Удвоенная гаплоидия

Удвоенный гаплоид (DH) — это генотип, образующийся в результате гаплоидных удвоения хромосом в важное значение имеет искусственное получение удвоенных гаплоидов клетках. В селекции растений .

Гаплоидные клетки производятся из пыльцы или яйцеклеток или из других клеток гаметофита , затем путем индуцированного или спонтанного удвоения хромосом образуется удвоенная гаплоидная клетка, из которой можно вырастить удвоенное гаплоидное растение. Если исходное растение было диплоидным , гаплоидные клетки являются моноплоидными термин «удвоенный моноплоид» , и для удвоенных гаплоидов можно использовать . Гаплоидные организмы, происходящие от тетраплоидов или гексаплоидов, иногда называют дигаплоидами (а удвоенные дигаплоиды — соответственно тетраплоидами или гексаплоидами).

Обычные процедуры инбридинга требуют шести поколений для достижения примерно полной гомозиготности , тогда как удвоенная гаплоидия достигается за одно поколение. Дигаплоидные растения, полученные из тетраплоидных культурных растений, могут иметь важное значение для программ селекции, в которых используются диплоидные дикие родственники сельскохозяйственных культур.

История

Первое сообщение о гаплоидном растении было опубликовано Blakeslee et al. (1922) в Datura stramonium . Впоследствии гаплоиды были обнаружены у многих других видов. Гуха и Махешвари (1964) разработали метод культивирования пыльников для получения гаплоидов в лаборатории. Получение гаплоидов путем широкого скрещивания зарегистрировано у ячменя (Kasha и Kao, 1970) и табака (Burk et al. , 1979). Табак, рапс и ячмень являются наиболее чувствительными видами для производства удвоенных гаплоидов. В настоящее время методология удвоенных гаплоидов применена к более чем 250 видам.

Производство удвоенных гаплоидов

Двойные гаплоиды могут быть получены in vivo или in vitro . Гаплоидные эмбрионы производятся in vivo путем партеногенеза , псевдогамии или удаления хромосом после широкого скрещивания. Гаплоидный эмбрион спасают, культивируют, и удвоение хромосом дает удвоенные гаплоиды. Методы in vitro включают гиногенез ( культура завязей и цветков) и андрогенез (культура пыльников и микроспор). Андрогенез является предпочтительным методом. Другой метод получения гаплоидов — широкое скрещивание. У ячменя гаплоиды можно получить путем широкого скрещивания с родственным видом Hordeum Bulbosum ; это влияет на оплодотворение, но на ранних стадиях развития семян хромосомы H. Bulbosum удаляются, оставляя гаплоидный зародыш. В табаке ( Nicotiana tabacum ) широкое скрещивание с Nicotiana africana широко используется . Когда N. africana используется для опыления N. tabacum , выживает от 0,25 до 1,42 процента потомства , и его можно легко идентифицировать как гибриды F1 или материнские гаплоиды. Хотя эти проценты кажутся небольшими, огромный урожай крошечных семян и ранняя гибель большинства сеянцев обеспечивают значительное количество жизнеспособных гибридов и гаплоидов в относительно небольших почвенных контейнерах. Этот метод межвидового опыления служит практическим способом получения гаплоидов N. tabacum из семян либо в качестве альтернативного метода, либо в качестве дополнительного метода к культуре пыльников.

Генетика популяции DH

В методе DH для пары аллелей встречаются только два типа генотипов, А и а, с частотой ½ АА и ½ аа, тогда как в диплоидном методе три генотипа встречаются с частотой ¼ АА, ½ Аа, ¼ аа. Таким образом, если желательным генотипом является АА, вероятность получения этого генотипа выше при гаплоидном методе, чем при диплоидном. Если n локусов сегрегируются, вероятность получения желаемого генотипа равна (1/2)n при гаплоидном методе и (1/4)n при диплоидном методе. Следовательно, эффективность гаплоидного метода высока, когда количество задействованных генов велико.

Были проведены исследования, сравнивающие метод DH и другие традиционные методы разведения, и был сделан вывод, что принятие удвоенной гаплоидии не приводит к какой-либо систематической ошибке генотипов в популяциях, и даже было обнаружено, что случайные DH совместимы с выбранной линией, полученной традиционным племенным методом.

