Микробы

Курсу цитогенетики пшеницы посвящены в настоящее время очень большое число работ, главным образом зарубежных ис­следователей, которые очень слабо освещены в отечественной литературе. Программа предлагаемой вниманию слушателя поможет заполнить этот пробел.

Глубокое изложение затронутых проблем и вопросов обе­спечивается на основе книги “Цитогенетика пшеницы и ее гибридов”, написанные коллективом сотрудников ИЦИГ СО РАН. Книга будет служить ценным посо­бием для селекционеров, генетиков, а также заинтересует ис­следователей, работающих в различных областях биологии, преподавателей и студентов биологических и сельскохозяйст­венных высших учебных заведений.

Мягкая пшеница (Тriticum aestivum L.) является основ­ным хлебным растением мира. Она обеспечивает хлебом бо­лее половины населения земного шара, поэтому в мировом производстве пшеницы се удельный вес превышает 90%. В связи с этим многих исследователей интересовало и продол­жает интересовать происхождение мягкой пшеницы.

В 1913 г. была издана работа Шульца (Schulz, 1913), в которой описывалась история зерновых культур. На основа­нии морфосистематических исследований виды, входящие в род Тr. aestivum, были разделены Шульцем на три группы: одно­зернянки, полбы (эммеры) и спельты.

Новый период визучении пшеницы начался с 1918 г., ког­да Сакамура (Sakamura, 1918) впервые правильно установил число хромосом у разных видов пшениц. Аналогичные дан­ные были получены Саксом и 1922 г. (Sах, 1922). Ранее счи­тали, что диплоидные виды пшеницы имеют 2п—16, а тетра-плоидные 2п = 22. Сакамура и Сакс обнаружили, что од­нозернянки имеют в соматических клетках 14, пшеницы груп­пы полбы 28, а спельты 42 хромосомы. Сходные результаты получил Кихара (Кihara, 1924), изучая мейоз. При исследо­вании как диких, так и культурных видов пшеницы было най­дено, что основное число хромосом в роде Тгiticum x = 7.

Таким образом, результаты цитологических исследований полностью подтвердили разделение рода Тгiticum  на три группы, которое провел Шульц на основании изучения мор­фологических признаков. Интересно, что для групп однозер­нянок и полбы были найдены дикорастущие предки, в то вре­мя как для группы спельты дикорастущий предок обнаружен не был. Возник вопрос, какой вид дикой пшеницы был пред­шественником культурной мягкой? Существует ли он в приро­де или вымер? Поскольку для пшениц был установлен поли­плоидный ряд с числами 7, 14 и 21 хромосома, встал вопрос,  не являются ли пшеницы группы полбы и спельты аутополиплоидами?

В 1922 г. Сакс (Sах, 1922), исследуя мейоз у гибридов F1между Т. топососсит I. X Т. turgidum L., обнаружил семь бивалентов и семь унивалентов, что указывало на нали­чие у Т. turgidum  одного генома, общего с геномом Т. топо­соссит, и другого, отличающегося от него. Позднее к такому же выводу пришел Кихара (Кihara, 1924).

Геном группы однозернянки Кихара обозначил символом А. На основании цитологического анализа межвидовых гиб­ридов было установлено, что пшеницы группы полбы имеют второй геном, отличный от А, этот геном был назван В гено­мом. Более поздние работы Кихары (Кihara, 1954; Кihara, Yаmashita, 1956) и ряда других исследователей иными путя­ми подтвердили аллополиплоидную природу пшениц группы полбы: 28-хромосомные пшеницы, полученные в результате воздействия колхицина на пшеницы однозернянки, но были похожи на пшеницы группы полбы. Аллотетраплоидныe фор­мы могли произойти лишь в результате гибридизации между двумя разными видами с последующим удвоением числа хро­мосом. Для решения вопроса, имеют ли разные пшеницы группы полбы одинаковый геномный состав, Кихара провел межвидовые скрещивания в пределах группы полбы. При изучении конъюгации хромосом у гибридов F1он установил образование в мeтафазе I мейоза 14 бивалентов. Наличие 14 бивалентов свидетельствует о том, что разные пшеницы груп­пы полбы имеют одинаковый геномный состав.

