Влияние температуры на частоту рекомбинаций у тетраплоидных пшениц

УДК 633.11:581.5

Л.П. Хлебова

Влияние температуры на частоту рекомбинаций у тетраплоидных пшениц

L.P. Khlebova

The Influence of Temperature on the Recombination Frequency of Tetraploid Wheat

Изучена конъюгация хромосом в мейозе у тетраплоидных пшениц Triticum durum и T. timopheevii в различных температурных режимах выращивания. Влияние температуры на рекомбиногенез определяется генотипом и зависит от устойчивости растений к данному фактору. Установлено, что сорта твердой пшеницы характеризуются более плотным синапсисом по сравнению с T. timopheevii. Показатели конъюгации хромосом форм пшеницы Тимофеева обнаруживают большую вариабельность при изменении температуры, что свидетельствует о большей пластичности вида.

Ключевые слова: твердая пшеница, пшеница Тимофеева, генотипическое разнообразие, изменчивость, температурный фактор, конъюгация хромосом, рекомбиногенез, частота хиазм, биваленты, унива-ленты, адаптация.

В настоящее время считается, что совершенствование адаптации высших организмов, в том числе и растений, обеспечивается в филогенезе в подавляющей своей части за счет рекомбиногенеза. Поэтому улучшение приспособленности растений к конкретным условиям выращивания и управление процессом рекомбинаций тесно связаны [1].

Рекомбинацией называется перераспределение генетической информации родителей в потомстве. В основе рекомбинации несцепленных генов лежит механизм свободного комбинирования хромосом в мейозе. Рекомбинация сцепленных генов обычно происходит путем перекреста хромосом - крос-синговера [2].

Одно из главных направлений в современной прикладной генетике и селекции - разработка методов регуляции рекомбинационных процессов на уровне геномов, хромосом и генов. Широкая изменчивость частоты рекомбинаций в зависимости от ряда факторов была установлена еще исследователями школы Т. Моргана. Последующие исследования показали, что частота кроссинговера является одним из наиболее вариабельных биологических признаков и модифицируется под влиянием условий внешней среды и генетических факторов [3]. На частоту кроссинговера

The meiotic chromosomal pairing of tetraploid durum and timopheevii wheat was studied under different temperatures of vegetation. The temperature influence on the recombination process is determined by a genotype and depends on plant resistance to the considered factor. It was stated that durum wheat varieties have a denser synapsis as compared to T. timopheevii variety. The chromosomal pairing results of the timopheevii samples under temperature changes are more variable. This fact shows that T. timopheevii is a more adaptive species.

Key words: durum wheat, timopheevii wheat, genotypical diversity, variation, temperature factor, chromosomal pairing, recombination process, chiasma frequency, bivalents, univalents, adaptation.

могут влиять такие факторы, как генотип, возраст организма, температура, химические и физические агенты (антибиотики, концентрация ионов кальция, магния и др.), уровень питания (содержание в субстрате азота, фосфора, калия) и др. [4].

К настоящему времени имеются многочисленные данные, показывающие принципиальную возможность модификации частоты рекомбинаций между сцепленными локусами у пшеницы, гороха, ячменя, кукурузы, ржи, томатов, фасоли и многих других культур [5, 6].

Эффективным путем повышения адаптивного потенциала культурных растений считается отдаленная гибридизация, поскольку дикие виды обладают целым рядом ценных свойств и признаков, неиспользованных в селекции растений. Так, Triticum timopheevii Zhuk. - уникальный полиплоидный вид пшеницы, обладающий комплексной иммунностью к ряду вредоносных грибных болезней. В связи с этим его использование в селекции возделываемых культур, в частности твердой пшеницы, представляет большой интерес. Увеличение частоты рекомбинаций у межвидовых гибридов является важнейшей задачей, так как у них полностью отсутствуют либо редко происходят межгенные обмены, вследствие гомеологичности

хромосом, что препятствует их плотной конъюгации. Возникает необходимость искусственного индуцирования рекомбинаций [4]. Изучение частоты обменов у родительских видов позволит лучше понять и оценить перспективы управления рекомбинационным процессом у межвидовых гибридов.

Цель нашей работы - оценка возможности повышения частоты генетических рекомбинаций у тетраплоидных пшениц путем использования генотипического разнообразия видов и воздействия температурного фактора.

