Мутационная селекция

Лекция № 4 (Л-4). Мутационная селекция 1. Спонтанные мутации, почковые вариации в селекции 2. Физические и химические мутагены 3. Мутационная химерность и ее использование в плодоводстве 4. Сомаклональные варианты в культуре клеток и тканей При создании устойчивых к вредным организмам форм растений все чаще приходится прибегать к методам мутационной селекции, основанной на индуцированных (искусственных) мутациях. Известны три группы мутагенов, или агентов, вызывающих индуцированные генные и хромосомные мутации: температура, различные виды излучений и химические соединения. Воздействие на растения мутагенами приводит к появлению большого количества мутаций. При этом наряду с летальными появляются мутации с полезными для селекции признаками. Различают микро — и макромутации. Полезные микромутации представляют собой улучшенные по одному интересующему селекционера или по нескольким признакам варианты исходных форм растений. Макромутациями называют растения с более резко измененными признаками, т. е. по существу это абсолютно новые формы растений. Факторы искусственного мутагенеза — радиация и химические мутагены — обладают достоинствами и недостатками. Преимуществом химических мутагенов является специфика их действия. Однако, когда нужно вызвать широкую изменчивость полигенов, они уступают в этом радиации. Ресурсы индуцированных химическими мутагенами доминантных мутаций, усиливающих или сообщающих растениям иммунитет, очень велики. В последнее время интерес селекционеров к использованию химических мутагенов для создания устойчивых форм (сортов, гибридов и линий) заметно усилился. После облучения семян мутация может возникнуть лишь в отдельных соматических клетках, так как зародыш семени представляет многоклеточное образование.Поэтому выросшее из такого семени растение будет нести мутацию только в части тканей, берущих начало из измененной клетки. Такое растение окажется химерным; данное поколение принято обозначать как Х0. У пшеницы, ячменя и других злаков самоопылителей в пределах одного растения Х0 возникшая мутация может проявиться лишь в некоторых колосьях, а чаще лишь в одном или в нескольких зернах одного колоса. Доминантная мутация может проявиться в первом же поколении, т. е. в Х1 а рецессивная окажется в Х1 в гетерозиготном состоянии и не проявится. Поэтому зерновки высевают отдельно по колосьям, используя по 15—20 семян из 2—5 нормально развитых колосьев. В течение вегетации растений Х2 среди них проводится выявление мутаций. Часть зерновок может оказаться носителями рецессивной мутации в гомозиготном состоянии, часть — в гетерозиготном. С мутантных растений Х2, представляющих селекционный интерес, собирают зерновки и вновь высевают для проверки и размножения в Х3, а затем для получения размноженной линии в Х4, Х5 и т. д. Все встречающиеся у растений химеры подразделяются на 3 типа. Если одна ткань (старая или новая, мутированная) находится в оболочке, состоящей из другой ткани, такая химера называется периклинальной. Если вновь возникшая ткань может лежать среди старой в форме клиновидно вдвинутого участка, такая химера называется секториальной. Если мутированная ткань содержится лишь в нескольких наружных слоях сектора, то такая химера называется мериклинальной. (Плодоводство — это отрасль растениеводства, занимающаяся выращиванием плодовых культур для получения фруктов. Плодоводство можно подразделить на возделывание плодовых семечковых культур, плодовых косточковых культур, орехоплодных культур, выращивание ягодных культур, выращивание посадочного материала в плодовых питомниках.) Сомаклональные вариации- фенотипическое выражение непостоянства ядерного и органельных геномов клеток; от истинных генных мутаций отличаются большей частотой возникновения и множественностью происходящих изменений (изменения в структуре генов, хромосом, геномов). Таким образом, полученные положительные результаты свидетельствуют о необходимости более эффективного внедрения различных приемов получения сомаклональных вариантов в практику селекционной работы, и наиболее реальным является применение сомаклональной изменчивости для улучшения или «доработки» уже существующих сортов или линий по отдельным недостающим признакам. Морфогенез и регенерация растений в культуре соматических клеток достаточно часто сопровождается изменениями регенерантов по сравнению с растениями, введенными в культуру. Австралийскими исследователями Ларкиным и Скоукрофтом растениярегенеранты предложено называть сомаклонами (от сома - тело), а проявление генетической изменчивости у растений, регенерировавших в результате культивирования in vitro, - сомаклональной изменчивостью. По определению Бутенко, сомаклональные варианты - фенотипическое выражение непостоянства ядерного и органельного геномов растительных клеток, от истинных генных мутаций отличаются большой частотой возникновения и комплексностью изменений (изменения в структуре генов, хромосом, геномов). Сомаклоны, у которых