Причины стерильности гибридов. Получение фертильных гибридов

ПРИЧИНЫ СТЕРИЛЬНОСТИ ГИБРИДОВ. Межвидовая гибридизация – это одна из форм симпатического видообразования, при которой новый вид возникает в результате скрещивания между особями двух разных видов. Можно принять за правило, что чем дальше стоят друг от друга скрещиваемые виды и роды, тем сильнее выражена стерильность их гибридов.
Среди отдаленных скрещиваний различают две группы: 1) конгруентные скрещивания, когда родительские формы, несмотря на различие в генах, могут скрещиваться без понижения жизне­способности, и 2) инконгруентные скрещивания, когда родитель­ские формы имеют несоответственные хромосомы или разное число хромосом или несоответствие в плазме; у гибридов от таких скре­щиваний обычно наблюдается неправильный мейоз или ненормаль­ность в развитии и они оказываются стерильными. Факторы, вызывающие стерильность, весьма различны: 1) несовместимость ядра и цитоплазмы и как следствие этого - нарушение митозов в процессе развития генеративных тканей; 2) действие генов, препятствующих развитию гонад и эндо­кринных желез у животных, а у растений — женских и мужских органов цветка; 3) генетические факторы, препятствующие конъюгации хро­мосом в мейозе и образованию бивалентов, следствием чего является образование гамет с несбалансированным набором хромосом. Все эти причины обусловлены генетически, и поэтому в каждом отдельном скрещивании есть возможность установить главный фактор, определяющий бесплодие. Атипические митозы в гибридном организме, как мы видели, могут начинаться очень рано и приводить к полной депрессии развития. Однако атипичность митозов может быть частичной и не исключает дальнейшего, даже нормального, развития гибрид­ного организма. Атипические митозы могут проявляться в отдель­ных тканях, образуя химерные ткани, в том числе и в генеративной при закладке гонад, а также в процессе размножения сперматогоний и оогоний. В этом случае будет наблюдаться частичная стериль­ность. У гибридов часто возникают реципрокные различия в плодови­тости. Так, у некоторых гибридов семейства Bovidae межвидовые скрещивания яка и бизона с крупным рогатым скотом дают сте­рильных гибридных самцов и плодовитых самок. При беккроссах, по мере повышения кровности, гаметогенез восстанавливается и у мужского пола. Например, сперматогенез у гибридов первого поколения (1/2 кровного) яка прекращается на стадии сперматого­ний, а у 1/4 кровного яка прекращается на стадии сперматоцитов I. Та же самая картина наблюдается у мула и зеброида. Однако для полного восстановления плодовитости гибридов требуется полное замещение хромосом одного из исходных видов. Гибриды лошади и осла бесплодны в обоих полах. Сперматогенез мулов останавливается на втором делении созревания. Мулицы же иногда дают потомство, как от жеребца, так и от осла. При этом беккросс на жеребца дает плодовитых гибридов, похожих на ло­шадь, а от скрещивания мулиц с ослом рождаются стерильные гибриды, похожие на мула. Эти факты позволяют сделать предпо­ложение, что мулицы плодовиты лишь в тех случаях, когда в оогенезе в некоторых яйцеклетках все хромосомы осла выпадают — элиминируются или попадают в направительное тельце, вследствие чего остаются лишь хромосомы лошади. У растений отдаленная гибридизация также вызывает сходный эффект. По данным В. А. Хижняка, полноценные яйцеклетки у гибрида встречаются чаще, чем фертильная пыльца. У большинства пшенично-пырейных гибридов первого поколения в цветках пыль­ники не раскрываются и не содержат пыльцы. Плодовитость отдаленных гибридов