Полиплоидия – виноград

Селекция винограда на бессемянность, крупноягодность и раннеспелость на полиплоидном уровне

Содержание материала

Волынкин В.А., доктор с.-х. наук, НИВиВ «Магарач»
Зленко В.А., научный сотрудник, к.с.-х.н. НИВиВ «Магарач»
Лиховской В.В., заведующий сектором питомниководства НИВиВ «Магарач»

Эффективность отрасли виноградарства во многом зависит от возделываемого сортимента. Культивирование конкретного сорта в определенных почвенно-климатических условиях в значительной мере влияет на эффективность использования земли, орошения, применения удобрений, химикатов и других необходимых при возделывании агротехнических мероприятий.
Во всем мире наблюдается возрастающее внимание к бессемянному столовому винограду как полезному по диетической и питательной ценности продукту питания, который пользуется высоким спросом в течение круглого года. Эта тенденция неоднократно отмечалась на Генеральных ассамблеях Международной организации винограда и вина.
Наиболее перспективным направлением в селекции винограда на создание бессемянных сортов является сочетание в одном генотипе бессемянности с устойчивостью к неблагоприятным воздействиям внешней среды, болезням и вредителям. Но сегодня потребителя интересуют также размер ягод, величина грозди, окраска и вкусовые качества столового винограда, что в целом определяет товарность продукции сорта. Проведенными ранее исследованиями установлено, что рост и линейные размеры ягод коррелируют с массой семян в ягодах, поскольку в семенах синтезируются гиббереллины, и чем больше масса семян в ягодах, тем они больше их продуцируют и, следовательно, вырастают более крупные ягоды [9]. В связи с существованием такой закономерности пока не получены бессемянные сорта винограда с ягодами крупнее 6 г.
С другой стороны в биологии известна возможность существования фертильных растений с увеличенным набором хромосом (полиплоидов). Около 45 % растительных видов на Земле представлено полиплоидами. Наиболее ценные культурные растения, такие как пшеница, овес, арахис, картофель, брюква, горчица, слива, земляника, ежевика, табак, люцерна, тимофеевка, топинамбур, багат, оливковое дерево, сахарный тростник и другие, являются полиплоидами [10].
Каждый вид растительного и животного организма характеризуется определенным и константным числом хромосом, которое в соматических клетках бывает в два раза больше (2n – диплоидное), чем в зрелых половых клетках (n – гаплоидное). Изменчивость числа хромосом в пределах вида встречается крайне редко [1].
B. R. Nebel (1929) установил диплоидный набор хромосом (2n = 38) у видов V. vinifera, V. labruska, V. amurensis, V. coignite и V. doniana [12].
Однако в результате нарушения клеточного деления число хромосом может изменяться.
Полиплоидия связанна с кратным увеличением хромосом в ядрах клеток организма. Полиплоидный ряд может быть представлен как сбалансированными, так и несбалансированными типами хромосомных чисел. К первым относятся 2n – диплоидный, 4n – тетраплоидный, 6n – гексаплоидный, 8n – октаплоидный, 10n – декаплоидный; ко вторым – 3n – триплоидный, 5n – пентаплоидный, 7n – гектаплоидный, 9n – эннаплоидный наборы хромосом. Растительные организмы с большей плоидностью встречаются реже.
У полиплоидных организмов часто увеличиваются размеры репродуктивных органов (цветков, плодов и семян), изменяются физиологические процессы, повышаются пластичность и устойчивость к условиям окружающей среды, что в конечном итоге ведет к значительному увеличению их адаптивного потенциала. У тетраплоидов винограда, как правило, грозди и ягоды крупнее (они часто и более раннеспелые), а листья, побеги и общий габитус растения мощнее, чем у диплоидов, что указывает на их большую жизнеспособность [11].
Первые тетраплоидные формы винограда установлены B. R. Nebel, который при цитологическом исследовании сортов обнаружил, что крупноягодные клоны Muskat gigas и Sultanina gigas содержат в соматическом наборе удвоенное число хромосом (2n = 76), а у обычных растений этих же сортов 2n = 38 [12].
О соматической мутации у сорта Султанина (Кишмиш белый овальный, Thompson Seedless) сообщил H. P. Olmo [13]. Автор отмечает, что крупноягодные спорты этого сорта были несколько раз обнаружены на виноградниках Калифорнии. Все они отличались от исходного сорта увеличенным размером гроздей, ягод, листьев толстыми побегами и укороченными междоузлиями. У некоторых вес одной грозди достигал 2 кг, а средний вес ягод – 3,6 г. Самые крупные ягоды весили 5 г, что почти в два раза больше, чем у исходного сорта.
В работах H. P. Olmo сообщается о новых тетраплоидных формах винограда, обнаруженных среди крупноягодных японских сортов[14, 15].
