У многих растений, диких и культурных, встречаются формы, не образующие пыльцы или образующие пыльцу, не способную к оплодотворению. Это явление называется мужской стерильностью. Оно может определяться одним рецессивным геном в хромосоме. Известны формы мужской стерильности, наследуемые по материнскому типу и получившие название цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС). Материнское наследование стерильности пыльцы впервые было обнаружено в 1930-х гг. у кукурузы М. Родсом в США и М.И. Ханджиновым в СССР.

При опылении кукурузы с мужской стерильностью пыльцой нормальных растений получалось потомство со стерильной пыльцой. При повторных возвратных скрещиваниях с растениями, имеющими нормальную пыльцу, вновь возникало потомство с мужской стерильностью, даже если все хромосомы материнской линии замещали на хромосомы отцовской, нормальной линии. Таким образом, наследование по материнскому типу и непричастность к этому процессу хромосом позволили локализовать в цитоплазме детерминант, определяющий мужскую стерильность у кукурузы.

Благодаря тому что у кукурузы в основной массе стерильной пыльцы встречаются редкие пыльцевые зерна, способные к нормальному опылению, оказалось возможным реципрокное скрещивание. В первом же гибридном поколении были получены полностью фертильные растения (рис. 8.3).

У кукурузы известно несколько типов цитоплазматической мужской стерильности, например техасский (Г), при котором полностью стерильные пыльники не выступают наружу, и молдавский, ши USDA (5), при котором часть или все пыльники выступают наружу. Эти два типа стерильности различаются также по характеру взаимодействия с генами - восстановителями фертильности. В частности, фертильность у растений с цитоплазмой техасского типа восстанавливают два гена в хромосоме II и ряд генов в хромосомах III, IV, VII и X.

Если обозначить цитоплазматический фактор стерильности как Суг" и нормальную цитоплазму как СуР, а доминантную ядерную аллель - восстановитель фертильности - как /?/(рецессив - rf), то признак цитоплазматической мужской стерильности разовьется только у растений rfrfCyf, в то время как RfRfCy ?, RfrfCyf, RfRfCyf, RfrfCyt 4 , rfrfCyf будут фертильными.

Это явление - восстановление фертильности пыльцы - широко используется на практике для получения гетерозисных двойных межлинейных гибридов кукурузы (рис. 8.4). Для этого рядом высевают по две линии кукурузы со стерильной и фертильной пыльцой. Это обеспечивает только перекрестное опыление, что очень существенно, поскольку кукуруза само- совместима при опылении. Линии по генам Rf подбирают таким образом, что при одном скрещивании гибриды имеют стерильную, а при другом - фертильную пыльцу. При высеве этих гибридов на следующий год таким же образом получают двойные гибриды. При этом в половине случаев опыление дает фертильные по пыльце растения, как и следует при анализирующем скрещивании (рис. 8.4).

Рис. 8.3.

Рис. 8.4.

Этот прием экономически очень выгоден, поскольку позволяет избежать кастрации - обламывания метелок у кукурузы, что требует больших затрат труда. Широкое распространение техасского типа стерильности имело и негативные последствия, поскольку растения с такой цитоплазмой оказались восприимчивыми к грибковым заболеваниям - гельминтоспо- риозу листьев, возбудителем которого является плесневый гриб НеЪгптШропит таусНь, уничтоживший в 1970 г. более половины урожая кукурузы в южных районах США. Токсин, выделяемый этим плесневым грибом, разрушает внутренние мембраны митохондрий у линий кукурузы с техасским типом мужской стерильности. Это заставило искать другие типы ЦМС у кукурузы, чтобы использовать их в селекции вместо техасского типа.

Связь чувствительности к гельминтоспориозу с митохондриями, по- видимому, оказалась неслучайной. Митохондрии, как и хлоропласты, имеют собственную ДНК. В митохондриях Су? отсутствует участок длиной около 10 000 п.н., присутствующий в митохондриях Су? 1 . Этот фрагмент обнаруживает гомологию с ДНК хлоропласта.

Явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС)

Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС , англ. Cytoplasmic male sterility , CMS) - явление полной или частичной стерильности андроцея высших растений, причиной которого является наличие особой мутации в митохондрионе, то есть в геноме митохондрий, фертильностьрастений восстанавливается полностью или частично при наличии доминантного аллеля ядерного гена-восстановителя фертильности. Впервые описана Маркусом М. Роудсом у кукурузы, описана также у петунии, капусты, подсолнечника и других растений. Для ЦМС характерен так называемый материнский тип наследования.

