6.Генетичні механізми закріплення гетерозису

З узагальнень, викладених у розділі XIX, випливає, що гетерозис у різних ситуаціях обумовлюється функціональною взаємодією найрізноманітніших генів у таких комбінаціях, які іноді спричиняють високий сплеск гібридної сили. Ці комбінації, проходячи через мейоз, частково руйнуються, а в процесі заплід­нення гени заново комбінуються між собою. Отже, сплеск гетерозису, що виник завдяки утворенню вда­лої комбінації генів, іноді раптово, а іноді поступово згасає в наступних поколіннях. Однак у процесі ево­люції видів виникли такі комбінації спадкових структур організмів, які переходять через мейоз неушкодженими. Гетерозис виявляється закріпленим і стабільно успадковується новими поколіннями. Крім того є й такі комбінації, які в мейозі руйнуються незначною мірою, і сплеск гетерозису поступово згасає про­тягом 8-12 поколінь. В деяких випадках закріплення гетерозису є неповним. Але в еволюції видів і таке закріплення відіграє позитивну роль.

Звичайно, селекціонер має знати про створені природою механізми закріплення гетерозису з тим, щоб якнайповніше використати їх у селекційній роботі. Це потрібно для розробки нових генетичних методів закріплення гетерозису. Сучасні методи селекції та насінництва сільськогосподарських культур дозволяють цілеспрямовано використати ефект гетерозису лише в гібридів першого покоління. При цьому процеси насінництва , досить складні. Тому проблема розробки методів закріплення гетерозису в селекції рослин є актуальною. її успішне вирішення суттєво збільшило б можливості сільськогосподарського виробництва.

Розглянемо встановлені наукою механізми закріплення гетерозису, які апробовані дією природного добору.

Алополіплоїдія або амфідиплоїдія — це подвоєння числа хромосом, привнесених у гібридну зиготу гаметами двох різних, але філогенетично близьких таксономічних видів або родів.

Рис. Схема відновлення плодючості в капустяно-редьковго гібриду шляхом подвоєннячисла хромосом. Світлим (А) умовно позначено набір хромосом геному капусти, а темним (В) — редьки (за Г,Д,Карпеченком, 1929)

Якщо каріотип одного диплоїдного виду містить у своєму складі два хромосомних геноми АА, а каріотип іншого виду — геноми ВВ, то від міжвидового схрещування утворюється зигота з хромосомами АВ-геномів. При цьому будь-яка хромосома геному А не має гомологічного партнера в геномі В чи навпаки. Тому в мейозі АВ-організму кожна з хромосом обох геномів, будучи позбавленою свого гомологічного партнера, не має з ким. Втрачається можливість нормаль­ного розподілу хромосом між дочірніми кліти­нами. Утворені гамети з порушеними числами хромосом виявляються нежиттєздатними. Тому гібридні АВ-особини стерильні в статевому відношенні.

Подвоєння числа хромосом в АВ-гібридних особин започатковує алополіплоїд ААВВ-каріотипу. В процесі подвоєння кожна хромосома відтворює свою сестринську пару. В мейозі кон'югація сестринських гомологів в алополіплоїда відбувається так само, як і в диплоїдів. Тому їх ще називають амфідиплоїдами, тобто такими міжвидовими гібридами, в каріотипах яких містяться повні диплоїдні на­бори хромосом батьківських видів. Унаслідок нормалізації мейозу в амфідиплоїдів повністю відновляється плодючість. Разом з цим нащадки успадковують усі ознаки, в тому числі і рівень гетерозису без будь-якого розщеплення.

Штучні алотетраплоїди були створені в 1927 р., Г.Д. Карпеченком. Від схрещування капусти з редь­кою він одержав стерильні гібриди, а при подвоєнні числа хромосом виникли амфідиплоїди ВВНВ-каріотипу, котрі нормально розмножувались за схемою (рис. XX.2). Ботаніки назвали цей амфідиплоїд Raphanobrassika.

У 1935 р. В.О. Рибін, схрестивши терен (2п=32) з аличею (2п=16), одержав стерильний гібрид. Под­воєння хромосом у гібрида показало, що Рибін не просто відновив плодючість, але і відтворив 48-хро-мосомну домашню сливу.

В 1944 р. А.Р. Жебрак схрестив тверду пшеницю Tritikum durum (28 хромосом) з Т.monocococcum (14 хромосом). В одержаних стерильних гібридів він подвоїв число хромосом, у результаті чого було відтво­рено м'яку 42-хромосомну пшеницю.

