Гибридологический анализ изменчивости частоты рекомбинации (rf) в популяции F2 гибридов растений томата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года

Всероссийской научно-исследовательский институт биологической защиты растений

Гибридологический анализ изменчивости частоты рекомбинации (rf) в популяции F2 гибридов растений томата

Лыско Ирина Анатольевна, к.б.н.

Щербаков Николай Алексеевич, к.с.-х.н.

Краснодар

Аннотация

Проведен анализ динамики изменчивости частоты рекомбинации в популяции расщепляющихся F2 межвидовых и внутривидовых гибридов растений томата. Обнаружено, что частота рекомбинации зависит от компонентов скрещивания. Установлено, что мутантные формы Мо 393, Мо 628 и межвидовой гибрид F1 Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum целесообразно использовать в селекционном процессе в качестве индуктора генотипической изменчивости.

Ключевые слова: томат, гибрид, частота рекомбинации, кроссинговер, хромосома, сегмент, генетическая карта.

Основным источником генотипической изменчивости у высших организмов является рекомбинация. Практически все сорта сельскохозяйственных растений и породы животных, а также значительная часть полезных штаммов микроорганизмов созданы с использованием рекомбинации. Изменение моногибридных расщеплений представляет определенный интерес для практической селекции как метод управления процессом формообразования.

К настоящему времени в научной литературе накоплены весьма многочисленные данные, указывающие на возможность отклонения расщеплений в F₂ от ожидаемых, вызванных изменением частоты и спектра мейотической рекомбинации под воздействием как экзо-, так и эндогенных факторов воздействия [1 - 6].

При сцепленном наследовании генов характер моногибридного расщепления в F₂ зависит от многих факторов: расстояния между генами, частоты кроссинговера в микро- и макроспороцитах, типа гетерозиготы, наличия в генотипе перестроек хромосом и специфических мутаций; внешних условий - температуры, облучения и т.д. [7, 8].

Значительные отклонения моногибридных расщеплений от ожидаемых соотношений чаще всего наблюдаются при отдаленной гибридизации. При скрещивании отдаленных форм возможно проявление аномальной изменчивости, при которой кроссинговер может разделить очень тесно сцепленные участки и в результате возникает совершенно новое сочетание с «мутантным» фенотипическим проявлением [9 - 12]. При внутривидовых скрещиваниях нарушения в расщеплении могут быть обусловлены рядом причин, включающим пенетрантность, мейотический дрейф, элиминацию части гамет и др. В связи с этим могут меняться частоты кроссинговера между маркерными генами [7, 13].

Главной причиной изменчивости частоты рекомбинации является генотипическая среда, чем сильнее генетическое различие между исходными формами, тем меньше частота кроссинговера в маркированном сегменте [14, 15].

Цель настоящей работы заключалась в проведении анализа изменчивости частоты рекомбинации в популяции F₂ межвидовых и внутривидовых гибридов растений томата.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1) провести отбор маркерных мутантных форм томата с четким проявлением фенотипических признаков на ранней стадии онтогенеза;

2) оценить динамику рекомбинационной изменчивости расщепляющихся F₂ гибридов потомства самоопыленных растений F₁ гибридов;

3) выявить возможность индуцированного изменения генетической изменчивости рекомбиногенами.

Материалы и методы. Экспериментальную работу выполняли в 2011 - 2012 гг. в лаборатории «Изучение и поддержание генетической коллекции томата», а также на экспериментальной базе ГНУ ВНИИ биологической защиты растений (г. Краснодар).

Для проведения исследований использовали дикие виды (L. esculentum var. racemigerum (Lange) Brezh., L. hirsutum var. glabratum C.H. Mull.), мутантные формы (Мо 393, Мо 628, Мо 755), культурный сорт Марглоб и 8 полученных на их основе межвидовых и внутривидовых гибридов F₂.растений томата.

Описание диких видов растений томата приведено по А.А. Жученко и др. [16], мутантных форм в соответствии с каталогом Н.И. Бочарниковой [17].

Расщепляющиеся гибридные комбинации F₂ выращивали в условиях защищенного грунта в лизиметрах. При достижении сеянцами фазы 3 - 4 настоящих листьев проводили идентификацию по маркерным признакам. Согласно методике Ю.И. Авдеева [18], анализировали не менее 50 - 100 растений одного исследуемого образца.

Частота рекомбинации рассчитывалась на основе идентификации проростков F₂ с использованием пакета статистических программ “Биостат”. Эта программа позволяет подсчитывать частоту рекомбинации методом максимального правдоподобия с учетом наиболее вероятных гипотез о причинах нарушений (жизнеспособность гамет, зигот, неполная пенетрантность маркеров) [19].

Математическую обработку экспериментальных данных маркерного анализа осуществляли на персональном компьютере по программам, разработанным А.Б. Королем и И.А. Прейгелем (ИЭГ АН Молдова, 1985). При статистической обработке полученных результатов применяли критерии Стьюдента и ² [20].

