CC BY
138
УДК 633.112.9.«321»:631.523:576.316.7
ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ КАРИОТИПОВ НЕКОТОРЫХ ФОРМ ЯРОВОЙ ТРИТИКАЛЕ
А.А. ШИШКИНА, Е.Д. БАДАЕВА*, А.А. СОЛОВЬЕВ
(Кафедра генетики)
Выполненное с использованием С-метода дифференциального окрашивания кариотипирование хромосом шести линий яровой гексаплоидной тритикале показало наличие форм с различными хромосомными наборами. У изученных образцов идентифицированы 2В/2D- и 2R/2D-замещения, транслокация Т2RS.2RL/ 2BL и реципрокная транслокация Т4BS.4BL/6BL : T6BS.6BL/4BL, пери-центрическая инверсия в хромосоме 4В. Установлен высокий полиморфизм по рисункам дифференциального окрашивания у форм тритикале, имеющих 2R/2D-заме-щение. Полученные данные могут быть использованы как при планировании селекционных программ, так и при рассмотрении эволюции кариотипа у тритикале.
Ключевые слова: гексаплоидная тритикале, транслокация, замещение, С-бэндинг.
Тритикале — синтезированная человеком культура, отличается высокими потенциальными возможностями увеличения урожайности, повышенным содержанием белка и незаменимых аминокислот (лизин, триптофан), что определяет ее пищевые и кормовые достоинства. Способность давать более стабильные в сравнении с пшеницей урожаи на менее плодородных почвах позволяет возделывать тритикале в условиях, непригодных для выращивания пшеницы [4, 11].
Будучи синтетической культурой тритикале сочетает в своем геноме хромосомы двух разных видов — пшеницы и ржи, что делает ее удобным объектом для изучения эволюционных процессов в кариотипах. Хромосомы, составляющие субгеномы тритикале, взаимодействуя между собой, подвергаются определенным модификациям: они могут замещаться хромосомами из
других субгеномов, участвовать в различных хромосомных перестройках — транслокациях, делециях, инверсиях [2, 6, 7, 15, 20].
Кариотип гексаплоидной тритикале, как правило, включает полные наборы хромосом А-, В- и И-субгеномов. У ряда вторичных форм гексаплоидной тритикале субгеном И ржи представлен не полностью, и может иметь место замещение хромосом ржи на го-меологичные хромосомы субгенома К пшеницы. Наиболее часто встречается замещение хромосомы 2И субгенома ржи хромосомой 2К мягкой пшеницы. Использование хромосомных замещений и транслокаций, направленных на уменьшение доли ржаного компонента кариотипа, позволяет преодолевать ряд недостатков, свойственных яровой тритикале и ограничивающих ее производственное использование. Так, с использованием транслокации
* Институт общей генетики имени НИ. Вавилова РАН.
была проведена модификация запасных белков у тритикале [23].
Замещение хромосом И-субгенома гомеологичными хромосомами субгенома К способствует стабилизации мейо-за и приводит к значительному улучшению качества зерна тритикале [23,
24, 26, 27]. Процесс замещения хромосом происходит не случайным образом, а подчинен давлению отбора. В различных условиях произрастания отбираются разные варианты сочетаний хромосом исходных геномов [8]. Формы с 2И/2К-замещением по ряду признаков: уменьшение длины колоса, укороченное, выполненное зерно, более ранее созревание отличаются от незамещенных форм тритикале [10, 13].
Одним из основных методов, позволяющих проводить идентификацию пшеничных и ржаных хромосом, является дифференциальное окрашивание. Этот метод позволяет с высокой степенью надежности идентифицировать каждую хромосому кариотипа [2,
5, 7, 25].
Исследования кариотипов форм яровой тритикале важны для планирования селекционного процесса этой культуры. Возможности хромосомной инженерии в отношении тритикале представляются достаточно широкими в плане синтеза новых вариантов кариотипов. С-метод дифференциального окрашивания позволяет с высокой надежностью идентифицировать хромосомы субгеномов пшеницы и ржи в тритикале и выявлять крупные хромосомные перестройки.