Огромный вклад в цитогенетику винограда внес Ш. Г. Топалэ. Им с коллективом сотрудников проанализировано на число хромосом более 1000 сортов и клонов винограда из ампелографических коллекций МолдНИИВиВ НПО «Виерул» и НИВиВ «Магарач». Оказалось, что подавляющее большинство сортов винограда имеют в соматическом наборе 38 хромосом и, следовательно являются диплоидами. Только сорта Шасла Гро Куляр розовая, Шасла Гро куляр белая и Сажарет – истинные тетраплоиды с тетраплоидным перициклом и соматическим числом хромосом 2n = 76. Шасла диамант, Шасла Бернардская и четыре клона – Рислинг крупноягодный, Шабаш крупноягодный, Мускат александрийский крупноягодный, Кишмиш белый крупноягодный – миксоплоиды. У миксоплоидов при макроспорогенезе в семяпочке образуются два рода макроспор, из которых в женском гаметофите (зародышевом мешке) формируются два рода гамет – гаплоидные и диплоидные яйцеклетки в соотношении примерно 3 : 1. В пыльниках соцветий при микроспорогенезе также образуются микроспоры двух родов, из которых в мужском гаметофите формируются гаплоидные (n = 19) и диплоидные (n = 38). Однако в отличие от женских диплоидные и гаплоидные мужские гаметы встречаются с равной частотой [11].
В НИВиВ «Магарач» проводилась большая работа по гибридизации тетраплоидных форм и диплоидных сортов винограда. Для создания новых генотипов включались в гибридизацию путем скрещивания диплоиды с полиплоидами; полиплоиды с полиплоидами. В результатом длительной работы получен триплоидный сорт Поливитис Магарача (3n = 57), родительскими формами которого являются Ката Курган и тетраплоидный сорт Шасла Гро Куляр белая.
Наряду с положительными особенностями (например, увеличение размера гроздей и ягод) у полиплоидов имеется ряд нежелательных свойств. Главными из них является пониженная плодовитость, недостаточно высокая продуктивность, а так же низкие вкусовые качества. Известно, что плодовитость регулируется системой полигенов или генов-модификаторов, находящихся у диплоидов в сбалансированном состоянии. Увеличение количества хромосом, видимо, вызывает нарушение этого стройного равновесия, и как следствие приводит к бесплодию. Семенное бесплодие вызывается также нарушениями физиологического баланса, ненормальностями при образовании пыльцы, аномалиями опыления, нарушениями роста пыльцевых трубок и оплодотворения. Отклонения от норм при мегаспорогенезе у полиплоидов приводит к двум типам нарушений – до оплодотворения, приводящее к «гаплоидной стерильности» и после оплодотворения, вызывающее аномальное развитие эндосперма и зародыша – «зиготическая стерильность» [5].
У триплоидов сильно выражена стерильность. В их потомстве появляются в различных соотношениях диплоидные и анеуплоидные формы. Объясняется это очень сильным нарушением мейоза вследствие образования тривалентов, а также наличием унивалентых хромосом [3]. У бессемянного винограда, также нарушен процесс оплодотворения.
В последнее время экспериментальным получением полиплоидов занимаются во многих цитогенетических и селекционных лабораториях. Методика этих работ очень разнообразна: изменение температурных условий, использование ионизирующего излучения и всевозможных химических (действие различных мутагенов) и механических воздействий (удаление верхушки побегов, пасынкование и др). Наиболее успешные результаты получены при использовании некоторых химических веществ, например колхицина, аценофтена и др. Как бы сильно не отличались между собой все перечисленные реагенты, применение их сводится к воздействию на механизм митоза и мейоза для получения полиплоидных клеток.
Полиплоиды можно получать, применяя химические вещества, которые, оказывая наркотическое действие на митотический аппарат (блокада веретена), задерживают расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки в процессе митоза, вследствие чего число хромосом удваивается. В дальнейшем из этой тетраплоидной клетки, которая приобретает способность к нормальному делению, образуется ткань, затем побег и репродуктивные органы.
Однако, после обработки мутагенами и полиплоидогенами вегетативных органов растений, в частности колхицином, образуются в большей степени мозаичные, в том числе и миксоплоидные растения, реже получаются периклинальные и секториальные химеры. В процессе онтогенеза миксоплоидных растений химерность изменяется и чаще появляются периклинальные химеры. В дальнейшем часто побеги «расхимериваются», но их нижняя часть состоит из плоидных тканей [6].
Имеются сведения о получении с помощью колхицина полиплоидных форм винограда [2].