первого поколения часто зависит от выбора линий для скрещивания. Так, например, плодо­витость гибридов F1 значительно выше от скрещивания Triticum durum X Agropyrom intermedium, чем от скрещивания Tr. Timop-heevi X Agr. intermedium. Поскольку в обоих случаях у гибридов число хромосом одинаково (n = 21) и они различаются по плодо­витости, то, очевидно, что разница в плодовитости объясняется различиями геномов скрещиваемых форм. Роды, виды и разновидности являются генетически полиморфными в отношении скрещиваемости и плодовитости гибридов. Главной причиной, определяющей бесплодие отдаленных гиб­ридов, является нарушение мейоза в гаметогенезе. Нарушение мейоза может быть вызвано рядом генетических факторов. 1. Различие в геномах, что ведет к нарушению равного распре­деления хромосом в метафазе I. 2. При общем сходстве геномов и равенстве числа хромосом у скрещиваемых видов имеются различия в отдельных аллелях, а также асинаптические гены, препятствующие нормальному спариванию хромосом. Нарушение мейоза может быть вызвано не только генетическими причинами, но и неблагоприятными факторами внешней и внутренней среды. У животных особое зна­чение приобретают гармональные факторы. Все указанные выше причины стерильности гибридов так или иначе вызывают нарушение нормального синапсиса хромосом, что препятствует образованию бивалентов. Если биваленты не обра­зуются, то редукционное деление нарушается, так как униваленты распределяются случайно и неравномерно. Следствием неравномер­ного распределения хромосом относительно полюсов в метафазе является образование частично или полностью неполноценных гамет. В том случае, когда один из скрещиваемых видов является автополиплоидом, а другой — диплоидом, в мейозе у гибрида могут возникать не только униваленты, но и триваленты. В случае скрещивания автополиплоидных видов могут образовываться мультиваленты, что также ведет к образованию несбалансированных гамет. Рассмотрим нарушение нормального хода мейоза у аллополиплоидных гибридов. Каждый вид растений, произошедший путем аллоплоидии, обязательно несет несколько разных геномов, в отли­чие от автополиплоида, который несет сходные геномы. Чем меньше гомология геномов у скрещиваемых видов, тем ниже плодовитость гибридов. Степень плодовитости гибрида указывает на степень гомологичности геномов. Разные геномы, сочетаясь в гибридных клетках, ведут себя в мейозе по-разному. Гомологичные хромосомы сходных геномов, образуя биваленты, нормально расходятся к полюсам в анафазе I. Хромосомы разных геномов, не имеющие гомологов, не образуют бивалентов и распределяются неравномерно. Лишь иногда, когда все хромосомы отходят к одному полюсу, возможно образование нормальных гамет. Хромосомы разных геномов имеют, как правило, морфологиче­ские отличия; часто они отличаются циклом спирализации, что проявляется в их неодновременном вступлении в метафазу. Поскольку образование бивалентов является следствием синапсиса гомологичных хромосом, то в изучении причин бесплодия Рис. 1. Мейоз гибрида Ft Triticum durum и Тг. Timopheevi. 1 — метафаза I: видно 7 бивалентов и 14 унива-лентов; 2 - анафаза I: униваленты беспорядочно расходятся к полюсам после правильного рас­хождения хромосом бивалентов; 3 - телофаза II: видны неразошедшиеся униваленты.
гибридов имеет значение также учет типа синапсиса отдельных хромосом и числа, образующихся хиазм. По числу бивалентов, унивалентов и мультивалентов, а также по типу синапсиса (плотный и рыхлый), числу хиазм бивалентов в мейозе судят о гомологии геномов и хромосом в наборе гиб­ридного организма.
