тритикале часто происходит потеря хромосом ржи. На проявление геномной аллоциклии влияет цитоплазма материнского растения и условия выращивания. Разработаны следующие методы преодоления стерильности (восстановления плодовитости) гибридов F1:
– Метод последовательных насыщающих (возвратных) скрещиваний, который позволяет восстановить хромосомный набор одного из родителей, но с новым сочетанием генов. Применение возвратных скрещиваний основано на том, что женские гаметы гибрида обычно обладают большей жизнеспособностью, чем мужские. Для опыления гибрида используют нормальную пыльцу одной из родительских форм. Гибриды первого поколения можно также опылять пыльцой третьего родственного вида, например: (рожь х пшеница) х пырей; (рожь х пырей) х пшеница; (пшеница х пырей) х рожь.
– Удвоение числа хромосом у гибридов F1 с помощью колхицина, или получение амфидиплоидов. Амфидиплоиды (аллотетраплоиды) – полиплоиды, возникающие в результате соединения и последующего удвоения хромосомных наборов двух разных видов или родов (ААВВ). Диплоид АВ от скрещивания АА х ВВ отличается полной стерильностью (например, пшенично-ржаные амфидиплоиды – тритикале). При удвоении числа хромосом каждая хромосома имеет гомологичную хромосому, в результате чего конъюгация протекает нормально и плодовитость гибридов восстанавливается. Увеличить количество завязавшихся семян на гибридном растении можно путём создания благоприятных условий для формирования генеративных органов (во время цветения), с помощью вегетативного размножения, например клонирования злаков и других растений, путём обработки физиологически активными веществами и др.
23. Пути передачи признаков при отдалённой гибридизации. Возможность передачи генов от одного вида другому зависит от филогенетической близости скрещиваемых форм. Выделяют пять основных методов межвидовой передачи признаков:
1. Генетическая рекомбинация на основе кроссинговера. При большой геномной близости скрещиваемых видов работа с гибридными поколениями ведётся в основном также, как и при межсортовой гибридизации, и опирается на генетическую рекомбинацию. Селекционер в большинстве случаев ставит задачу передать культурному растению от второго вида лишь отдельный ген или признак, например устойчивость к какой-нибудь болезни. Наиболее эффективный метод для достижения этой цели – возвратные скрещивания. В итоге получают интрогрессивную форму исходного сорта, включающую от второго вида лишь единичные признаки. Например, Н.В. Цицин вывел ценные сорта пшеницы от скрещивания с пыреем. М.Ф. Терновский путём передачи культурному табаку генов устойчивости от вида N. glutinosa L. получил иммунные к табачной мозаике и мучнистой росе сорта: Американ 187-С, Дюбек 566, Иммунный 580 и др. При нарушении конъюгации хромосом в мейозе у гибридов передать отдельные признаки от одного вида другому трудно.
2. Синтез амфидиплоидов. Амфидиплоиды получают двумя путями: 1) проводят гибридизацию с последующим удвоением числа хромосом у гибрида, 2) скрещивают предварительно полученные автотетраплоиды исходных видов. Амфидиплоиды могут быть использованы главным образом как исходный материал для селекции. Известны только единичные случаи, когда амфидиплоиды непосредственно используются для практических целей. Например, большое число работ выполнено по пшенично-ржаным амфидиплоидам – тритикале.
3. Добавление и замещение хромосом. Если передачу отдельных генов путём генетической рекомбинации трудно осуществить, то в генотип улучшаемой культуры добавляют отдельную пару хромосом с нужными селекционеру генами от вида-донора. Методика получения линий с добавленными хромосомами описана О’Мара (O’Mara, 1940) на примере получения линий пшеницы с добавленными хромосомами ржи. Линии с добавочными хромосомами получают, осуществляя последовательно следующие процедуры: 1) скрещивают растения разных видов; 2) удваивают число хромосом у гибридов F1; 3) проводят возвратные скрещивания полученного амфидиплоида с рекуррентным родителем (улучшаемый сорт); 4) проводят отбор линий с добавочными хромосомами.