проявляется генетическая изменчивость, относят к сомаклональным вариантам. Приняты следующие обозначения для растений-регенерантов или, соответственно, для сомаклонов и их самоопыленных потомков: R - растение-регенерант; R1 R2 и т. д. - первое, второе и последующие самоопыленные поколения растения-регенеранта; SC - сомаклон; SC1, SC2 и т. д. - первое, второе и последующие самоопыленные поколения сомаклона. Сомаклональная изменчивость характеризуется высокой частотой мутирования. При исследовании числа хромосом у растенийрегенерантов различных сортов пшеницы структурные изменения хромосом обнаружены примерно у 25 % регенерировавших растений. Сомаклональные изменения наследуются и связаны с простыми генными мутациями. Однако в настоящее время неизвестен конкретный генетический механизм, приводящий к нестабильности культивируемых клеток. В различных исследованиях обнаружены многочисленные кариологические нарушения у регенерантов - полиплоидия, анеуплоидия, фрагментирование хромосом, хромосомные мосты, транслокации, делеции, инверсии, многочисленные хромосомные аберрации. Условия in vitro являются стрессом для культивируемых клеток и тканей. Это связано с изоляцией от целого организма его фрагментов и помещением их в новые условия. В процессе культивирования наблюдается цитогенетическая и генетическая гетерогенность клеточных культур, что определяется: - клеточной гетерогенностью исходных эксплантов, связанной с уровнем их полисоматии (миксоплоидии); - условиями культивирования, где ведущая роль в индуцировании клеточной изменчивости принадлежит фитогормонам. Вследствие этого растения, регенерировавшие в условиях in vitro из развивающихся соматических эмбриоидов или из стеблевых почек, могут характеризоваться фенотипической и генетической изменчивостью. Так, спектр фенотипического разнообразия у растений-регенерантов более выражен, чем у их потомков, полученных после самоопыления. Это связано с физиологическими нарушениями, происходящими в процессе культивирования на искусственной питательной среде и приводящими к подавлению роста и развития растений, снижению их фертильности. Например, у регенерантов ячменя и пшеницы можно наблюдать формирование сдвоенных колосьев, супротивно расположенных листьев. Такие нарушения, как правило, не наследуются. На основании изучения сомаклонов выявлены следующие механизмы, которые могут объяснить сомаклональную изменчивость: 1) грубые кариологические нарушения (изменения числа хромосом -полиплоидия, анеуплоидия; хромосомные перестройки - транслокации, делеции, инверсии, дупликации), которые хорошо определяются цитологическими методами анализа; 2) хромосомные перестройки, не выявляемые при цитологическом анализе и квалифицируемые как точковые мутации; 3) соматический (митотический) кроссинговер и обмен сестринских хроматид (наиболее хорошо изучено у томатов); 4) изменчивость цитоплазматических геномов; 5) амплификация и редукция генов; 6) активация ранее репрессированных (молчащих) генов; 7) активация мобильных элементов (изучено у отдельных моделей -люцерны, табака, кукурузы). Таким образом, под термином «сомаклональная изменчивость» понимают разнообразный спектр генетической, цитогенетической, молекулярной изменчивости, обусловленный изменениями в ядерном или цитоплазматических геномах в результате культивирования in vitro. Выявлено несколько причин генетической нестабильности культивируемых клеток. В большинстве случаев генетической основой сомаклональной изменчивости являются мутации единичных или небольшой группы генов доминирующего или рецессивного характера в ядерном, пластидном или митохондриальном геномах. Другой причиной может являться длительное пассирование тканевых и клеточных культур, приводящее к накоплению в них генетических изменений. Каждый из указанных выше механизмов, обусловливающих изменчивость у сомаклонов, в определенной степени связан с другими и зависит от нарушений клеточного цикла, которые индуцируются действием фитогормонов, содержащихся в культуральной среде. Сомаклональные варианты имеют, несомненно, практическое применение в сельскохозяйственной практике, в силу появления форм, отличающихся от родительских по различным биохимическим, качественным и количественным признакам, а также цитогенетическим характеристикам. Например, получены сомаклоны картофеля сорта Зарево, отличающиеся высокой урожайностью, повышенной устойчивостью к заболеваниям, более высоким содержанием в клубнях протеина и крахмала. Причем наследование важных признаков при размножении клубнями сохранялось в течение трех лет полевых испытаний (В.В. Сидоров и др., 1984, 1985). Для растений табака получе­ны через каллусную культуру сомаклоны, устойчивые к вирусу табачной мозаики. В настоящее время метод культуры тканей начал широко использоваться в селекции не только кормовых и технических культур, но и декоративных и лекарственных растений. Примером тому может служить новый сорт пеларгонии Velvet Rose, полученный через каллусную культуру.