Двойная гаплоидия

Двойной гаплоид (DH) — это генотип, образующийся при удвоении хромосом в гаплоидных клетках. Искусственное получение двойных гаплоидов имеет важное значение 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 , и термин удвоенный моноплоид может использоваться для удвоенных гаплоидов. Гаплоидные организмы, полученные из тетраплоидов или гексаплоидов, иногда называют дигаплоидами (а удвоенные дигаплоиды являются, соответственно, тетраплоидами или гексаплоидами).

Обычные процедуры инбридинга требуют шести поколений для достижения приблизительно полной гомозиготности , тогда как двойная гаплоидия достигает этого за одно поколение. [1] Дигаплоидные растения, полученные от тетраплоидных сельскохозяйственных культур, могут быть важны для селекционных программ, в которых участвуют диплоидные дикие родственники сельскохозяйственных культур.

История

Первое сообщение о гаплоидном растении было опубликовано Блейксли и др. (1922) в Datura stramonium . Впоследствии гаплоиды были зарегистрированы у многих других видов. Гуха и Махешвари (1964) разработали технику культивирования пыльников для получения гаплоидов в лабораторных условиях. Производство гаплоидов путем широкого скрещивания было описано у ячменя (Каша и Као, 1970) и табака (Берк и др. , 1979). Табак, рапс и ячмень являются наиболее восприимчивыми видами для производства двойных гаплоидов. Методологии двойных гаплоидов в настоящее время применяются к более чем 250 видам. [2]

Производство двойных гаплоидов

Двойные гаплоиды могут быть получены in vivo или in vitro . Гаплоидные эмбрионы производятся in vivo путем партеногенеза , псевдогамии или элиминации хромосом после широкого скрещивания. Гаплоидный эмбрион спасают, культивируют, и удвоение хромосом производит двойные гаплоиды. Методы in vitro включают гиногенез ( культура завязей и цветков) и андрогенез (культура пыльников и микроспор). [3] Андрогенез является предпочтительным методом. Другой метод получения гаплоидов — широкое скрещивание. У ячменя гаплоиды могут быть получены путем широкого скрещивания с родственным видом Hordeum bulbosum ; оплодотворение нарушается, но на ранних стадиях развития семян хромосомы H. bulbosum элиминируются, оставляя гаплоидный эмбрион. У табака ( Nicotiana tabacum ) широко используется широкое скрещивание с Nicotiana africana . При использовании N. africana для опыления N. tabacum выживает от 0,25 до 1,42 процента потомства , которое можно легко идентифицировать как гибриды F1 или материнские гаплоиды. Хотя эти проценты кажутся небольшими, огромный урожай мелких 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 , полученных из семян , либо как альтернативный метод, либо как дополнительный метод к культуре пыльников.

Генетика популяции DH

В методе DH для пары аллелей, A и a, встречаются только два типа генотипов с частотой ½ AA и ½ aa, тогда как в диплоидном методе встречаются три генотипа с частотой ¼ AA, ½ Aa, ¼ aa. Таким образом, если AA является желаемым генотипом, вероятность получения этого генотипа выше в гаплоидном методе, чем в диплоидном методе. Если n локусов расщепляются, вероятность получения желаемого генотипа составляет (1/2)n гаплоидным методом и (1/4)n диплоидным методом. Следовательно, эффективность гаплоидного метода высока, когда число соответствующих генов велико.

Были проведены исследования, сравнивающие метод DH и другие традиционные методы разведения, и был сделан вывод, что принятие двойной гаплоидии не приводит к какому-либо смещению генотипов в популяциях, и было даже обнаружено, что случайные DH совместимы с выбранной линией, полученной традиционным методом родословной. [4]

Применение DHs в селекции растений

Картирование локусов количественных признаков

Большинство экономических признаков контролируются генами с небольшими, но кумулятивными эффектами. Хотя потенциал популяций DH в количественной генетике был понят уже некоторое время, 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, необходимо точное фенотипирование с повторными испытаниями. Это возможно с организмами с двойной гаплоидией из-за их истинной селекционной природы и потому, что их можно удобно производить в больших количествах. Используя популяции DH, было картировано 130 количественных признаков у девяти видов сельскохозяйственных культур. [5] Всего для обнаружения QTL было использовано 56 популяций DH. [2]

