CC BY
26БИОЛОГИЧЕСКИЕ НА УКИ/BIOLOGICAL SCIENCES
УДК 575.1:633.63
ГЕТЕРОАЛЛЕЛЬНОСТЬ ВМЕСТО ГЕТЕРОЗИГОТНОСТИ
У ГАПЛОИДОВ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ BETA VULGARIS L.
THE HETEROALLICITY INSTEAD OF HETEROZYGOSITY IN HAPLOIDS OF SUGAR BEET BETA VULGARIS L.
©Левитес Е. В.
канд. биол. наук Федеральный исследовательский центр институт цитологии и генетики СО РАН г. Новосибирск, Россия, [email protected]
©Levites E.
Ph.D., IC&G SB RAS Novosibirsk, Russia, [email protected] ©Кирикович С. С.
канд. биол. наук Федеральный исследовательский центр институт цитологии и генетики СО РАН г. Новосибирск, Россия, [email protected]
©Kirikovich S.
Ph.D., IC&G SB RAS Novosibirsk, Russia, [email protected]
Аннотация. В статье пересмотрен взгляд на природу полиморфизма, обнаруженного ранее в гаплоидных линиях-регенерантах сахарной свеклы. Наличие изоферментных спектров, сходных с гетерозиготными, в гаплоидных линиях-регенерантах приводит к выводу о том, что в этих линиях хромосомы являются политенными. Обсуждается влияние политении хромосом гамет на изменчивость потомства.
Abstract The view on the nature of the polymorphism found earlier in the haploid lines-regenerantes of sugar beet is revised in the article. The presence of isoenzyme spectra, similar to heterozygous ones, in haploid lines-regenerantes leads to the conclusion that chromosomes in these lines are polytene. The influence of gamete chromosomes polyteny on the variability of the progeny is discussed.
Ключевые слова: гаплоиды, удвоенные гаплоиды, гиногенез in vitro, изоферменты, эпигенетическая изменчивость, политения хромосом, сахарная свекла.
Keywords: haploids, doubled haploids, in vitro gynogenesis, isoenzymes, epigenetic variability, polyteny of chromosomes, sugar beet.
Ранее нами были опубликованы данные по анализу изменчивости экспрессии ферментных генов в линиях регенерантов сахарной свеклы гиногенетического происхождения [1, 2]. Выявленный в этих линиях полиморфизм ферментов был объяснен сомаклональной изменчивостью, возникающей обычно при культивировании растений in
vitro, и наличием миксоплоидии, возникающей за счет спонтанного перехода части клеток гаплоидного растения-регенеранта на более высокий уровень плоидности. Изменение экспрессии генов при переходе растения на другой уровень плоидности — хорошо известный факт [3, 4]. В наших исследованиях аналогичный вывод был сделан как при выявлении полиморфизма ферментов в семенных потомствах удвоенных гаплоидов сахарной свеклы, так и в культивируемых in vitro гаплоидах и удвоенных гаплоидах [1, 2]. Этот полиморфизм был выше, чем в исходном диплоидном сорте.
Использование изоферментов в качестве маркеров в изучении репродуктивной биологии растений и, в частности, при анализе агамоспермных потомств сахарной свеклы позволило выдвинуть гипотезу о том, что в изменчивости растений существенную роль может играть политения хромосом [5-7]. Этот вывод побудил нас к повторному рассмотрению характеристики гаплоидов, принимая во внимание существование такого явления как политения.
В рассматриваемой работе [2] были исследованы культивируемые in vitro гиногенетические линии, каждая из которых происходила из одной неоплодотворенной семяпочки донорного диплоидного растения сортов Янаш А3, Белоцерковская односемянная 40 (Бц40), Белорусская односемянная 69 (Бел 69) и Ганусовская односемянная 55 (Ган 55). Эти линии были созданы А. М. Свирщевской и Л. В. Милько (Институт генетики и цитологии НАН Беларуси). Спецификой исследованных гиногенетических линий являлось то, что каждая из них была получена микроклональным размножением in vitro единичного гаплоидного растения-регенеранта, полученного из неоплодотворенной семяпочки донорного диплоидного растения по хорошо отработанной методике [8, 9]. Анализ уровня плоидности у культивируемых in vitro растений-регенерантов проводился либо методом световой микроскопии [10] путем подсчета числа хромосом в листьях на стадии метафазы, либо цитофотометрированием [8, 9].