Дифференциальное окрашивание имеет практическое значение. Оно позволяет идентифицировать хромосомы, и выявлять гетерохроматин, который влияет на развитие эндосперма и качество зерна [22, 25].
Материал и методы
Материалом исследования служили 6 линий яровой гексаплоидной тритикале из коллекции кафедры генетики РГ АУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.
Для двух линий имеются сведения о кариотипах: к-1185, имеет 2И/2К-заме-щение [12], и 131/7, несет 2В/2К-за-мещение и транслокацию Т2И8.2КЬ-2ВЬ [7]. Сортообразцы Арта 59, Лена 86, Лена 1270 и Л 8-4 созданы в результате межсортовых скрещиваний форм яровой тритикале.
Дифференциальное окрашивание хромосом проводили по стандартной методике, разработанной в институте Молекулярной биологии имени Н.А. Эн-гельгардта [3].
Кариотипы анализировали под микроскопом фирмы ЬеИБ — кгШор1ап. Дифференциально окрашенные мета-фазные пластинки исследовали с использованием иммерсионного объектива 100х АросЬгоша1, фотографировали цифровой камерой фирмы Ье1са КЕС 280. Для составления кариотипа и редактирования фотоснимков использовали пакет программ Л^Ье РЬо!шЬор 7.0.
Результаты и их обсуждение
В коллекции яровой тритикале кафедры генетики РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева разными методами показано наличие сортообразцов с различными хромосомными вариантами [6, 7, 9, 13, 18].
Исследования кариотипов линий яровой гексаплоидной тритикале с использованием С-метода дифференциального окрашивания хромосом выявили несколько хромосомных вариантов . Изучение кариотипа линии к-1185 показало, что он является гексапло-идным, 2п=42 (рис. 1). Субгеномы А и В пшеницы представлены полными наборами хромосом. Субгеном И ржи представлен только 6 парами хромосом — 1И, 3И, 4И, 5И, 6И, и 7И, Пара хромосом 2И ржи замещена гомеоло-гичной парой хромосом пшеницы 2К, что соответствует ранее полученным данным о наличии у линии к-1185 2И/ 2К-замещения [12]. Следует отметить, что данная линия является цитогенетически стабильной, о чем свидетельствуют результаты анализа кариотипа.
Рис. 1. Кариотип линии гексаплоидной тритикале к-1185. (Здесь и далее буквами А, В, Р и О обозначены субгеномы тритикале, а цифрами 1 - 7 — гомеологичные группы хромосом)
У этой линии не выявлено полиморфизма как по проявлению замещения, так и по рисунку дифференциального окрашивания.
Сортообразец 131/7 по результатам наших исследований запасных белков является достаточно полиморфным. Морфологическое изучение этого образца в полевых условиях позволило провести отбор ряда линий. В данной работе для кариотипирования использовали 3 сестринские линии: 131/7-197, 131/7-235 и 131/7-263. Установлено, что изучаемые линии наряду с 2В/2К-за-мещением и транслокацией Т2К8.2ИЬ/ 2БЬ, которые были ранее идентифицированы у исходного образца 131/7 [6], обладают полиморфизмом по рисунку дифференциального окрашивания (рис. 2) . Основные отличия зак-
лючались в проявлении некоторых бэн-дов у гомологичных хромосом в разных линиях. Наиболее полиморфными оказались хромосомы 2А, 4А, 5А, 6А, 7А, 1В, 3В, 7В, 3И, 4И и 2К Линии 131/7-235 и 131/7-263 имели сходный рисунок дифференциального окрашивания хромосом . В то же время следует отметить, что у линии 131/7-263 хромосома 7 В заметно отличалась от гомологов двух других сестринских линий большей гетерохроматиниза-цией, а хромосома 3И — отсутствием теломерного блока в длинном плече. Присутствие у всех изученных сестринских линий замещения и транслокации, выявленных у исходного образца, свидетельствует о цитогенетической стабильности. В то же время выявленный полиморфизм по рисун-
к
в
Гч,
и и к
и ц ч»
К Л И
И к к
1# II I»
К /I и
Н К II X К )с
\1 II 1| %/ ч! Ц
а И II )\ /I IV
Т 2ЯБ.2КЬ-2ВЬ
1/ I/ 1# \1 \1 ||
1' Л \Ч >1 X и
%| II ч!
