Изменчивость и генетический контроль постзиготической репродуктивной изоляции у

растений

Тихенко Н.Д.Санкт-Петербургский филиал Института

общей генетики им. Н.И. Вавилова

У растений постзиготические баррьеры могут возникать и после успешного оплодотворения при отдаленной гибридизации.

Они выражаются в нарушении развития семян, гибридной слабости или стерильности гибридов F1 в результате взаимодействия генов родительских геномов.

Эти гены ответственны за межгеномные взаимодействия на разных стадиях развития гибридного растения, но не имеют фенотипического проявления на собственном генотипическом фоне.

Примеры гибридной летальности у растений1. На стадии проростков в F1 (Crepis capillaris x C. tectorum,

Hollingshead, 1930).

2. На стадии развития зародыша и проростков (Gossipium arboreum x G. hirsutum, Gerstel,1954; Lee, 1981).

3. На стадии проростков и у взрослый растений в виде гибридной слабости, стерильности в F1 и F2 (Oriza sativa, intraspecific crosses, Oka, 1956; Li et al., 1997).

4. Взрослые растения в стадии цветения (Lycopersicon esculentum x L. hirsutum, Sawant, 1955).

5. В стадии проростков, кущения и у взрослый растений в виде гибридного некроза, хлороза, гибридной карликововсти у внутривидовых и межвидовых гибридов пшеницы (Triticum aestivum, Sears, 1944; Hermsen, 1963, 1967).

6. На стадии проростков (Nicotiana suaveolens x N. tabacum, Lloyd, 1975; Inoue et al., 1996).

Модель видообразования Добжанского (1937) – Мюллера (1942)

aabb AABB

Aabb aaBb

AAbb aaBBx

AaBb

F1

леталь

AaBB AABb

aaBB AAbbx

AaBb – F1 -жизнеспособные

F2 – выщепление леталей aabb

Г. Д. Карпеченко (1935) высказал предположение, что проявление несовместимости (инконгруентности) геномов у отдаленных гибридов, выражающееся в их гибели, может иметь простой генетический контроль.

“Спрашивается, не определяется ли инконгруентность геномов, по крайней мере некоторых, такими же единичными генами специфического действия? Мы скрещиваем формы А и В и получаем гибрид, гибнущий в ранних стадиях развития или совершенно стерильный, с отсутствием коньюгации хромосом, не потому , может быть, что геномы А и В генетически весьма не соответствуют друг другу, многообразно различны, а просто в следствии того, что в гибриде встречается пара генов, взаимодействие которых вызывает гибель растений или отсутствие коньюгации хромосом со всеми последствиями”.

Теория отделанной гибридизации // Теоретические основы селекции растений/ Ред. Н.И. Вавилов. Т.1. М.; Л., 1935. С. 397-434.

Генетический контроль постзиготической репродуктивной изоляции у растений

Моногенное наследованиелетальность на стадии проростков у межвидовых гибридов рода Triticum ( Sears, 1944) и рода Nicotiana (Lloyd, 1975; Inoue et al., 1996)

Дигенное наследованиеКомплементарное взаимодействие доминантных аллелей: усыхание ветвей в фазе цветения (томаты), гибридная карликовость, некроз, хлороз, гибридная слабость (пшеница, рис, пшенично-ржаные гибриды), эмбриональная летальность (хлопок)

Комплементарное взаимодействие рецессивных аллелей: остановка развития на стадии кущения, гибридная слабость (рис), апикальная летальность (пшеница)

Взаимодействие доминантных и рецессивных аллелей: стерильность у межвидовых гибридов рода Mimulus

Хромосомные перестройки, приводящие к гибридной несовместимости:

Хромосомные перестройки, приводящие к гибридной несовместимости:

1. Конфликтные отношения между геномом пшеницы и отдельными хромосомами ржи были выявлены May и Appels (1980). Гибель в стадии кущения растений пшеницы дисомных по 2RS/2BL транслокации.

2. Конфликт между геномом пшеницы и чужеродными хромосомами возникает в пшенично-ячменной дополненной линии по хромосоме ячменя 1H. У этой линии наблюдаются глубокие аномалии мейоза, приводящие к полной ее стерильности (Islam et al 1981; Islam and Shepherd 2000). Ген ячменя, приводящий к данной аномалии был локализован в длинном плече хромосомы 1HL.