В пшениці Т. monocococcum хромосоми представлені АА-геномами (14 хромосом), в 28-хромосомній — ААВВ-геномами, а в 42-хромосомній м'якій пшениці —ААВВСС-геномами. З'ясувалось, що хромосо­ми А-геному належать пшениці Т.monocococcum, а хромосоми В-, С-, Д-геномів, котрі входять до складу каріотипів 28- та 42-хромосомних пшениць, походять від різних видів роду Аедіїорз. Наприклад, від схре­щування Т. monocococcum х А. speltoides з наступним подвоєнням хромосом утворюється 28-хромосомна пшениця Т. dicocoides з ААВВ-геномами.

Детальне вивчення явища поліплоїдії показало, що механізми побудови каріотипів алополіплоїдів не тільки відновлюють плодючість у міжвидових гібридів, але і надійно закріплюють набутий гібридом гетерозис.

Гетерогеномніоть. Гетерогеномними є такі організми, каріотипи яких складаються з двох або з кількох неспоріднених геномів, котрі належать до одного і того самого таксономічного виду. А це мож­ливо лише в поліплоїдіє.

Явище гетерогеномності, яке проявилось в

Рис. Схема, яка ілюструє явище гетерогеномнос­ті у гібридів після подвоєння числа хромосом. Заштри­хованою та білою площинами позначені генгоми ви­хідних батьків. 2п — диплоїдний Аа гібрид. 4п — Ауто-тетраплоїд ААаа, який утворився від подвоєння числа хромосом. Видно, що внаслідок утворення бівалентів сестринськими АА та аа хромосомами формуються лише однотипні гамети Аа генотипу. При заплідненні вони забезпечують відтворення батьківського генотипу в ряду наступних поколінь

арахісу (Arachis hypogaea), було відкрито українським генети­ком В.П. Мірютою в 1948 р. Відомо, що арахіс при розмноженні стабільно успадковує всі господарськоцінні

ознаки. Проте схрещування між формами різного походження показало, що чисті лінії цієї культури є тетраплоїдними, оскільки міжлінійні гібриди розщеплюються у співвідношенні 35 : 1, як і очікується теоретич­но. Це дало підстави зробити висновок про те, що автотетраплоїдний арахіс походить від високо гетерози­готних внутрішньовидових гібридів, у яких спонтанно подвоїлось число хромосом. Саме цим був обумовле­ний перехід до нового, складнішого гібридного стану, від гетерозиготності до гетерогеномності. За даними Мірюти, гетерогеномний стан у тетраплоїдних гібридів арахісу характеризується явищем вибіркової кон'югації сестринських хромосом у мейозі. Зі схеми, наведеної на малюнку видно, що на диплоїдному рівні хромосоми гомологічних геномів при їхній високій ге­терозиготності нормально кон'югують і утворюють два генотипових сорти гамет домінантного та рецесивного генотипів. Проте після подвоєння числа хромосом даного гібрида кожна хромосома відтво­рить свою сестринську пару.

Отже в каріотипі автотетраплоїда кожна група з чотирьох хромосомних гомологів представлена двома парами сест­ринських хромосом.

Зазначимо, що внаслідок безпе­рервності спонтанного мутагенезу, як правило, виникає суттєва різниця в сту­пені гомології між хромосомами-гомо-логами неспорідненого та між гомоло­гами сестринського походження. Між неспорідненими гомологами ступінь го­мології значно менший 100%, а між се­стринськими — майже завжди дорівнює 100%. Звідси, відповідно до схеми (рис. XX.3) сестринські пари хромосом повинні кон'югувати бівалентами, роб­лячи можливим утворення лише одного генотипового сорту гамет Аа-генотилу. Зливаючись при заплідненні, ці гамети забезпечують незмінне відтворення ви-сокогібридних генотипів автотетраплоїдів. Отже, закріплення гетерозису шляхом гетерогеномності в арахісу зробило плоди цієї культури справжнім харчовим концентратом (в його насінні міститься понад 50% олії, 24-30% білків та до 6% цук­рів). У богарних умовах землеробства на Півдні України арахіс може давати врожаї зерна до 20-25 ц/га, а в тропіках — до 40 ц/га.

Гетерогенність. Цим терміном позначають властивий будь-якому організму стан, при якому в гено­типі його окремої гамети міститься більше одного алельного гена. Зрозуміло, що злиття двох однаково гетерозиготних гамет у процесі запліднення обумовить утворення зиготи, з якої і започатковується гете­рогенний організм.

Гетерогенність виникає завдяки утворенню дуплікацій, внаслідок чого подвоюється або і більш суттєво помножується доза кожного дуплікованого гена. Нагадаємо, що дуплікація — це одна із форм хро­мосомних мутацій, які виникають у результаті хромосомних перебудов під впливом мутагенних чи інших несприятливих факторів середовища. їх також може спричинювати нерівний кросинговер.