Существуют различные методы получения полиплоидных форм. Среди них обработка семян, обработка сеянцев в семядольном состоянии, обработка побегов окорененных черенков (метод Дермена). Концентрация раствора колхицина 0,12; 0,25, и 0,5% [7].
Каждая клетка организма реагирует на колхицин как самостоятельная единица. При применении различных способов обработки колхицином большого количества сортов установлено, что в зависимости от генотипа и состояния объекта по разному происходит как проявление мутаций, так и сохранение мутагенного эффекта [5].
Известно, что полиплоидия не является вполне устойчивой и в ряде случаев индуцированные полиплоиды возвращаются в диплоидное состояние. Плоидность тканей часто меняется в онтогенезе, что отмечается при повторных цитологических исследованиях обработанных растений и при получении изменений морфологических признаков. Тетраплоидные клетки делятся медленнее диплоидных, поэтому наблюдается постепенное вытеснение первых. Большинство измененных побегов, достигнув 20 см, расхимериваются, но нижняя часть побегов всегда имеет мутантные ткани.
С помощью обработки колхицином вегетативных частей растений и семян получить тетраплоидное растение винограда, состоящее на 100 % из тетраплоидных клеток, невозможно. Большинство исследователей создавших с его помощью искусственные полиплоиды самых разнообразных культур отмечают, что при этом, как правило, образуются химеры, состоящие из диплоидных и тетраплоидных клеток и тканей, а не 100 % – ные полиплоиды. Установлено, что если перицикл состоит из полиплоидных клеток, то генеративные органы растения или отдельного побега – цветки и семена – также являются полиплоидными. Растения с полиплоидным перициклом при макро- и микроспорогенезе в семяпочках и пыльниках образуют два вида макро- и микроспор, а соответственно и половых клеток – диплоидные ( n = 38) и гаплоидные (n = 19) гаметы, которые в результате оплодотворения приводят к формированию разногаметного потомства, состоящего из ди- три- и тетраплоидных сеянцев. Согласно исследованиям Ш. Г, Топалэ, 100 % – ный тетраплоид винограда можно вырастить только из семян. Нельзя сравнивать «сырые» митотические полиплоиды с мейотическими, полученными с помощью гибридизации [5].
Цель настоящих исследований заключалась в получении крупноягодных полиплоидных бессемянных форм винограда путем гибридизации обработанных колхицином материнских и отцовских форм, изучение влияния обработки колхицином почек виноградного растения и формирование миксо-и полиплоидных форм, определение фазы развития для обработки, подбор концентраций раствора, установление продолжительности обработки для получения полиплоидных побегов, соцветий, диплоидных и гаплоидных гамет.
В опыте использовали в качестве исходных шесть материнских гибридных форм (далее г.ф.), имеющих функционально женский тип цветка, три из которых имеют в генотипе бессемянные сорта.
Гибридная форма Лора имеет очень большие по величине грозди, очень крупные овальные, желтой окраски ягоды. Консистенция ягод отличается весьма мясистой мякотью, кожица при еде не ощущается.
У г.ф. Талисман ягоды достигают массы до 24 грамм. Эта форма обладает высокой морозостойкостью – 25 ºС, а также хорошей всхожестью семян, до 40 %, высокой жизнеспособностью сеянцев и передачей своему гибридному потомству признака крупноплодности ягод.
На примере г.ф. Подарок Запорожью полученной в результате гибридизации Талисман на Восторг, мы наблюдаем передачу признака крупноплодности ягод, от исходной материнской формы Талисман. Данная г.ф. обладает повышенной устойчивостью к грибным заболеваниям милдью и оидиуму.
Г.ф. Гурман ранний получена в результате скрещивания Талисмана с бессемянным сортом Кишмиш лучистый. В представленной форме прослеживается наследование признака крупноплодности ягод от исходной материнской формы Талисман, что подтверждает вероятность использования г.ф. Талисман в качестве донора источника крупноплодности.
Сорта Аркадия на Кишмиш лучистый являются исходными родительскими формами г.ф. Прометей. В этом потомстве мы наблюдаем передачу бессемянным сортом Кишмиш лучистый розовой окраски ягод. Данная форма обладает ярко выраженным мускатным вкусом.
Г. ф. София из той же семьи Аркадия на Кишмиш лучистый. Имеет также розовую окраску ягод, но не столь интенсивную как у Прометея. Эта форма имеет очень большие нарядные грозди, очень крупные ягоды с мускатным ароматом.
Из данных приведенных в таблице 1 видно, что основной принцип подбора исходных форм заключается в передаче гибридному потомству крупноплодности ягод, величины грозди, нарядной окраски а также различных сроков созревания.
Таблица 1. Краткая характеристика материнских исходных форм