Бэккросс-разведение

При обратном скрещивании гены интрогрессируются из донорского сорта или родственного вида в элитную линию-реципиент посредством повторного обратного скрещивания . Проблема в этой процедуре заключается в возможности идентифицировать линии, несущие интересующий признак в каждом поколении. Проблема становится особенно острой, если интересующий признак является рецессивным, так как 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 двойной гаплоидией это становится более эффективным. При обратном скрещивании с помощью маркера родитель-реципиент скрещивается с донорской линией, а гибрид (F1) скрещивается с реципиентом. Полученное поколение (BC1) подвергается обратному скрещиванию, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены желаемые генотипы. Сочетание двойной гаплоидии и молекулярного маркера обеспечивает кратчайший путь. В самом поколении возвратного скрещивания генотип с интересующим признаком может быть выбран и преобразован в гомозиготный двойной гаплоидный генотип. [6] Чен и др. (1994) использовали конверсию обратного скрещивания с помощью маркера с двойной гаплоидией особей BC1 для отбора линий ячменя, устойчивых к желтой ржавчине.

Анализ сегрегации методом BSA (объемный анализ сегрегации)

В анализе сегрегантов в больших объемах популяция проверяется на наличие интересующего признака, а генотипы на двух крайних концах формируют два объема. Затем два объема проверяются на наличие или отсутствие молекулярных маркеров. Поскольку объемы должны контрастировать по аллелям, которые вносят положительный и отрицательный эффект, любой полиморфизм маркера между двумя объемами указывает на связь между маркером и интересующим признаком. BSA зависит от точного фенотипирования, а популяция DH имеет особое преимущество в том, что они являются истинно селекционными и могут быть проверены повторно. Популяции DH обычно используются в анализе сегрегантов в больших объемах, который является популярным методом в селекции с помощью маркеров. [7] Этот метод применялся в основном к рапсу и ячменю.

Генетические карты

Генетические карты очень важны для понимания структуры и организации геномов, из которых можно вывести эволюционные модели и синтенные 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 в генетическом картировании для видов, в которых DH легко доступны. Двойные гаплоидные популяции идеальны для генетического картирования. Можно создать генетическую карту в течение двух лет после первоначального скрещивания независимо от вида. Построение карты относительно просто с использованием популяции DH, полученной из гибрида двух гомозиготных родителей, поскольку ожидаемое соотношение сегрегации простое, 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 содействии созданию карт молекулярных маркеров у восьми видов сельскохозяйственных культур. [2]

Генетические исследования

Генетические соотношения и скорости мутаций можно считывать непосредственно из гаплоидных популяций. Небольшая популяция двойных гаплоидов (DH) использовалась для демонстрации того, что ген карликовости в ячмене расположен на хромосоме 5H. [8] В другом исследовании было проанализировано разделение ряда маркеров в ячмене. [9]

Геномика

Хотя анализ QTL дал огромное количество информации о местоположении генов и величине эффектов на многие признаки, идентификация вовлеченных генов осталась неуловимой. Это связано с плохим разрешением анализа QTL. Решением этой проблемы было бы производство рекомбинантной линии замещения хромосом [10] или ступенчато выровненных рекомбинантных инбредных линий. [11] Здесь возвратное скрещивание проводится до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень рекомбинации, и генетические маркеры используются для обнаружения желаемых рекомбинантных линий замещения хромосом в целевом регионе, что может быть исправлено двойной гаплоидией. [12] В рисе было обнаружено, что молекулярные маркеры связаны с основными генами и QTL для устойчивости к пирикуляриозу риса, бактериальному ожогу и ожогу обвертки на карте, полученной из популяции DH. [13]

Элитный переход

Традиционные методы селекции медленные и требуют 10–15 лет для разработки сорта. Другим недостатком является неэффективность отбора в ранних поколениях из-за гетерозиготности . Эти два недостатка могут быть преодолены с помощью DH, и больше элитных скрещиваний могут быть оценены и отобраны за меньшее время.

Развитие сорта

Однородность является общим требованием к культивируемой линии большинства видов, которое можно легко получить с помощью производства DH. [14] Существуют различные способы, с помощью которых DH могут быть использованы в производстве сортов. Сами линии DH могут быть выпущены в качестве сортов, они могут быть использованы в качестве родителей в производстве гибридных сортов или более косвенно в создании линий селекционеров и в сохранении зародышевой плазмы. У ячменя имеется более 100 прямых сортов DH. [6] Согласно опубликованной информации, в настоящее время во всем мире существует около 300 сортов, полученных с помощью DH, в 12 видах.