Зі схеми дуплікації, яка несе,наприклад, рецесивний а видно, що після дуплікації в кожній з двох гомологічних хромосом ло­калізовано по два локуси алельних А-генів.Будучи зчепленими, вони стабільно зберігають своє положення в ряду поколінь,оскільки всі гамети за генами, які обумовлюють гетерогенність, ідентичні. Це по­ яснюється тим, що кросинговер між А-а-генами жодних змін у групи зчеплення не вносить. Тому в процесі запліднення, наприклад у самозапильних рослин, злиття таких гамет відновлює гетерогенний стан організмів у нових поколіннях.Таким чином, завдяки дуплікаціям гетерозиготність переходить у ге терогенність. В разі, якщо комбінації дуплікатних генів обумовлять сплеск гетерозису, цей високогетерозисний стан закріплюється механізмами ге­терогенності і без згасання передається в поколіннях.

У живій природі явище гетерогенності широко розповсюджене в са­мозапильних рослин. У таких видів рослин, як ячмінь, квасоля, горох то­що, в яких протягом багатьох поколінь здійснюється самозапилення, інбридна депресія не проявляється. Ознаки високого гетерозису стабільно успадковуються в поколіннях. Це обумовлено гетерогенністю, котра поєднує в собі ефективність гетерозиготності, яка породжує гете­розис, з ефективністю подвоєння дози гена.

Еугетерозис. Еугетерозисом Ф. Добржанський у 1962-1963 рр. на­звав істинний гетерозис, який він спостерігав у Drosophila pseudobscura. Явище еугетерозису в кожному разі обумовлюється сприятливою комбінацією системи з декількох неалельних генів, локалізованих у мікроінверсії. Ці блоки генів у процесі розмноження, як правило, прохо­дять через мейоз неушкодженими. Тому в кожному поколінні в гетерозиготних за даною мікроінверсією особин, відновлюється сприятлива для формування'високої життєздат­ності та плодючості взаємодія цих генів як між собою, так і з генами неінвертованої гомологічної хромо­соми. Отже, виступаючи в ролі замикачів кросинговеру (рис. XX,5), у разі чисто випадкового утворення найсприятливішого співвідношення домінантних і рецесивних генів, локалізованих на ділянці інверсії, та­ка інверсія і локалізовані в ній гени стабільно, без будь-яких змін спадкуються в поколіннях, забезпечу­ючи прояв еугетерозису.

Схематичне зображення цитогенетичних механізмів диплоспорії. Перетворення археспоріальної клітини в мегаспору будьяким із трьох шляхів виключає процеси редукції числа хромосом.

Мейоз випадає. Археспорій ділиться мітотично

Проте описаний механізм закріплення гетерозису за рахунок мікроінверсій не забезпечує успадку­вання еугетерозису всіма нащадками. Щоб зрозуміти сказане позначимо символом іn блок генів, ло­калізованих в мікроінверсії, а знаком іn⁺ — відповідну неінвертовану ділянку гомологічної хромосоми. Тоді генотип гетерозиготної за мікроінверсією особини можна записати як іnіn⁺. При розмно­женні особин з цими генотипами утвориться:

Р іnіn⁺ х іnіn⁺

гамети іn, іn⁺ іn, іn⁺

Р іnіn; 2іпіп⁺; іnіn

За жорстких умов зовнішнього середовища нащадки з іnіn — та іn⁺іn⁺-генотипами частково або й повністю елімінуються, тимчасом як іn-гетерозиготи нормально живуть і розмножуються. Механізми еу­гетерозису, виявлені в різних видів дрозофіли, проявляються також в ячменю та інших видів рослин.

Апоміксис, (від грец. аро — від, без та miхіs — змішування) — це різні способи безстатевого розм­ноження рослин і тварин; у вужчому значенні — утворення зародка без запліднення. Окремим випадком апоміксису є партеногенез (від грец. раrtenos — дівчина та genesis — походження) — форма статевого розмноження тварин і рослин, при якій жіночі статеві клітини (яйцеклітини) розвиваються без запліднен­ня. (Інша назва —дівоче розмноження).

Шведський вчений А. Густафсон у 1946 р. дійшов висновку, що в природі існує дві основні форми апоміксису: агамоспермія та вегетативне розмноження.

Під агамоспермією (від грец. agamos — безшлюбний та sperma— насіння) — розуміють таку форму апоміксису в рослин, яка забезпечує утворення насінних поколінь без злиття чоловічого та жіночого про-нуклеусів, тобто без злиття ядер гамет протилежної статі. Агамоспермія проявляється в трьох формах: диплоспорії, апоспорії та адвентивної ембріонії. В разі диплоспорії археспоріальна клітина вступає в мейоз. При цьому вона потрапляє в одну з трьох ситуацій. За першої ситуації — мейоз роз­починається нормально, але після завершення метафази 1 припиняється. Анафаза 1 не відбувається. Хромосоми, що відокремилися від бівалентів, знову об'єднуються в одне так зване реституційне ядро.

