Микробы

Спельтоиды. Наиболее часто встречающимися у мяг­ких пшениц мутантами, особенно после воздействия на семе­на ионизирующими   излучениями   (рентгеновыми, γ-лучами, быстрыми нейтронами), являются спельтоиды, скверхеды, компактоиды (Khvostova еt аl., 1965). Основная работа, в ко­торой подробно изучалась цитогенетика этих мутантов, при­надлежит Мак Кею (Маc Кеу, 1954). Особенно подробно им изучены спельтоиды. Это мутации обычно доминантные или полудоминантные, поэтому их иногда удается выделить и в М1 после обработки семян мутагенами. Довольно часто при­знаки спельтоидности (рыхлый колос, жесткие колосковые че­шуи) выявляются лишь в половине колоса, что указывает на химерную структуру растения М1.

Иногда появляются формы, у которых лишь чешуи спельтоидного типа, а зерна мутации не несут (об этом можно су­дить по тому, что в потомстве данное изменение не насле­дуется). За образование колосковой чешуи и зерен ответст­венны два слоя — дерматоген и субдерматоген. Данные по об­лучению свидетельствуют о том, что между мутациями, возни­кающими в этих двух слоях, существует очень высокая корре­ляция; видимо, эти слои дифференцируются позже и, возмож­но, происходят из одной клетки зародыша. Результаты ана­лиза химер у ячменя показали, что зачаток колоса в зароды­ше состоит из 1—4 клеток (Еriksson, 1965), в связи с этим можно ожидать .появления химерных растений М1 у кото­рых лишь 1/4 часть колоса несет признаки спельтоидности. Пока трудно объяснить частое появление в М1 нехимерных растений с доминантными мутациями, возникающих после воздействия химическими мутагенами па семена пшеницы (Зоз, 1966, 1969; Сальникова, Зоз, 1966). Нехимерные мутан­ты с доминантными признаками в М1 после воздействия излу­чениями появляются чрезвычайно редко.

Спельтоидные формы возникают сравнительно часто у мягких пшениц и в естественных условиях без воздействия мутагенами; частота естественных спельтоидных мутантов, по данным разных авторов, составляет 1,0—0,1%. При внутри­видовых и межвидовых скрещиваниях пшениц они появляют­ся несколько чаще (1,9—0,3%). В экспериментах наиболее часто спельтоиды возникают после воздействия разными ви­дами ионизирующих излучений, в частности быстрыми ней­тронами. О частоте их возникновения после воздействия хи­мическими мутагенами сведения противоречивы. По данным Эйгес (1965), они появлялись редко после воздействия на се­мена озимой пшеницы ППГ 186 этиленимином в концентра­циях 0,01—0,04% и чаще после воздействия более сильными концентрациями (0,07—0,1%). О редком появлении спeльтоидов после обработки химическими мутагенами сообщает Мак Кей (Маc Кеу, 1962, 1968).

Зоз (1969) наблюдала зависимость частоты спелътоидов oт длительности экспозиции    при обработке      этиленимином    и N-нитрозоэтилмочевиной. Ею установлено, что с увеличением времени экспозиции от 12 до 24 час. частота спельтоидов по­вышалась.

Цитогенетические исследования показали, что появление спельтоидов во всех проанализированных случаях связано с одним и тем же локусом определенной хромосомы. В настоя­щее время благодаря применению моносомного анализа точно установлено, что этот локус находится в длинном плече хро­мосомы 5А. У Т. аestivum, Т. соmpactum, Т. sphaerococcum в этом локусе имеется доминантный аллель (2, тормозящий раз­витие признаков спельтоидности, т. е. рыхлости колоса, жест­кости колосковых чешуи, тонкой длинной соломины.