Л IV VI
» X к %< •« |* п и к )(){)<• * н к
Рис. 2. Кариотип линий гексаплоидной тритикале 131/7-263, 131/7-235 и 131/7-197
ку дифференциального окрашивания у сестринских линий свидетельствует о продолжении формообразовательного процесса. Это согласуется с многими литературными данными, в т.ч и по изменению морфологии хромосом пшеницы и ржи в геноме тритикале [7, 15, 20].
Образец Л 8-4 расщепляется и имеет растения с разными кариотипами, среди которых встречаются как полнокомплектные (ААВВИИ) формы, так и формы с 2И/2К-замещением (рис. 3). Кроме того, практически все хромосомы этого образца характеризуются высоким полиморфизмом гетерохроматиновых районов. Полиморфизм проявлялся не только в интенсивности окрашивания бэндов, но и в разных вариантах их проявления. Наиболее полиморфными являлись хромосомы 2А, 4А, 2в, 3В, 5В, 2К, Ж и 6И. Характер окрашивания длинных плеч 4В и 6В хромосом позволил установить наличие типичной для пшениц реципрок-ной транслокации Т4ВБ.4ВЬ/6ВЬ и
Т6ВБ.6ВЬ/4ВЬ, распространенной среди сортообразцов мягкой пшеницы [2]. Разнообразие кариотипов, выявленное у образца Л 8-4, обусловлено его происхождением. Данный образец получен от скрещивания между формами с замещением и без замещения. Отбор был проведен в ранних поколениях и к настоящему времени у этого образца продолжается формообразовательный процесс. Широкий по хромосомным вариантам размах изменчивости может служить основанием для большого разнообразия по морфологическим признакам. Включение в селекционный процесс линий с замещениями хромосом может обеспечить дополнительное разнообразие кариотипов и соответственно генотипов.
В кариотипах линий Арта 59 и Лена 1270 выявлена перицентрическая инверсия в хромосоме 4В (рис. 4, 5) . Данная инверсия прицентромерного гетерохроматина в хромосоме 4В встречается у многих гексаплоидных видов пшеницы [2]. Данные образцы содер-
Рис. 3. Кариотип образца гексаплоидной тритикале Л 8-4
жат полные наборы хромосом пшеницы и ржи и являются полнокомплектными (ЛЛББЕЕ). Их общее происхождение отбором из одной гибридной популяции подтверждается сходными кариотипами. Следует отметить, что в кариотипах этих линий не выявлено полиморфизма по рисунку диффере-циального окрашивания. Вероятно, это обусловлено нормальным прохождением конъюгации хромосом в мейозе и, как следствие, меньшим количеством нарушений и вариантов кариотипов.
У линии Лена 86 также установлен полный набор хромосом всех трех родительских геномов — А, В, и Ё (рис. 6). Она является цитогенетически стабильной и не содержит полиморфных участков хромосом, выявляемых ме-
тодом дифференциального окрашивания.
Полученные нами данные позволяют использовать кариотипы в качестве хромосомных паспортов исследованных линий, что можно учитывать при планировании селекционных программ по яровой тритикале. Сравнение ка-риотипов сортообразцов яровой тритикале с замещениями и без замещений свидетельствует о более широком формообразовательном процессе у форм, имеющих 2Ё/2К-замещение. В то же время пример линии к-1185, созданной в середине 80-х годов в С1ММУТ, свидетельствует о цитогенетической стабильности замещенных линий. У новых линий с замещениями хромосом формообразовательный процесс длит-
А п в я 7С.