За другої ситуації в мейозі не відбувається кон'югації гомологів і не утворюються біваленти. Але в анафазі 1 кожна хромосома розщеплюється на дві дочірніх, котрі розходяться до протилежних полюсів клітини. Отже, формується мегаспора, в якої зберігається соматичне число хромосом внаслідок так зва­ного псевдогомеотичного мейозу.

Нарешті, за третьої ситуації мейоз відсутній повністю. Поділ археспоріальних клітин і формування мегаспори відбувається за рахунок мітотичних поділів. Всі ці ситуації показані на схемах.

Диплоспорія (від грец. diplus — подвійний та spora— народження, розмноження) — спосіб розмно­ження характерний для видів родів Таrахасum (кульбаба), Rоа (тонконіг), Rubus (малина) тощо. Як уже зазначалося, однією з форм апоміксису є апоспорія — спосіб розмноження деяких видів рослин, зокрема видів роду Сrepis (скерда). Він характери­зується тим, що утворені внаслідок мейозу зародкові мішки дегенерують, а їхнє місце посідають зарод­кові мішки, які формуються з соматичних клітин халази та нуцелуса.

Що ж до третьої форми агамоспермії — адвентивної ембріонії, вона характеризується утворенням нормальних зародкових мішків з гаплоїдною яйцеклітиною, яка може нормально запліднюватись. Разом є цим в дані зародкові мішки шляхом проростання проникають диплоїдні клітини нуцелусу та інтегументів, які під впливом ферментів започатковують розвиток матроклінних зародків. Такий тип апоміксису прита­манний видам Euphorbia, Оpuntia, Citrus та ін.

Варто відзначити, що вивчення гібридних нащадків від схрещування каучуконосів гваюли (Parthenium argentatum), як факультативного апомікта, з маріолою (Р. incanum — статева форма) дозволило Л.Поуеру в 1945 р. зробити висновок, що апоміксис успадковується за такою тригібридною схемою: 27А_В_С_ : 9ааВ_С_ : 9А_ввС__: 9А_В_сс : ' 9А ввсс : ЗааВ_сс : ЗааввС : Іааввсс. (Риски у формулах означають, що у відповідних місцях можуть знаходитись і домінантні і рецесивні алельні гени.) Аналіз розщеплення дозволив Поуеру сформулювати такі закономірності:

• ген А (домінантний) обумовлює, а ген а (рецесивний) пригнічує редукцію числа хромосом;

• ген В обумовлює необхідність, а ген в пригнічує можливість статевого запліднення;

• ген С обумовлює нездатність, а ген с обумовлює здатність яйцеклітини дробитись та розвиватись без запліднення.

Таким чином, проведені Поуером дослідження показали, що явище апоміксису виникає .внаслідок взаємодії рецесивних авс-генів.

Вегетативне розмноження. Воно характерне для рослин, в яких замість насіння утворюються повіт­ряні цибулини, вівіпарії, вусики, коренепаросткові пагони, бульби та інші вегетативні утворення, здатні започатковувати організми нового покоління.

Вегетативний апоміксис у селекції використовують з давніх-давен. Саме ця форма розмноження, як і статевий апоміксис, забезпечує міцне закріплення гетерозису, котрі стабільно успадковується в нових поколіннях. Добрані елітні особини вегетативних апоміктів, якщо вони характеризуються сплеском висо­кого гетерозису, використовуються селекціонерами як родоначальники нових сортів. До таких видів рос­лин відносяться картопля (Solanum tuberosum), топінамбур або земляна груша (Helianthus tuberosus), час­ник (Allium sativum), суниці садові (Fragaria grandiflora), ягідні та плодові види рослин.

Усі види рослин, що розмножуються шляхом однієї з зазначених форм апоміксису, утворюють яй­цеклітини з нередукованими соматичними числами хромосом, здатними започатковувати нормальний ембріональний розвиток без запліднення або ж формують такі вегетативні утворення, якими започатко­вуються організми нових поколінь. Тому всі організми апоміктичного походження є матроклінними. Вони без будь-яких змін успадковують всі ознаки материнських організмів. Якщо ж внаслідок дії процесів му­тагенезу або інших чинників серед рослин-апоміктів виникають особини зі сплеском гетерозису, то цей стан гібридної сили надійно закріплюється апоміксисом і стійко успадковується в поколіннях.