Лекция 7 Отдалённая гибридизация

План

1.Задачи отдалённой гибридизации

2.Основные группы отдалённых скрещиваний

3.Передача признаков при отдалённой гибридизации

1.Отдалённой гибридизацией называют скрещивание между организмами, относящимися к разным видам одного рода или разных родов, поэтому её подразделяют на межвидовую и межродовую. Цель отдалённой гибридизации - создание форм и сортов, сочетающих в себе признаки и свойства разных видов и родов. Процесс, в результате которого малое количество зародышевой плазмы одного вида пе-

редаётся другому виду, называется интрогрессией. Интрогрессия осуществляется путём возвратных скрещиваний.

Метод отдалённой гибридизации может быть использован в селекции для решения целого ряда задач.

1. Передача культурным видам отдельных хозяйственно-ценных признаков (устойчивость к болезням) от дикорастущих и других возделываемых видов.

2. Получение наиболее желательного сочетания ценных признаков родительских форм при скрещивании близкородственных видов на основе генетической рекомбинации.

3. Получение нового признака, не свойственного родительским формам (используется в селекции вегетативно размножаемых и декоративных растений).

4. Создание аллополиплоидов, объединяющих свойства обоих видов, т. е. синтез новых видовых форм путём межвидовых скрещиваний и последующего удвоения у гибридов числа хромосом.

5. Использование эффекта гетерозиса при скрещивании отдалённых форм. Данное явление отмечено у межвидовых гибридов подсолнечника, рапса, сарептской горчицы и др.

2.Расщепляющиеся потомства отдалённых гибридов характеризуются большим разнообразием. Генетическая сбалансированность и стабильность форм наблюдаются в поздних поколениях. Характер и размах изменчивости зависят от генетической близости родительских форм. В связи с этим отдалённые скрещивания условно подразделяются на три основные группы:

1. Скрещивание близкородственных видов с одинаковым числом и высокой гомологичностью хромосом, когда гибридное потомство является плодовитым. Например, скрещивание твёрдой пшеницы с пшеницей тургидум и польской пшеницей (T. durum x T. tuggidum; T. durum x T. polonicum), скрещивание мягкой пшеницы с шарозёрной (T. aestivum x T. shaerococcum) и др. Для этой группы скрещиваний характерны нормальная скрещиваемость растений, отсутствие нарушений в мейозе, сравнительно небольшой размах гибридной изменчивости, которые мало отличаются от внутривидовых

скрещиваний. Здесь легко получается рекомбинация родительских признаков.

2. Скрещивание видов одного рода, различающихся по геномному составу. Гибриды между диплоидными видами, существенно различающимися по структуре хромосом, обычно стерильны. Чтобы межвидовой гибрид был фертильный, должно быть некоторое число полностью или частично гомологичных хромосом. Скрещивание полиплоидных видов, в случае присутствия у них общих геномов, происходит легче. Так при скрещивании мягкой пшеницы (геномная формула ААВВДД) и твёрдой пшеницы (геномная формула ААВВ), общие геномы А и В. В гибридной популяции растения с промежуточным числом хромосом будут постепенно элиминироваться и в конечном итоге останутся только две группы растений, приближающиеся по внешним особенностям к исходным видам.

В качестве примера можно привести работы академика Ф.Г. Кириченко по созданию сортов озимой твёрдой пшеницы путём скрещивания мягкой озимой пшеницы с яровой твёрдой пшеницей. По данным Ф.Г. Кириченко, завязываемость семян при скрещивании мягкой пшеницы с твёрдой бывает лучше в том случае, когда материнской формой является твёрдая пшеница. При этом завязывается 50% и более семян от числа опылённых цветков. Если опыляют мягкую пшеницу пыльцой твёрдой пшеницы, семян завязывается всего 12-20%. Всхожесть гибридных семян и процент перезимовавших гибридных растений был выше в том случае, когда материнским сортом была мягкая пшеница. В связи с этим Ф.Г. Кириченко рекомендует в качестве материнской формы брать высокозимостойкие сорта мягкой озимой пшеницы. В результате селекционной работы Ф.Г. Кириченко в 1956 г. выделил гибридную семью озимой твёрдой пшеницы № 1266/54, получившую впоследствии сортовое название Ми-чуринка (1960). Родоначальные растения были отобраны в гибридной популяции (Одесская 3 х смесь пыльцы озимых форм твёрдой пшеницы). Этот сорт устойчив к полеганию и осыпанию, превышает по урожайности в 2-3 раза яровую твёрдую пшеницу (20-45 ц/га) и приближается или равен по урожайности мягкой озимой пшенице Одесская 3. Сорт Мичуринка отличается высокими технологическими качествами зерна. В стекловидном зерне содержится на 2-4% белка больше, чем у озимой мягкой пшеницы. Из зерна сорта Мичуринка могут вырабатываться хорошие сорта круп, высококачественные ма-