Из исследованных в этих линиях ферментов приведем данные по алкогольдегидрогеназе (ADH1, E.C.1.1.1.1.), и изоцитратдегидрогеназе (IDH1, E.C.1.1.1.42.), которые, как показано было ранее [11], контролируются, соответственно, локусами Adh1 и Idh1.
Исходные диплоидные сорта сахарной свеклы Янаш А3 и Бел 69 были мономорфны по алкогольдегидрогеназе (ADH1) и изоцитратдегидрогеназе (IDH1), а сорт Бц40 был мономорфен только по ADH1, но полиморфен по IDH1 [1, 2].
Результаты анализа фенотипов ферментов в линиях регенерантов представлены в Таблице.
Все исследованные линии регенерантов мономорфны по алкогольдегидрогеназе; они имеют одинаковый фенотип FF в виде однополосного спектра с быстрой электрофоретической подвижностью. В то же время по изоцитратдегидрогеназе (IDH1) в некоторых линиях был выявлен полиморфизм. Согласно традиционным представлениям гаплоидные линии регенерантов должны иметь максимально простой фенотип, напоминающий фенотип гомозигот. Однако выявленный в линиях полиморфизм указывает на наличие у них изменчивости, которая требует объяснений.
Изоферментный спектр IDH1 на первый взгляд сложен, т. к. каждый из FF и SS фенотипов представлен тремя изоферментами с той лишь разницей, что быстромигрирующая тройка изоферментов FF располагается на электрофореграмме ближе к аноду, чем тройка изоферментов у фенотипа SS. Выявленный у гаплоидных регенерантов фенотип FS представлен на электрофореграмме всеми изоферментами, характерными для FF и SS фенотипов, причем соотношение интенсивности изоферментов в таком спектре свидетельствует о взаимодействии продуктов аллельных генов Idh1-F и Idh1-S, т. е. свидетельствует о гетероаллельности регенерантов, аналогичной обычной гетерозиготности растений.
У некоторых регенерантов, отнесенных к группе FS фенотип был мозаичный (м). Такое обозначение мы давали тем растениям, у которых какой-либо лист проявлял фенотип FS, а другой лист проявлял гомозиготный фенотип. Это можно было рассматривать как результат замолкания одного из аллелей. Фенотипы FS с постоянным проявлением мы классифицировали как стабильный (с).
Таблица.
ЧАСТОТЫ ФЕНОТИПОВ ADH1 И IDH1 У РАСТЕНИЙ-РЕГЕНЕРАНТОВ
САХАРН ЮЙ СВЕКЛЫ ГИНОГЕНЕТИЧЕСКОГО ПРО] ИСХОЖДЕНИЯ [2]
Название линии Данные цитофотометрии * и цитоанализа**: (общее число клеток / из них гаплоидных клеток) Фенотипы по ADH1 Фенотипы по IDH1
FF-FS-SS FF FS SS
Бел 69—3(5)—10(1) 10/10** 14-0-0 0 (4c + 6м) 4
Бел 69—3(5)—10(4) 10/10** --- 0 0 8
Бел 69-3(7) 30/30** 3-0-0 14 0 0
5-0-0 9 0 0
Бел 69-3(14) 4621/2060* 9-0-0 7 1 0
8-0-0 8 0 0
Бел 69-3(15) 3123/1050* 7-0-0 0 0 7
8-0-0 0 0 8
6-0-0 0 0 8
Бел 69-3(16) 4895/2544* 13-0-0 14 0 0
8-0-0 8 0 0
Ган 55-5(2) 3209/854* 9-0-0 0 0 10
--- 0 0 9
--- 0 0 8
Ган 55-7(2) 4805/1513* 13-0-0 0 0 13
--- 0 0 13
Ган 55-7(5) 10/10** 16-0-0 2 (6 с + 8 м) 1
--- 0 (2 с + 9 м) 1
Янаш 2(2) 4573/1660* 9-0-0 10 0 0
15-0-0 13 3 м 0
Янаш 58(4) 4049/1971* 11-0-0 4 (2 c +3 м) 0
--- 13 0 0
Бц 40 35/3РК2 10/0** удвоенный гаплоид 6-0-0 11 0 0
— 5 5 3
Появление фенотипа FS у линий Бел 69-3(5)-10(1) и Ган 55-7(5) указывает на то, что в клетках данных регенерантов присутствует как минимум по две дозы гена Idh1, одна из которых представляет собой исходную копию, присущую неоплодотворенной яйцеклетке. Поскольку фенотип FS выявлен в линиях, которые при цитологическом анализе идентифицированы как чисто гаплоидные, то необходимо объяснить следующее противоречие: набор хромосом одинарный, а кодирующих аллелей локуса Idh1 — два. Возможен следующий ответ: хромосома, несущая локус Idh1 политенизирована, т. е. содержит увеличенное число хроматид, каждая из которых несет либо исходный аллель локуса Idh1, либо другой аллель, отличающийся от исходного.