В работе использовано три сорта твердой пшеницы различного эколого-географического происхождения: Алтайка (Алтайский край), Ангара (Красноярский край) и образец I 310100 (США). Генотипическое разнообразие пшеницы Тимофеева представлено также тремя формами из коллекции ВИР: к-47793 (Т.І47793), к-18105 (Т.118105) и к-38555 (Т.І38555). Изучение влияния температуры на процесс, предшествующий формированию гамет, - конъюгацию хромосом в мейозе, проводили с использованием камер искусственного климата КВ-1 при разных температурных режимах. Высевалось по 100 зерен на образец. За пять дней до начала мейоза в камерах устанавливались разные температурные режимы (I, II, III). Режим I, контрольный, разработан в АНИИСХозе как оптимальный для выращивания зерновых культур с целью обеспечения их максимальной зерновой продуктивности (+21 °С в дневное время суток). В режимах II и III дневные температуры повышалась на 5 и 10° соответственно. Действие высокой температуры сохранялось в течение девяти часов. Температура в темновой период суток равнялась +15 °С. Длина дня во всех вариантах составляла 17 часов. Колосья фиксировали по Ньюкомеру. Цитологический анализ проводили при помощи микроскопа МБИ-6 на временных давленых препаратах, окрашенных ацетокармином. В М1 мейоза устанавливали тип и число различных ассоциаций хромосом: бивалентов, т.е. парных ассоциаций (открытых и закрытых), и унивалентов - хромосом, не вступивших в конъюгацию. По этим характеристикам можно подсчитать число хиазм, которое является интегральной характеристикой рекомбинационного процесса для ядра в целом, поскольку хиазмы служат точками контакта и разрыва хромосом, а следовательно, обеспечивают обмен их участками. Проанализировано по 100 клеток на образец.

Тетраплоидные пшеницы имеют 28 хромосом с максимальным числом бивалентов, равным 14, что обеспечивает формирование 28 хиазм. В таблице представлена характеристика конъюгации хромосом у шести изученных образцов в различных температурных режимах. Сорта твердой пшеницы характеризовались высоким уровнем рекомбиногенеза. В большинстве случаев формировалось максимально возможное число бивалентов - 14 и минимум откры-

тых (при первых двух режимах частота открытых пар хромосом не превышала 3,6 шт. на клетку), что обеспечило им высокую частоту обменов. Вероятно, что столь высокая интенсивность рекомбинаций твердой пшеницы связана с характером размножения данной культуры. Она является самоопылителем. Имеются данные, показывающие, что низкая частота хиазм коррелирует с перекрестным опылением, а высокая -с самоопылением.

Так, у перекрестноопыляемых видов пырея Agropyron spicatum и A. parishii наблюдалась более низкая частота хиазм, чем у их самоопыляющихся сородичей Elymus glaucus и Sitanion jubatum. Аналогичные результаты получены у видов родов Collinsia и Allium [7]. Этим самоопылители как бы компенсируют ограничения вариабельности, накладываемые системой размножения. В результате у самоопыляемых видов происходят существенные рекомбинации после редких перекрестных опылений, а у перекрестников высвобождается лишь незначительная часть изменчивости, но регулярно из поколения в поколение. Высокая частота рекомбинаций у самоопыляемых форм указывает на возможность более эффективного использования в этой системе редких гетерозигот.

Изученные сорта Т. durum обнаруживают сходную реакцию на повышение температуры, постепенно снижая плотность конъюгации при переходе от 21 до 31о: в среднем по всем сортам 25,9; 24,7 и 20,6 хиазм на клетку. При этом снижение частоты перекрёстов происходило за счет увеличения количества открытых бивалентов (десинапсиса), а при температуре 31о -также и за счет уменьшения общего числа бивалентов - до 13,1-13,7 штук на клетку (асинапсис). Поскольку все рассматриваемые сорта являются в разной степени засухоустойчивыми, можно предположить, что оптимальна для них более высокая температура: в районе 26о, а переход к 21о вызывает стрессовую ситуацию, что приводит к повышению интенсивности кроссинговера, а следовательно, и генетического разнообразия. Температура 31о во время прохождения мейоза уже достаточно критическая, так как приводит к резкому снижению обменов. Разница частоты хиазм между 21 и 26о составляет в среднем по сортам 1,2 на клетку, а между 26 и 31о - 4,1 на клетку.