кароны, вермишель. В дальнейшем Ф.Г. Кириченко этим же путём создал сорт озимой твёрдой пшеницы Новомичуринка (1964).

Подобные исследования проводились и по яровой мягкой пшенице. Например, ещё в 1915 г. на Саратовской опытной станции были начаты работы по гибридизации твёрдой пшеницы с мягкой. В результате выведены яровые сорта мягкой пшеницы, такие как Саррубра, Сарроза и другие, обладающие высокими мукомольно-хлебопекарными качествами. Сорт яровой пшеницы Саррубра получен А.П. /Шехурди-ным и В.Н. Мамонтовой в результате скрещивания местного сорта яровой твёрдой пшеницы Белотурка с сортом мягкой яровой пшеницы Полтавка.

В Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства (СибНИИСХе) с 1947 г. проводятся исследования по межвидовой гибридизации пшеницы с привлечением ветвистой пшеницы T. turgidum. В результате получены оригинальные формы с продуктивностью колоса 4-5 г и озернённостью 90-120 шт. (Г.П. Высокос, В. С. Сусляков, 1981). Используется также отдалённая межвидовая гибридизация и в селекции твёрдой пшеницы (В.А. Зыкин, В.А. Савицкая, 1981). Под руководством академика В.А. Зыкина проводится работа по созданию сортов яровой мягкой пшеницы с качеством зерна, пригодным для производства макаронных изделий.

3. Межродовая гибридизация. Трудность скрещивания и передачи признаков при межродовой гибридизации возрастает в связи с увеличением генетических, цитологических и морфологических различий.

Примером межродовой гибридизации является работа по созданию пшенично-пырейных гибридов (ППГ). Больших успехов в этом достиг Н.В. Цицин. Им впервые в истории селекции были получены зернокормовые гибриды, многолетние пшеницы, многоцветковые и ветвистоколосые формы. Работу по скрещиванию пшеницы с пыреем Н.В. Цицин начал ещё в 1928 г. - в Институте зернового хозяйства Юго-Востока в Саратове с целью создания морозостойкой озимой пшеницы, устойчивой к болезням. Эту работу он продолжал в Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства, а с 1945 г. - в Москве в Академии наук.

Н.В. Цицин, Г.Д. Лапченко, Ф.Д. Крыжановский, А.С. Артёмова и другие исследователи путём скрещивания пшеницы с видами пырея создали такие сорта мягкой пшеницы, как Пшенично-пырейный гибрид ППГ 1 (озимый) и яровые - Восток, Грекум 114, ППГ 172. Для условий Сибири созданы сорта яровых ППГ - Ботаническая 2, 3, 4. Эти сорта отличаются высокой урожайностью, крупным зерном, прочной неполегающей соломиной и сравнительно хорошими хлебопекарными качествами. В начале 30-х гг. академик Н.В. Цицин создал многолетний константный пырейно-пшеничный гибрид № 34085, отличающийся устойчивостью к полеганию, засухе, болезням и почвенному засолению. Его недостатки - тугой обмолот, ребристая форма зерна. В Казахстане данный гибрид давал по два урожая в год в течение двух лет. Урожай за два года - 55,2 ц/га (контроль только по 8 ц/га в год). От пырея мягкой пшенице были переданы морозостойкость, прочность соломины и устойчивость к заболеваниям, засухоустойчивость, солонцеустойчивость и многолетний цикл развития. Основной метод создания этих сортов - многократные насыщающие скрещивания и непрерывный отбор. Полученные Н.В. Цициным 56-хромосомные многолетние пшенично-пырейные гибриды выделены в самостоятельный вид под названием Triticum agropyrotriticum Cicin. Диплоидный набор хромосом T. agropyrotriticum заключает три пары семёрок хромосом мягкой пшеницы и две семёрки хромосом пырея. Вследствие этого они значительно ближе к пырею, чем 42-хромосомные ППГ.