Общий механизм ЦМС

Цитоплазматическая мужская стерильность проявляется во взаимодействии ядерного генома с митохондрионом. Митохондрии и пластиды как органеллы, ведущие своё происхождение от эндосимбионтных прокариотических микроорганизмов, имеют свой уникальный геном, и хотя в процессе эволюции эукариотической клетки они потеряли большую часть своей автономности и утратили большинство генов, часть важныхбелков ещё кодируются под контролем генов митохондрий и пластид. Митохондрии и пластиды также имеют рабочий белоксинтезирующий аппарат. Цитоплазматическая мужская стерильность возникает в результате определённой мутации в митохондрионе, в результате чего происходит дегенерация андроцея растения, проявляющаяся либо в дегенерации пыльников, либо в нераскрытии пыльников, либо в образовании нежизнеспособной пыльцы. Генотипы с диким типом митохондрий обозначаются N либо Cyt N (т.е. нормальный тип цитоплазмы), генотипы с мутантным митохондрионом обозначаются как S либо Cyt S (т.е. стерильная цитоплазма). В ядерном геноме клетки растений также имеются особые гены-восстановители фертильности (англ. restorer of fertility или Rf -гены), доминантные аллели которых полностью либо частично восстанавливают фертильность андроцея. Только генотипы, имеющие мутантный митохондрион и являющиеся рецессивными гомозиготами поRf -генам, являются стерильными (Cyt S rfrf ), все остальные генотипы являются фертильными.

Селекция F1 гибридов капусты белокочанной на основе ЦМС

Использование при семеноводстве F1 гибридов материнских форм с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) исключает самоопыление и наличие сибсов в партиях гибридных семян.

Мужская стерильность встречается почти у 140 видов высших растений и связана с аномальным развитием пыльников (нераскрываемость пыльника или абортация пыльцы на различных стадиях микроспорогенеза (Бунин, 1994). Причиной возникновения ЦМС являются мутации в митохондриальной ДНК (mт-DNА), которые передаются потомству при семенном размножении растений материнской линии.

После открытия специфических доминантных геноввосстановителей фертильности (Rf-генов) стало возможным коммерческое использование ЦМС-линий в качестве материнских родительских форм таких важных сельскохозяйственных растений как кукуруза, сорго, рис, подсолнечник.

У растительных видов Вгаssicaceae L. (также как у лука,

свеклы и моркови), наблюдается более сложное наследование МС, что до недавнего времени отражалось на эффективности ее использования в гетерозисной селекции. Фенотипическое проявление мужской стерильности у капустных растений чаще обусловлено взаимодействием цитоплазмы с генами ядра, находящимися в гомозиготном состоянии, то есть, по существу, относится к ядерно-цитоплазматической мужской стерильности. Поэтому, в отличие, например, от кукурузы, это требует создания специальных линий - закрепителей стерильности, что усложняет селекционно-семеноводческий процесс. Вместе с тем, у овощных крестоцветных культур таких видов как В. о1егасеа, В. саmpestris, R sativus, нет необходимости в восстановлении фертильности, так как у этих растений используют в пищу вегетативные органы.

Среди растительного разнообразия видов Вгаssica L. форма с ядерно-цитоплазматической МС была впервые обнаружена Оgura (1968) у неидентифицированного сорта японского подвида редьки - дайкона. Цветки у растений этой формы имеют ряд морфологических особенностей: мелкие бутоны, петелькообразный или выступающий из бутона пестик, отмирание первых бутонов на соцветии и т.п. Дегенерация пыльцы у таких МС-растений дайкона происходит в стадии микроспорогенеза и связана с ранним коллапсом ткани тапетума. Данный тип стерильности индуцируется при взаимодействии стерильной цитоплазмы S (оgи) с гомозиготным рецессивным ядерным геном msms (rfog rfog) (Бунин, 1994).

В России попытки использования мужской стерильности предпринимались в ТСХА и во ВНИИССОКе. В ТСХА З.Г. Аверченкова в начале семидесятых годов обнаружила в сорте Амагер611 несколько растений с ядерноцитоплазматической мужской стерильностью (Аверченкова, 1968). Этот тип мужской стерильности не удалось использовать в практической селекции, так как не были получены закрепители стерильности. И.М. Колесников (ВНИИССОК) интродуцировал из Чехии андростерильные линии брокколи.