Но есть ли геном А у пшениц группы, спельта? При анали­зе мейоза у гибридов F1  Т. sре1tа L. Х Т. топососсит Мель­бурн и Томпсон (Меlburn, Тhompson, 1927) обнаружили обра­зование пяти бивалентов, а Лонглей и Сандо (Longley, Sando,1930) в аналогичных скрещиваниях — семи бивалентов. Та­ким образом, было установлено, что геном А входит в кариотип пшениц как группы полбы, так и группы спельты.

Более поздние исследования показали, что диплоидные виды пшениц представлены группами, генетически достаточ­но родственными, в результате чего у межвидовых гибридов F1плодовитость не снижается.

На основании генетических и цитологических исследова­ний Райли и Белл (Riley,Bell,1958) установили, что Т. thaoudar Reut. является наиболее примитивным диплоидом и, по-видимому, наиболее близкой формой к донору генома А. Сле­довательно, донором генома А мягкой пшеницы нужно счи­тать Т. thaoudar, а не Т. топососсит. Если это заключение верно, то первый тетраплоид Тгiticum был дикорастущей фор­мой, как считает Райли (Riley, 1965), поскольку оба роди­тельских вида этого тетраплоида — дикорастущие.

Далее оставалось выяснить, обладает ли пшеница группы спельты кроме генома А, привнесенного от Т. thaoudar , так­же геномом В, имеющимся у группы полбы. С этой целью Кихара скрещивает разные виды группы полбы с видами группы спельты. У пентаплоидного гибрида F1, Т. ро1опiсит I,. X Т. spelta он наблюдает в мейозе образование 14 би­валентов и 7 унивалентов. Таким образом, было установлено, что Т. spelta имеет два общих с Т. ро1опiсит генома (А и В) и третий геном, отличающийся от этих двух. Он был назван Кихарой D геномом. Некоторые авторы обозначают его бук­вой С, однако обозначение D распространено шире. Сходные картины поведения хромосом в мейозе у аналогичных гибри­дов наблюдал и Сакс. Геном D типичен для пшениц группы спельты. Следовательно, пшеницы группы спельты имеют ге­номную формулу ААВВDD.

В результате изучения расщепления и подсчета числа хро­мосом в потомстве пентаплоидных гибридов было установле­но, что только формы с 28 и 42 хромосомами остаются кон­стантными в последующих поколениях. Потомство же гибри­дов с промежуточным числом хромосом имеет пониженную плодовитость, и в дальнейших поколениях выщепляются рас­тения с константным числом хромосом. Отсюда Кихара (Кihara, 1954) делает вывод, что «для поддержания репродук­тивных и физиологических функций на нормальном уровне семихромосомный набор должен быть полным». Такой набор назвали геномом.

Таким образом, стало ясно, что поведение хромосом у межвидовых гибридов с разным числом хромосом подчиняет­ся определенным правилам.

В  результате проведенных исследований было установле­но, что одним из предков мягкой пшеницы должна быть тетраплоидная  пшеница с геномным     составом ААВВ,  поэтому стали искать тот вид, который мог быть донором генома D.

Работы  Сорокиной   (Сорокина, 1935а, б),  Шиманн   (Shieman,1948)   и   других   исследователей    показали,   что   род Аеgilops находится в весьма близком родстве с пшеницей. Он, как и род Тгiticum, имеет полиплоидный ряд, виды которого содержат 14, 28 и 42 хромосомы, т. е. основное число хромо­сом у рода Аеgilops, как и у рода Тгiticum, х = 7. Кроме того, при сравнительном  изучении   морфологии    различных   видов пшеницы и ее диких сородичей обнаружено, что многие при­знаки, отличающие пшеницы спельта от группы полбы, прак­тически  имеются у всех видов  рода  Аеgilops.  Поэтому боль­шинство авторов считают, что гексаплоидные пшеницы явля­ются аллополиплоидами, возникшими от скрещивания тетраплоидных  видов  рода Тгiticum и   диплоидных   видов   рода Аеgilops. С целью выяснения, какой именно вид эгилопса был донором генома В, подробно изучили признаки, отличающие пшеницы спельты от пшениц группы полбы. Основных при­знаков оказалось три: полая соломина, ломкость колосового стержня и лопатчатая колосковая чешуя. Эти признаки спель­та должна была получить от эгилопса. Обнаружены три вида эгилопса, которые имели полую соломину и характерную лом­кость колоса —Ae. Crassa Boiss., Ae. Cylindrical Host. и Ае. squarrosa L., но только у Ае. squarrosa была овально-лопатчатая колосковая чешуя с широким плечом типа Т. Зреlta.