Значимость DH в селекции растений заметно возросла в последние годы благодаря разработке протоколов для 25 видов. [2] Двойная гаплоидия уже играет важную роль в производстве гибридных сортов овощей, и потенциал для декоративного производства активно изучается. DH также разрабатываются в лекарственной траве Valeriana officinalis для отбора линий с высокой фармакологической активностью. Другим интересным достижением является то, что фертильные гомозиготные линии DH могут быть получены в видах, имеющих системы самонесовместимости. [15]

Преимущества DH

Возможность производить гомозиготные линии после одного раунда рекомбинации экономит много времени для селекционеров растений. Исследования пришли к выводу, что случайные DH сопоставимы с выбранными линиями в родословной инбридинга. [16] Другие преимущества включают разработку большого количества гомозиготных линий, эффективный генетический анализ и разработку маркеров для полезных признаков за гораздо меньшее время. Более конкретные преимущества включают возможность размножения семенами как альтернативу вегетативному размножению у декоративных растений, а у таких видов, как деревья, у которых длинные жизненные циклы и инбридинговая депрессия исключают традиционные методы селекции, двойная гаплоидия предоставляет новые альтернативы.

Недостатки DH

Главным недостатком популяции DH является то, что отбор не может быть навязан популяции. Но при традиционном разведении отбор может практиковаться в течение нескольких поколений: таким образом желаемые признаки могут быть улучшены в популяции.

В гаплоидах, полученных из культуры пыльников, наблюдается, что некоторые растения являются анеуплоидами, а некоторые являются смешанными гаплоидно-диплоидными типами. Другим недостатком, связанным с двойной гаплоидией, являются затраты, связанные с созданием тканевой культуры и объектов выращивания. Чрезмерное использование двойной гаплоидии может снизить генетическую изменчивость в селекционной зародышевой плазме. Поэтому необходимо учитывать несколько факторов, прежде чем использовать двойную гаплоидию в селекционных программах.

Выводы

Технологические достижения в настоящее время предоставляют протоколы DH для большинства родов растений. Количество видов, поддающихся двойной гаплоидии, достигло ошеломляющих 250 всего за несколько десятилетий. Эффективность реагирования также улучшилась с постепенным исключением видов из категории рекальцитрантных. Следовательно, это обеспечит большую эффективность селекции растений.

Учебники

  • Удвоенные гаплоиды для улучшения озимой пшеницы Архивировано 2015-09-12 на Wayback Machine
  • Видео: Двойные гаплоиды: простой метод повышения эффективности селекции кукурузы.