В полиплоидном ряду рода пшениц (Triticum) ди­плоидная пшеница-однозер­нянка Тг. monococcum имеет один геном (п = 7), обычно обозначаемый А; тетраплоидные пшеницы (п = 14), например твердая пшеница (Tr. durum), имеют два разных генома А + В; гексаплоидные, например, мягкие пшеницы — три разных генома А + В + D. Таким образом, однозернянка оказывается диплоидом (АА = 2/г = 14), твердая пшеница — аллотетраплоидом (АА + + ВВ = 2/г = 14 + 14); мягкая пшеница — аллогексаплоидом (АА + ВВ + DD = 2/г = 14 + 14 + 14). Хромосомы генома А в мейозе, как правило, не конъюгируют с хромосомами геномов В и D. Существует еще один вид аллотетраплоидной пшеницы Tr. Ti-mopheevi, открытый П. М. Жуковским в 1929 г., который имеет так же, как и твердая пшеница, 2n = 28 хромосом. Скрещивание этой пшеницы с твердой пшеницей осуществляется с трудом, и у гибридов сильно нарушен мейоз. В случае сходства геномов в мейозе должно было бы образовываться 14 бивалентов, но факти­чески наблюдается 7 бивалентов и 14 унивалентов (рис. 1). 7 хромосом у каждого из этих видов относятся к одному геному (АА), а 14 хромосом — к разным геномам. В случае скрещивания Tr. Timopheevi (2n = 28) с однозернянкой, имеющей геном А (п = 7), в мейозе у гибрида обнаруживается менее 7 бивалентов и более 7 унивалентов. Следовательно, у Tr. Timopheevi есть геном А, сходный с таковым у однозернянки. Этот же геном выяв­ляется по числу бивалентов и у твердой 28-хромосомной пшеницы. Второй геном Tr. Timopheevi, негомологичный также геному В твердой пшеницы, был обозначен G. Следовательно, у Tr. Timop-heevi есть два генома АА + GG. Как было установлено, род пшениц имеет 4 разных генома: А, В, D, G. При скрещивании видов и цитологическом анализе степени конъюгации хромосом и образования бивалентов и унивалентов в мейозе удается выяснить гомологичность геномов и причины стерильности гибридов, вызванные несовместимостью геномов. Такой цитогенетический анализ геномного состава, по предложе­нию Г. Кихары, с 1924 г. стали называть геномным анализом.
ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРТИЛЬНЫХ ГИБРИДОВ Получение плодовитых отдаленных гибридов достигается раз­ными методами. При выборе метода имеют в виду цель восстановления плодовитости гибридов. Если необходимо сохранить в потомстве гиб­рида геномы обоих видов, то для этого пока известен только один способ, а именно применение амфидиплоидии. Плодовитые гибриды обычно получаются при этом только в тех случаях, когда межвидовая гибридизация приводит к хромосомной мутации, в результате которой образуется аллоплоид. Примером служит гибрид между капустой и редькой, полученный Г. Д. Карпеченко. Происходящие при такой гибридизации генетические изменения показаны на рисунке:
Предполагается, что первый отдаленный гибрид, возникший путем удвоения числа хромосом, был обнаружен в 1912 г. в резуль­тате скрещивания Primula floribunda (2n = 18) и P. verticillata (2/n =18). Один из гибридов от этого скрещивания, по-видимому, амфигаплоид, был стерильным, а другой — амфидиплоид (аллотетраплоид) — плодовитым и имел 2n = 36 хромосом. Гипотеза получения константных и плодовитых тетраплоидных форм у расте­ний с помощью аллополиплоидии была предложена О. Винге еще в 1917 г. В 1922—1924 гг. обстоятельное экспериментальное доказатель­ство восстановления плодовитости путем аллополиплоидии было получено Г. Д. Карпеченко у межродового гибрида редьки и капусты. В 1925 г. Дж. Клаусен и Т. Гудспид получили плодовитый гибрид от скрещивания Nicotiana tabacum (2n = 48) с N. glu-tinosa (2n = 24), имевшей 2n = 72 хромосомы. Первый межродовой гибрид пшеницы (2п = 42) и ржи (2n = 14) был получен в 1890 г. В. Римпау, но число хромосом у него не было установлено. Этот гибрид был назван Triticale. В 1938 г. А. И. Державин при скрещивании твердой пшеницы (Тг. durum) с многолетней рожью (Secale montanum) впервые получил плодовитый не расщепляющийся амфидиплоид (аллогексаплоид) Triticale (2n = 42). Однако этот гибрид имел низкую плодовитость. Установлено, что у ржи есть геном S (или R), содер­жащий 7 хромосом, т. е. у диплоида — два генома SS, содержащие 2/г = 14. Геном S довольно успешно сочетается с двумя геномами твердой пшеницы (А и В) у гибрида Triticale, образуя аллогексаплоид AABBSS (2n = 42 хромосомы). Такие аллополиплоиды были получены также В. Е. Писаревым и др. Если рожь скрещи­вать с гексаплоидной мягкой пшеницей с геномами AABBDD (2n = = 42 хромосомы), то получаются октоплоидные Triticale с геномом AABBDDSS (2п = 56 хромосом). Однако все формы Triticale, как правило, имеют пониженную плодовитость. Для повышения плодовитости каждую из этих гибридных форм скрещивали внутри себя (56 X 56 или 42 X 42 хромосом), однако заметного усиления плодовитости при этом не было до­стигнуто. Недавно венгерский генетик А. Киш произвел скрещи­вание между двумя формами Triticale: 56 X 42 и 42 X 56. В первом поколении растения были в значительной степени стерильны, но в следующих поколениях удалось отобрать формы с высокой уро­жайностью. Содержание глютеина и протеина в их зерне превышает таковое у ржи. Сейчас проводят испытание этих гибридов на песча­ных почвах (рис. 2). При изучении мейоза у этих форм автор наблюдал поведение отдельного генома D и его потерю в том же самом скрещивании.

Рис. 2. Колосья фертильных линий Triticale, полученные А. Кишем. Подобные аллополиплоиды могут быть истинными, когда у них сохраняются признаки обоих исходных видов и, следовательно, удвоенное число хромосом этих видов. Путем отбора удается по­высить плодовитость за счет наилучшей сбалансированности гено­мов и нормализации мейоза. Однако следует иметь в виду, что при саморазмножении амфидиплоида геномы одного из исходных видов могут в ряду поколений элиминироваться, и тогда сохраняются геномы только одного вида (ложные амфидиплоиды). В этом случае повысится плодовитость, но такие особи не будут межвидовыми гибридами. В некоторых таких особях могут сохраняться лишь отдельные хромосомы утраченных геномов за счет частичной гомо­логии и включения их в геном одного из видов. Кроме того, воз­можно, что в результате транслокаций между негомологичными хромосомами некоторые локусы могут переместиться из одного генома в другой. В этом случае удвоение набора геномов скрещивае­мых видов используют для восстановления парности гомологичных хромосом и плодовитости. Однако этот путь пригоден только для межвидовой и межродовой гибридизации растений. Указанный способ применяют в селекции в том случае, когда преследуют цель получить от одного из скрещиваемых диплоидных видов ценные качества для создания новых сортов, а гибриды первого поколения оказываются стерильными. Этот метод был использован в ряде работ. Так, например, М. Ф. Терновский использовал аллополиплоидию в качестве моста, восстанавливаю­щего плодовитость гибридов и передачу ценных свойств диких видов культурным формам табака. Обычно сорта табака не обладают устойчивостью к табачной мозаике и к мучнистой росе, в то время как некоторые дикие виды этими свойствами обладают. Вначале М. Ф. Терновский получил амфидиплоид (аллогексаплоид) от скрещивания Nicotiana glutinosa (n = 12) X N. tabacum (л = 24). В качестве мужского родителя был взят ценный стандарт­ный сорт N. tabacum Дюбек Никитский 44. У амфидиплоида (аллогексаплоида) с 2п = 72 имелись парные геномы каждого вида, и мейоз протекал относительно нормально, лишь иногда наблюдалось образование унивалентов наряду с бивалентами. У этого гибрида проявлялась устойчивость к заболеванию табач­ной мозаикой, но качество табака значительно уступало Дюбеку Никитскому 44. Тогда данный аллогексаплоид вновь скрестили с Дюбеком Никитским 44, в результате чего был получен сесквидиплоид с одним геномом N. glutinosa и двумя геномами N. taba­cum. В последующем этот частично плодовитый гибрид неоднократно скрещивался с табаком, и в потомстве вели отбор по продуктивности.
В результате насыщающих скрещиваний почти все хромосомы N. glutinosa элиминировали и были замещены хромосомами N. ta-bacum, но фрагменты хромосом с генами устойчивости к табачной мозаике и мучнистой росе путем транслокации переместились в хромосомы N. tabacum и вошли в его геном.
Этим методом М. Ф. Терновскому удалось создать новые уни­кальные формы культурного табака, совмещающие высокую про­дуктивность с устойчивостью к табачной мозаике и мучнистой росе. На основе этих форм с помощью дополнительной селекции были выведены новые сорта табака, которые занимают теперь большие производственные посевы в Узбекистане, Казахстане и Таджикистане. Скрещивая некоторые виды пшениц с видами пырея, Н. В. Цицину удалось также получить плодовитые гибриды на основе алло­полиплоидии. Он провел поглощающее скрещивание частично плодовитых гибридов с исходным видом пшениц, а затем отбор на сочетание необходимых качеств пшеницы с некоторыми свойствами пырея. На основе такой гибридизации им были выведены вполне плодовитые перспективные сорта, которые несут геномы пшениц, а геномы пырея утратили. В опытах М. Ф. Терновского метод аллополиплоидии также послужил лишь способом восстановления плодовитости межвидовых гибридов, а путем последующих насыщающих скрещиваний был восстановлен хромосомный комплекс культурного табака (2n = 48), но с новым сочетанием генов, в том числе и полученных от дикого вида. Чтобы увеличить вероятность переноса фрагментов хромосом из одного генома в другой у отдаленных гибридов, можно применять мутагены, повышающие частоту хромосомных перестроек. Благодаря этому, вероятность комбинативной изменчивости в по­томстве гибрида увеличивается. Почти универсальным способом восстановления высокой пло­довитости межвидовых и межродовых отдаленных гибридов растений является аллополиплоидия. Этим путем получено несколько сот плодовитых гибридов. Однако экспериментально полученный аллополиплоид никогда не превышает плодовитости исходных родитель­ских форм, и значительно повысить ее удается только с помощью селекции в ряде поколений. У животных, когда гибрид имеет один пол плодовитый, а другой бесплодный, применяют поглотительное скрещивание. При этом плодовитый гибрид скрещивают с исходным видом и получают Fb, который затем также скрещивают с исходным видом и т. д. По­степенно хромосомы гибрида замещаются хромосомами одного вида, на который производится возвратное скрещивание. В расте­ниеводстве такое скрещивание называют замещающим, в животно­водстве — поглотительным, или беккроссированием. После дости­жения плодовитости беккроссированных гибридов производят скре­щивание «внутри себя» с последующим отбором в потомстве на желаемые признаки. Таким путем получены гибриды крупного рога­того скота с яком, сочетающие продуктивность первого и устойчи­вость к неблагоприятным условиям второго. Ценная современная порода крупного рогатого скота Санта-Гертруда была создана на основе скрещивания с зебу. При этом удалось сочетать хорошую мясную продуктивность и устойчивость животного к высокой температуре и пироплазмозу. Отдаленная гибридизация у животных имела место уже в ранний период одомашнивания животных. Для целей селекции в современ­ных условиях к ней прибегают довольно редко, хотя для решения определенных селекционных задач она может иметь значение. Так, например, советскими генетиками Н. Н. Бутариным, Б. Ф. Ру­мянцевым и другими (под руководством Я. Я. Л уса) в 30-х годах были начаты исследования по гибридизации тонкорунных и грубо­шерстных овец с диким бараном-архаром. В результате многолетней селекции Н. Н. Бутариным была создана породная группа архаро­меринос, приспособленная к высокогорным пастбищным условиям. Наибольшее значение отдаленная гибридизация получила в ра­стениеводстве. Ее широко использовали И. В. Мичурин, Л. Бербанк и другие селекционеры для выведения сортов плодовых и ягодных растений, совмещающих в себе ряд ценных качеств, таких, как морозостойкость, устойчивость к заболеваниям и др. Отдаленная гибридизация нашла широкое применение в селекции зерновых куль­тур в исследованиях А. П. Шехурдина, А. А. и А. Л. Сапегиных, Г. К. Мейстера, Н. В. Цицина, А. Р. Жебрака и других генетиков.







