В 1892 году русский ботаник И.И. Герасимов исследовал влияние температуры на клетки зеленой водоросли спирогиры и обнаружил удивительное явление - изменение числа ядер в клетке. После воздействия низкой температурой или снотворным (хлороформом и хлоралгидратом) он наблюдал появление клеток без ядер, а также с двумя ядрами. Первые вскоре погибали, а клетки с двумя ядрами успешно делились. При подсчете хромосом оказалось, что их вдвое больше, чем в обычных клетках. Так было открыто наследственное изменение, связанное с мутацией генотипа, т.е. всего набора хромосом в клетке. Оно получило название полиплоидии, а организмы с увеличенным числом хромосом - полииплоидов.
В природе хорошо отлажены механизмы, обеспечивающие сохранение постоянства генетического материала. Каждая материнская клетка при делении на две дочерние строго распределяет наследственное вещество поровну. При половом размножении новый организм образуется в результате слияния мужской и женской гаметы. Чтоб сохранилось постоянство хромосом у родителей и потомства, каждая гамета должна содержать половину числа хромосом обычной клетки. И в самом деле, происходит уменьшение в два раза числа хромосом, или, как назвали ученые редукционное деление клетки, при котором в каждую гамету попадает только одна из двух гомологичных хромосом. Итак, гамета содержит гаплоидный набор хромосом - т.е. по одной от каждой гомологичной пары. Все соматические клетки диплоидны.
|
|
Полиплоидия (от греч. polyploos - многократный и eidos - вид), кратное увеличение числа наборов хромосом в клетках организмов. В естественных условиях возникает под влиянием различной природных факторов (резкая смена температур, действие ионизирующей радиации и др.), а также при естественной гибридизации. В основе механизма действия этих факторов лежит не расхождение
хромосом в митозе (т. н. митотическая полиплоидия, напри-мер, у голосеменных) или в мейозе (мейотическая полиплоидия). При поли-плоидии нормальный диплоидный набор хромосом (2 n), свойственный соматическим клеткам большинства организмов, увеличивается кратно гаплоидному набору (n), свойственному половым клеткам.
Полиплоидизация - перспективный метод в селекции лесных пород, ведущий к улучшению существующих и созданию новых, более совершенных форм. Искусственные триплоиды тополя, берёзы, ольхи и других древесных пород, получаемые скрещиванием диплоидных и тетраплоидных форм и отличающиеся быстрым ростом, прочной и устойчивой к гнилям древесиной, декоративностью, высоко ценятся в лесоразведении и озеленении.
Полиплоидия – это естественный природный процесс видо- и формообразования, ведущий к улучшению существующих и возникновению новых более совершенных форм растений. Изучение некоторых разновидностей и сортов культивируемых древесных растений показало, что по своей генетической природе они являются аллополиплоидамми древних гибридных видов. Между количеством хромосом и свойствами полиплоидных форм не всегда наблюдается прямая связь. Часто диплоидные особи оказываются значительно лучше полиплоидов, полученных от них. Например, тетраплоидные формы березы, тополей, вязов, ольхи и робинии лжеакации растут медленнее диплоидных, а триплоидные особи оказались более быстрорастущими. Существует известный оптимум числа хромосом, обеспечивающий наиболее эффективный рост и накопление практически ценных для селекции качеств. У древесных растений оптимальным уровнем полиплоидии считается триплоидный. Например, триплоидная исполинская осина (Populus tremula var gigas) характеризуется быстрым ростом, увеличенным размером клеток и органов, устойчивостью к грибным заболеваниям. Разработаны методы массового искусственного получения триплоидной осины. Растения с очень большим числом хромосом нередко имеют пониженную жизнеспособность.
|
|
Больше полиплоидов среди лиственных пород (особенно в семействах ивовых, берёзовых, розовых, бобовых и др.), меньше - среди хвойных. Около трети всех видов покрытосеменных возникло за счёт полиплоидии (среди голосеменных только 4,5% видов - полиплоиды). Полиплоидия ведёт к образованию гетерозисных форм, характеризующихся мощностью развития, усиленным и быстрым ростом, накоплением в тканях ценных химических соединений и т. д. Однако повышение плоидности, ведущее к усилению мощности растений, имеет определенные границы. Так, у цитрусовых деревьев (апельсин, мандарин, лимон) искусственная полиплоидия вызывает карликовость.