Кроме того, наблюдается интересная тенденция: те линии, которые анализировали только цитологически, имели чисто гаплоидный геном, а те, которые анализировали цитофотометрически, имели как гаплоидные клетки, так и клетки с гораздо большим, чем у гаплоидов содержанием ДНК. Выявленные цитофотометрическим методом различия в содержании ДНК в клетках регенерантов с малой вероятностью характеризуют уровень плоидности этих клеток, поскольку клетки с разным уровнем плоидности у растущих в одинаковых условиях регенерантов могли бы быть выявлены и при цитологическом анализе. Однако поскольку при цитологическом анализе это не было обнаружено, логично сделать следующий вывод: различия в содержании ДНК в клетках регенерантов обусловлены различиями в степени политении хромосом у этих растений
Допущение политении хромосом в клетках исследуемых линий-регенерантов снимает все противоречия в интерпретации результатов электрофоретического (биохимического) и цитофотометрического анализов.
Возникает вопрос: каково происхождение второго аллеля в клетках растения-регенеранта, имеющего FS фенотип? Этот может быть аллель, находящийся на дополнительной хроматиде и претерпевший сомаклональные изменения в ходе культивирования in vitro.
Но можно также предположить, что этот аллель был привнесен в яйцеклетку материнской хромосомой, состоящей из двух хроматид, несущих разные аллели исходного материнского гетерозиготного растения. Присутствие двух разных аллелей в одной хромосоме может быть обусловлено политенией хромосом материнского растения и кроссинговером в момент первого мейотического деления. На возможность политенного состояния хромосом в гаметах указывают данные анализа изоферментных фенотипов в гибридах сахарной свеклы [6, 7, 12]. Сделанное в этих экспериментах предположение о политенном состоянии хромосом в гаметах было обусловлено отсутствием в некоторых гибридных семенах экспрессии одного из родительских аллелей изоферментного локуса, которое рассматривалось как следствие случайной диминуции из зиготы перед ее вступлением в эмбриогенез избыточных копий привнесенных аллелей.
На возможность политенного состояния хромосом в гаметах указывают данные по сопоставлению относительных размеров сливающихся при сингамии ядер у некоторых видов хвойных [13].
Подтверждением возможности политении в женских гаметах являются результаты анализа изоферментов у линий удвоенных гаплоидов сахарной свеклы [14, 15]. Авторы рассматривают выявленный полиморфизм ферментов у полученных из гаплоидов диплоидных линий как следствие эпигенетических изменений. Однако наряду с этим механизмом возможен и другой путь изменчивости. Выявленную в этой работе в одной из линий гетерозиготность по локусу Adh1 можно объяснить, на наш взгляд, тем, что здесь может принимать участие политения хромосом. Такой вывод основывается на том, что аллели локуса Adh1-F и Adh1-S различаются заменой двух нуклеотидов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга: между ними находится 81 нуклеотид [16]. Независимое
эпигенетическое изменение сразу двух нуклеотидов, приводящее к выявляемому полиморфизму, маловероятно. Поэтому можно с высокой вероятностью заключить, что гетерозиготность полученной этими авторами линии удвоенного гаплоида обусловлена перенесением в яйцеклетку материнской хромосомой сразу двух разных аллелей одного локуса, что в свою очередь возможно лишь при политении материнской хромосомы.