К настоящему времени имеются дополненные линии мягкой и твёрдой пшеницы с парой хромосом от следующих видов: Secale cereale, Aegilops caudata, Ae. umbellulata, Ae. comosa, Agropyron elongatum, Agr. intermedium, Haynaldia villosa. Серия дополненных линий получена также у овса (Avena sativa). В каждой линии к хромосомам овса добавлено по одной хромосоме Avena hirtula. Линии с замещёнными хромосомами получают различными путями, обычно методом возвратных скрещиваний, используя в качестве родителя-донора линию с добавленной парой хромосом от другого 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 табака были использованы хромосомы Nicotiana glutinosa и N. plumbaginifolia для замещения хромосом N. tabacum с целью передать этому виду 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 хромосом даёт лучший эффект, чем добавление чужой хромосомы, поскольку генотип в данном случае более сбалансирован, однако эти линии часто маложизнеспособны, т. к. чужая хромосома может не компенсировать отсутствующую хромосому.
1. Популяция исходного материала должна быть достаточно многочисленной (от 10 до 20 тыс. особей), чтобы обеспечить генетическое разнообразие. При увеличении размера популяции повышается вероятность отбора ценных генотипов.
2. Отбор элитных растений из исходного материала проводят на основе запланированных критериев отбора в течение всей вегетации. Окончательно элитные растения отбирают по сумме всех критериев отбора после их проявления.
3. Число элитных растений, которое следует отбирать, определяется запланированной интенсивностью отбора. Хороший результат (сдвига при отборе) получают, если отбирают около 10% особей исходной популяции или меньше.
4. Надёжность проверки результата отбора на втором этапе (испытание потомств элитных растений) зависит от точности полевого опыта. Первое потомство испытывают без повторности (так как мало семян), через 10–40 делянок высевают стандартный сорт (районированный в данной местности сорт, широко возделываемый в производстве) или исходную популяцию. Результаты отбора при испытании первого потомства проверяют только по моногенно обусловленным признакам (устойчивость к болезням) или признакам с высокой наследуемостью. Высокий коэффициент наследуемости у зерновых культур имеют такие признаки, как высота растений, длина колоса, масса одного зерна. Потомства с явно низкой урожайностью или восприимчивые к болезням бракуются. На основании испытания первого потомства элитных растений опять отбирают около 10% наилучших линий или семей.
5. Оценку второго поколения потомств проводят в точном полевом опыте с повторностями. Теперь результат отбора можно проверить по урожайности и другим признакам с низкой и средней наследуемостью. Из этих потомств отбирают опять около 10% наиболее продуктивных.
6. Площадь делянок и число повторностей в каждом последующем испытании увеличивается, а число потомств вследствие отбора уменьшается. Испытание прекращают, когда можно указать потомства, наилучшим образом отвечающие задачам селекции. Как правило, проводят три испытания потомств, из которых два последних – в местах будущего распространения создаваемых сортов.
25 планирование отбора , селекционный дифференциал , р-ция на отбор , коэффициент наследуемости.
При условии промежуточного наследования, частичного или полного доминирования эффект отбора количественным признакам зависит от его интенсивности и силы модифицирующего влияния внешней среды.
1. Прогамная несовместимость при отдалённой гибридизации.
2. Постгамная несовместимость при отдаленной гибридизации.
3. Влияние степени развития зародыша, условий питания и культивирования на эмбриокультуру. Культура эндосперма.
Одно из направлений клеточных технологий — это использование их в селекции, которое облегчает и ускоряет традиционный селекционный процесс в создании новых форм и сортов растений. Существующие методы культивирования изолированных клеток и тканей in vitro условно можно разделить на две группы.
Первая группа — это вспомогательные технологии, которые не подменяют обычную селекцию, а служат ей. К ним можно отнести: оплодотворение in vitro (преодоление прогамной несовместимости), культивирование семяпочек и незрелых гибридных зародышей (преодоление постгамной несовместимости), получение гаплоидов путем культивирования пыльников и микроспор, криосохранение изолированных клеток, тканей и органов, клональное микроразмножение отдаленных гибридов.
Вторая группа методов ведет к самостоятельному, независимому от традиционных методов селекции, получению новых форм и сортов растений: клеточная селекция с использованием каллусной ткани, соматическая гибридизация (слияние изолированных протопластов и получение неполовых гибридов), применение методов генной инженерии.