Применение селекции растений DH

Картирование локусов количественных признаков

Большинство экономических признаков контролируются генами с небольшим, но кумулятивным эффектом. Хотя потенциал популяций DH в количественной генетике был понятен в течение некоторого времени, именно появление карт молекулярных маркеров дало толчок к их использованию для идентификации локусов, контролирующих количественные признаки. Поскольку эффекты локусов количественных признаков (QTL) невелики и сильно зависят от факторов окружающей среды, точное фенотипирование необходимо с повторными испытаниями. Это возможно с организмами с удвоенной гаплоидией из-за их истинной природы размножения и потому, что их можно удобно производить в больших количествах. Используя популяции DH, было картировано 130 количественных признаков девяти видов сельскохозяйственных культур. Всего для обнаружения QTL использовали 56 популяций DH.

Разведение бэккроссов

При обратном скрещивании гены передаются от сорта -донора или родственных видов в элитную линию-реципиент посредством повторного обратного скрещивания . Проблема в этой процедуре заключается в возможности идентифицировать линии, несущие интересующий признак в каждом поколении. Проблема особенно остра, если интересующий признак является рецессивным, поскольку он будет присутствовать только в гетерозиготном состоянии после каждого обратного скрещивания. Разработка молекулярных маркеров обеспечивает более простой метод отбора на основе генотипа (маркера), а не фенотипа. В сочетании с удвоенной гаплоидией он становится более эффективным. При обратном скрещивании с помощью маркера родитель-реципиент скрещивается с донорской линией, а гибрид (F1) скрещивается с реципиентом. Полученное поколение (BC1) подвергают обратному скрещиванию, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены желаемые генотипы. Комбинация удвоенной гаплоидии и молекулярного маркера обеспечивает короткий путь. В самом поколении обратного скрещивания генотип с интересующим признаком может быть выбран и преобразован в гомозиготный двойной гаплоидный генотип. Чен и др. (1994) использовали обратное скрещивание с помощью маркеров с удвоенной гаплоидией особей BC1 для отбора устойчивых к полосатой ржавчине линий ячменя.

Массовый сегрегантный анализ (BSA)

При групповом сегрегантном анализе популяцию проверяют на предмет интересующего признака, и генотипы на двух крайних концах образуют две группы. Затем две партии проверяют на наличие или отсутствие молекулярных маркеров. Поскольку предполагается, что массивы контрастируют по аллелям, которые вносят положительный и отрицательный эффекты, любой маркерный полиморфизм между двумя массивами указывает на связь между маркером и интересующим признаком. BSA зависит от точного фенотипирования, и популяция DH имеет особое преимущество в том, что она является настоящей селекцией и может быть проверена повторно. Популяции DH обычно используются в групповом сегрегантном анализе, который является популярным методом селекции с помощью маркеров. Этот метод применялся в основном к рапсу и ячменю.

Генетические карты

Генетические карты очень важны для понимания структуры и организации геномов, на основе которых закономерности эволюции и синтенные можно вывести отношения между видами. Генетические карты также обеспечивают основу для картирования интересующих генов и оценки величины их эффектов, а также помогают нам понять ассоциации генотипа/фенотипа. Популяции DH стали стандартными ресурсами при генетическом картировании видов, у которых DH легко доступны. Удвоенные гаплоидные популяции идеально подходят для генетического картирования. Генетическую карту можно составить в течение двух лет после первоначального скрещивания независимо от вида. Построение карты относительно легко с использованием популяции DH, полученной от гибрида двух гомозиготных родителей, поскольку ожидаемый коэффициент сегрегации прост, т.е. 1:1. Популяции DH в настоящее время используются для создания генетических карт ячменя, рапса, риса, пшеницы и перца. Популяции DH сыграли важную роль в создании карт молекулярных маркеров восьми видов сельскохозяйственных культур.

Генетические исследования

Генетические соотношения и уровень мутаций можно определить непосредственно по гаплоидным популяциям. Небольшую популяцию удвоенных гаплоидов (DH) использовали, чтобы продемонстрировать, что ген карликовости у ячменя расположен на хромосоме 5H. В другом исследовании сегрегация ряда маркеров была проанализирована в ячмене.