Индивидуальная реакция каждого генотипа на изменение температуры имеет свои особенности. Так, сорт Ангара характеризуется более широкой амплитудой изменчивости рассматриваемых показателей при переходе от температуры 26 к 21 о: частота хиазм изменяется от 25,1 до 27,1, а число открытых бивалентов - от 2,9 до 0,9. Напротив, повышение температуры до 31о сказывается в меньшей степени на плотности конъюгации по сравнению с J 310100 и Алтайкой: число хиазм снижется, а открытых бивалентов увеличивается на 2,2 штук. В то же время у J 310100 этот показатель уменьшается на 4,8, а у Алтайки - на

Конъюгация хромосом в метафазе I мейоза у сортов T. durum и форм T. timopheevii.

Сорт, образец Режим I

Среднее число на клетку

хиазм бива- лентов открытых бивалентов хиазм бива- лентов открытых бивалентов хиазм бивалентов открытых бивалентов

Алтайка 25,3 ± 0,11 14,0 ± 0,00 2,7 ± 0,01 24,7 ± 0,11 14,0 ± 0,00 3,3 ± 0,03 19,3 ± 0,11 13,1 ± 0,20 6,9 ± 0,30

Ангара 27,1 ± 0,08 14,0 ± 0,00 0,9 ± 0,01 25,1 ± 0,13 14,0 ± 0,00 2,9 ± 0,02 22,9 ± 0,13 14,0 ± 0,00 5,1 ± 0,31

J310100 25,2 ± 0.09 14,0 ± 0,00 2,8 ± 0,02 24,4 ± 0.08 14,0 ± 0,00 3,6 ± 0,01 19,6 ± 0,08 13,7 ± 0.18 7,8 ± 0,29

Среднее 25,9 ± 0,09 14,0 ± 0,00 2,1 ± 0,01 24,7 ± 0,10 14,0 ± 0,00 3,3 ± 0,02 20,6 ± 0,10 13,6 ± 0,01 6,6 ± 0.30

T.t.38555 22,8 ± 0,07 14,0 ± 0,00 5,2 ± 0,03 22,5 ± 0,12 14,0 ± 0,00 5,5 ± 0,04 18,9 ± 0,11 13,6 ± 0,04 7,3 ± 0,04

T.t.47793 20,2 ± 0,05 14,0 ± 0,00 7,8 ± 0,03 23,1 ± 0,09 14,0 ± 0,00 4,9 ± 0,06 19,6 ± 0,11 13,0 ± 0,12 6,4 ± 0,03

T.t.18105 21,8 ± 0,05 14,0 ± 0,00 6,2 ± 0,04 19,3 ± 0,11 14,0 ± 0,00 8,7 ± 0,08 17,2 ± 0,14 12,5 ± 0,11 7,8 ± 0,06

Среднее 21,6 ± 0,05 14,0 ± 0,00 6,4 ± 0,03 21,6 ± 0,11 14,0 ± 0,00 6,4 ± 0,06 18,6 ± 0,12 12,9 ± 0,05 7,2 ± 0,04

5,4 штук. Кроме того, важно отметить, что, несмотря на столь высокую температуру во время формирования гамет, в материнских клетках пыльцы сорта Ангара не обнаружено унивалентов. Все хромосомы вступают в регулярный синапсис, демонстрируя попарную конъюгацию, что обеспечивает в дальнейшем правильное расхождение хромосом в анафазе I мейоза, а следовательно, формирование сбалансированных по числу хромосом 14-хромосомных гамет. Это повышает вероятность образования фертильной пыльцы.

У сортов Алтайка и J 310100 при 31о обнаружено нарушение попарной конъюгации хромосом, что приводит к появлению в клетках 2-4 унивалентов. Одиночные хромосомы, как правило, либо элиминируют на последующих этапах мейоза, либо, случайно распределяясь к полюсам клетки, приводят к образованию анеуплоидных гамет, что снижает фертильность пыльцы.

Таким образом, можно предположить, что среди изученных сортов твердой пшеницы Ангара более адаптивна к температурному фактору. Снижение температуры вызывает у нее повышение частоты обменов, что расширяет возможности генотипической изменчивости. Ангара - сорт селекции Красноярского НИИСХа. Условия этого региона характеризуются более низкими температурами по сравнению с Алтайским краем, где выведена Алтайка. Вероятно, что Ангара более пластична и лучше приспособлена к пониженным температурам. В то же время менее выраженные десинаптические процессы мейотической конъюгации хромосом при температуре 31о свидетельствуют о более выраженной жаростойкости этого сорта.