Появление спельтоидных мутантов может быть связано с утерей либо целой хромосомы, несущей этот ген, либо ее участка, несущего ген Q, либо с точковой мутацией доминантного аллеля Q в рецессивный q.  Появление спельтоидных мутантов в ряде случаев не зависит от потери участка хро­мосом, поскольку увеличение дозы рецессивного гена qдает определенный эффект, обусловливающий у растений тип ко­лоса от спельтоидного к более плотному. Это доказывает, что рецессивный ген q обладает определенной активностью, но дей­ствие его лишь более слабое (гипоморфный аллель). Полу­чая растения с лишними хромосомами 5А (или лишними длинными ее плечами), несущими доминантный или рецессив­ный аллель гена Q, Мураматсу (Мuramatsu, 1963) выяснил следующие закономерности в опытах с пшеницей сорта Чайниз Спринг. При наличии одного гена Q (моносомия по 5А хромосоме, утеря локуса Q или гетерозиготность по этому локусу — Qq) растение будет спельтоидом. Увеличение дозы ге­на Q приводит к развитию или скверхедного типа колоса (QQ), или субкомпактоидного (QQQ)или компактоидного (QQQQ)типа (рис. 13). Увеличение дозы гена qприводит к тому же эффекту, но, поскольку действие этого гена слабое, лишь накопление пяти генов qдает скверхедный тип колоса. Таким образом, действие пяти генов qэквивалентно действию двух генов Q, т. е. действие одного аллеля Q сильнее эффекта аллеля qв 2,5 раза.

Следовательно, в этой работе доказывается, что некоторые мутанты спельтоидного типа связаны не с нехваткой в локусе Q, а лишь с ослабленным действием аллеля. Автор предлага­ет нехватки по Q обозначить символом q —.

Локус Q оказывает плейотропный эффект, в значительной степени определяемый генотипической средой. Так, у сорта Чайниз Спринг гомозиготы QQ дают скверхедный фенотип, а у других пшениц для развития скверхедности нужна большая доза гена Q. Уменьшение дозы генов Q и q приводит к более сильному выражению

Гетерозиготы    Qq могут быть по одним признакам ближе к спелые, по дру­гим — дальше, поэтому трудно говорить о доминировании ге­на Q, степень его зависит от генотипической среды. Т.spelta отличается от спельтоидов (как мутантов, так и форм, выщепляющихся при скрещиваниях) ломким колосовым стерж­нем и трудной обмолачиваемостью: по-видимому, развитие этих признаков зависит не от гена Q, а от других генов. По мнению Сваминатана (Swaminata, 1966), ген Q влияет на размер, форму и тургор клеток, что в свою очередь обуслов­ливает рост растений, толщину соломины, размер листовой пластинки, рыхлость колоса и жесткость чешуи. Очевидно, локус Q состоит из дупликаций с аддитивным действием. Кукук (Kuckuck, 1959) высказал предположение, что аллель Q мог возникнуть из q в результате неравного кроссинговера, как ген Ваr у дрозофилы, и представляет собой дупликацию. Если принять это предположение, то исходным аллелем дол­жен быть ген q, т. е. Т. vulgare должна была возникнуть из Т.spelta(о роли изучения мутаций для понимания эволюции пшениц будет сказано ниже).