Полученные результаты указывают на то, что изменчивость, выявляемая в культивируемых in vitro гаплоидах, может являться следствием не только сомаклональной изменчивости, но и политении хромосом в гаметах исходного материнского растения. Учет этого явления может снять многие неясности в понимании изменчивости в образующихся потомствах.
Список литературы:
1. Kirikovich S. S., Svirshchevskaya A. M., Levites E. V. Variation at isozyme loci in seed offspring of sugar beet gynogenetic lines // Sugar Tech. 2003. V. 5. №4. P. 289-292.
2. Levites E. V., Svirshchevskaya A. M., Kirikovich S. S., Milko L. V. Variation at isozyme loci in cultured in vitro sugar beet regenerants of gynogenetic origin // Sugar Tech. 2005. V. 7. №1. P. 71-75.
3. Scheid O. M., Jakovleva L., Afsar K. et al. A change of ploidy can modify epigenetic silencing // Proc. Natl. Acad. Sci. 1996. V. 93. P. 7114-7119.
4. Matzke M. A., Scheid O. M., Matzke A. J. M. Rapid structural and epigenetic changes in polyploidy and aneuploidy genomes // BioEssay. 1999. V. 21. P. 761-767.
5. Levites E. V. Sugarbeet plants produced by agamospermy as a model for studying genome structure and function in higher plants // Sugar Tech. 2005. V. 7. №2-3. P. 67-70.
6. Levites E. V. Marker enzyme phenotype ratios in agamospermous sugarbeet progenies as a demonstration of multidimensional encoding of inherited information in plants // 2007. Режим доступа: http://arxiv.org/abs/q-bio/0701027.
7. Левитес Е. В. Сахарная свекла как модельный объект при исследовании кодирования наследственной информации у растений // Энциклопедия рода Beta. Новосибирск: Изд-во Сова, 2010. С. 510-525.
8. Svirshchevskaya A. M., Dolezel J. Production and performance of gynogenetic sugar beet lines // J. of Sugar beet Research. 2000. V. 37. №4. P. 117-133.
9. Svirshchevskaya A. M., Dolezel J. Karyological characterization of sugar beet gynogenetic lines cultured in vitro // J. Appl. Genet. 2001. V. 42. №1. P. 21-32.
10. Бормотов В. Е., Загрекова Н. Н., Матросов Б. Ф. и др. // Обзоры по цитогенетике полиплоидных форм сахарной свеклы. Минск: Наука и техника, 1976. С. 62-68.
11. Levites E. V., Garifullina F. Sh. Use of isozymes as genetic markers for identification of sugar beet varieties // Mater. of III Intern. Symp. ISTA. Leningrad, 1988. P. 104-109.
12. Levites E. V., Kirikovich S. S. Zygotic combinatorial process in plants // Advances in Bioscience and Biotechnology. 2013. №4. P. 798-803.
13. Романовский М. Г. Политения и гистогенез у лесных растений. Москва-Тула.: Гриф и К, 2014. 123 с.
14. Федулова Т. П. Теоретические и практические аспекты молекулярно-генетического маркирования в селекции сахарной свеклы (Beta vulgaris L.): дис. ... д-ра биол. наук. Рамонь, 2005. 326 c.
15. Жужжалова Т. П., Подвигина О. А., Знаменская В. В. и др. Гаплоидный партеногенез in vitro у сахарной свеклы (Beta vulgaris L.): факторы и диагностические признаки // Сельскохозяйственная биология. 2016. Т. 51. №5. С. 636-644.
№5 2017 г.
16. Виниченко Н. А., Головнина К. А., Блинов А. Г., Антонова О. О., Левитес Е. В. Молекулярные различия аллелей Adh1-F и Adh1-S у сахарной свеклы Beta vulgaris L. // Генетика. 2004. Т. 40. №2. С. 232-238.