>( >1
ІС К
)\ " 4С пу4В ■ к
11- ІІ
II {V
II X К
Рис. 4. Кариотип линии гексаплоидной тритикале Арта 59
А К В К я Зг
*?(
*(-
Iе л-
и >{ -X
к }\
■х ІҐ І
Рис. 6. Кариотип линии гексаплоидной тритикале Лена 86
А К в )( я и
К К К
К К X
л м рглпу 4Й Щ А К
п 1^ К
К
» и *
Рис. 5. Кариотип линии гексаплоидной тритикале Лена 1270
ся более продолжительно в сравнении с незамещенными формами и сопровождается появлением как новых вариантов хромосом, так и хромосомных перестроек. В то же время у некоторых линий выявлены хромосомные перестройки, характерные для хромосом пшеницы, что, вероятно, обусловлено их присутствием у исходных сортов пшеницы, использованных при создании этих форм тритикале. Широкий формообразовательный процесс, выявленный при изучении ряда форм яровой тритикале, позволяет говорить об эволюционных преобразованиях у этой первой созданной человеком культуры, и может быть использован в модельных экспериментах по исследованию эволюции кариотипа.
1. Бадаева Е.Д. Изменение хромосом ржи в кариотипе тритикале. Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 1984.
2. Бадаева Е.Д. Эволюция геномов пшениц и их дикорастущих сородичей: молекулярно-цитогенетическое исследование. Автореф. докт. дис. биол. наук. М., 2000.
3. Болъшева Н.Л., Бадаева Е.Д., Курочкина А.И., Бадаев Н.С. Сравнение дифференциально окрашенных хромосом у двух родственных форм ржи // Г ене-тика, 1984. Т. 20. С. 2025-2030.
4. Грабовец А.И., Крохмал А.В. Итоги и особенности селекции озимой тритикале в условиях нарастания ароидности климата / / Тритикале в России. Материалы заседания секции тритикале РАСХН. Ростов-на-Дону, 2008. С. 54-61.
5. Дедкова О.С. Сравнительное филогенетическое исследование полиплоидных пшениц T. dicoccum, T. spelta, T. aestivum с использованием цитогенетических маркеров. Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 2008.
6. Дивашук М.Г. Идентификация хромосомных транслокаций и замещений у некоторых форм яровой тритикале. Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 2007.
7. Дивашук М.Г., Карлов Г.И., Соловъев А.А. Использование микросателлитных маркеров для идентификации пшенично-ржаной транслокации у гексаплоидной тритикале // Известия ТСХА, 2007. Вып. 1. С. 61-65.
8. Дубовец Н.И.,Сычева Е.А.,Соловей Л.А.,Штык Т.И.,Бондаревич Е.Б. Рекомбинантный геном злаков — закономерности формирования и роль в эволюции полиплоидных видов // Генетика, 2008. Т. 44. №1. С. 54-61.
9. Карлов Г.И., Андреева Г.Н., Хрусталева Л.И., Соловъев А.А. Характеристика линии тритикале, несущей пшенично-ржаную транслокацию / / Сельскохозяйственная биотехнология. Изб. работы. М.: Воскресенье, 2000. Т. 1. С. 39-43.
10. Куркиев К.У. Наследование высоты растения у гексаплоидных форм тритикале с R/K замещением // Генетика, 2008. Т. 44. №9. С. 1238-1245.
11. Максимов Н.Г. Тритикале. Что это такое? Агрогляд, 2004.
12. Соловъев А.А. Изучение формообразовательного процесса при скрещивании различных форм тритикале. Авториф. дис. канд. биол. наук. М., 2000.
13. Соловьев А.А., Вишнякова Х.С. Влияние 2R/2K-замещения на проявление некоторых признаков у гибридов Fi тритикале // Доклады ТСХА, 1997. Вып. 268. С. 3-8.
