Влияние температуры на рекомбиногенез у межвидовых гибридов пшеницы

УДК 633.11

Л.П. Хлебова

Влияние температуры на рекомбиногенез у межвидовых гибридов пшеницы

L.P. Khlebova

The Influence of Temperature on the Recombination Process of Interspecific Wheat Hybrids

Изучена конъюгация хромосом в мейозе у межвидовых гибридов пшеницы Triticum durum Desf. x Triticum timopheevii Zhuk. в различных температурных режимах выращивания. Влияние температуры на рекомбиногенез определяется генотипом и зависит от устойчивости растений к данному фактору. Установлено, что пшеница Тимофеева оказывает большее влияние на частоту рекомбинаций у межвидовых гибридов.

Ключевые слова: твердая пшеница, пшеница Тимофеева, генотипическое разнообразие, межвидовые гибриды, изменчивость, температурный фактор, конъюгация хромосом, рекомбиногенез, частота хиазм, биваленты, униваленты.

The article studies meiotic chromosomal pairing of interspecific wheat hybrids Triticum durum Desf. x Triticum timopheevii Zhuk. 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 timopheevii samples can change recombination frequency of wheat hybrids more intensive as compared to that of T. durum.

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

Основная роль в получении новых адаптивных форм как в эволюции, так и в селекции высших растений принадлежит рекомбиногенезу, в основе которого лежит мейотический кроссинговер. Основное преимущество рекомбинаций состоит в том, что они позволяют сравнительно быстро использовать созданные в течение длительной эволюции блоки коадапти-рованных генов. Не создавая качественных изменений в генетической информации, рекомбинации выявляют сочетания генов, на которые может действовать отбор, сохраняя одни из них и элиминируя другие. Это и обеспечивает адаптивность процесса генерирования изменчивости [1].

Об интенсивности рекомбиногенеза можно судить по количеству видимых в первой профазе мейоза перекрестов гомологичных хромосом - хиазм, свидетельствующих о месте прохождения кроссинговера [2-3]. Естественно ожидать, что рекомбинационная изменчивость тем выше, чем больше количество хиазм и чем случайнее место их локализации в бивалентах того или иного вида.

Известно, что частота рекомбинации является одним из наиболее вариабельных биологических признаков и зависит от ряда экзогенных и эндогенных факторов: пола, возраста, плоидности организмов, температуры, УФ-лучей и др., что позволяет использовать их в качестве индукторов данного процесса [4, 5].

Индуцирование частоты обменов у растений связано прежде всего с необходимостью вовлечения в селекцию генетического потенциала диких и полукультурных видов. Нарушения мейотической конъюгации хромосом у гибридов отдаленных скрещиваний вследствие отсутствия гомологии геномов родителей приводит к формированию несбалансированных гамет и полной или частичной стерильности. Вместе с тем эти виды обладают целым рядом ценных свойств и признаков, практически не использованных в селекции. Так, Triticum timopheevii является уникальной тетраплоидной пшеницей, характеризующейся комплексным иммунитетом к ряду вредоносных грибных заболеваний. Однако ее использование в селекции возделываемых культур, в частности твердой пшеницы, ограничено обособленностью геномов и представляет определенные трудности [6]. В связи с этим индуцирование процесса интрогрессии генетического материала пшеницы Тимофеева в современные сорта, несомненно, представляет большой интерес и является весьма актуальным.

Целью нашей работы стала оценка возможности управления рекомбинационным процессом у межвидовых гибридов первого поколения Triticum durum х Triticum timopheevii путем использования генотипического разнообразия родительских форм и воздействия температурного фактора.

Было изучено 9 гибридов первого поколения, полученных с участием трех сортов твердой пшеницы различного эколого-географического происхождения: Алтайка (Алтайский край), Ангара (Красноярский край), образец I 310100 (США) и трех форм пшеницы Тимофеева из коллекции ВИР: к-47793 (T.t.47793), к-18105 (T.t.18105) и к-38555 (T.t.38555). Эксперимент 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 9 ч. Температура в темновой период суток равнялась +15 °С. Длина дня во всех вариантах составляла 17 ч. Колосья фиксировали по Ньюкомеру. Отбор материала осуществляли в утренние часы (9-10 часов по летнему времени). Цитологический анализ проводили на материнских клетках пыльцы (МКП) при помощи микроскопа МБИ-6 на временных давленых препаратах, окрашенных ацетокармином. Изучали стадии поздней профазы - ранней метафазы мейоза: устанавливали тип и число различных ассоциаций хромосом: бивалентов, т.е. парных ассоциаций (открытых и закрытых), унивалентов - хромосом, не вступивших в конъюгацию и мультивалентов (три- и тетравалентов). Проанализировано около 100 клеток.

Изучение характера конъюгации хромосом в МКП гибридов позволяет определить степень генетического родства скрещиваемых форм. Анализ частоты и распределения хиазм может быть использован для оценки потенциальной возможности определенных гибридных комбинаций передавать признаки от дикорастущих и полукультурных видов к культурному сорту. Чем выше уровень конъюгации хромосом у гибридов, тем больше вероятность получить фертильное потомство с хозяйственно ценными признаками.