По фенотипическому проявлению мужской стерильности эти линии, вероятнее всего, обладали оgи-ЦМС. Попытки использования этих линий непосредственно в селекционном процессе не увенчались успехом из-за их недостатков: отсутствие лепестков у цветков, отмирание бутонов при неблагоприятных условиях и т.д.

Таким образом, продолжительное время получение гибридов капусты на базе мужской стерильности было весьма проблематичным.

Тип ЯЦМС, по мнению А.В. Крючкова (1974) имеет еще ряд недостатков:

1) сложно поддерживать линию ЯЦМС в гомозиготном по большинству генов состоянии, так как закрепитель стерильности может быть с другим генотипом и как следствие гибриды F1 окажутся невыровненными;

2) при семеноводстве линий и гибридов семена собираются только со стерильной линии и их выход значительно снижается.

Доноры ЦМС у кочанной капусты были не найдены. В 1988 году М.С. Бунин интродуцировал форму дайкона с мужской стерильностью из Японии в Россию. Гибридологический анализ показал, что андростерильность у него контролируется взаимодействием между рецессивным ядерным геном в гомозиготном состоянии msms и стерильной цитоплазмой (S), то есть соответствует оgи-ЦМС.

В настоящее время имеется несколько систем ЦМС у масличных крестоцветных культур. Широкое использование в селекционных программах по созданию гибридов масличного рапса получила роlima-ЦМС, которая была идентифицирована как спонтанная мутация в польском сорте рапса.

Закрепители стерильности найдены в рапсе, генвосстановитель фертильности был выделен в сорте рапса Italу и в Вг. jиnсеа. На базе polima-ЦМС созданы и зарегистрированы F1 гибриды ярового рапса: в Китае - Qui - Yong, в Канаде - Hyola 401, в Европе - Hybridol. Система jun - ЦМС (В. jиnсеа) является по сравнению с polima-системой более стабильной, и на ее основе у индийской горчицы и масличного рапса были получены гибриды F1 с частично восстановленной мужской фертильностью.

Систему nар-ЦМС, идентифированную Тоmрsоn (1976) и Shiga (1976) у В. парus, используют редко в гетерозисной селекции масличного рапса из-за нестабильности МС в интервале температур от 20 до 26°С.

Система саm-ЦМС (В. саmpestris) была идентифицирована как достаточно близкая к nар-системе с соответствующими недостатками при использовании в селекции гетерозисных гибридов.

Система nigrа-ЦМС. Получена переносом генома В. napus и В. о1егасеа в цитоплазму В. nigrа. Обладает высокой стабильностью в В. о1егасеа и низкой в В. nigra. При этой системе пыльники видоизменены в лепестки (петалоидная стерильность - рр):

мужская стерильность (b) рр (b - цитоплазма В. nigra);

закрепитель стерильности (с) рр (с - цитоплазма

В. найдены в кормовой и кочанной капусте;

восстановитель фертильности (с) РР, найдены в кормовой и кочанной капусте.

Система tоuг-ЦМС. Создана на основе В. tourneforii. Использована при создании первых гибридов В. junсеа.

Система muг-ЦМС. Найдена после переноса ядра В. nаpus в цитоплазму Diplotaxis muralis. Передана в турнепс и рапс. Проявление стабильное, но отсутствует закрепитель стерильности.

В последние годы в ряде стран (Голландия, Дания, Бельгия, Франция, Япония) успешно проводятся селекционные работы по использованию форм капусты с ЦМС.

В России в РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева на Селекционной станции им.Н. Н. Тимофеева продолжены начатые ранее работы по отысканию и использованию форм капусты с ЦМС В результате проведенных работ создан гибрид среднепоздней капусты Фаворит с использованием ЦМС. Установлена высокая эффективность метода отдаленной гибридизации при передаче ЦМС из рапса (B. napus) в капуступекинскую (B. pekinensis).

У многих видов цветковых растений установлена цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС). Наиболее хорошо она изучена у кукурузы.

Мужскую стерильность впервые обнаружил К. Корренс в 1904 г. у огородного растения летний чабер. В 1921 г. В. Бэтсон обнаружил ее у льна, а в 1924 г. американский генетик Д. Джонс – у лука, в 1929 г. А.И. Купцов – у подсолнечника.

В 1932 г. М.И. Хаджинов и одновременно независимо от него американский генетик М. Родс обнаружили мужско-стерильные растения у кукурузы. В дальнейшем было установлено, что мужская стерильность широко распространена среди цветковых растений.