Геномика

Хотя анализ QTL позволил получить огромное количество информации о расположении генов и величине влияния на многие признаки, идентификация вовлеченных генов остается неясной. Это связано с плохой разрешающей способностью анализа QTL. Решением этой проблемы могло бы стать создание линии рекомбинантной замены хромосом. или ступенчато выровненные рекомбинантные инбредные линии. Здесь обратное скрещивание проводится до тех пор, пока не произойдет желаемый уровень рекомбинации, и генетические маркеры используются для обнаружения желаемых линий рекомбинантных хромосомных замен в целевой области, которые могут быть зафиксированы с помощью удвоенной гаплоидии. у риса было обнаружено, что молекулярные маркеры связаны с основными генами и QTL, обеспечивающими устойчивость к рисовому заболеванию, бактериальному ожогу и поражению оболочек . На карте, составленной на основе популяции DH,

Элитный переезд

Традиционные методы селекции медленны, и для создания сорта требуется 10–15 лет. Другой недостаток — неэффективность отбора в ранних поколениях из-за гетерозиготности . Эти два недостатка могут быть преодолены DH, и за меньшее время можно будет оценить и отобрать больше элитных кроссов.

Развитие сорта

Однородность является общим требованием к культивируемой линии большинства видов, которого можно легко добиться путем производства DH. Существуют различные способы использования DH в производстве сортов. Сами линии DH могут быть выпущены в качестве сортов, их можно использовать в качестве родительских сортов при производстве гибридных сортов или, что более косвенно, при создании селекционных линий и сохранении зародышевой плазмы. Ячмень имеет более 100 сортов прямого DH. Согласно опубликованной информации, в настоящее время во всем мире существует около 300 сортов, полученных от DH, 12 видов.

Актуальность ЦТ для селекции растений заметно возросла в последние годы благодаря разработке протоколов для 25 видов. Двойная гаплоидия уже играет важную роль в производстве гибридных сортов овощей, а потенциал декоративного производства активно изучается. Также разрабатываются DH в лекарственной траве Valeriana officinalis для отбора линий с высокой фармакологической активностью. Еще одним интересным достижением является то, что фертильные гомозиготные линии DH могут быть получены у видов, имеющих системы самонесовместимости.

Преимущества ЦТ

Возможность производить гомозиготные линии после одного раунда рекомбинации экономит много времени селекционерам. Исследования пришли к выводу, что случайные DH сопоставимы с выбранными линиями при племенном инбридинге. Другие преимущества включают создание большого количества гомозиготных линий, эффективный генетический анализ и разработку маркеров полезных признаков за гораздо меньшее время. Более конкретные преимущества включают возможность размножения семенами в качестве альтернативы вегетативному размножению у декоративных растений, а у таких видов, как деревья, у которых длительный жизненный цикл и депрессия инбридинга исключают традиционные методы размножения, удвоенная гаплоидия предоставляет новые альтернативы.

Недостатки ЦТ

Основным недостатком популяции ЦТ является то, что отбор не может быть навязан популяции. Но при обычном разведении селекцию можно осуществлять в течение нескольких поколений: тем самым можно улучшить в популяции желаемые признаки.

У гаплоидов, полученных из культуры пыльников, наблюдается, что некоторые растения являются анеуплоидными, а некоторые - смешанными гаплоидно-диплоидными типами. Еще одним недостатком, связанным с двойной гаплоидией, является стоимость создания объектов для культивирования и выращивания тканей. Чрезмерное использование удвоенной гаплоидии может уменьшить генетическую изменчивость в селекционной зародышевой плазме. Следовательно, необходимо принять во внимание несколько факторов, прежде чем использовать удвоенную гаплоидию в программах селекции.

Выводы

Технологические достижения в настоящее время предоставили протоколы DH для большинства родов растений. Всего за несколько десятилетий число видов, обладающих удвоенной гаплоидией, достигло ошеломляющих 250. Эффективность реагирования также повысилась за счет постепенного исключения видов из категории устойчивых. Следовательно, это обеспечит большую эффективность селекции растений.

Учебники

• Удвоенные гаплоиды для улучшения озимой пшеницы. Архивировано 12 сентября 2015 г. в Wayback Machine.
• Видео : Двойные гаплоиды: простой метод повышения эффективности селекции кукурузы.