Итак, спельтоиды — комплексная группа мутантов, хотя их появление всегда связало с локусом длинного плеча хро­мосомы 5А. В случае генной мутации возникают константные нерасщепляющиеся линии. Если спельтоидные мутанты появ­ляются у безостых форм в результате нехватки участка 5А хромосомы, то в следующих поколениях в мутантных линиях часто выщепляются остистые спельтоиды. Это объясняется тем, что деления захватывает в некоторых случаях не только генQ, но и расположенный в том же плече доминантный ген В1, тормозящий развитие остей. Гомозиготные по нехватке ра­стения имеют спельтоидный фенотип и остистый колос. Иног­да в мутаытных линиях наблюдается сложное расщепление — появление наряду со спельтоидами, скверхедов и растений с нормальной формой колоса. Такое расщепление связано с на­личием взаимной транслокации. Хорошо известно, что у осо­бей, гетерозиготных по транслокации, возникают гаметы с нехватками определенных локусов ис дупликациями этих же участков. У пшеницы, благодаря ее сложной аллополиплоидной природе, выживают гаметы и зиготы с нехватками л дуп­ликациями. Из зигот с нехватками развиваются растения спельтоидного типа, из зигот с дупликациями — скверхедного, из сбалансированных — нормального типа (рис, 14). Этот тип расщепления впервые описан Мак Кеем (Мас Кеу, 1954). Если появление спельтоидов связано с утерей целой 5А хро­мосомы (моносомией), то у гетерозиготных спельтоидов бу­дет 41 хромосома, а у гомозиготных — 40. В этом случае при расщеплении наблюдается дефицит гомозигот; отношение спельтоидов к нормальным растениям варьирует от 3,5 : 1 до 10 : 1, чаще всего 4 : 1. Цитологический анализ спельтоидов, полученных послевоздействия различных мутагенов на семена, подтвердил наличие разных типов среди этих мутантов. В классической работе Мак Кея (Мас Кеу, 1954) указывается на обнаружение в мейозе, у гетерозиготных спельтоидов неравных бивалентов (нехваток): колец из четырех хромосом (транслокации) и 20II и 1I (моносомики). У константных нерасщепляющихся спельтоидов, полученных под действием ионизирующих излучений, как показали исследования Мак Кея, мейоз протекает без нарушений. Цшеге (Zshege, 1963) изучила мейоз у трех спельтоидов, индуцированных химическими мутагенами. У всех форм были найдены нехватки: 20II + 2 фрагмента разной длины или 20II  и одна изохромосома, образовавшаяся из фрагмента.

Значительную работу по анализу мутантов, полученных у японской пшеницы Шинчугана, проделали Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967; Ichikawa, 1967). Большинст­во из 20 исследованных спельтоидов имело нехватки (гетероморфные биваленты или телоцентрики). Скрещивание этих ли­ний с серией моносомиков показало, что все нехватки относи­лись к хромосоме 5А. Среди спельтоидов была найдена одна моносомная форма, а один гомозиготный спельтоид отличался слабой жизнеспособностью, хотя у него было обнаружено нарушений в мейозе.

Эйгес было изучено цитологически пять спельтоидов, воз­никших у озимой пшеницы ППГ 186 после воздействия этиленимином в высоких концентрациях. Два из них оказались моносомиками, содержащими 20II и 1I , у одного была нару­шена конъюгация двух бивалентов, а у двух форм наблюдали нормальную конъюгацию хромосом (21II) и малый процент тетрад с нарушениями; видимо, появление последних было связано с генными мутациями.

Имеющийся материал по цитогенетическому анализу спельтоидных мутантов слишком мал для того, чтобы можно было говорить о появлении того или другого типа спельтои­дов при действии излучений или химических мутагенов.

Скверхеды.  Как указывалось выше, появление форм со скверхедным колосом нередко бывает связано с дуплика­цией гена Q. В частности, это наблюдается в линиях с гетерозиготными транслокациями, захватывающими этот локус. В таких линиях, благодаря механизму нехватки-дупликации, выщепляются как скверхеды, так и спельтоиды. Цшеге (Zschege, 1963) обнаружила при цитологическом анализе скверхедов тетрасомики (22II или 1I или 19II + 1I), у шести растений нарушений в мейозе выявлено не было. Ишикава и Нишияма (Ichikawa, Nishiyama, 1967) при анализе нерасщепляющихся скверхедов дупликаций не нашли; три ли­нии были гомозиготными по нехватке; у двух полностью от­сутствовало короткое плечо хромосомы 5А, т. е. одна линия была дителосомной, другая — моносомной.