Мужская стерильность возникает при отсутствии пыльцы или неспособности ее к оплодотворению и проявляется в следующих трех основных формах:

1. Мужские генеративные органы – тычинки совершенно не развиваются; подобное явление наблюдается у растений некоторых видов табака.

2. Пыльники в цветках образуются, но пыльца в них не жизнеспособна; эта форма стерильности чаще всего встречается у кукурузы.

3. В пыльниках образуется нормальная пыльца, но они не растрескиваются, и пыльца не попадает на рыльца; это очень редкое явление наблюдается иногда у некоторых сортов томатов.

Мужская стерильность генетически может обуславливаться генами стерильности ядра и взаимодействием ядерных генов и плазмогенов. В соответствии с этим различают два вида мужской стерильности: ядерную (ЯМС, или ГМС) и цитоплазматическую (ЦМС). Ядерная стерильность вызывается мутациями генов хромосом. В связи с тем, что гены стерильности рецессивные, а гены фертильности доминантные, при этом типе стерильности от скрещивания стерильных форм с фертильными все растения F 1 бывают фертильными, а в F 2 происходит расщепление на фертильные и стерильные формы в отношении 3: 1; в последующих поколениях число стерильных форм непрерывно уменьшается.

РР ♀ стерильна × ♂ фертилен

F 1 фертильно

F 2 3: 1

фертильны стерильна

При опылении растений кукурузы с мужской стерильностью пыльцой нормальных растений получалось потомство со стерильной пыльцой. При повторных возвратных скрещиваниях с растениями, имеющими нормальную пыльцу, вновь возникло потомство с мужской стерильностью, даже если все 10 хромосом материнской линии замещены на хромосомы отцовской, нормальной линии.

РР ♀ стерильна × ♂ фертилен

♀ F 1 стерильна × ♂ фертилен

♀F β 1 стерильна × ♂ фертилен

F β 2 стерильно и т. д.

Для объяснения причин возникновения ЦМС было выдвинуто три гипотезы. Одна из них, известная под названием вирусной, связывает возникновение мужской стерильности с вирусной инфекцией, которая может передаваться при половом размножении через цитоплазму яйцеклетки.

Вторая гипотеза рассматривает возникновение ЦМС как результат несоответствия цитоплазмы и ядра разных видов при отдаленной гибридизации.

Третья гипотеза рассматривает ЦМС как результат специфических мутаций плазмогенов. Можно утверждать, что ЦМС обусловлена наследственными изменениями (мутациями) цитоплазмы. Она обычно полностью сохраняется в F 1 и последующих поколениях, устойчиво передается по материнской линии, а наследственные факторы, ее обуславливающие, не находятся в хромосомах ядра.

В результате изучения и обобщения экспериментального материала по наследованию мужской стерильности возникло представление о том, что это свойство обусловлено взаимодействием цитоплазмы и генов хромосом, составляющих вместе генетическую систему. Цитоплазма, обусловливающая стерильность пыльцы, получила обозначение Цит S , а цитоплазма, дающая растение с фертильной пыльцой – Цит N . Существует локализованный в хромосомах доминантный ген Rf (от начальных букв restoring fertility – восстанавливающий фертильность), который, не изменяет структуры и специфичности стерильной цитоплазмы, в то же время препятствует ее проявлению (РЧС-42). Плазмогены мужской стерильности проявляют свое действие только в сочетании с рецессивными аллелями этого гена. Следовательно, только сочетание Цит S rf rf может обусловить развитие мужской стерильности. Фертильная пыльца образуется на основе нормальной цитоплазмы в сочетаниях - Цит N R f Rf , Цит N Rf rf и Цит N rf rf и на основе стерильной цитоплазмы в сочетаниях Цит S Rf Rf и Цит S Rf rf. Таким образом, наследование ЦМС по материнской линии возможно только в скрещиваниях следующих линий (рис. 42):

РР ♀ Цит S rf rf × ♂ Цит N rf rf

стерильная фертильная

гаметы: ♀ Цит S rf ♂ rf

F 1 Цит S rf rf

(стерильность закрепляется)

Линия Цит N rf rf называется закрепителем стерильности.

РР ♀ Цит S rf rf × ♂ Цит N(S) Rf Rf

стерильная фертильная

гаметы: ♀ Цит S rf ♂ Rf

F 1 Цит S Rf rf

(фертильность восстанавливается)

Линии Цит S Rf Rf и Цит N Rf Rf называются восстановителями фертильности. Скрещивание стерильных линий с растениями Цит N Rf rf и Цит S Rf rf дает половину стерильных и половину фертильных по пыльце растений. Такие растения можно назвать полувосстановителями фертильности.