Первое цитологическое доказательство наличия D генома у эгилопса было получено К. Саксом и X. Саксом (Sах K., Sах H-, 1924) при анализе гибридов гексаплоидных пшениц с Ае. culindrica у которых в метафазе мейоза обычно образовы­валось 7II + 21I. Позже Блейер (Вlеiег, 1928) обнаружил, что гибриды, полученные от скрещивания тетраплоидных пше­ниц с Ae. cylindrica почти не имеют бивалентно. Следователь­но, Аe. cylindrica, имеет геном D, отсутствующий у твердых пшениц.

Геномный анализ. Аe. cylindrical  показал, что его геном С произошел от Ае. cаиdata L._ (2n=14), а геном D — от Аe.  (2n=14). Следовательно, геном D мягкой пшеницы произошел от Ае. squarrosa.

Чтобы проверить эти теоретические предположения, Сирс скрестил Ае.. squarrosa с Т. Dicoccum Schrank, и в 1939 г. (Sears, 1939) получил единственный гибрид, который имел все признаки Т. spelta, но был полностью стерилен. В 1941 г., в результате колхицинирования гибрида FI Т. dicoccoides var. spontaneo-villosum X,Ae. Squarrosa, Сирc (Sears, 1941) впервые создал синтетическую пшеницу, имеющую все таксономи­ческие признаки Т spelta. Она была самофертильной. Мейоз у синтетической пшеницы был незначительно нарушен, а у ее гибридов, полученных от скрещивания с Т. aestivum, из 150 исследованных метафаз I 69 имели 21 бивалент. Гексаплоидную пшеницу получила Сорокина от скрещивания Ае. ventricosa  Tausch. X Т. durum (Сорокина, 19356).

Позднее путем скрещивания различных видов пшениц группы полбы с Ае. squarrosa и последующим удвоением чис­ла хромосом было синтезировано несколько гексаплоидных пшениц. Так, в 1943 г. Томпсон, Бриттен и Хардинг (Тhompson et al., 1943) синтезировали гексаплоидную пшеницу в ре­зультате удвоения числа хромосом у гибридов F1 (Т. turgidum n =14 X Ae. squarrosa п =7). Новая синтетическая фор­ма имела большинство, но не все отличительные признаки груп­пы спельты и была плодовитой. В 1946 г. Мак Фадден и Сирc (Мс Fadden, Sears, 1946) получили новую искусственную пше­ницу, удвоив число хромосом гибрида тетраплоидной пшени­цы с Ае. squarrosa. Таким же путем Кихарой с сотр. Kihara, Lilienfeld, 1949; Kihara et al., 1957) было синтезировано не­сколько гексаплоидных пшениц: АВD Т. dicoccoides var. spontaneo-nigrum X; АВD Т. dicoccoides var. spontaneo-nigrum XAe;АВD Т. turgidum var. stramineum X Ае. squarrosa; АВD Т. pеrsicum var.  stramineum X Ае. squarrosa; АВDT. persikumvar. fuliginosumXAe. squarrosa; АВD Т. rientaleX Ае. squarrosa.

Из всех синтезированных аллогексаплоидов наиболее по­хожей на мягкую пшеницу была пшеница, полученная от уд­воения числа хромосом у гибрида Т. pеrsicum X Ае. squarrosa. На основании этого Кихара считает, что гексаплоидная пшеница произошла в результате спонтанного скрещивания Т.    pеrsicum с Ае. squarrosa.

Танака (Тanaka, 1959), изучая самофертильные гибриды первого поколения от скрещивания разных пшениц группы полбы с Ае.  squarrosa var. strangulataи Ае. squarrosa var. Мееуri, установил, что у этих гибридов большинство семян возникало в результате слияния, реституционных гамет. Полу­ченные данные показывают, что эти гибридные комбинации имеют большую вероятность быть предками гексаплоидных пшениц, чем другие. Эти факты подтверждают высказанное Кихарой предположение относительно происхождения мяг­ких пшениц.

Юн Ихирио Табуши (Jun-Ichirio Tabushi, 1956) изучал мейоз гибридов F1 (Т. persicum var. stramineum XAe. squarrosa X Т. aestivum сорт Нории 25, имевших геном АВD.  Фертильность пыльцы у гибридов была 80%, озерненносгь 84,2%. В мейозе наблюдали нормальную конъюгацию.