Новый вариант генетического анализа,

позволяющий выявлять и картировать

гены ржи и пшеницы, специфическиэкспрессирующиеся у тритикале и

отвечающие за взаимодействие геномов

исходных видов

Первичные тритикале как модель для изучения взаимодействия и эволюции генов в геноме

аллополиплоида

Материнская форма:

мягкая пшеница. Chinese Spring,

Отцовская форма:

Набор автофертильных инбредных линий ржи из

Петергофской генетической коллекции

I. Получение гибридов F1 между линиями ржи с контрастным проявлением анализируемого признака у соответствующих пшенично-ржаных гибридов

II. Скрещивание Chinese Spring (CS) с межлинейным гибридом F1

III. Анализ расщепления по маркерам генома ржи и анализируемому признаку непосредственно у гибридов CS x F1 или у гибридов CS x F2, CS x РИЛ

Этапы анализа:

Выявление межлинейных различий при анализе гибридов пшеницы Chinese Spring с

инбредными линиями ржи

Новообразования Число линий*

1. Непрорастающие семена (эмбриональная летальность) 4(3)

2. Остановка развития в фазе трёх листьев 2(0)

3. Слабые, малокустящиеся растения 2(0)

4. Растения с сильно укороченными междоузлиями 1

5. Растения с «луковыми» листьями 2(0)

6. Растения с «луковыми» листьями и значительнойредукцией элементов колоса 2(0)

7. Хлороз и некроз развитых листьев 7(0)

* - в скобках указано число родственных линий

Проявление гибридной карликовости, слабости и морфологические изменения листовой пластинки («луковые листья» у пшенично-ржаных амфигаплоидов

Hybrid plants with onion-like leaves (right) and normal hybrid plants (left)

Grass-clamp dwarfness (left) and normal (right) wheat-rye hybrids

Weak plants in F1 (right) and normal hybrid plants (left)

Эмбриональная летальность (беззародышевые семена), возникающая при скрещивании мягкой пшеницы с отдельными линиями ржи

Seeds with normal embryo: 1 – wheat; 2,3 –wheat-rye hybrids

1 2 3

Embryo lethality in wheat-rye hybrids

В 97 скрещиваниях из101 от 60 до 100% семян содержат нормальные жизнеспособные зародышы.

Инбредные линии ржи L2, L3, line 564 (родственная им) и неродственная линия 535 дают зерновки с недифференцированным зародышем

Table 1. Embryo development in crosses of common wheats with inbred rye lines L6, L7 and rye cultivar Volkhova

74,954161Total

90.767.1

424

3949

Priek.42173,72673CSVolkhova92.1893Total80.014Priek.42181.8293858794.1580CSL7 (control)81.8418Total100.006C.J.L263375.0412Suvon85L6 (control)

Undifferentiated

DifferentiatedWheatRye% the seeds

with differentiated

embryo

EmbryosParental forms

Table 2. Embryo development in crosses of different wheat genotypes with inbred rye lines L2 and L535

0.0810Priekul.421

0.02550Ch. SpringL535

0.06810Total

Total

L2

Rye line

0.03360

0.0220C.J.L2633*

0.0130Suvon 85*

0.0330Krasnaya zvezda *

0.023008034**

0.046038587**

0.031043241**

0.02060Priekul.421

0.03070Ch. Spring

Undifferentiated.Differentiated

% of the seeds with

differentiatiatedembryo

EmbryosWheat

* - from IPK Gene Bank, ** - from VIR Gene Bank (St. Petersburg, Russia)

Table 3. Segregation for embryo development in crosses of two common wheat cultivars with rye hybrids

1,29149130F1Total

1,29149130L6xL535Chinese Spring

0,38 10441016F1Total

0,520,512

14487

13284

L7xL2

0,04101104L2xL6Priekuls-skaya 421

0,707666L7xL2

0,009091L2xL7

1,730,88

82319

66343

L6xL2

0,730,116

7471

6367

L2xL6ChineseSpring

undifferentiateddifferentiatedRye hybridWheat

Chi21:1

EmbryosParental forms

Ген ржи

блокирующий развитие зародыша в

скрещиваниях мягкой пшеницы с рожью

был назван

Eml (Embryo lethality)

(Voylokov, Tikhenko, 2002)

Table 4. Test for allelism of Eml mutations, carrying by lines L2 and L535

187801878Total

136104126

000

136104126

p.1p.3p.4

ChineseSpring

175366197175282317

000000

175366197175282317

p.1p.2p.3p.4p.5p.6

Priekul‘skaya421

undifferent.differentiatedRye hybrid L535 x L2

Wheat

EmbryosNumber of seeds

Parental forms

Conclusion: lines L2 and 535 carry the same allele of Eml gene.

Хромосомная локализация гена Eml

•Серия РИЛ( F5) была получена от скрещивания Л2 х Л7

•Молекулярные маркеры для всех хромосом ржи были проанализированы у каждого растения гибридной популяции F2 (Л2 х Л7)

•75 линий РИЛ (F5) по одному растению от каждой линии были вовлечены в скрещивания с мягкой пшеницей Chinese Spring

0.0

26,5

17,2

8,6

9.4

11,4

Eml

Xgwm1103-6RXgwm732-6R

Xgwm751-6R

Xpsr1203

Xpsr687a

Xpsr915

Xgwm959-6R

Xwg110c

Xpsr160 6R

C

Цитологическое и гистологическое исследование аномальных

пшенично-ржаных зародышейМетодом гибридизации in situ (GISH) ис использованием

TUNEL test (terminal deoxynucleotidyltransferase-

mediated dUTP nick-end labelling) было показано, что

остановка развития гибридного зародыша не

является следствием элиминации хромосом одного из

родителей или апоптоза.