Мы разобрали наиболее простой случай наследования стерильности, связанный с взаимодействием плазмогенов мужской стерильности (Цит S) и одной аллельной пары генов - rf rf . Сейчас изучены более сложные генетические системы ЦМС, связанные в проявлении стерильности пыльцы с двумя и тремя генами.

ЦМС очень широко используется при создании на стерильной основе гетерозисных гибридов кукурузы, подсолнечника и других культур.

У кукурузы большинство линий, существующих в природе, имеют генотип Цит N rf rf , то есть являются закрепителями стерильности. Однако с помощью насыщающих скрещиваний можно эти линии переделать в стерильные аналоги или в восстановители фертильности.

Получение стерильного аналога возможно следующим образом:

РР ♀ Цит S rf rf × ♂ Цит N rf rf

донор фертилен

плазмогенов (реципиент)

стерильности

гаметы: ♀ Цит S rf ♂ rf

F 1 Цит S rf rf

стерильно

В F 1 50% признаков от донора и 50% от линии реципиента. Необходимо вытеснить признаки линии-донора (кроме Цит S) и заменить их признаками линии-реципиента. Для этого проводят 5-6 возвратных скрещиваний:

РР ♀ F 1 Цит s rf rf × ♂ Цит N rf rf

стерильная фертилен (реципиент)

гаметы: ♀ Цит S rf , ♂ rf

F β 1 Цит S rf rf (75% признаков от реципиента

стерильно и 25% - от донора)

F β 6 Цит S rf rf (>99% признаков линии

стерильно реципиента и ≈1% - донора)

После шестикратного насыщения получим стерильный аналог (Цит S rf rf ) фертильной линии (Цит N rf rf ).

Стерильный аналог – это линия, сходная по всем признакам с исходной формой, но обладающая свойством цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС).

Скрещивание, приводящее к восстановлению фертильности, записывается так:

РР ♀ Цит S Rf Rf × ♂ Цит N rf rf

фертильная фертилен

(донор (реципиент)

доминантных

ядерных генов

гаметы: ♀ Цит S Rf , ♂ rf

F 1 Цит S Rf rf

фертильно

Методом насыщающих скрещиваний и отбора по фертильности на фоне цитоплазмы с плазмогенами мужской стерильности получаем восстановительный аналог (Цит S Rf Rf ) фертильной линии Цит N rf rf . При этом в качестве донора генов, обусловливающих восстановление фертильности, берется любая фертильная линия, обладающая доминантными ядерными генами на фоне плазмогенов мужской стерильности.

РР ♀ F 1 Цит S Rf rf х ♂ Цит N rf rf

фертильная фертилен (реципиент)

Гаметы: ♀ Цит S Rf , Цит S rf , ♂ rf

F β 1 Цит S Rf rf + Цит S rf rf – браковка стерильных

фертильно стерильно форм

F β 4 ♀Цит S Rf rf + ♂Цит S rf rf

фертильная стерилен

Для перевода генов из гетерозиготного состояния в гомозиготное следует провести двухкратное самоопыление:

РР ♀ Цит S Rf rf х ♂ Цит S Rf rf

фертильная фертилен

Гаметы: ♀ Цит S Rf , Цит S rf ♂ Rf , rf

F 2 Цит S Rf Rf + 2 Цит S Rf rf + Цит S rf rf

фертильно фертильно стерильно

Линия с генотипом Цит S Rf Rf является аналогом линии Цит N rf rf . Аналог – восстановитель – это линия, по комплексу признаков сходная с данной формой, но обладающая доминантными генами – восстановителями фертильности.

Плазмогены мужской стерильности производят плейотропное действие: уменьшается число листьев, снижается устойчивость к некоторым болезням.

Задачи

1. Установив, по данным об улитках F 3 , генотипы улиток F 2 объясните, что дает нам отношение 3: 1 для выяснения генетической основы декстральной и синистральной извитости раковин у этого вида?

2. Какие данные Вы можете представить в пользу того, что чувствительность к СО 2 у дрозофилы обусловлена вирусом, а не нормальным хромосомным геном?

3. Объясните, почему раковины всех улиток F 2 имели декстральный завиток, хотя, как показал анализ особей F 3 , около ¼ всех особей F 2 были гомозиготными по синистральному завитку раковины?