Наиболее часто в скрещивания с пшеницей Н.В. Цицин привлекал пырей сизый (Agropyron glaucum), который является исключительно морозоустойчивым и засухоустойчивым растением, имеет мощную корневую систему.

Гибридные семена от скрещивания пырея сизого с озимой пшеницей удалось получить с большим трудом. Гибридные растения F1 были бесплодны - семена не завязывались, хотя у обоих родителей было одинаковое число хромосом (2n = 42). Только при возвратном скрещивании с материнским растением пшеницы удалось получить единичные гибридные семена - 0,07-0,16% от числа опылённых цветков.

Если материнским растением была озимая пшеница, то гибриды F1 выколашивались только при осеннем посеве - после перезимовки. Если же материнским растением был яровой сорт пшеницы, растения F1 при весеннем посеве выколашивались в год посева. Это указывает на большое значение материнского сорта в формировании гибридного организма. Следовательно, развитие растений F1 шло по типу материнского растения. Колосья F1 по морфологическим признакам за- нимали промежуточное положение между пшеницей и пыреем, но всё же были ближе к пырею. Колос F1 узкий, но более длинный, чем у обоих родителей (рис. 5.1).

Работа по созданию сортов мягкой пшеницы на основе пшенично-пырейных гибридов, начатая Н.В. Цициным, продолжается в настоящее время во многих селекционных учреждениях Западной Сибири. Так, на кафедре селекции, генетики и семеноводства ОмГАУ под руководством доцента Г.М. Серюкова с участием пшенично-пырейных гибридов был создан сорт яровой мягкой пшеницы Голубковская, отличающийся повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам солонцовых почв. Данный сорт в настоящее время проходит Государственное сортоиспытание.

Потомства межродовых гибридов в поздних поколениях, также как при межвидовой гибридизации, возвращаются к родительским типам. Получение константной промежуточной формы между родителями возможно только путём амфиплоидизации. Например, в условиях Восточной Сибири В.Е. Писаревым был получен отдалённый гибрид при межродовом скрещивании мягкой яровой пшеницы с яровой рожью.

Первое поколение ржано-пшеничных гибридов было бесплодным, но при опылении их пыльцой пшеницы завязались единичные зёрна. У гибрида в соматических клетках было по 28 хромосом (21 хромосома пшеницы и 7 хромосом ржи). Для восстановления плодовитости число хромосом удвоили и получили амфидиплоид с 56 хромосомами - тритикале. Амфидиплоиды были получены путём обработки гибридных зёрен 0,2%-ным водным раствором колхицина. Растения F1 с удвоенным числом хромосом (амфидиплоиды) переопылялись между собой, в результате чего плодовитость их повысилась.

Растения амфидиплоидов были высокорослыми, значительно выше, чем растения исходного сорта пшеницы. Листья у них тёмно-зелёные, соломина прочная, устойчивая к полеганию. Под колосом часто наблюдается опушение, что характерно для ржи. Колос по форме и числу цветков напоминает пшеницу, а строение чешуй характерно для ржано-пшеничных гибридов. Зерно пшеничного типа, но у некоторых растений строение зерна, его окраска и особенно характер поверхности напоминает рожь. Вегетационный период у амфидиплоидов более продолжительный, чем у пшеницы и ржи. Цветение в зависимости от растения открытое или закрытое.

Основным отрицательным свойством амфидиплоидов является их низкая плодовитость и часто деформированное зерно со смятым эндоспермом. Форма, крупность и выполненность зерна у амфидиплоида, по-видимому, зависят от материнского сорта пшеницы. Растения с повышенной озернённостью имели и более выполненное зерно.

В настоящее время работы по созданию высокоценных сортов тритикале наиболее интенсивно ведутся в АлтайНИИЗСе, СибНИИРСе, ИЦиГе, СибНИИСХе, ОмГАУ. На кафедре селекции, генетики и семеноводства ОмГАУ исследования пшенично-ржаных ам-фидиплоидов проводятся с 1967 г. Они направлены на создание зимостойких высокопродуктивных тритикале зернового и кормового направления. В ОмГАУ ведутся также работы по созданию яровых форм тритикале.