14. Сычева Е.А. Исследование генетических эффектов межгеномных замещений хромосом в кариотипах тетраплоидных тритикале / / Актуальные проблемы агрономии и пути их решения. Материалы научно-практической конференции. Вып. 1, Биологические основы адаптивного растениеводства. Ч. 2. Горки: БГСХА, 2005. С. 20-23.
15. Alkhimova A.G., Heslop-Harrison J.S., Shchapova A.I. and Vershinin, A.V. Rye chromosome variability in wheat-rye addition and substitution lines. // Chromosome Res, 1999. 7. Р. 205-211.
16. Badaeva E.K., Badaev N.S., Bolsheva N.L. and Zelenin A.V. Chromosomal alterations in the caryotype of triticale in comparison with the parental forms. 1. Heterochromatin regions of R genome chromosomes // Theor. Appl. Genet., 1986. 72. P. 518-523.
17. Bolsheva N.L., Badaeva E.K., Badaev N.S. and Zelenin A.V. Chromosomal alterations in the caryotype of triticale in comparison with the parental forms. 2. Heterochromatin of the wheat chromosomes // Theor. Appl. Genet., 1986. 73. P. 66-71.
18. Kivashuk M.G., Soloviev A.A. Morphological and cytogenetic characterization of translocated spring triticale line 131/7 // Acta Agriculturae Serbica, 2005. Vol. X. № 19. Р. 17-25.
19. Gill B.S., Kimber G. Giemsa C-banding and the evolution of wheat // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1974. Vol. 71. №10. P. 4086-4090.
20. Gustafson J.P. and Bennett M.K. Preferential selection for wheat-rye substitutions in 42-chromosome triticale // Crop Sci., 1976. Vol. 16. P. 688-693.
21. Hasemann C.U., Pfeiffer-Schad B. and Martin J. Cytogenetic investigations in wheat, rye and triticale. 2. Extent of heterochromatin polymorphism in cultivars and inbred lines of rye (Secale cereale L.) // Plant Breeding, 1987. 98. P. 297-305.
22. Kaltsikes P.J., Gustafson J.P. The heterochromatin story in triticale. // Genetics and breeding of triticale, EUCARPIA meeting, Clermont-Ferrand (France). — INRA, Paris, 1985.
23. Lukaszewski A.J. Manipulation of the 1RS.1BL translocation in wheat by induced homeologous recombination // Crop Sci., 2000. 40. P. 216-225.
24. Merker A. Chromosome composition of hexaploid triticale // Hereditas, 1975. V.80. T. I P. 41-52.
25. Seal A.G. C-banded wheat chromosomes in wheat and triticale // Theor. Appl. Genet., 1982. 63. P. 39-47.
26. Taketa S., Nakazaki S., Shigenaga S.,Yamagata H. Preferential occurrence of specific R-K chromosome constitution in stable hexaploid progenies of the hybrid between hexaploid triticale and bread wheat // Jpn. J. Genet., 1991. 66. P. 587-596.
27. Zhi-Jun C, Murata M. Loss of chromosome 2R and 5RS in octoploid triticale selected for agronomic traits // Genes Genet. Syst. 2002. 77. P. 23-29.
Peu,eH3eHm — . 6 . h . B.M. r,na3Ko
SUMMARY
The cariotyping of chromosomes carried out with the method of Giemsa C-banding for the six lines of spring triticale showed the existence of the forms with various chromosome sets. The studied specimen showed the existence of 2B/2K-, 2R/ 2K- substitution, T2RS.2RL/2BL translocation and T4BS.4BL/6BL:T6BS.6BL/4BL reciprocal translocation and also pericentric inversion in the chromosome 4B.The high polymorphism is found on the base of the pictures of Giemsa C-banding of the forms of triticale with 2R/2K substitution. The data received can be used in the planning of breeding programs and in the studying evolution process of the cariotype of triticale.
Key words: hexaploid triticale, translocation, substitution, C-banding.