4. Листья у львиного зева могут быть зелеными, белыми и пестрыми. Проведены следующие скрещивания:

♀ зеленые × ♂ белые; ♀ зеленые × ♂ пестрые;

♀ белые × ♂ зеленые; ♀ белые × ♂ пестрые;

♀ пестрые × ♂ белые; ♀ пестрые × ♂ зеленые;

Определите фенотип F 1 от каждого скрещивания.

5. Какие из генотипов линий кукурузы, генные формулы которых приведены ниже, обладают мужской стерильностью, закрепительной и восстановительной способностью?

1. Цит N rf rf

2. Цит S rf rf

3. Цит N Rf Rf

4. Цит S Rf Rf

6. У кукурузы от скрещивания линии А Б возникают гибриды со стерильными метелками. От скрещивания линии А с линией В возникают фертильные гибриды. От скрещивания линии В с линией Б получаются только фертильные растения в первом и во втором гибридных поколениях. Определите генотипы этих линий.

7. От скрещивания линии А , обладающей мужской стерильностью, с линией Б получаются гибриды первого поколения со стерильными метелками. От скрещивания линии А с линией В возникают фертильные гибриды. От скрещивания линии В с линией Б получаются фертильные гибриды, выщепляющие в F 2 растения с мужской стерильностью. Определите генотип линий А , Б , В .

8. Растение кукурузы со стерильной метелкой было опылено пыльцой фертильного растения. В F 1 возникли фертильные растения, а в F­ 2 – 78 нормальных и 26 – со стерильными метелками. Написать скрещивания с использованием генетической символики.

9. Размножьте семена линии кукурузы с цитоплазматической стерильностью. Каким генотипом при этом должны обладать отцовские растения мужской линии, чтобы в F 1 вновь были получены семена, несущие в генотипе мужскую стерильность?

10. Произведите скрещивание стерильных линий кукурузы с фертильными растениями, имеющими следующие генотипы: Цит S Rf rf , Цит N Rf rf , Цит N Rf Rf и и Цит S Rf Rf . Определите соотношение стерильных и фертильных растений в F 1 и в F 2 .

Стерильность пыльцы, вызванная цитоплазматическими факторами, носит название цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС). Свое название ЦМС получила потому, что этот признак наследуется по материнской линии, через цитоплазму яйцеклетки, и не передается спермиями, т. е. через мужского родителя. ЦМС возникла в ходе эволюции цветковых и проявляется обычно в популяциях растений спонтанно. Она обусловливается определенными ядерно-цитоплазматическими отношениями и выражается в дегенерации большинства пыльцевых зерен и пыльников на определенных этапах их развития.

У многих видов, наиболее четко это показано для кукурузы, признак ЦМС, или стерилизующие свойства цитоплазмы, закодирован в митохондриальном геноме, а у некоторых видов растений ЦМС связывают с геномом пластид. Этот вопрос еще не совсем ясен, поскольку некоторые исследователи полагают, что ЦМС обусловлена вирусной природой.

В настоящее время это явление обнаружено у сотен видов растений и используется в связи с гетерозисом для получения гибридных семян первого поколения по принципу восстановления. Отцовская линия, как правило, несет доминантные гены и при массовой гибридизации восстанавливает фертильность в потомстве. Таким образом, высевая гибридные семена, можно получить гетерозисное потомство и фертильные семена, дающие высокий урожай растения.

Наиболее четко этот признак изучен у кукурузы, где, имея источник стерильности - стерильную линию, можно путем обратных насыщающих скрещиваний перевести любую женскую линию на стерильную основу, т. е. сделать ее стерильной. Генетические условия получения стерильной линии - наличие рецессивных мутантных генов rf, rf 2 в гомозиготном состоянии и соединение их в зиготе со стерилизующей цитоплазмой. Растения такого типа образуют абортивную пыльцу, в то время как их семяпочки совершенно нормальны и фертильны.

По генетическим признакам и реакции на различные линии, закрепляющие в потомстве признак ЦМС, и линии, восстанавливающие фертильность, а также по характеру и времени абортивности пыльцы выделяют различные типы ее стерильности: техасский - Т-тип, молдавский - М-тип, «С»-стерильность пыльцы у кукурузы и др.

Источником ЦМС у пшеницы могут служить различные виды эгилопса и такие виды пшениц, как Т. timopheevi, Т. zhukovskyi, Т. timonovum, Т. araraticut, Т. dicoccoides inf. Восстановление фертильности у пшеницы осуществляется полигенной системой главных факторов и генами-модификаторами.

