Получение
Download
1 / 27

Получение гаплоидов и манипуляции с плоидностью для повышения эффективности селекции растений - PowerPoint PPT Presentation


  • 311 Views
  • Uploaded on

Получение гаплоидов и манипуляции с плоидностью для повышения эффективности селекции растений.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Получение гаплоидов и манипуляции с плоидностью для повышения эффективности селекции растений ' - minh


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Получение гаплоидов и манипуляции с плоидностью для повышения эффективности селекции растений


Гаплоидами у покрытосеменных растений называют особи, имеющие гаметический набор хромосом по отношению к уровню плоидности родительской особи. Удвоение хромосом у гаплоидов диплоидных видов (получение удвоенных гаплоидов) позволяет получать гомозиготные линии, которые представляют значительный интерес для селекции.

Гаплоиды могут возникать естественным путем в результате нарушения процесса оплодотворения из неоплодотворенных яйцеклеток или других клеток зародышевого мешка, при элиминации хромосом одного из родителей в зиготе или замещении ядра яйцеклетки ядром спермия. Первым растением, которое было идентифицировано в качестве гаплоида, был дурман Daturastramonium (Solanacea), выявленное A.F. Blakeslee в 1921 году. Позже гаплоиды были обнаружены и у многих других растений, однако частота их появления в природе оказалось крайне незначительной (0,001 – 0,01%) и не могла удовлетворить потребности генетики и селекции.


Для редукции числа хромосом у растений применяют два основных подхода:

– андрогенез (от греч. andros – мужчина и… генез) в культуре in vitro пыльников или микроспор,

– гиногенез (от греч. gyne – женщина и… генез) из неоплодотворенных яйцеклеток или других гаплоидных клеток зародышевого мешка в культуре in vitro, а также из имеющих гаплоидный зародыш семян, полученных при опылении материнского растения пыльцой другого вида или специального гаплоиндуктора.


In vitro
Культура растений применяют два основных подхода:invitro пыльников и микроспор

Высшие растения имеют жизненный цикл, в котором чередуются фазы гаплоидного гаметофита и диплоидного спорофита. Во время фазы гаметофита материнские клетки пыльцы, находящиеся в пыльнике, претерпевают мейотическое и митотическое деления, результатом которых является образование мужского гаметофита – пыльцевых зерен.

Под воздействием определенных воздействий в условиях культуры пыльников in vitro некоторые микроспоры способны менять программу развития с гаметофитной на спорофитную и давать, в результате, начало эмбриоидам или образовывать каллюс. Из эмбриоидов или каллюса можно получить растения-регенеранты, которые являются гаплоидами или удвоенными гаплоидами. Это явление получило название андрогенеза или пыльцевого эмбриогенеза (pollen embryogenesis, microspore embryogenesis)


In vitro1
Культура растений применяют два основных подхода:invitro пыльников и микроспор

Возможность получения гаплоидов путем культивирования in vitro пыльников растений впервые была продемонстрирована в 1964 г сотрудниками Отдела ботаники Университета г. Дели (Индия) S. Guha и S.C. Maheswari

В 1973 году французские ученые С. Nitsch и В. Norreel впервые получили гаплоидные эмбриоиды путем культивирования in vitro микроспор Daturainnoxia, изолированных из пыльников.


Культура пыльников растений применяют два основных подхода:


In vitro2
Культура растений применяют два основных подхода:invitro пыльников и микроспор

Культура микроспор пшеницы (по Zheng, 2003):

Колоски, погруженные в питательную среду, измельчают с помощью блендера.

Полученный гомогенат фильтруют последовательно через сетчатые фильтры с размером ячеек 100 μм и 38 μм, чтобы отделить микроспоры от грубых остатков тканей и клеток.

Микроспоры, собранные на фильтре с размерами ячеек 38 μм, смывают раствором 0,3 М маннитола, наслаивают на 0,58 М раствор мальтозы и центрифугируют при небольшой скорости (100-150g). Жизнеспособные эмбриогенные микроспоры располагаются на границе этих двух растворов, в то время как другие клетки и примеси оказываются в осадке. Фракцию микроспор несложно собрать с помощью автоматической пипетки и перенести в жидкую питательную среду для культивирования.


Культура микроспор растений применяют два основных подхода:


Формирование пыльцевых зерен ( растений применяют два основных подхода:гаметофитный путь развития) у высших растений


Изменение программы развития с растений применяют два основных подхода:гаметофитной на спорофитную

Изменение программы развития с гаметофитной на спорофитную в культуре in vitro происходит только в том случае, когда

- микроспоры находятся на определенной стадии развития

- являются чувствительными (компетентными) к различным внешним воздействиям, способным вызвать такое изменение программы.