Результаты исследований. В наших исследованиях у гибридов F₂ растений томата анализ фенотипических маркерных признаков выявил отклонение их наследования от ожидаемого (3:1), так как экспериментальные значения ч² превышали критическую точку ч²_st=3,84 (таблица 1).

Таблица 1 - Моногенное расщепление по отдельным признакам у гибридов F₂ растений томата, ГНУ ВНИИБЗР (2011 - 2012 гг.)

Примечание. Теоретический ожидаемый ч²=3,84.

Так, у гибрида Мо 393Ч L. hirsutum var. glabratum по маркерному гену m-2 это значение составило 79,61; у Мо 393 Ч L. esculentum var. racemigerum в сегменте с - 7,08; у Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum в сегменте аа - 28,69; wv - 9, 31; у Мо 755Ч L. esculentum var. racemigerum в этом же сегменте - 49,02; в сегменте аа - 44,59; d - 9,71; у Марглоб Ч Мо 755 в сегменте аа - 42,71; wv - 17,78. У гибрида Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum по маркерному гену е значение ч² составило 39,94; в сегменте ful - 118,98; hl - 8,95; у Марглоб Ч Мо 628 в этом же сегменте - 19,46; а - 54,52.

При анализе частоты мейотической рекомбинации (rf) в комбинациях скрещивания диких видов с мутантными формами обнаружены некоторые отклонения от значений классической генетической карты (таблица 2).

Таблица 2 - Частота кроссинговера у межвидовых и внутривидовых гибридов F₂ растений томата, ГНУ ВНИИБЗР (2011-2012 гг.)

Примечание: *, **, *** - отличия от L. esculentum (Марглоб) значимы при Р>0,05; 0,01 и 0,001 соответственно. Критические табличные значения коэффициентов Стьюдента для Р-0,95 - t-1,96; для Р-0,99 - t-2,58; для Р-0,999 - t-3,29.

Хромосома 2. По второй хромосоме в сегменте wv - d у межвидовых гибридов F₂ в комбинациях скрещивания с мутантной формой Мо 755, частота кроссинговера изменялась от 14,7 ± 1,98 до 27,8 ± 2,43 (рисунок 1). При этом у гибрида F₂ Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum значение rf приближено, но меньше значения генетической карты. У гибридов F₂ Мо 755 Ч L. esculentum var. racemigerum и Марглоб Ч Мо 755 отмечено значимое уменьшение частоты кроссинговера в 2 раза и их значение составило 14,7 ± 1,98 и 16,9 ± 2,82 соответственно.

Рисунок 1 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «wv - d» 2-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 755: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 755; c) Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum; d) Мо 755 Ч L. esculentum var. racemigeru.

Анализ частоты расщепления rf между генами aa - wv локализованными во 2-ой хромосоме показал, что частота кроссинговера изменялась от 4,2 ± 1,28 до 8,8 ± 2,72. При этом у гибрида F₂ Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum значение rf на уровне контроля (рисунок 2). У гибридов F₂ Мо 755 Ч L. esculentum var. racemigerum и Марглоб Ч Мо 755 частоты кроссинговера достоверно значительно ниже значения генетической карты. селекция кроссинговер томат

Рисунок 2 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «aa - wv» 2-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 755: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 755; c) Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum; d) Мо 755 Ч L. esculentum var. racemigerum

При анализе rf в сегменте aa - d, локализованном во второй хромосоме показал, что у межвидовых гибридов F₂ в комбинациях скрещивания диких видов с мутантной формой Мо 755 частота кроссинговера достоверно отличалась от значений генетической карты и варьировала от 13,3 ± 3,15 до 16,4 ± 2,11 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «aa - d» 2-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 755: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 755; c) Мо 755Ч L. hirsutum var. glabratum; d) Мо 755 Ч L. esculentum var. racemigerum

Хромосома 4. Анализ частоты расщепления rf в сегменте e - ful, локализованном в четвертой хромосоме показал, что частота мейотической рекомбинации в потомстве межвидовых гибридов F₂ достоверно отличалась от значений генетической карты и была существенно ниже (рисунок 4).

Рисунок 4 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «e - ful» 4-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 628: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 628; c) Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum

Хромосома 6. Анализ частоты rf между маркерными локусами с - m-2, локализованными в хромосоме 6 показал, что у межвидовых гибридов F₂ в комбинациях скрещивания диких видов с мутантной формой Мо 393 частота кроссинговера достоверно значительно выше, чем у контроля. У гибридов F₂ Мо 393 Ч L. hirsutum var. glabratum и Мо 393 Ч L. esculentum var. racemigerum его значение составило 37,5 ± 4,56 и 32,5 ± 4,67 соответственно. У гибрида F₂ Марглоб Ч Мо 393 частота кроссинговера была приближена к значению генетической карты и равнялась 24,8 ± 2,84 (рисунок 5).

Рисунок 5 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «c - m-2» 6-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 393: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 393; c) Мо 393Ч L. hirsutum var. glabratum; d) Мо 393 Ч L. esculentum var. racemigerum

Хромосома 11. При анализе частоты мейотической рекомбинации в 11 хромосоме rf в сегменте hl - a достоверно выше, чем у контроля. При этом у гибрида F₂ Марглоб Ч Мо 628 значение rf приближено, но больше значения генетической карты. У Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum отмечено увеличение частоты кроссинговера более чем в 2 раза и его значение составило 58,6 ± 7,15 (рисунок 6).