В отдаленной гибридизации находят применение такие методы культуры изолированных тканей, как оплодотворение in vitro, эмбриокультура (выращивание изолированных зародышей на искусственных питательных средах), клональное микроразмножение ценных гибридов, а также получение гаплоидов in vitro и криосохранение.
Оплодотворение in vitro (преодоление прогамной несовместимости) проводится в том случае, когда невозможно осуществить оплодотворение между выбранными парами в естественных условиях. Это вызвано несколькими причинами: 1) физиологические (несоответствие во времени созревания пыльцы и т. д.); 2) морфологические (короткая пыльцевая трубка или блокирование роста ее на разных этапах развития и т. д.).
Оплодотворение in vitro можно осуществить двумя способами: а) культивирование на искусственной агаризованной питательной среде завязи с нанесенной на нее готовой пыльцой; б) завязь вскрывается и на питательную среду переносятся кусочки плаценты с семяпочками, вблизи которых или непосредственно на ткани плаценты культивируется готовая пыльца. Визуально определить, прошло оплодотворение in vitro или нет, можно по быстро увеличивающимся в размерах семяпочкам. Сформировавшийся зародыш, как правило, не переходит в состояние покоя, а сразу прорастает и дает начало гибридному поколению. Плацентарное оплодотворение in vitro позволило преодолеть несовместимость в скрещивании сортов культурного табака N. tabacum с дикими видами N. rosulata и N. debneyi и сделало возможным получение межвидовых гибридов табака в опытах М.Ф. Терновского и др. (1976), Шинкаревой (1986).
Постгамная несовместимость при отдаленной гибридизации возникает после оплодотворения. Часто при этом образуются щуплые невсхожие семена. Причиной может быть расхождение во времени развития зародыша и эндосперма. Из-за слабого развития эндосперма зародыш бывает неспособен к нормальному прорастанию. В таких случаях из зрелой щуплой зерновки изолируют зародыш и выращивают его в питательной среде.
Выращивание зародышей в искусственной питательной среде называется эмбриокультурой. Среда для выращивания зрелого зародыша может быть простой, без добавок физиологически активных веществ (например, среда Уайта) или любая другая, содержащая минеральные соли и сахарозу. При более отдаленных скрещиваниях нарушения в развитии зародыша могут наблюдаться уже на ранних этапах, что выражается в отсутствии дифференцировки, замедленном росте. В этом случае культура зародыша состоит из двух этапов — эмбрионального роста зародыша, во время которого продолжается его дифференцировка, и прорастания подросшего зародыша. Для первого этапа требуется более сложная по составу среда с повышенным содержанием сахарозы, с добавками различных аминокислот, витаминов и гормонов.
Применение эмбриокультуры в селекции приобретает в последнее время большое значение для получения отдаленных гибридов зерновых, злаковых и других сельскохозяйственных культур. Показана возможность увеличения выхода пшенично-ржаных гибридов путем доращивания незрелых зародышей, а также использования эмбриокультуры для преодоления постгамной несовместимости при гибридизации пшеницы с колосняком.
Метод эмбриокультуры находит все более широкое применение в межвидовой гибридизации овощных растений. Для лука разработаны приемы выращивания in vitro абортивных зародышей от гибридных семян с разных этапов эмбриогенеза, выращивание зародышей от частично фертильных межвидовых гибридов. Культура изолированных зародышей используется в селекции томатов и других овощных растений.
Исследована гормональная регуляция роста и развития зародышей томата in vitro. Обсуждается возможность применения эмбриокультуры для получения отдаленных гибридов подсолнечника, изучаются факторы, контролирующие рост и развитие in vitro зародышей подсолнечника, выделенных в разные сроки после опыления.
Культура изолированных зародышей как вспомогательный метод при отдаленной гибридизации применяется не только для преодоления постгамной несовместимости, но также с целью микроразмножения ценных гибридов. В этом случае микроразмножение идет путем каллусогенеза, индукции морфогенеза и получения растений-регенерантов из каллусной ткани. Техника клонирования незрелых зародышей позволяет размножать ценные генотипы растений на ранних стадиях жизненного цикла. Еще одна возможность применения культуры зародышей — использование ее в клеточной селекции.
Читайте также: