Гаплоидная технология
Видео: Биологи получили стволовые клетки с одинарным набором хромосом
Селекция
Видео: Мейоз
Культивирование репродуктивных органов пыльников, неоплодотворенных завязей и семяпочек открывает перспективу массового получения гаплоидных растений, представляющих ценный исходный материал для селекции. Основным преимуществом гаплоидной технологии является быстрое получение гомозиготных линий. Такие линии происходят либо из отцовского, либо из материнского геномов репродуктивных клеток, имеют максимальную гомозиготность в отличии от соматических клеток, для которых характерна гетерозиготность.Значение гаплоидной технологии было сразу оценено селекционерами из-за значительного сокращения времени для создания гомозиготных линий и получения быстрой информации о ценности тех или иных комбинаций в ранних поколениях.
Гаплоидные растения при культивировании пыльников получены более чем у 70 видов, в том числе у пшеницы, ячменя, риса, кукурузы . Поскольку гаплоиды, полученные в культуре пыльников, несут генотип мужской гаметы, этот процесс называется андрогенезом in vitro. Андрогенез может быть прямым и косвенным. Прямой андрогенез – образование гаплоидных растений-регенерантов благодаря пыльцевому эмбриогенезу, т.е. из эмбриоидов, формирующихся путем деления микроспор. Возникновение гаплоидных растений из каллусов, которые образуются в результате дедифференциации микроспор, называется косвенным андрогенезом. Не все растения, регенерировавшие из каллусов, являются гаплоидными, поэтому для массового получения гаплоидов необходимо индуцировать пыльцевой эмбриогенез.
В клетках культивируемых пыльников могут идти следующие процессы: 1) эмбриоидогене- 2) дедифференциация и каллусогенез- 3) возникают структуры шаровидной формы: из которых не регенерируют растения- 4) продолжение микроспорогенеза и гаметогенеза- 5) деградация микроспор. Растения-регенеранты: в том числе гаплоидные появляются благодаря двум первым процессам.
При нормальном развитии пыльцы in vivo одноядерные микроспоры претерпевают асиммтеричное деление с образованием генеративной и вегетативной клеток. Вегетативная клетка в дальнейшем остается в состоянии покоя, тогда как генеративная клетка делится, образуя два спермия. В пыльцевых зернах на поздних стадиях запрограммирован гаметофиный путь с образованием спермиев.
Только молодые микроспоры или пыльца, произошедшие непосредственно после первого митоза могут быть индуцированы для перехода на спорофитный путь развития in vitro. При выделении пыльников из цветочных бутонов и помещении их на питательную среду индуцируется спорофитный путь развития микроспор. Внутри пыльника происходят многочисленные деления микроспор и образуется многоклеточный комплекс, из которого формируются различные андрогенные структуры (глобулы, эмбриоиды), дающие начало гаплоидным растениям.
Как же происходит развитие микроспор in vitro? Выяснено 4 основных пути андрогенеза:
1 путь. Микроспора делится на две идентичные дочерние клетки, которые способны к спорофитному развитию. В данном случае не происходит формирования вегетативных и генеративных клеток.
2 путь. Микроспора в результате неравного деления образует вегетативную и генеративную клетки. Спорофиты возникают в результате дальнейшего развития вегетативной клетки, а генеративная клетка дегенерирует.
3 путь. Эмбриоиды формируются только из генеративной клетки. В таких случаях вегетативная клетка либо вовсе не делится , либо делится до известного предела.
4 путь. Как и во втором случае, в результате деления одноядерной микроспоры образуются вегетативная и генеративная клетки, которые в дальнейшем делятся и участвуют в развитии спорофита. Затем возможно непосредственное формирование эмбриоидов или образование спорофитов путем регенерации из каллуса.
Наряду с развитием культуры пыльников и микроспор (андрогенез) в последнее время уделяется большое внимание и культивированию неоплодотворенных завязей и семяпочек, а также зародышевых мешков (гиногенез). Это направление имеет ряд преимуществ перед андрогенезом : 1) получение гаплоидов у мужски стерильных растений возможно только через гиногенез- 2) женский гаметофит является источником гаплоидов у тех растений, у которых андрогенный каллус обладает низкой морфогенетической потенцией или приводит к образованию альбиносов- 3) зародышевый мешок в отличие от микроспор способен к индукции спорофита на всех стадиях развития.
Новый организм в норме может возникнуть только из зиготы – оплодотворенной яйцеклетки. Однако, в определенных условиях в клетках зародышевого мешка может быть нарушен генетически запрограммированный цикл развития, и начало новому организму, кроме яйцеклетки могут дать и другие элементы зародышевого мешка (синергиды, антиподы). При этом образуются апомиктические зародыши, которые наследуют признаки только материнского организма. Это явление имеет важное значение, поскольку образующийся зародыш наследует признаки только материнского организма, что и вызвало развитие метода гиногенеза. Культура неоплодотворенных завязей и семяпочек открывает большие возможности для получения гиногенетических гаплоидов (дигаплоидов). Наибольший простор это направление открывает для исследования фундаментальных механизмов реализации морфогенетических потенций клеток и для прикладных разработок по созданию новых исходных форм растений.
Вошло в селекционную практику также получение гаплоидов методом селективной элиминации хромосом в гибридном зародыше. При скрещивании культурного ячменя (Hordeum vulgare) с диким луковичным ячменем Hordeum bulbosum возникают гаплоиды с набором хромосом Hordeum vulgare. На стадии начала роста зародыша и эндосперма происходит элиминация хромосом дикого вида, Гаплоиды возникают из опыляемых растений в обоих случаях скрещивания, когда Hordeum bulbosum служат как материнской, так и отцовской формой. В первом случае появляются гаплоиды дикого вида, во втором – гаплоиды культурного ячменя, что весьма существенно для селекции. Поскольку гаплоиды стерильны, для получения фертильных растений гаплоиды обязательно должны быть переведены на диплоидный уровень. Дигаплоид, полученный из гаплоидного организма является абсолютно гомозиготным. Использование гибридизации с ячменем луковичным и удвоение хромосом резко сокращает время, необходимое для получения гомозигот. Гаплоиды очень ценны также для мутационной селекции, потому что на гаплоидном уровне облегчается идентификация генетических изменений.