Особенно большое значение в селекции растений, в том числе и древесных, имеет восстановление фертильности (плодовитости) аллополиплоидов.
Фертильность определяется порядком прохождения мейоза. У тетраплоидных особей в клетках растения существуют два набора гомологичных хромосом, которые в мейозе группируются по четыре хромосомы. Четыре гомологичные хромосомы могут расходиться к противоположным полюсам следующим образом: 2 и 2, 2 и 3, 3 и 1. Дочерние клетки в результате мейоза могут получить неполный или избыточный набор хромосом. Гаметы с несбалансированным набором хромосом, как правило, погибают. Такому стерильному дереву с нарушенным процессом образования гамет можно вернуть плодовитость (фертильность) и вмешательством в процесс формирования кариотипа зародыша семян. Это имеет большое значение при отдаленной гибридизации для восстановления фертильности в последующих поколениях ценных гибридов.
Существует правило: если диплоид фертильный, то образованный от него тетраплоид может быть стерильным; если же диплоид стерильный, то производный тетраплоид может быть фертильным. Наряду с этим замечено, что если в первом гибридном поколении (F1) диплоидный гибрид стерилен или образует варьирующее потомство, то при удвоении числа хромосом он может стать фертильным и хорошо размножаться, так как в этом случае все члены одного набора хромосом полностью соответствуют своим двойникам в другом наборе хромосом. Например, полученный гибрид с диплоидным набором хромосом имеет негомологичные хромосомы вследствие скрещивания отдаленных в систематическом отношении видов. В результате хромосомы не образуют во время мейоза необходимых гомологичных пар и не распределяются равномерно по полюсам. Вместо этого они могут мигрировать к полюсам в сочетании: 2 и 0, 1 и 1, 0 и 2. В каждом случае яйцеклетка или пыльцевое зерно получает несбалансированные наборы хромосом и погибает. Однако если число хромосом гибрида удваивается и образующаяся тетраплоидная особь имеет два полных набора хромосом (по 2п в каждом), получаются гаметы с гомологичными наборами хромосом. В мейозе хромосомы образуют пары и равномерно распределяются в дочерние клетки.
|
|
Анализируя все вышесказанное можно сделать вывод: при полиплоидии в ядрах клеток растений происходит увеличение числа хромосом в кратном отношении к гаплоидному (п), при этом с увеличением числа хромосом на один набор 2 + 1 = 3 появляются триплоидные растения, при 2 + 2 = 4 – тетраплоиды и т.д. Увеличение числа хромосом может быть неограниченно большим, но наиболее эффективны небольшие их величины.
Полиплоиды могут возникать в естественных условиях под влиянием природных факторов: резких смен температур, космической радиации, гроз, бурь, ливней, града и т.п.
Полиплоидия может быть митотического (изменяется набор хромосом в соматических клетках) и мейотического (изменяется набор хромосом в половых клетках) происхождения, последняя бывает реже.
Все полиплоиды могут быть объединены в четыре группы:
1 автополиплоиды – организмы, имеющие увеличение гаплоидного набора более, чем в два раза хромосом одного и того же вида.
2 аллополиплоиды – особи, возникающие на основе объединения или умножения двух или нескольких целых геномов, принадлежащих разным видам или родам.
3 анеуплоиды – организмы, имеющие уменьшенное или увеличенное число хромосом некратное основному числу хромосом вида.
4 гаплоиды – организмы, имеющие в соматических клетках не увеличенное, а уменьшенное число хромосом.
Следовательно, в селекционной работе с древесными растениями полиплоидия приобретает значение, как метод восстановления фертильности
и преодоления явления несовместимости при отдаленной межвидовой гибридизации.