Для условий Омской области рекомендованы для возделывания два сорта озимого тритикале зерно-кормового направления - Омская и Алтайская 2. Сорт октоплоидного тритикале Омская (1986) создан в ОмГАУ. Авторы сорта: С.И. Леонтьев, Е.Г. Мухордов, В.Н. Костомаров, М.С. Бодров, В.Е. Писарев. Этот сорт выведен путем отбора из гибридной популяции тритикале АД 72 (озимая пшеница Яранка х озимая рожь Житкинская) х АД 322 (рожь Житкинская х озимая пшеница Мичуринка). Данный сорт имеет соломенно-жёлтый остистый колос средней длины. Стебель толстый, прочный, устойчив к полеганию. Максимальная урожайность зерна и абсолютно сухого вещества получены в 1993 г. на Горьковском ГСУ - соответственно 3,52 и 12,89 т/га.

Сорт гексаплоидного тритикале Алтайская 2 (1994) создан в Алтайском НИИ земледелия и селекции. Авторы сорта: В.В. Волкова, В.Р. Волков, Г.И. Егоркин, Н.А. Остапов, Е.Д. Никитина. Этот сорт выведен путём гибридизации разнохромосомных тритикале и многократного индивидуального отбора из гибридной популяции - вторичный НАД-435 х смесь пыльцы октоплоидных тритикале. Данный сорт имеет красный остистый колос длиной 9-14 см. Максимальная урожайность зерна и абсолютно сухого вещества составила соответственно 4,27 и 13,30 т/га (Горьковский ГСУ, 1993).

3. Возможность передачи генов от одного вида другому зависит от филогенетической близости скрещиваемых форм. Выделяют пять основных методов межвидовой передачи признаков:

1. Генетическая рекомбинация на основе кроссинговера. При большой геномной близости скрещиваемых видов работа с гибридными поколениями ведётся в основном также, как и при межсортовой гибридизации, и опирается на генетическую рекомбинацию. Селек­ционер в большинстве случаев ставит задачу передать культурному растению от второго вида лишь отдельный ген или признак, напри­мер устойчивость к какой-нибудь болезни. Наиболее эффективный метод для достижения этой цели - возвратные скрещивания. В итоге получают интрогрессивную форму исходного сорта, включающую от второго вида лишь единичные признаки. Например, Н.В. Цицин вы­вел ценные сорта пшеницы от скрещивания с пыреем. М.Ф. Терновский путём передачи культурному табаку генов устойчивости от вида N. glutinosa L. получил иммунные к табачной мозаике и мучнистой росе сорта: Американ 187-С, Дюбек 566, Иммунный 580 и др. При нарушении конъюгации хромосом в мейозе у гибридов передать от­дельные признаки от одного вида другому трудно.

2.Синтез амфидиплоидов. Амфидиплоиды получают двумя пу­тями: 1) проводят гибридизацию с последующим удвоением числа хромосом у гибрида, 2) скрещивают предварительно полученные авто-тетраплоиды исходных видов. Амфидиплоиды могут быть использова­ны главным образом как исходный материал для селекции. Известны только единичные случаи, когда амфидиплоиды непосредственно ис­пользуются для практических целей. Например, большое число работ выполнено по пшенично-ржаным амфидиплоидам - тритикале.

3.Добавление и замещение хромосом. Если передачу отдельных генов путём генетической рекомбинации трудно осуществить, то в ге­нотип улучшаемой культуры добавляют отдельную пару хромосом с нужными селекционеру генами от вида-донора. Методика получения линий с добавленными хромосомами описана О'Мара (O'Mara, 1940) на примере получения линий пшеницы с добавленными хромосомами ржи. Линии с добавочными хромосомами получают, осуществляя по­следовательно следующие процедуры: 1) скрещивают растения раз­ных видов; 2) удваивают число хромосом у гибридов Fj; 3) проводят возвратные скрещивания полученного амфидиплоида с рекуррент­ным родителем (улучшаемый сорт); 4) проводят отбор линий с доба­вочными хромосомами.

К настоящему времени имеются дополненные линии мягкой и твёрдой пшеницы с парой хромосом от следующих видов: Secale ce- reale, Aegilops caudata, Ae. umbellulata, Ae. comosa, Agropyron elonga- tum, Agr. intermedium, Haynaldia villosa. Серия дополненных линий получена также у овса (Avena sativa). В каждой линии к хромосомам овса добавлено по одной хромосоме Avena hirtula (Thomas, 1968).