Краткое содержание. Можно принять за правило, что чем дальше стоят друг от друга скрещиваемые виды и роды, тем сильнее выражена стерильность их гибридов. Среди отдаленных скрещиваний различают две группы: 1) конгруентные скрещивания, когда родительские формы, несмотря на различие в генах, могут скрещиваться без понижения жизне­способности, и 2) инконгруентные скрещивания, когда родитель­ские формы имеют несоответственные хромосомы или разное число хромосом или несоответствие в плазме; у гибридов от таких скре­щиваний обычно наблюдается неправильный мейоз или ненормаль­ность в развитии и они оказываются стерильными. Факторы, вызывающие стерильность, весьма различны: 1)Несовместимость ядра и цитоплазмы и как следствие этого – нарушение митозов в процессе развития генеративных тканей; 2)Действие генов, препятствующих развитию гонад и эндо­кринных желез у животных, а у растений — женских и мужских органов цветка; 3)Генетические факторы, препятствующие конъюгации хро­мосом в мейозе и образованию бивалентов, следствием чего является образование гамет с несбалансированным набором хромосом. Все эти причины обусловлены генетически, и поэтому в каждом отдельном скрещивании есть возможность установить главный фактор, определяющий бесплодие. Атипические митозы в гибридном организме могут начинаться очень рано и приводить к полной депрессии развития. Однако атипичность митозов может быть частичной и не исключает дальнейшего, даже нормального, развития гибрид­ного организма. Однако для полного восстановления плодовитости гибридов требуется полное замещение хромосом одного из исходных видов. Плодовитость отдаленных гибридов первого поколения часто зависит от выбора линий для скрещивания. Разница в плодовитости объясняется различиями геномов скрещиваемых форм. Главной причиной, определяющей бесплодие отдаленных гиб­ридов, является нарушение мейоза в гаметогенезе. Нарушение мейоза может быть вызвано рядом генетических факторов. 1.Различие в геномах, что ведет к нарушению равного распре­деления хромосом в метафазе I. 2.При общем сходстве геномов и равенстве числа хромосом у скрещиваемых видов имеются различия в отдельных аллелях, а также асинаптические гены, препятствующие нормальному спариванию хромосом. Нарушение мейоза может быть вызвано не только генетическими причинами, но и неблагоприятными факторами внешней и внутренней среды. У животных особое зна­чение приобретают гармональные факторы. При скрещивании видов и цитологическом анализе степени конъюгации хромосом и образования бивалентов и унивалентов в мейозе удается выяснить гомологичность геномов и причины стерильности гибридов, вызванные несовместимостью геномов (геномный анализ Г. Кихары, с 1924 г.). Способы получения фертильных гибридов Амфидиплоидия (аллополиплоидия) – способ получения плодовитых отдаленных гибридов, при котором в потомстве сохраняются геномы обоих скрещиваемых видов. Используется для восстановления плодовитости. Как правило, гибриды имеют пониженную плодовитость.
Указанный способ применяют в селекции в том случае, когда преследуют цель получить от одного из скрещиваемых диплоидных видов ценные качества для создания новых сортов, а гибриды первого поколения оказываются стерильными. Предполагается, что первый отдаленный гибрид, возникший путем удвоения числа хромосом, был обнаружен в 1912г. Гипотеза получения константных и плодовитых тетраплоидных форм у расте­ний с помощью аллополиплоидии была предложена О. Винге еще в 1917г.
Литература: Лобашев М. Е. Генетика. Издательство Ленинградского университета1967г. Богданова Т. Л., Солодова Е. А. Биология: Справочное пособие для старшеклассников и поступающих в вузы. – М.: АРТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2002. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х томах Том 3. Перевод с англ./ Под ред. Р. Сопера. – М.: Мир, 1990.