Существует ряд методов получения полиплоидов. Так методы получения аллоплоидов можно разделить на две группы: опыление предуцированными гаметами и индуцирование мутагенами. При нормально протекающем мейозе хромосомное число в клетках уменьшается с 2п до 1п. Иногда редукционного деления не происходит, и образуются яйцеклетки или пыльцевые зерна с 2п хромосомами. Если пыльцевое зерно с 2п хромосомами оплодотворит яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом, образуется триплоидный эмбрион. Таким путем получают тетраплоидную осину, опыляя крупными триплоидными пыльцевыми зернами женские цветки диплоидных растений. Крупную триплоидную пыльцу отделяют от диплоидной, просеивая через тонкую ткань.
|
|
Индуцирование полиплоидов в свою очередь производится тремя способами:
1 Воздействие нагреванием, высушиванием или холодом. Удвоение соматических хромосом таким путем происходит довольно часто (в 1% или более делящихся клеток). Образующиеся клетки с тетраплоидным набором хромосом обрастают вокруг тканью и растение в целом остается диплоидным.
2 Индуцирование колхицином и подофилином. Они не препятствуют делению хромосом, а подавляют только механизм образования веретена, деления, при помощи которого разделившиеся хромосомы мигрируют к полюсам. Поэтому при воздействии этими веществами хромосомы делятся, но не расходятся к полюсам, и диплоидная клетка превращается в тетраплоидную. Колхицин используют в качестве мутагена чаще, чем подофилин. Обычно его применяют в виде слабого (0,1 –0,5 %-ного) водного раствора в течение нескольких часов или дней. Колхицин влияет на любую активно растущую ткань. Например, на клетки кончика корня или прорастающее пыльцевое зерно. Обработка колхицином часто заканчивается образованием миксоплоидов, или «химер», имеющих и диплоидные, и тетраплоидные ткани. Миксоплоиды могут быть разных типов: одна ветвь тетраплоидная, другая – диплоидная, или верхушка листа тетроплоидная, а основание диплоидное, то оно растет быстрее и лист заворачивается вверх, если наоборот, то лист заворачивается вниз.
Получение триплоидов из семян. Триплоидные растения древесных видов характеризуются быстрым ростом. Поэтому получение тетраплоидов для последующего перевода их в триплоиды скрещиванием с диплоидами становится распространенным направлением в селекции на гетерозис. Так, в северной Европе в больших количествах выращивают триплоидные деревья осины, которые получают в результате скрещивания женских клонов тетраплоидных растений с одним из диплоидных мужских клонов. Эту работу, как правило, проводят в теплицах. Дополнительно к этому практикуют посадку одного тетраплоидного клона в центре естественных насаждений мужских диплоидных особей. На деревьях женского клона семена будут триплоидными.
Гаплоидные особи образуются в результате самопроизвольного деления неоплодотворенной яйцеклетки. Такие формы обнаружены, как у голосеменных, так и у покрытосеменных. Однако гаплоидные формы древесных пород в селекции не применяются, так как они не жизнеспособны.
Из неоплодотворенных яйцеклеток индуцируют развитие партеногенетических особей после опыления их заранее инактивированной пыльцой. Среду для культуры тканей обычно готовят из агара с добавлением веществ, стимулирующих рост: сахарозы, аминокислот, гормонов растений, минеральных веществ, экстрактов пыльников. Температурный режим и свет
– важнейшие факторы при культуре тканей растений. Пыльцевые зерна в культуру тканей берут в период, когда генеративное и вегетативное ядра начинают одновременно делиться. При этом имеется большая вероятность образования триплоидных эмбрионов, чем гаплоидных.
Такие методы успешно используются при работе с травянистыми растениями. Это дает основание полагать, что эти методы можно будет применять и при работе с древесными растениями.
Таким образом, можно сделать вывод, что изменение количества хромосом в кариотипе – важнейший источник формообразования исходного материала для селекции растений.