Имеется достаточно много экспериментальных данных, указывающих на связь между андрогенетической способностью генотипа и формированием микроспор определенного типа (эмбриогенных). Было показано, что число эмбриогенных микроспор детерминировано для конкретных растений-доноров пыльников и не увеличивается в ходе культивирования пыльников, а условия культивирования лишь способствуют или препятствуют реализации их развития. Теория, которая считает приоритетной роль эмбриогенных микроспор в процессах андрогенеза в культуре пыльников и микроспор, получила название теории детерминации [Heberle-Bors 1985]


Эмбриогенные растений применяют два основных подхода: микроспоры

Эмбриогенные микроспоры имеют существенные ультраструктурные и функциональные отличия от нормальных микроспор. Для них характерно смещение вакуоли от центра к экзине на вакуолярной стадии развития микроспор и последующая реадсорбция вакуоли на двухядерной стадии с сохранением ее видимых фрагментов возле экзины; в результате формируется специфическая, так называемая «звездчатая структура», состоящая из цитоплазматических тяжей, соединяющих перинуклеарную и субкортикальную области цитоплазмы. Отмечается менее плотная цитоплазма, отсутствие накопления крахмальных зерен, характерное для нормальных созревающих генеративных клеток, происходит изменение клеточного цикла. Было обнаружено образование в эмбриогенных микроспорах в ходе культивирования in vitro специфической мРНК, не присутствующей в нормальных микроспорах, что говорит о транскрипции у них особых генов, связанных с развитием по спорофитному пути.


Эмбриогенные растений применяют два основных подхода: микроспоры


Пыльцевой диморфизм растений применяют два основных подхода:


Пути формирования растений применяют два основных подхода:эмбриоидов или каллюса из эмбриогенных микроспор

А-путь. Микроспора подвергается первому неравному митотическому делению. В дальнейшем происходят симметричные деления только вегетативной клетки, в результате чего образуются гаплоидные эмбриоиды. Генеративная клетка не делится и погибает.

Е-путь. Микроспора подвергается первому неравному митотическому делению, в дальнейшем происходят симметричные деления генеративной клетки. В результате образуются гаплоидные эмбриоиды или каллюс.

В-путь. Первое митотическое деление, в отличие от нормального, является симметричным, что приводит к формированию двух одинаковых вегетативных клеток. Их последующее митотическое деление ведет к образованию многоклеточных структур. Развитие по В-пути обычно приводит к формированию гаплоидных или диплоидных эмбриоидов (удвоенных гаплоидов)

С-путь. Микроспора претерпевает нормальное митотическое деление, в результате которого формируются вегетативное и генеративное ядра. Затем ядра сливаются, последующие митотические деления приводят к образованию многоклеточных структур, которые в дальнейшем развиваются посредством эмбриоидогенеза или каллюсогенеза, давая начало преимущественно удвоенным гаплоидам.


Факторы, оказывающие влияние на эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:

- Генотип

- Физиологическое состояние и условия культивирования растений-доноров пыльников или микроспор

- Оптимальная фаза развития микроспор

- Экспериментальные воздействия на растения-доноры пыльников или эксплантаты до начала культивирования (обработка ФАВ, стрессовые воздействия)

- Состав и консистенция питательной среды, условия культивирования эксплантатов


Определение плоидности эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:растений-регенерантов


Проблема альбинизма эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:растений-регенерантов


Получение эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:гаплоидов с помощью культуры неоплодотворенных семяпочек и завязей


Получение эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:гаплоидов с помощью культуры неоплодотворенных семяпочек и завязей

В качестве эксплантатов для культивирования in vitro обычно используют молодые неоплодотворенные семяпочки или завязи. Так, для сахарной свеклы оптимальный вариант предполагает использование в качестве эксплантатов семяпочек из закрытых бутонов со средней части соцветия, которые содержат недифференцированные 8-ядерные зародышевые мешки. После помещения на питательную среду развитие женского гаметофита, в отличие от мужского, продолжается и в результате образуется зрелый зародышевый мешок. По спорофитному пути, как правило, развивается, при определенных условиях культивирования, яйцеклетка.


Получение эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:гаплоидов с помощью гаплопродюсеров

Развитие гаплоидов из женских половых клеток можно индуцировать in situ (лат.: на месте) путем:

опыления пыльцой другого вида,

того же вида,

облученной пыльцой.

Возможны два основных механизма возникновения гаплоидов в результате таких опылений:

- после оплодотворения яйцеклетки образуется гибридный зародыш, в котором на ранних стадиях эмбриогенеза происходит элиминация хромосом одного из родителей (чаще всего опылителя);

- оплодотворение яйцеклетки не происходит, но стимулируется к дифференцировке


Гаплопродюсеры эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор::

Материнские растения культурного ячменя Hordeumvulgare(2n=2x=14) опыляют пыльцой дикого ячменя H. bulbosum(2n=2x=14). Используют эмбриокультуру

Для получения гаплоидов пшеницы ее опыляют пыльцой кукурузы, сорго, теосинте, декоративного проса Pennisetumglaucum, дикого ячменя H. bulbosum

Дигаплоиды (2n = 2x = 24) культурного картофеляS.tuberosum L. получают путем опыления растений картофеля (2n = 4x = 48) пыльцой S. phureja(2n = 2x = 24) (гаплопродюсеры с маркерным признаком «эмбриональное пятно» IvP35, IvP48, IvP101)

Американский селекционер Е.Н. Coe в 1959 г. выделил инбредную линию кукурузы Stok 6, которая в скрещиваниях с другими линиями кукурузы в качестве опылителя была способна давать в потомстве до 2,3% гаплоидных растений. Созданы линии-гаплопродюсеры кукурузы, которые используют в качестве материнских форм с целью получения гаплоидов от растений, пыльцой которых их опыляют [Kermicle 1969]


Гаметоклональная эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор: изменчивость

Гаметоклональная изменчивость - изменчивость растений, полученных с помощью различных методов из генеративных клеток (гамет). Основным источником гаметоклональной изменчивости является генетическое разнообразие гамет, которое возникает в процессе рекомбинации генов во время мейоза. Эта изменчивость максимальная в случае получения гаплоидов или удвоенных гаплоидоввысокогетерозиготных гибридов

В случае, когда получают удвоенные гаплоиды относительно гомозиготных форм растений, основную роль играет изменчивость, вызванная культивированием клеток, и изменчивость, возникающая при удвоении хромосом у гаплоидов. При получении удвоенных гаплоидов гибридов селекционную ценность представляет, в основном, изменчивость, обусловленная рекомбинацией генов в процессе мейоза при образовании гамет.


Гаметоклональная эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор: изменчивость

В Институте генетики и цитологии НАН Беларуси впервые было предложено использовать гаметоклональную вариацию, связанную с формированием нередуцированных гамет, для улучшения сортов картофеля – высоко гетерозиготной полиплоидной культуры, размножаемой вегетативно [Воронкова, Ермишин, 2003]


Использование эффективность андрогенеза в культуре пыльников и микроспор:гаплоидов в селекции растений

Ускорение получения гомозиготных линий самоопылителей (сорт пшеницы EtsDesprez во Франции был отобран среди всего 64 удвоенных гаплоидов, полученных от гибридов F1 [de Buyser et al., 1987]. Тем не менее, некоторые селекционеры рекомендуют использовать для получения удвоенных гаплоидов не гибриды F1, а F2 или F3).

Сокращение сроков создания родительских гомозиготных линий перекрестноопыляемых культур и родительских линий для получения гетерозисных гибридов. Возможность получения гомозиготных линий у самонесовместимых видов. Удвоенные гаплоиды нашли применение и для повышения эффективности рекуррентного отбора.


Манипуляции с плоидностью исходного материала для повышения эффективности селекции полиплоидов (на примере картофеля)

Получение дигаплоидов сортов картофеля;

Гибридизация дигаплоидов с дикими диплоидными видами;

Селекция на диплоидном уровне: комбинация и концентрация желаемых генов и элиминация нежелательных;

Мейотическое удвоение хромосом у отобранных генотипов (гибридизация сортов картофеля с дигаплоидами, формирующими нередуцированные гаметы) [Chase 1963; Peloquin et al. 1989].


Эффективность использования в селекции картофеля мультиплексных родительских линий и дигаплоидов

Симплекс × нуллиплекс

H1hhh × hhhh = 1 устойчивые : 1 восприимчивые

Дуплекс × нуллиплекс

H1H1hh × hhhh = 5 устойчивые : 1 восприимчивые

Триплекс ×нуллиплекс

H1H1H1h × hhhh=все устойчивые

4х Нуллиплекс × 2х гетерозигота (2n-гаметы)

hhhh × H1h (2n-гаметы) = все устойчивые


Преимущества «диплоидной» селекции по сравнению с традиционной

Благодаря более простому дисомному наследованию требуется меньший объем популяции для выделения сложных рекомбинантов, отвечающих запросам селекции

Возможность широкого использования генетического разнообразия диких диплоидных видов, интрогрессии селекционно-ценных генов диких видов в селекционный материал, расширения аллельного разнообразия S. tuberosum

Благодаря мейотическому удвоению хромосом возможность получать более выровненные, продуктивные, экологически стабильные тетраплоидные гибридные популяции, не расщепляющиеся по комплексу признаков, отселектированных на диплоидном уровне


ad