T. durum и T. timopheevii относятся к 28 хромосомным пшеницам, но имеют разный геномный состав: T. durum - АиАиВВ, a T. timopheevii - AbAbGG, обусловленный их происхождением. Согласно современным представлениям, виды пшеницы секций Dicoccoides (Т. durum) и Timopheevii (T. timopheevii) возникли в исторически различное время в географически разобщенных регионах от разных материнских и отцовских форм. Донором первого генома твердой пшеницы считают предка современного T. urartu Thum. Ex Gandil. (Аи), а донором генома В - предка современного эгилопса Ae. longissima. У пшеницы Тимофеева донором первого генома (Ab) была дико-

растущая однозернянка T. boeoticum Boiss., а донором генома G - Ae. speltoides.

Максимально возможное число пар конъюгирующих хромосом у гибридов Т. durum х Т. timopheevii -14. Однако в силу лишь частичной гомологии хромосомных наборов следует ожидать асинаптические и десинаптические явления. В связи с этим проблема эндогенной индукции рекомбинационных процессов у таких гибридов весьма актуальна.

В таблице 1 представлена частота хиазм у 9 гибридов первого поколения, выращенных в различных температурных режимах. Г ибриды твердой пшеницы с T.t. 38555 обнаружили одинаковое число хиазм на клетку в температурных режимах I и II (от 16,72 до 17,14), демонстрируя также сходный тип хромосомных ассоциаций. Число бивалентов в среднем составило от 10,51 до 10,95 штук на клетку, среди них открытых -от 3,97 до 4,92 (табл. 2). Количество унивалентов колебалось в районе 4-5 штук на клетку (табл. 3). При 31 °С наблюдали снижение плотности конъюгаций до 13-14 хиазм. При этом снизилось число бивалентов и значительно возросло число одиночных хромосом до 7,79-8,41 в среднем на клетку, хотя частота открытых бивалентов не изменилось. Следовательно, повышение температуры до 31 °С во время микрогаметогенеза спровоцировало в клетках асинаптические процессы, что может в дальнейшем снизить функциональные способности пыльцы.

Комбинации скрещивания с участием T.t. 47793 характеризовались более высокой частотой конъюгации при температуре 26 °С и снижали данный показатель при более низкой (21 °С) и более высокой (31 °С) температуре. Повышение температуры сопровождалось асинапсисом хромосом, что привело к возрастанию частоты унивалентов до 8,62 на клетку (табл. 3). Более прохладный режим (21 °С) вызывал десинаптические явления: увеличилось число открытых бивалентов (5,08-5,91) (табл. 2). Следовательно, умеренное повышение температуры для этой группы гибридов вызывает индукцию рекомбинационных процессов и повышает вероятность передачи ценных признаков пшеницы Тимофеева в сорта твердой пшеницы.

Гибридные комбинации, где родительской формой являлась T.t. 18105, постепенно снижали уровень рекомбинаций от режима I к режиму III. Наиболее выраженный асинапсис наблюдали при температуре 31 °С: число одиночных хромосом достигло 9 и более.

Таким образом, для всех гибридов максимальное повышение температуры - до 31 °С (режим III) во время прохождения мейоза являлось критическим и привело к уменьшению пар конъюгирующих хромосом, а следовательно, и к снижению уровня рекомбинационных процессов. Большое количество унивалентов повышает частоту формирования анеуплоидных гамет,

так как одиночные хромосомы, как правило, либо элиминируют на последующих этапах мейоза, либо

случайно распределяются к полюсам клетки. Это приводит к дополнительной стерильности пыльцы.

Таблица 1

Частота хиазм в мейозе у межвидовых гибридов F1 Triticum durum x Triticum timopheevii,

среднее число на клетку

"—-—Режим Г ибриды - I

Алтайка х ТЛ.38555 16.98+ 0,13 16,72 + 0,12 13.72 + 0,15

J 310100 х ТЛ.38555 17,01+ 0,11 17,14 + 0,16 13,88 + 0,15

Ангара х ТЛ.38555 16,85+ 0,14 16,75 + 0,13 14,06 + 0,16

Алтайка х ТЛ.47793 15,54+ 0,15 16,21 + 0.09 14,21 + 0,17

J 310100 х ТЛ.47793 13,98 + 0,12 14,19 + 0,11 13,68 + 0,17

Ангара х Т. 147793 15,64 + 0,14 16,72 + 0,10 13,18 + 0,13

Алтайка х Т.118105 15,36 + 0,13 13,71 + 0,14 12,33 + 0,13

J 310100 х Т.08105 16,21 + 0,15 14,01 + 0,08 13,98 + 0,09

Ангара х Т.08105 17.23 +0,18 13,91 + 0,13 12,14 + 0,14

НСР = 0,7; НСР

режимы 7 7

генотипы

= 0,4.