Таким  образом,  почти  одновременно   и  независимо   Мак Фадден  и  Сирс,  Кихара  и  другие  исследователи     получили синтетическую   гексаплоидную   пшеницу   путем   скрещивания тетраплоидной пшеницы   с   Ае. squarrosa.   Морфологическое сходство таких пшениц с Ае. squarrosa  и отсутствие наруше­ний при конъюгации хромосом в менозе гибридов между ес­тественными  и   искусственными   гексаплоидамн    подтвержда­ют, что Ае. squarrosa действительно является донором  D ге­нома. Однако последнее звено в цепи доказательств — иссле­дование конъюгации хромосом в менозе у гибридов F1между гексаплоидноп пшеницей  и  Ае. squarrosa — отсутствовало. Этот  пробел  был  ликвидирован    благодаря    исследованиям Ранли  и Чепмсна  (Riley, Chapman,   1960), создавшими в ре­зультате опыления   растений   мягкой  пшеницы  сорта   Чайниз Спринг пыльцой Ае. squarrosa  гибрид, у которого в F1 наблю­дали  образование семи  бивалентов,  в  среднем   па   100  кле­ток— 6,56. Так было получено последнее доказательство эк­вивалентности хромосом генома Ае. squarrosa  D геному мяг­кой пшеницы и установлено, что у мягкой пшеницы геном А произошел от Т.thaoudar , а геном D —от  Ae. squarrosa . По­скольку в ареале распространения тетраплоидной пшеницы Ае. squarrosa  встречается как сорняк, в условиях возделыва­ния в результате гибридизации легко могла получиться пер­вая гексаплоидная пшеница. Кихара и Лилиенфельд (Kihara, Lilienfeld, 1949) предполагают, что такая первая гексаплоидная пшеница должна была легко обмолачиваться, а не иметь тип спельты, как думают Мак Фадден и Сирс. Однако прямо­го доказательства этому нет.

Относительно генома  В до сих пор в литературе имеются противоречивые суждения.

Пето   (Peto,  1936), Вакар   (Bakar,  935)   и Матсумура с сотр.   (Matsumura, Muramatsu,   1956;   Matsumura, Sakamoto, 1958), исходя из данных конъюгации хромосом в мейозе ги­бридов F1от скрещивания гексаплоидных пшениц с полипло­идными видами Agropyron, считают, что геном  В произошел от рода Agropyron. Мак Фадден  и Сирc полагали, что наи­более вероятным источником  В генома  может' быть вид A. triticeum Gaertn, поскольку он один имеет признак легкого обмолота. Мак Кей (Mak Кеу, 1954) считает, что этот признак у  пшеницы  мог  возникнуть  в результате  мутации.  Гипотеза Мак Фаддена и Спрса  долго   господствовала   в литературе. Однако против этой гипотезы говорят результаты исследова­ний Авдулова  (Авдулов, 1931) и Матсумуры  и Сакамото (Matsumura, Sakamoto,1955), показавших, что у А. triticeum хромосомы  с   субтерминальными   центромерами,   в  то  время как хорошо известно, что хромосомы генома  В имеют меди­анные и субмедианные перетяжки.

Данные исследований Танака (Tanaka, 1955) показывают, что Ае. longissima S. et M. (2п =14) и Ае. Sharonenis Eig. (2 n = 14) имеют некоторые морфологические признаки полбы и спельты. Однако конъюгация хромосом у гибридов этих видов с Т. turgidum настолько неполная, что их геномы не могут быть гомологами генома В полбы и спельты.

Саркар и Стеббинс  (Sakar, Stebbins, 1956)  па основании сравнительного   анатомического изучения   двух   диплоидных форм — Т. топососсит и Т. aegilopoides Link. - с тетраплоидными видами - Т. dicoccum, T. dicoccoides Korn. B T.durum Derf., а также с несколькими видами Аеgilops пришли к за­ключению, что тетраплоидная пшеница является амфидиплоидом,   произошедшим   от   скрещивания   Т.  топососсити Ае. speltoides var. ligustica. Авторы также полагают, что в кариотипе тетраплоидной пшеницы во время эволюции призошло так много структурных изменений хромосом, что в настоящее время по изучению конъюгации хромосом у гибридов трудно установить, действительно ли Ае. speltoides Tausch. является исходной формой для тетраплоидных пшениц.