Характерным цитологическим признаком развития стерильной пыльцы для большинства растений является начало деструктивных процессов в постмейотический период, т. е. сразу же после освобождения микроспор из каллозной оболочки тетрад. У кукурузы, в частности техасского типа стерильности, это выражается в ненормальной вакуолизации цитоплазмы микроспоры и в отсутствии развития центральной вакуоли; дифференцирующего митоза не происходит. При других типах стерильности, как например S-тип у кукурузы, развитие идет до образования 2-клеточного пыльцевого зерна, а затем наступает его дегенерация.

Детальное эмбриологическое исследование ЦМС у пшеницы выявило, что фаза вакуолизации микроспоры наиболее уязвима при развитии пыльцевого зерна.

Изучение цитологии мужской стерильности у различных культурных растений показало, что процесс стерилизации пыльцевых зерен в пыльнике происходит несинхронно. Для пыльцевых зерен с ЦМС характерны аномальная вакуолизация генеративных и вегетативных клеток, гидратация кариоплазмы ядра вегетативной клетки, нарушение движения генеративной клетки, нарушение движения ядер в микроспоре и вегетативной клетке. Кроме того, в пыльце ЦМС отмечается уменьшение количества крахмала, а также пикноз ядер и цитоплазмы.

Характерный признак развития пыльника при ЦМС - задержка лизиса тапетального слоя клеток, а для многих растений с ЦМС свойственны его гипертрофия, многоядерность и активное разрастание в полость гнезда пыльника. Это наблюдается у пшеницы, сорго, подсолнечника, сахарной свеклы и т. д.

Все указанные выше нарушения приводят к тому, что к моменту созревания пыльцы у кукурузы, пшеницы, ржи, ячменя и других видов растений с ЦМС наблюдается масса «пустых» зерен (без цитоплазмы и ядер) в дегенерирующих пыльниках.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по изучению генетической, цитологической и эмбриологической природы ЦМС. Это явление открывается у все новых видов культурных растений и широко используется в селекционно-семеноводческой практике для массового получения гибридных семян первого поколения.

При исследовании ЦМС нужно помнить, что пыльник - сложная интегрированная система, где развитие пыльцы тесно связано с окружающими его тканями (стенка пыльника), поэтому изучать это явление необходимо усилиями специалистов разного профиля - генетиков, селекционеров, цитологов и обязательно эмбриологов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Понятие и виды цитоплазматической мужской стерильности

Мужская стерильность - отсутствие образования пыльцы у растений может быть следствием ядерных мутаций или быть связано с цитоплазматическими факторами наследственности. Мужскую стерильность у лука впервые обнаружил американский генетик Д. Джонс в 1924 г. Для получения гибридных семян цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) является предпочтительной по сравнению с генетической ядерной мужской стерильностью, потому что характеристики ЦМС не подвергаются расщеплению. Например, генетическая ядерная мужская стерильность обычно кодируются одним рецессивным геном, поэтому для экспрессии мужского стерильного фенотипа требуется гомозиготность. Для распространения растений с генетической ядерной мужской стерильностью гомозиготные рецессивные стерильные мужские растения должны быть скрещены с изогенной мужской фертильной линией, гетерозиготной по гену мужской стерильности. Такие скрещивания приводят к образованию определенного процента мужских фертильных растений (50% в системе с одним геном), которые должны быть удалены с поля сразу же, как только может быть идентифицирована их фертильность, чтобы поддержать эффективность желаемой популяции с мужской стерильностью. Удаление с поля мужских фертильных растений представляет собой тяжелый и дорогостоящий труд. Таким образом, расщепление ядерных генов сильно ограничивает пригодность генетической ядерной мужской стерильности для получения гибридных семян.

Цитоплазматическая мужская стерильность экспрессируется во всем потомстве гибридного скрещивания между родителями ЦМС-инбредной линии и линии с мужской фертильностью. По этой причине для получения гибридных семян предпочтителен способ, основанный на использовании ЦМС - характеристик.

Создание гетерозисных гибридов лука с использованием ЦМС растений

Широкое распространение гибридов F 1 в товарном производстве лука репчатого в Японии, Нидерландах и других странах, а также исследования, проведенные в России, показывают большое преимущество гибридов в продуктивности, выравненности гибридов по вызреванию, размеру, форме и качеству луковицы по сравнению с сортами. По данным разных исследователей, повышение продуктивности гибридов составляло 39-52%. Так как получение гибридных семян при искусственном опылении затруднено из-за кастрации цветков и в производственных масштабах невозможно, наиболее целесообразным является создание гибридов на основе мужской стерильности. В селекционной практике наиболее распространенным способом получения таких гибридов является использование в качестве материнских форм линий, обладающих цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС).