Образцы пшеницы Тимофеева в целом при выращивании на разных режимах, хотя и формировали в основном 14 бивалентов, обнаружили менее плотную мейотическую конъюгацию хромосом по сравнению с сортами T. durum. Частота рекомбинаций варьировала в зависимости от температуры в среднем от 21,6 до 18,6 обменов на клетку, возросло количество

открытых бивалентов, а при температуре 31о и число унивалентов. При этом изученные формы проявили более дифференцированную реакцию на изменение температуры. Так, образец Т.! 38555 характеризовался максимальной частотой хиазм при I и II режимах и существенно снижал данный показатель при 31о. Т.! 47793 показал максимальную плотность конъюгации (23,1) при 26о и снижение к 21о (20,2) и 31о (19,6). Образец Т.! 18105, напротив, формировал большее количество закрытых бивалентов, а следовательно, и хиазм при режиме 21о, а затем - при повышении температуры - частота обменов снижалась. Следует отметить, что изменение этого параметра при режимах I и II, так же как и у сортов твердой пшеницы, происходило за счет частичного десинапсиса, т.е. формирования открытых бивалентов, а режим III приводил к асинапсису и появлению унивалентов. А это, как указывалось выше, является дополнительным фактором снижения фертильности пыльцы, что может выразиться в более низкой озерненности растений. Вероятно, что температура в районе 31о во время прохождения мейоза является критической в целом для пшеницы. Этот фактор мы будем в дальнейшем учитывать при обсуждении вероятных температурных оптимумов для каждого образца.

На основе изложенных данных можно предположить, что для формы Т.! 47793 температурный оптимум периода формирования гамет находится в районе 21о, для Т.! 38555 - ниже 21о, а для Т.! 18105 -в интервале от 21 до 26о. Изменение оптимума приводит к индукции частоты рекомбиногенеза. Обращает на себя внимание также тот факт, что показатели плотности конъюгации хромосом Т. йшорЬееуп обнаружили большую вариабельность при изменении температуры. У твердой пшеницы шаг максимального повышения частоты хиазм был равен 2, а у Т. йшорИееуп достигал 2,9. В то же время снижение рекомбиногенеза при критической температуре 31о происходило более плавно - максимум на 4,6 (у Т.118105), а у твердой

пшеницы - на 6 хиазм (у Алтайки). Следовательно, Т. йторИееуп является более пластичным видом по реакции на температурный фактор. Вероятно, она более приспособлена к перепадам дневных и ночных температур, так как произрастает в горах. Кроме того, пшеница Тимофеева, являясь по сути диким видом, сохраняет большее разнообразие, несмотря на то, что она является эндемиком. Таким образом, изученные образцы Т. йторИееуп характеризуются большим полиморфизмом частоты рекомбиногенеза и большей толерантностью к критическим температурам, что обеспечивает им лучшую приспособленность и долговременное сохранение потенциала генотипической изменчивости по сравнению с твердой пшеницей. Аналогичные результаты были получены и при использовании данного вида в гибридизации с твердой пшеницей. Успех скрещиваемости и результативность

беккросса в большей степени определялись разнообразием форм Т. йторИееуп [8].

Таким образом, выполненное исследование позволяет заключить, что влияние температуры на рекомби-ногенез у тетраплоидных форм пшеницы определяется генотипом и зависит от устойчивости растений к данному фактору. Связь между устойчивостью и частотой обменов отрицательная, что обеспечивает минимум рассеивания генетической изменчивости в оптимальной среде и увеличение в неблагоприятных условиях. Температурный фактор при отклонении от оптимума повышает интенсивность рекомбиногенеза. Пшеница Тимофеева обнаружила большую вариабельность результатов при изменении температуры, что указывает на большую пластичность данного вида по сравнению с твердой пшеницей. Этот факт следует учитывать в работах по межвидовой гибридизации.

Библиографический список

1. Жученко А. А. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). - Кишинев, 1988.

2. Кушев В. В. Механизмы генетической рекомбинации. - Л., 1971.

3. Жученко А.А., Король А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции. - М., 1985.

4. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений и проблемы агросферы (теория и практика). - М., 2004.

5. Король А.Б. Изменчивость кроссинговера у высших растений. - Кишинев, 1990.

6. Смирнов В.Г. Цитогенетика. - М., 1991.

7. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений. - Самара, 2003.

8. Хлебова Л.П. Результативность возвратного скрещивания межвидовых гибридов пшеницы Triticum durum Desf. x Triticum timopheevii Zhuk. // Известия АлтГУ. -2010. - №3.