Сирс (Sears, 1950), изучая гибриды, полученные от скре­щивания Т. топо-соссит и Т. dicoccoides с Ае. bicornis (Forsk.) Jaub et Spoch. (геном SB)  и Ае speltoidesvar. ligustica. (геном S S), обнаружил, что геном В Ае. speltoides более сходен с геномом А, чем с геномом В пшеницы, поскольку гибриды Т. топососсит X Ае. speltoides в среднем образуют 6,59 бивален­та на клетку и мало вероятно, чтобы геном SB  был бы столь же родствен геному В, как геному А. Путем изучения конъю­гации было также установлено, что геном В Ае. bicornis  зна­чительно сходен с В геномом пшениц. В настоящее время Сирс полагает, что Ае. bicornis был донором генома В, поскольку амфидиплоид Т. топососсит X  Ае. bicornis имеет значитель­ное морфологическое сходство с Т. dicoccoides. Возможно, что настоящий донор В генома был промежуточной формой между Ае. dicoccoides и Ае. bicornis .

Происхождение В генома от Ае. speltoides  в настоящее время признается большинством, но не всеми учеными. Так, японские авторы Ямашита, Танака и Кояма (Уamashita et al., 1956), излагая схему происхождения мягкой пшеницы, высказывают мнение, что предок В генома неизвестен.

Поскольку в результате дальнейшего изучения мягкой пшеницы было установлено, что 1 и 6 хромосомы генома В имеют спутники, Райли и др. (Riley et al., 1958) использовали этот факт как диагностический признак. Сравнение кариотипов диплоидных видов Аеgilops  показало, что только два ви­да — Ае. Аеgilops(2п =14) и Ае. mиtica Boiss (2n = 14) - имеют две пары спутничных хромосом. Однако Ае. mиtica  по морфологии совершенно непохож на донора генома В, поэто­му наиболее вероятно, что донором этого генома является Ае. speltoides.

На основании изложенных выше данных исследователи пришли к выводу, что мягкая пшеница является сложным аллогекслплоидом, в состав которого входят как дикая однозер­нянка, так и два вида эгилопса — Ае speltoides   и Ае. squarrosa.

Изучение местообитания диплоидных предков пшеницы показало, что ареалы распространения Ае. speltoides  и диких и культурных диплоидных форм Тгiticum  совпадают, здесь же распространен и дикий тетраплоид Т.  dicoccoides.

Учитывая, что геном А тетраплоидов произошел от дикой, а не от культурной диплоидной формы, Райли делает вывод, что первый тетраплоид возник задолго до введения пшеницы в культуру и что дикие и диплоиды, и тетраплоиды стали воз­делываться одновременно.

По его мнению, филогения мягкой пшеницы основывается на двух процессах — генетической дивергенции и полиплоид­ной конвергенции.

Генетическая дивергенция заключается в том, что все ви­ды произошли от общего прототипа. Диплоидные формы, по­пав в равные эколого-географические условия юго-западной и юго-центральной Азии и приспособившись к ним, дали на­чало разным диплоидным видам.

Прототип (2n=14)

Диплоидная дивергенция                     Aegilops

Ae. squrrosa (2х=14)

DD

Triticum (2n=14)                        Ae.speltoides (2x=14)

AA                                              ВВ

Triticum (4x=28)

AABB

T. aestivum  (6x=42)

AABBDD                   Полиплоидная конвергенция

Скрещивание диплоидного вида пшеницы с Ае. squarosa с последующим спонтанным удвоением числа хромосом дало начало плодовитому тетраплоиду. Поскольку каждый шаг эволюции, по-видимому, сопровождается приспособлением к новым окружающим условиям среды, возникают новые виды, но уже на тетраплоидном уровне. Следовательно, вполне воз­можно, что все тетраплоидные виды имеют монофилетическое происхождение (от одного общего предка) и, так же как и диплоидные, возникли в результате генетической диверген­ции.

Полиплоидная конвергенция предусматривает скрещива­ние тетраплоида с Ае. squarosa и последующее спонтанное удвоение числа хромосом, что привело к появлению гексаплоидной пшеницы. В настоящее время нет четкого доказатель­ства ни поли-, ни монофилетического происхождения гексаплоидов. Ниже приведена схема филогении мягкой пшеницы по Райли (Riley, 1965):