Оценка показателя по 9-бальной шкале МОВВ*, баллы

Размер грозди, (202)

Размер ягоды (220)

Окраска кожицы (225)

Особенности вкуса (236)

Срок созревания (303)

Степень устойчивости листьев к милдью (452)

Что такое полиплоидия, ее значение и роль в образовании видов

Полиплоидия – это увеличение количества хромосомных наборов в клетках растений или животных, которое кратно одинарному числу хромосом.

Гаметы в основном гаплоидны (имеют один набор хроматид), соматические – диплоидны. Если клетки живого организма содержат больше 2 наборов хромосом, то его называют полиплоидом. Триплоиды включают 3 набора, тетраплоиды – 4, пентаплоиды – 5. Особи, с нечетным набором хромосом, не могут давать потомства. Это связано с тем, что их гаметы не имеют полного набора хромосом и не способны к делению.

Как возникает полиплоидия

Полиплоидия — одна из форм изменчивости. Обеспечивает видовое разнообразие, когда потомство приобретает новые черты, отличаясь фенотипически от родителей.

Основное условие — отсутствие расхождения хромосом в мейозе. При этом половая клетка будет иметь диплоидный хромосомный набор. Если ее скрестить с гаплоидной клеткой получится триплоид, если же произойдет слияние между клетками с одинаковым количеством хромосомных наборов – образуется тетраплоидная зигота.

У каких организмов встречается полиплоидия? Среди диких видов растений, особенно цветковых, полиплоидия наблюдается часто (полиплоидов примерно половина). Поскольку растения могут размножаться вегетативно, полиплоидность не мешает им давать потомство, в отличие от животных.

В животном мире такое явление редкое, поскольку нерасхождение хромосом в мейозе приводит к генетическим ошибкам. Полиплоидия у животных характерна для некоторых гермафродитов (представители типа Черви) и особей, которые размножаются без оплодотворения. Плоидность простейших отличается колоссальным количеством наборов хромосом (около ста).

Роль полиплоидии в образовании видов

Около 75% нынешних сортов культурных растений — полиплоиды. Это овощи и фрукты, злаки, а также цитрусовые и лекарственные растения. Популярные триплоиды: арбузы и виноград без косточек. Данные виды доказывают стерильность триплоидных организмов, поскольку не могут давать потомства.