Ссылки

  1. ^ Джейн, С. Мохан, С. К. Сопори и Р. Э. Вейльё. 1996. Получение гаплоидов in vitro у высших растений . Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. стр. 317.
  2. ^ abcd Малушинский и др. , 2003.
  3. ^ B. Barnabás; B. Obert; G. Kovács (1999). «Колхицин, эффективный агент удвоения генома для микроспор кукурузы (Zea mays L.), культивируемых в anthero». Plant Cell Reports . 18 (10): 858–862. doi :10.1007/s002990050674. S2CID  5397111.
  4. ^ Винзелер и др. , 1987.
  5. ^ Форстер и Томас, 2003
  6. ^ Томас и др. , 2003.
  7. ^ Ардиэль и др. , 2002; Уильям и др. , 2002; Йи и др. , 1998.
  8. ^ Томас и др. , 1984.
  9. ^ Шон и др. , 1990.
  10. ^ RCSL, Патерсон и др. , 1990.
  11. ^ ЛЕСТНИЦА, Кирси 2002.
  12. ^ Томас и др. , 2000.
  13. ^ Ван и др. , 2001.
  14. ↑ Международный симпозиум по генетическим манипуляциям в сельскохозяйственных культурах. 1988. Генетические манипуляции в сельскохозяйственных культурах. Труды Международного симпозиума по генетическим манипуляциям в сельскохозяйственных культурах, 3-го Международного симпозиума по гаплоидии, 1-го Международного симпозиума по генетике соматических клеток в сельскохозяйственных культурах, Пекин, октябрь 1984 г. Серия «Природные ресурсы и окружающая среда» , т. 22. (Лондон: Опубликовано для Международного института исследований риса и Академии Синика Касселлом Тайкули), стр. 318.
  15. ^ Иммонен и Анттила, 1996.
  16. ^ Фридт и др. , 1986; Винзелер и др. , 1987.
  • Ardiel, GS, Grewal, TS, Deberdt, P., Rossnagel, BG, и Scoles, GJ 2002. Наследование устойчивости к твердой головне у ячменя и развитие тесно связанного маркера SCAR. Теоретическая и прикладная генетика 104:457-464.
  • Блейкльзе, А. Ф., Беллинг, Дж., Фарнам, М. Э. и Бергнер, А. Д. 1922. Гаплоидный мутант дурмана обыкновенного, Datura stramonium. Science 55:646-647.
  • Берк, LG, Герстель, DU, и Вернсман, EA 1979. Материнские гаплоиды Nicotiana tabacum L. из семян. Science 206:585.
  • Chen, FQ, D.Prehn, PM Hayes, D.Mulrooney, A. Corey и H.Vivar. 1994. Картирование генов устойчивости к желтой ржавчине ячменя (Puccinia striiformis f. sp. hordei). Теоретическая и прикладная генетика. 88:215-219.
  • Фридт, В., Бройн, Дж., Цухнер, С. и Форуги-Вер, Б. 1986. Сравнительная ценность андрогенетического удвоенного гаплоида и традиционно отобранной линии ярового ячменя. Селекция растений 97:56-63.
  • Гуха, С. и Махешвари, С. К. 1964. Получение эмбрионов из пыльников дурмана in vitro. Nature 204:497.
  • Иммонен С. и Х. Анттила. 1996. Успехи в выращивании пыльников ржи. Вортр. Pflanzenzuchtg. 35:237-244.
  • Каша, К. Дж. и Као, К. Н. 1970. Высокочастотное гаплоидное производство у ячменя (Hordeum vulgare L.). Nature 225: 874-876.
  • Kearsey, MJ 2002. Анализ QTL: проблемы и (возможные) решения. стр. 45-58. В: MS Kang (ред.), Количественная генетика, геномика и селекция растений. CABI Publ., CAB International.
  • Maluszynski, M.., Kasha KJ, Forster, BP, и Szarejko, I. 2003. Производство двойных гаплоидов в сельскохозяйственных растениях: 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 томата. Генетика 124:735-741.
  • Шон, К., М. Санчес, Т. Блейк и П. М. Хейс. 1990. Распределение менделевских маркеров в двойных гаплоидах и потомстве F2 скрещивания ячменя. Hereditas 113:69-72.
  • Thomas, WTB, B. Gertson и BP Forster. 2003. Двойные гаплоиды в селекции, стр. 337-350. в: M. Maluszynski, KJ Kasha, BP Forster и I. Szarejko (ред.), Производство двойных гаплоидов у сельскохозяйственных растений: Руководство. Kluwer Academic Publ., Дордрехт, Бостон, Лондон.
  • Thomas, WTB, Newton, AC, Wilson, A., Booth, A., Macaulay, M. и Keith, R. 2000. Разработка рекомбинантных линий замещения хромосом: ресурс ячменя. Ежегодный отчет SCRI 1999/2000, 99-100.
  • Thomas, WTB, Powell, W. и Wood, W. 1984. Хромосомное расположение гена карликовости, присутствующего в сорте ярового ячменя Golden Promise. Наследственность 53:177-183.
  • Wang, Z., G. Taramino, D.Yang, G. Liu, SV Tingey, GH Miao и GL Wang. 2001. Рисовые EST с последовательностями гена устойчивости к болезням или гена защитного ответа, картированные в областях, содержащих основные гены устойчивости или QTL. Молекулярная генетика и геномика. 265:303-310.
  • William, KJ, Taylor, SP, Bogacki, P., Pallotta, M., Bariana, HS, и Wallwork, H. 2002. Картирование гена устойчивости к корневой нематоде (Pratylenchus neglectus) Rlnn 1 в пшенице. Теоретическая и прикладная генетика 104:874-879.
  • Винцелер, Х., Шмид, Дж. и Фрид, П. М. 1987. Полевые характеристики андрогенетической удвоенной гаплоидной линии яровой пшеницы в сравнении с линией, отобранной по системе родословной. Селекция растений 99:41-48.
  • Yi, HY, Rufty, RC, Wernsman, EA и Conkling, MC 1998. Картирование гена устойчивости к галловым нематодам (Rk) в табаке с помощью маркеров RAPD. Plant Disease 82:1319-1322.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Doubled_haploidy&oldid=1183136479"