Линии с замещёнными хромосомами получают различными путями, обычно методом возвратных скрещиваний, используя в качестве родителя-донора линию с добавленной парой хромосом от другого вида, а в качестве рекуррентного родителя - линии моносомика или нуллисомика.

В настоящее время созданы линии, в которых пара хромосом пшеницы замещена парой хромосом видов Secale cereale, Aegilops comosa, Ae. ventricosa, Agropyron intermedium, Agr. elongatum. У табака были использованы хромосомы Nicotiana glutinosa и N. plumbagini-folia для замещения хромосом N. tabacum с целью передать этому виду устойчивость к табачной мозаике. Возможны замещения не только пары хромосом, но и отдельных хромосом. Например, Р. Райли передал пшенице мягкой от эгилопса одну хромосому, контролирующую устойчивость к жёлтой ржавчине.

Успех использования дополненных и замещённых линий, также как и амфидиплоидов, зависит от их стабильности и озернённости. К сожалению, все полученные дополненные линии цитологически не стабильны, по-видимому, из-за нарушения сбалансированности функций генов. Наблюдается утеря пары добавленных хромосом и возврат к 42-хромосомным пшеницам. Замещение отдельных хромосом даёт лучший эффект, чем добавление чужой хромосомы, поскольку генотип в данном случае более сбалансирован, однако эти линии часто маложизнеспособны, т. к. чужая хромосома может не компенсировать отсутствующую хромосому.

4. Индуцированные переносы сегментов хромосом одного вида в другой. Для переноса фрагментов хромосом одного вида в хромосомы другого вида используют транслокации типа вставок, т. е. небольшой участок чужеродной хромосомы дикого вида с нужным геном перемещается в хромосому культурного вида. Этот тип транслокаций наиболее редкий, так как для его осуществления необходимы два разрыва в одном плече хромосомы. Для индуцирования транслокаций применяют ионизирующие излучения. В настоящее время получены транслокации между хромосомами пшеницы и других злаков. Например, в Кембридже получены транслокации, включающие II и III хромосомы ржи. Хромосома III несёт в длинном плече ген устойчивости к жёлтой ржавчине и мучнистой росе, а хромосома II - ген, ответственный за устойчивость к мучнистой росе. В 19551956 гг. Э. Сирсом получена вставка участка хромосомы Aegilops umbellulata в одну из хромосом пшеницы. Гомозиготные по этой транслокации растения отличались устойчивостью к стеблевой и бурой ржавчинам и более поздним созреванием. Так была получена линия под названием «Трансфер», которая используется сейчас в селекции.

Новые возможности для обмена сегментами хромосом у пшеницы при отдалённой гибридизации открываются в связи с установлением того факта, что хромосома 5В несёт ген или гены, эффективно ограничивающие межгеномную конъюгацию. В 1970 г. Моррис и Сирс описали технику переноса желательных генов из других видов или родов в хромосомы пшеницы на основе использования нуллисо-мических по хромосоме 5В растений.

5. Перенос геномов одного вида в цитоплазму другого. Путём переноса генома одного вида в цитоплазму другого получают формы с ЦМС. Это позволяет использовать эффект гетерозиса гибридов F1 у ряда культур. Например, японский генетик Х. Кихара в 1951 г. получил мягкую пшеницу с ЦМС путём переноса её геномов в цитоплазму Эгилопса.

Таким образом, использование отдалённой гибридизации в сочетании с современными цитогенетическими методами может быть перспективным для передачи отдельных полезных признаков от диких форм культурным растениям.

Литература:

1. Сагалбеков Е.У., Зотова Л.П. Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур, Астана: Издательство Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина, 2015.-258с.

2. Таранухо Г.И. Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур: Учебник. – Минск: ИВЦ Минфина, 2009. – 420 с.

3. Ведров Н.Г. Селекция и семеноводство полевых культур: учеб. пособие. - Красноярск, 2008.-300 с.

4. Пыльнев В.В., Коновалов Ю.Б., Березкин А.Н. Практикум по селекции и семеноводству полевых культур: Учебное пособие (практикум). – М.: «КолоС», 2008. – 404 с.

5. Малицкая Н.В., Сыздыкова Г.Т., Аужанова М.А. Семеноводство зерновых культур в Северном Казахстане: курс лекций. - Петропавловск: СКГУ им. М. Козыбаева, 2016.-90с.