В России наиболее успешно проводят исследования в этом плане ВНИИР, ВНИИССОК, в Приднестровском НИИСХ республики Молдова, где созданы стерильные линии сортов Восточный 61, Стригуновскиц, Каба и др. и на их основе созданы перспективные гетерозисные гибриды.

Растения с ЦМС можно найти практически в любом сорте лука, при этом количество их может колебаться от 0,1% до 30%. У семенных растений лука встречаются 2 типа мужской стерильности. У первого тип раскрытый цветок по внешнему виду почти не отличается от цветка с фертильной пыльцой, за исключением того, что столбик у него растет несколько быстрее тычинок. Тычиночные нити короткие, пыльники светло-зеленые, слабо выполненные, усыхают не вскрываясь.

У растений второго типа цветок практически остается в бутоне, а столбик быстро выходит наружу из нераскрытого цветка. Пыльники не имеют жизнеспособной пыльцы, зонтики отличаются по яркости окраски от зонтиков растений с фертильной пыльцой. Обнаружить растения с мужской стерильностью довольно легко, но гораздо труднее сохранить и закрепить признак ЦМС в потомстве этих растений, т.е. создать стерильные линии - исходный материал для создания гибридов F 1 .

Поэтому работа по созданию гетерозисных гибридов F 1 состоит из следующих этапов:

1) выявление растений с ЦМС;

2) закрепление признака ЦМС;

3) получение гетерозисных гибридов.

Установлено, что пыльцевая стерильность лука обусловлена взаимодействием цитоплазматического фактора S с рецессивным геном mS в гомозиготном состоянии msms. В присутствии нормальной цитоплазмы N или доминантного гена MS пыльца развивается нормально, и растение будет фертильно. Растение со стерильной пыльцой может дать потомство только в случае опыления пыльцой фертильного растения. В сортовой селекции лука растения с фертильной пыльцой могут быть представлены такими сочетаниями цитоплазмы и генов, как NMSMS, Nmsms, SMSMS, SMSms, Smsms. При опылении ими растения с генотипом Smsms наследование стерильности будет различным. Закрепляется ЦМС только в том случае, если растение с генотипом Ssmsm опыляется пыльцой с растения с генотипом Nmsms. Потомство от такого растения должно быть на 100% со стерильной пыльцой. При других сочетаниях цитоплазмы фертильность пыльцы в потомстве восстанавливается полностью или частично.

Процесс закрепления мужской стерильности в настоящей разработке довольно сложен и продолжителен. Во ВНИИР разработана единая схема селекционного процесса получения стерильных линий в течение 5 генераций (для двулетней культуры):

1-й год - выявляются стерильные растения с большим количеством цветочных стрелок, каждая из которых опыляется под изолятором фертильным соцветием отдельного отцовского растения-опылителя.

2-й год - высевают по семьям семена с каждой стрелки стерильного растения и с каждой самоопыленной стрелки фертильного растения.

3-й год - высаживают стерильные и фертильные семенники по семьям отдельно. Проверяют материнские растения на стерильность. Оставляют семьи со 100%-ной стерильностью и опыляют растения соответствующими отцами-опылителями. Растения отцов-опылителей самоопыляются.

4-й год высевают семена раздельно по стерильным линиям и отцам-опылителям.

5-й год все семенники высаживаются вместе, семена с отцовских и материнских растений собирают отдельно.

В практической работе линию со 100%-ной стерильностью растений поддерживать трудно из-за модифицирующего действия других генов, которое обуславливает появление некоторого числа фертильных растений, но их количество недолжно превышать 5%.

Для получения гетерозисных гибридов F 1 необходим подбор лучших сортов-опылителей. В качестве отцовских компонентов используют доноры наиболее ценных хозяйственных признаков: устойчивости к болезням, скороспелости, лежкости, округлой формы. Оценку комбинационной способности линий ведут методом топкросса и она возможна на ранних этапах, так как для этого не нужно иметь много маточников. Для ускорения работ по подбору отцов-опылителей их оценивают на комбинационную способность с использованием инцухт-линий. Наиболее эффективен при этом метод поликросса. Выделявшиеся в обоих случаях наиболее ценные линии и сорта по общей комбинационной способности оцениваются в дальнейшем на специфическую комбинационную способность методом диаллельных скрещиваний .