Эмбриональная культура незрелых зародышей

Wt St 5 mut St3 St3CS St 6 CS St 5 wt1mm

Wt mut

Через 20 дней в культуре in vitro Через 4 дня в культуре in vitro

Гистологический анализ

Гибридные зародыши анализировали в возрасте 10, 16 и 20 дней после опыления

норма аномальный зародыш

am

rm

У гибридных аномальных зародышей отсутствует апикальная меристема

Согласно Т. Добжанскому (1937) летальность или стерильность у отдалённых гибридов может быть результатом комплементарного взаимодействия генов родительских видов.

Исходя из этого положения, комплементарная аллель гена Eml ржи в геноме мягкой пшеницы может быть выявлена при скрещивании линии Л2 (носитель гена Eml) с серией нулли-тетрасомных линий CS.

Два набора нулли-тетрасомных линий CS были скрещены с линией Л2 (носителем мутантной аллели) и линиями Л6 и Л7 (носителями аллели дикого типа).

Две нулли-тетрасомные линии N6AT6B и N6AT6D в скрещиваниях с линией Л2 давали 66,7 и 71,4%, соответственно, гибридных семян с нормальным дифференцированным зародышем. Это позволяет сделать заключение, что хромосома 6А пшеницы несёт ген комплементарный гену Eml ржи.

Исходя из этого положения, новый ген пшеницы был назван Eml-6A, а комплементарный ему ген ржи Eml-6R.

CS x L6 CS x L2

28 days after cultivating in vitro

The age of the embryos 16 days after pollination

CS x L6 CS x L2 CS x L2

Заключение: эмбриональная летальность, вызываемая геном ржи Eml может быть успешно преодолена с помощью органогенеза в каллусной культуре

Модель для изучения функционирования гена Eml в геноме отдаленного гибрида

CS x L2

Блокировка развития гибридного зародыша

Культура зародышей

методом прямой регенерации на

среде Kruse

Преодоление эмбриональной летальности через соматический эмбриогенез в культуре in vitro

Культура зародышей

через каллусогенез с последующей регенерацией

на среде с цитокининами

Ген Eml ржи локализован в хромосоме 6R и сцеплен с двумя SSR-маркерами

Эффект гена Eml проявляется в гетерозиготе

Гибель пшенично-ржаных зародышей не связана с фрагментацией хроматина или потерей хромосом одного из родителей.

Ген пшеницы Eml-6A (несовместимый гомеоаллель) комплементарный гену Eml-6К ржи локализован в хромосоме 6A

Эмбриональную летальность нельзя преодолеть с помощью культуры изолированных зародышей методом прямого эмбиогенеза, но жизнеспособные растения пшенично-ржаных гибридов F1 можно получить через регенерацию в каллусной культуре

Получение амфидиплоидов из растений-регенерантов и анализ эмбрионального развития у первичных тритикале (CS x Л2)

Делеционное картирование гена Eml-6A с помощью гибридов между линиями CS, несущими делеции в хромосоме 6А с линий ржи Л2

Итоги и перспективы изучения гибридной эмбриональной летальности

Новообразования, выявленные у пшенично-ржаных гибридов (F1) и первичных тритикале (С1)

Морфологическое проявление

Отдаленный гибрид (F1 или С1)

Число линий ржи носите-лей генов

Генетичес-кий контроль

Хромосомная локализация

Эмбриональная летальность

F1 4 Комплемен, взаим. генов

6R, 6A

Гибридная карликовость F1 2 моногенный Не установлена

Гибридная слабость F1 2 Не изучен Не установлена

Сближенные междоузлия

F1 1 Не изучен Не установлена

Луковые листья и редукция колоса

F1 2 Не изучен Не установлена

Луковые листья С1 2 Не изучен Не установлена

Хлороз и некроз (леталь)

F1 3 Не изучен Не установлена

Хлороз и некроз нижних листьев

F1, С1 4 Не изучен Не установлена

Стерильность С1 8 Не изучен Не установлена

Рабочие группы:

Санкт-Петербургсккий

Государственный Университет

А.В. Войлоков

Н.Д. Тихенко

Н.В. Цветкова

С.Н. Прияткина

Leibniz-Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben

A. Börner A. Houben F. Matzk T. Rutten

J. Keller D. Gernand M. Pürschel

A. Senula K. Kumke H. Büchner

R. Voss M. Hantschmann H. Block

J. Marlow

Пшенично-ржаные и внутривидовые гибриды пшеницы и родительские формы

Пшенично-ржаные и внутривидовые гибриды пшеницы и родительские формы