Кроме того, этими авторами были исследованы компактоиды, расщепляющиеся на компактоиды, скверхеды и расте­ния с обычной для мягкой пшеницы плотностью колоса. У шеста таких линий хромосом было больше, чем 42. У одной линии со сложным расщеплением оказалось, что компактоиды (высота 30см) являются пентасомиками (2n=45), субкомпактоиды (высота 50 см) — тетрасомиками (2n=44), скверхеды (высота 70 см) — трисомиками (2п = 43). В данном случае ясно видно влияние дозы хромосомы на выражение признака. Скрещивание с моносомными линиями сорта Чайниз Спринг показало, что у компактоида и субкомпактоида лишними хромосомами являются хромосомы 5А. У одного из мутантов была выявлена изохромосома, состоящая из длин­ных плеч хромосомы 5А. Таким образом, в этих тщательно цитогенетически проанализированных случаях компактоиды, субкомлактоиды и выщепляющиеся скверхеды всегда имели дупликацию длинного плеча или всей хромосомы 5А. У сквер­хедов из линий, где компактоидов не обнаружено, было уте­ряно короткое плечо хромосомы 5А.

О наличии в коротком плече хромосомы 5А гена, потеря которого ведет к скверхедности, предположение было сделано еще раньше (Smith еt аl., 1950). Видимо, наличие этого гена стимулирует развитие рыхлого колоса.

Ишикава сообщает об обнаруженном им различии между сортом Чайниз Спринг и японским сортом Шинчунага:

Эти различия могут быть связаны, как с разной активно­стью у этих сортов гена Q (5А), так и других сходных ге­нов — q2 (5В), q3 (5D); они могут быть обусловлены также и другими эффектами генотипической среды, поскольку сам сорт Чайниз Спринг име'ет скверхедный колос.

Рыхлоколосые мутанты. Семь мутантов этого типа  (часть из них с укороченной соломиной)  были изучены

Цшеге (Zschege, 1963), Лишь у одного не было обнаружено изменений в мейозе, два были нуллисомиками, один имел 19II +1 или 2 унивалента, один — гомозиготную нехватку и два были тетрасомиками. Сходные по фенотипу мутанты, полученные в двух линиях под действием излучений и исследо­ванные Ишикава, оказались идентичными: они были нуллисо­миками по одной и той же хромосоме, при этом моносомный анализ выявил, что у них утеряна хромосома 6D.

Плотноколосые мутанты (но не скверхеды и не комлактоиды) в опытах японских авторов оказались либо нуллисомиками (карлики), либо моносомиками, либо это бы­ли линии с телоцентрическими хромосомами и гомозиготны­ми нехватками.

Д ру г и е  типы мутантов. Описанные выше типы му­тантов почти исчерпывают разнообразие форм, возникающих обычно при облучении. Встречаются еще растения с короткой соломиной, колос у которых не изменен. Мак Кей (Мас Кеу, 1954) пишет, что такие формы могли бы иметь практическое значение, так как укорочение соломины часто сопровождается ее утолщением. Однако большая часть таких мутантов имеет пониженную урожайность и связана с нехватками и моносомией. Полученные под действием быстрых нейтронов в опы­тах с озимой пшеницей ППГ 186 короткосоломистые фор­мы, названные нами эректоидами (Слой Чень-Мань, 1964; Khvostova еt аl., 1965), также оказались большей частью ма­лоплодовитыми и неконстантными. Малоперспективны и эректоидные формы, выделенные Эйгес у ППГ 186 после воздей­ствия этиленимином в высоких концентрациях, они некон­стантны. Цитологический анализ показал, что они являются моносомиками.