Полиплоидия нашла применение среди селекционеров, которые создают новые сорта растений. В основе метода лежит искусственное увеличение хромосомных наборов в клетках живых организмов, которое всегда кратно гаплоидному набору. Вследствие этого идет интенсивный рост клеток и особи в целом.

На сегодняшний день выведено много новых, плодовитых и устойчивых сортов. Для получения желаемого результата, применяют такой мутаген, как колхицин. Он препятствует расхождению хромосом во время деления.

Мутации с увеличением числа хромосом возникают также под влиянием температуры, радиации, или вследствие перемены внутреннего состояния клетки. Таким образом, под влиянием внешних факторов не образуется веретено деления, и процесс распределения генетической информации между дочерними клетками останавливается. Причиной возникновения полиплоидии может стать эндомитоз – идет удвоение количества хромосом, но само ядро не делится.

Клеточная полиплоидия делает растения более стойкими к переменам окружающей среды, и воздействию чужеродных агентов. Такая выносливость обусловлена тем, что в случае гибели нескольких гомологичных хромосом, большинство все же продолжают функционировать.

Используют для селекции также аллополиплоидные организмы. Хромосомные наборы таких особей различаются: набором генов, формой или количеством хромосом. Так, скрещивание растений различных родов, к примеру, ржи и пшеницы, дает в результате гибрида с одинарным набором ржи и одинарным набором пшеницы. Данное потомство не будет способно к дальнейшему воспроизведению себе подобных, только увеличение числа хромосом обоих растений даст возможность возобновить репродуктивную функцию.

Значение полиплоидии

Полиплоидия сыграла огромную роль в эволюции диких и окультуренных растений (предполагают, что 30% растений появились благодаря полиплоидии). Свидетельством роли полиплоидии в эволюционном становлении растительного мира служат полиплоидные ряды. В таком случае представители одного рода формируют эуплоидный ряд с увеличением количества хромосомных наборов.

Усовершенствованная морфология и физиология полиплоидных растений дает им возможность заселять новые места, которые недоступны другим видам из-за неблагоприятные внешние условия.

Многие века человек неосознанно вел отбор полиплоидных видов, которые приносили большие урожаи, были выносливы к плохим погодным условиям и действию патогенных микроорганизмов. Овладение методом экспериментального образования полиплоидов дало возможность внедрить высокопродуктивные виды, например, триплоидную сахарную свеклу, или перечную мяту.

Полиплоидия также встречается при патологическом разрастании ткани, образовании злокачественных опухолей.

Полиплоидия – виноград

По всем вопросам, связанным с работой в системе Science Index, обращайтесь, пожалуйста, в службу поддержки:

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АВТОПОЛИПЛОИДИИ У ВИНОГРАДА

В статье изложены различные генетические способы исследований: митотические и мейотические автополиплоидии винограда. Указаны основные морфо-диагностические признаки автополиплоидов. У винограда новые формы и сорта достаточно легко могут образоваться с помощью геномных мутаций. Экспериментальная полиплоидия использованная на винограде приводит к функциональным изменениям, которые способствуют повышению жизненности и устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. У винограда существенное повышение таких важных генетических признаков, как высокоустойчивость к неблагоприятным экологическим факторам, болезням и вредителям, сверхраннеспелость, бессемяность, высокоурожайность с куста, усиление сахаронакопления в ягодах и биоактивных веществ в сусле и т.д., возможно решить лишь при переходе на новую ступень плоидности

‘> Входит в РИНЦ ® : да

‘> Цитирований в РИНЦ ® : 2

‘> Входит в ядро РИНЦ ® : нет

‘> Цитирований из ядра РИНЦ ® : 0

‘> Норм. цитируемость по журналу: 0,505

‘> Импакт-фактор журнала в РИНЦ: 0,567

‘> Норм. цитируемость по направлению: 0,513

‘> Дециль в рейтинге по направлению: 4

‘> Тематическое направление: Agriculture, forestry, fisheries

Источники:

http://vinograd.info/publikacii/stati/selekciya-vinograda-na-bessemyannost-krupnoyagodnost-i-rannespelost-na-poliploidnom-urovne.html
http://animals-world.ru/poliploidiya/
http://elibrary.ru/item.asp?id=15246529