Рисунок 6 - Частота мейотической рекомбинации (rf) в сегменте «hl - a» 11-й хромосомы в комбинациях скрещиваний между дикими видами и мутантной формой Мо 628: a) генетическая карта; b) Марглоб Ч Мо 628; c) Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum

Таким образом, частота рекомбинации между разными парами локусов может значительно варьировать в различных гибридных комбинациях. Анализ моногибридных расщеплений маркерных локусов в F₂ выявил, что частота кроссинговера в большинстве сегментов (2, 4, 6) у исследуемых гибридов F₂ чаще значительно уменьшается и даже в несколько раз. Более низкие значения rf имели гибриды F₂, по сравнению с контролем, где в качестве отцовской формы использовали мутантные формы или L. esculentum var. racemigerum. Исключением были гибриды F₂ Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum и Марглоб Ч Мо 628, у которых наблюдалось компенсаторное существенное увеличение rf относительно контроля. В случаях, когда мутантная форма Мо 393 выступала в качестве материнской формы частота мейотической рекомбинации увеличивалась. Дикий вид L. hirsutum var. glabratum не оказывал существенного влияния на частоту рекомбинации. У гибридов F₂ с отцовской формой L. hirsutum var. glabratum значение частоты рекомбинации приближено к контролю.

Для увеличения частоты рекомбинации в селекционном процессе целесообразно использовать мутантные формы Мо 393, Мо 628 и межвидовой гибрид F₁ Мо 628 Ч L. esculentum var. racemigerum.

Список литературы

1. Mather K. Species crosses in Antirrhinum. I. Genetic isolation of the species Majus, Gluti-nosum and Oronlium./ Heredity. 1947. Vol. 1. P. 175-186.

2. Stephens S.G. Genetics. 1961. Vol. 46. № 2. P. 1438-1500.

3. Король А.Б., Прейгель И.А., Прейгель С.И. Изменчивость кроссинговера у высших организмов. Кишинев: Штиинца, 1990. 404 с.

4. Anderson L. K., Reeves A., Webb L. M., Ashley С.М. Distribution of crossovers on mouse chromosomes using immuno-fluorescent localization of MLH1 protein/ Genetics. 1999. V. 151. P. 1569-1579.

5. Богданов Ю.Ф. Изменчивость и эволюция мейоза/ Генетика. 2003. Том 39. №4. С. 453-473.

6. Akhunov, E.D., Goodyear A.W., Geng S., Echalieret B. et al. The organization and rate of evolution of wheat genomes are correlated with recombination rates along chromosome arms/ Genome Res. 2003. V. 13. P. 753-763.

7. Жученко А.А. Генетика томатов. Кишинев: Штиинца, 1973. 663 с.

8. Жученко А.А.мл. Архитектура репродуктивной системы томата. Кишинев: Штиинца, 1990. 201 с.

9. Жученко А.А., Король А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции. М.: Наука, 1985. 400 с.

10. Stebbins G.L. The cytological analysis of species hydrids/ Botanical Review. 1945. V. 11. P. 463-485.

11. Rogers J.C. The inheritance of photoperiodic response and tillering in maize-teosinte hybrids/ Genetics. 1950. V. 35. P. 513-540.

12. Rick C.M. Further studies on segregation and recombination in backcross derivatives of a tomato species hybrid/ Biol. Zbl. 1972. V.91. №.2. P. 209-220.

13. Harland S.C. The genetical conception of the species/ Biology Reviews. 1963. V. 11. №1. P. 83 - 112.

14. Ananiev E.V., Riera-Lizarazu O., Rinesand H.W., Phillips R.L. Oat-maize chromosome addition lines: A new system for mapping the maize genome/ Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 3524-3529.

15. Mezard C. Meiotic recombination hotspots in plants/ Biochem. Soc. Transact. 2006. V. 34. P. 531-534.

16. Дикие виды и полукультурные разновидности томатов и использование их в селекции/ А.А. Жученко, Е.Я. Глущенко, В.К. Андрющенко и др. - Кишинев: Картя молдовеняскэ, 1974. 139 с.

17. Бочарникова Н.И. Генетическая коллекция мутантных форм томата и ее использование в селекционно-генетических исследованиях/ ВНИИССОК. М.: Издательство ВНИИССОК, 2011. 120 с.

18. Авдеев Ю.И. Генетический анализ растений. Астрахань: Издательский дом «Астрахпнский университет», 2004. 379 с.

19. Жученко А.А, Король А.Б. Индуцированное увеличение изменчивости частоты кроссинговера в F₂ у томатов// Цитология и генетика. 1981. Т. 15. № 3. С. 23-28.

20. Литтл Т.М., Хиллз Ф.Дж. Сельскохозяйственное опытное дело. Планирование и анализ. М.: Колос, 1981. 320 с.

Размещено на Allbest.ru