Таким образом, мутанты пшеницы с резко измененным фенотипом (drastic mutations), наиболее часто возникающее под действием быстрых нейтронов, оказались связанными с нарушениями хромосом. Мутанты такого же типа возникали и в опытах Эйгес под действием этиленимина в высоких кон­центрациях. Низкие концентрации вызывали появление му­тантов с менее резкими изменениями фенотипа («мягкие» му­тации), резких было мало (Эйгес, 1965). При наличии «мяг­ких» мутаций плодовитость не снижается, мутантные линии константны, пыльца нормальная, в мейозе нарушений не наб­людается. Такие формы появляются, видимо, главным обра­зом в результате точковых мутаций, и именно они представ­ляют наибольший интерес для селекции. После воздействия γ-лучами на семена пшеницы ППГ 186 возникло также до­вольно большое количество подобных мутантов (Можаева, 1961, 1965). К ним относятся формы с повышенной устойчи­востью к грибным заболеваниям, прочной соломиной и непроникающим колосом, измененным восковым налетом, остистые, раннеспелые и т. д.

Подобные точковые мутации локализуются сейчас в опре­деленных хромосомах пшеницы методом моносомного ана­лиза. Так, работы ряда авторов (Allan, Vogel, 1960; Tsunewaki, 1962, 1964; Driscoll, Jensen, 1964) показали, что на образова­ние воскового налета влияют хромосомы 2А, 4В и 6В; есть данные о влиянии на этот признак также хромосомы 2В.

На развитие остей влияют хромосомы 5А (ингибитор раз­вития остей, названный B1), 6В (ингибитор В2) и 4В (ген Нd. По данным Батиа и Сваминатана (Вbatia, Swaminathan, 1963), европейские и североамериканские безостые пшеницы имеют супрессор В1, а азиатские — В2. Пшеницы с длинными зачатками остей имеют супрессор В1 с короткими — В2, пол­ностью безостые — два доминантных супрессора В1В2 или B1 Нd; у таких пшениц полностью остистые мутанты обычно не возникают. Индийские авторы считают, что остистые му­танты представляют практический интерес, так как они мень­ше повреждаются птицами и более урожайные.

Довольно часто появляются в экспериментах мутанты бо­лее ранне - и позднеспелые, чем исходные сорта. Дрискол и Дженсен (Driscoll, Jensen,  1964) методом моносомного анали­за установили у сорта Селл 507s влияние на этот признак всех трех хромосом группы 5: хромосома 5D несколько затя­гивала развитие пшеницы, 5В, наоборот, способствовала раннеспелости, влияние хромосомы 5А было менее ясное, но в ней найден ген, влияющий на длительность периода ярови­зации. Хромосомы 1А и 7D несколько затягивали развитие ра­стений. Под действием этилметансульфоната и его производ­ных у двух сортов озимой пшеницы Капелли-Деспре и Старке возникли три яровых мутанта (два у первого сорта и один — у второго). Различия их с исходной формой имели монофакториальную природу. Скрещивание с моносомиками Чайниз Спринг показало, что мутации сорта Капелли-Деспре локали­зованы в хромосоме 5А, а у Старке — в хромосоме 5D (Maia еt аl., 1967).

Озимые формы возникали из яровых в опытах Цшеге. Ци­тологически она их не изучала, но при скрещиваниях ею ус­тановлено, что эти мутанты имеют монофакториальную при­роду.

Влиянию отдельных хромосом на устойчивость к заболе­ваниям .посвящена большая литература. Так, например, ука­зывается на наличие у разных сортов пшеницы генов устой­чивости к стеблевой ржавчине, локализованных в хромосомах 1А, 2А, 6А, 2В, 4В, 6В, 1D, 2D, 3D, 6D (Knott, Anderson, 1956; Sears еt аl., 1957; Burnham, 1962; см. также гл. V).

В опытах с химическими мутагенами рядом авторов отмечено возникновение мутантов типа Т. sphaerococcum 1963; Zschege, Swaminathan, 1966; Макарова идр., 1966; Черный, 1968). Цшеге изучила три возникших в ее опытах сферококкоида. Все они были тетрасомиками. Скрещивание с моносо­миками Чайниз Спринг показало, что ген, дающий дозовый эффект, локализован в хромосоме 3D.