Конъюгация хромосом в мейозе у межвидовых гибридов F1 Triticum durum

среднее число на клетку

Таблица 2

x Triticum timopheevii,

I

Г ибрид Биваленты Открытые биваленты Биваленты Открытые биваленты Биваленты Открытые биваленты

Алтайка х T.t.38555 10,95+0,08 4.92+0.01 10,59+0,11 4,46+0,02 9,29+0.09 4,43+0,01

J 310100 х T.t.38555 10,51+0,06 4,01+0,03 10,62+0,09 3,97+0,01 9,31+0,08 4,74+0,01

Ангара х T.t.38555 10.66+0,08 4,45+0.01 10,56+0,09 4,37+0,02 9,10+0,07 4,14+0,02

Алтайка х T.t.47793 9.81+0,04 5,08+0,02 10,42+0,08 4,63+0,01 9,65+0,10 5.09+0.20

J 310100 х T.t.47793 9,11+0,07 5,91+0,03 9,32+0,06 4,45+0,01 8,96+0,12 4.92+0.01

Ангара х T.t.47793 9,92+0,09 5,20+0,05 10,9+0,07 3,46+0,03 8,12+0,11 3,06+0,02

Алтайка х T.t.18105 10,02+0,11 4,65+0,01 9,35+0,04 6.85+0,03 8,44+0,04 4,55+0,01

J 310100 х T.t.18105 10.62+0,09 5,03+0,03 10.01+0,06 6,01+0.04 8.51+0,06 3,04+0,02

Ангара х T.t.18105 10,85+0,08 4,47+0,05 9,27+0,04 4.63+0,02 8,13+0,09 4,12+0,02

НСР = 0,6; НСР = 0,3.

режимы генотипы

Число унивалентов в мейозе у межвидовых гибридов F1 Triticum durum x

среднее число на клетку

Таблица 3

Triticum timopheevii,

'—- Режим Г ибрид — I

Алтайка х ТЛ.38555 5,23+0,04 5.17+0,08 8,13+0,06

J 310100 х ТЛ.38555 4,85+0,05 4,90+0,06 8,41+0,05

Ангара х ТЛ.38555 5,20+0,04 5.14+0,05 7,79+0,08

Алтайка х ТЛ.47793 6,81+0,06 5.83+0,03 7,55+0,06

J 310100 х ТЛ.47793 7,72+0,02 7,82+0,04 8,45+0,04

Ангара х Т. 147793 5,05+0,04 4,31+0,01 8,62+0,07

Алтайка х Т.118105 6,27+0,09 7.88+0,02 9,36+0,10

J 310100 х Т.08105 5,38+0,01 7,14+0.02 8.14+0.09

Ангара х Т.08105 5,18+0,07 8,07+0,05 9,18+0,12

НСР = 0,7; НСР

режимы

генотипы

= 0,3.

Режимы I и II действовали по-разному на изученные гибриды. Их реакция определялась главным образом использованием в качестве родительских форм образцов пшеницы Тимофеева. Участие T.t. 38555 обеспечивало максимальную частоту обменов участками хромосом при температуре 21 °С и 26 °С, T.t. 47793 -при 26 °С, а T.t. 18105 - при 21 °С. Аналогичные результаты были получены ранее и для исходных форм T. durum и Т. timopheevii [7].

Варьирование бивалентов между клетками отдельных гибридов составило от 5 до 14. При этом 6 пар хромосом вступали в регулярный синапсис, т.е. наблюдались в подавляющем большинстве клеток. Это свидетельствует о гомологии данной группы хромосом изученных видов. Остальные хромосомы являются в большей или меньшей степени гомеоло-гичными. Кроме того, практически во всех гибридных комбинациях встречаются мультивалентные ассоциации хромосом: три- и тетраваленты. Их наличие указывает на существование структурных различий

хромосом родительских форм. Формирование, хотя и редко, в клетках 14 бивалентов свидетельствует о принципиальной возможности рекомбинации по всем хромосомам T. durum и Т. timopheevii. Это позволяет надеяться на успешную передачу возделываемым сортам уникальных свойств пшеницы Тимофеева и повышении тем самым генетического разнообразия твердой пшеницы.

Таким образом, температурный фактор может быть использован в качестве индуктора мейоти-ческих рекомбинаций у межвидовых гибридов T. durum x T. timopheevii. Влияние температуры на рекомбиногенез определяется генотипом. Повышение температуры до 31 °С является критическим и приводит к значительному снижению частоты кроссинговера за счет десинаптических (открытые биваленты) и асинаптических (униваленты) событий. Пшеница Тимофеева оказывает большее влияние на частоту рекомбинаций у изученных тетраплоидных гибридов.

Библиографический список

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

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

3. Бородин П.М., Башева Е.А., Белоногова Н.М., Торгашева А.А. Рекомбинация и эволюция // Вестник ВОГиС. - 2008. - Т. 12. - №2.

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

5. Гавриленко Т. А. Влияние температуры на рекомбиногенез у томатов // Цитология и генетика. - 1984. -Т. 18. - №5.

6. Хлебова Л.П. Результативность возвратного скрещивания межвидовых гибридов пшеницы Triticum durum Desf. x Triticum timopheevii Zhuk // Известия Алтайского университета. - 2010. - №3/1.

7. Хлебова Л.П. Влияние температуры на частоту рекомбинаций у тетраплоидных пшениц // Известия Алтайского уиверситета. - 2010. - №3/2.