Ссылки

• Ардиэль Г.С., Гревал Т.С., Дебердт П., Росснагель Б.Г. и Скоулз Г.Дж., 2002. Наследование устойчивости к головне ячменя и развитие тесно связанного маркера SCAR. Теоретическая и прикладная генетика 104:457-464.
• Блейкелси А.Ф., Беллинг Дж., Фарнэм М.Э. и Бергнер AD1922. Гаплоидный мутант сорняка Джимсона Datura stramonium. Наука 55:646-647.
• Берк Л.Г., Герстель Д.Ю. и Вернсман Э.А. 1979. Материнские гаплоиды Nicotiana tabacum L. из семян. Наука 206:585.
• Чен, FQ, Д.Прен, ПМ Хейс, Д.Малруни, А.Кори и Х.Вивар. 1994. Картирование генов устойчивости к полосатой ржавчине ячменя (Puccinia striiformis f. sp. Hordei). Теоретическая и прикладная генетика. 88:215-219.
• Фридт В., Брюн Дж., Цухнер С. и Форуги-Вер Б. 1986. Сравнительная ценность андрогенетической удвоенной гаплоидной и традиционно отобранной линии ярового ячменя. Селекция растений 97:56-63.
• Гуха С. и Махешвари С.С. 1964. Производство эмбрионов in vitro из пыльников дурмана. Природа 204:497.
• Иммонен С. и Х. Анттила. 1996. Успех в культуре пыльников ржи. Вортр. Pflanzenzuchtg. 35:237-244.
• Каша К.Дж. и Као К.Н. 1970. Высокочастотное гаплоидное производство ячменя (Hordeum vulgare L.). Природа 225: 874–876.
• Кирси, MJ 2002. QTL-анализ: проблемы и (возможные) решения. п. 45-58. В: М.С. Канг (редактор), Количественная генетика, геномика и селекция растений. CABI Publ., CAB International.
• Малушинский М., Каша К.Дж., Форстер Б.П. и Сарейко И. 2003. Удвоение гаплоидной продукции у сельскохозяйственных растений: Руководство. Kluwer Academic Publ., Дордрехт, Бостон, Лондон.
• Патерсон А.Х., Деверна Дж.В., Ланин Б. и Танксли С. 1990. Точное картирование локусов количественных признаков с использованием выбранных перекрывающихся рекомбинантных хромосом в межвидовом скрещивании томатов. Генетика 124:735-741.
• Шон, К., М. Санчес, Т. Блейк и премьер-министр Хейс. 1990. Сегрегация менделевских маркеров в удвоенном гаплоидном потомстве и потомстве F2 от скрещивания ячменя. Эредитас 113:69-72.
• Томас, WTB, Б. Гертсон и Б. П. Форстер. 2003. Двойные гаплоиды в селекции с. 337-350. в: М. Малушинский, К. Дж. Каша, Б. П. Форстер и И. Шарейко (ред.), Удвоенное производство гаплоидов у сельскохозяйственных растений: Руководство. Kluwer Academic Publ., Дордрехт, Бостон, Лондон.
• Томас, ВТБ, Ньютон, А.С., Уилсон, А., Бут, А., Маколей, М. и Кейт, Р. 2000. Разработка линий рекомбинантной замены хромосом: ресурс ячменя. Годовой отчет SCRI за 1999/2000 гг., 99-100.
• Томас, ВТБ, Пауэлл, В. и Вуд, В. 1984. Хромосомное расположение гена карликовости, присутствующего в сорте ярового ячменя Golden Promise. Наследственность 53:177-183.
• Ван, З., Г. Тарамино, Д.Янг, Г. Лю, С.В. Тинги, Г.Х. Мяо и Г.Л. Ван. 2001. EST риса с геном устойчивости к болезням или геноподобными последовательностями защитного ответа, картированными в областях, содержащих основные гены устойчивости или QTL. Молекулярная генетика и геномика. 265:303-310.
• Уильям К.Дж., Тейлор С.П., Богацки П., Паллотта М., Бариана Х.С. и Уоллворк Х. 2002. Картирование гена устойчивости к нематоде (Pratylenchus ignores) Rlnn 1 у пшеницы. Теоретическая и прикладная генетика 104:874-879.
• Винзелер Х., Шмид Дж. и Фрид П.М. 1987. Полевые характеристики андрогенетической двойногаплоидной линии яровой пшеницы по сравнению с линией, отобранной с помощью племенной системы. Селекция растений 99:41-48.
• Йи, Х.И., Рафти, Р.К., Вернсман, Е.А. и Конклинг, М.С. 1998. Картирование гена устойчивости к галловой нематоде (Rk) в табаке с помощью маркеров RAPD. Болезни растений 82:1319-1322.