References:
1. Kirikovich S. S., Svirshchevskaya, A. M., & Levites E. V. (2003). Variation at isozyme loci in seed offspring of sugar beet gynogenetic lines. Sugar Tech., 5, (4), 289-292
2. Levites, E. V., Svirshchevskaya, A. M., Kirikovich, S. S., & Milko, L. V. (2005). Variation at isozyme loci in cultured in vitro sugar beet regenerants of gynogenetic origin. Sugar Tech., 7, (1), 71-75
3. Scheid, O. M., Jakovleva, L., Afsar, K., & al. (1996). A change of ploidy can modify epigenetic silencing. Proc. Natl. Acad. Sci., 93, 7114-7119
4. Matzke, M. A., Scheid, O. M., & Matzke, A. J. M. (1999). Rapid structural and epigenetic changes in polyploidy and aneuploidy genomes. BioEssay, 21, 761-767
5. Levites, E. V. (2005). Sugarbeet plants produced by agamospermy as a model for studying genome structure and function in higher plants. Sugar Tech., 7, (2&3), 67-70
6. Levites, E. V. (2007). Marker enzyme phenotype ratios in agamospermous sugarbeet progenies as a demonstration of multidimensional encoding of inherited information in plants. Available at: http://arxiv.org/abs/q-bio/0701027
7. Levites, E. V. (2010). Sugar beet as a model object in the investigation of plant inherited information coding. Encyclopedia of genus Beta. Beet biology, genetics and breeding. (Col. of sci. papers). Novosibirsk, Sova, 302-317
8. Svirshchevskaya, A. M., & Dolezel, J. (2000). Production and performance of gynogenetic sugar beet lines. J. of Sugar beet Research, 37, (4), 117-133
9. Svirshchevskaya, A. M., & Dolezel, J. (2001). Karyological characterization of sugar beet gynogenetic lines cultured in vitro. J. Appl. Genet., 42, (1), 21-32
10. Bormotov, V. E., Zagrekova, N. N., Matrosov, B. F. & al. (1976). Reviews of the cytogenetics of polyploid forms of sugar beet. Minsk, Science and Technology, 62-68
11. Levites, E. V., & Garifullina, F. Sh. (1988). Use of isozymes as genetic markers for identification of sugar beet varieties. Mater. of IIIIntern. Symp. ISTA, Leningrad, 104-109
12. Levites, E. V., & Kirikovich, S. S. (2013). Zygotic combinatorial process in plants. Advances in Bioscience and Biotechnology, (4), 798-803
13. Romanowsky, M. G. (2014). Polytene and Hystogenesis in forest plants. Moscow-Tula, Grif &Co, 123
14. Fedulova, T. P. (2005). Theoretical and practical aspects of molecular-genetic marking in the selection of sugar beet (Beta vulgaris L.). Doct. Dis. Ramon, 326
15. Zhuzhzhalova, T. P., Podvigina, O. A., Znamenskaya, V. V., & al. (2016). Sugar beet (Beta vulgaris L.) haploid parthenogenesis in vitro: factors and diagnostic characters. Selskohozyaistvennaya biologiya, 51, (5), 636-644
16. Vinichenko, N. A., Golovnina, K. A., Blinov, A. G., Antonova, O. O., & Levites, E. V. (2004). Molecular differences of Adh1-F and Adh1-S alleles in sugar beet Beta vulgaris L. Genetics, 40, (2), 232-238
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 14.04.2017 г. 18.04.2017 г.
№5 2017 г.
Ссылка для цитирования:
Левитес Е. В., Кирикович С. С. Гетероаллельность вместо гетерозиготности у гаплоидов сахарной свеклы Beta vulgaris L. // Бюллетень науки и практики. Электрон. журн. 2017. №5 (18). С. 32-38. Режим доступа: http://www.bulletennauki.com/levites (дата обращения 15.05.2017).
Cite as (APA):
Levites, E., & Kirikovich, S. (2017). The heteroallicity instead of heterozygosity in haploids of sugar beet Beta vulgaris L. Bulletin of Science and Practice, (5), 32-38
