Индуцированный мутагенез
Экспериментальное получение мутаций у растений и микроорганизмов и их использование в селекции
Эффективными способами получения исходного материала являются методы индуцированного мутагенеза – искусственного получения мутаций. Индуцированный мутагенез позволяет получить новые аллели, которые в природе обнаружить не удается. Например, этим путем получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов (продуцентов антибиотиков), карликовые сорта растений с повышенной скороспелостью и т.д. Экспериментально полученные мутации у растений и микроорганизмов используют как материал для искусственного отбора. Этим путем получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов (продуцентов антибиотиков), карликовые сорта растений с повышенной скороспелостью и т.д.
Для получения индуцированных мутаций у растений используют физические мутагены (гамма-излучение, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение) и специально созданные химические супермутагены (например, N-метил-N-нитрозомочевина).
Дозу мутагенов подбирают таким образом, чтобы погибало не более 30…50% обработанных объектов. Например, при использовании ионизирующего излучения такая критическая доза составляет от 1…3 до 10…15 и даже 50…100 килорентген. При использовании химических мутагенов применяют их водные растворы с концентрацией 0,01…0,2%; время обработки – от 6 до 24 часов и более.
Обработке подвергают пыльцу, семена, проростки, почки, черенки, луковицы, клубни и другие части растений. Растения, выращенные из обработанных семян (почек, черенков и т.д.) обозначаются символом M1 (первое мутантное поколение). В M1 отбор вести трудно, поскольку большая часть мутаций рецессивна и не проявляется в фенотипе. Кроме того, наряду с мутациями часто встречаются и ненаследуемые изменения: фенокопии, тераты, морфозы.
Поэтому выделение мутаций начинают в M2 (втором мутантном поколении), когда проявляется хотя бы часть рецессивных мутаций, а вероятность сохранения ненаследственных изменений снижается. Обычно отбор продолжается в течение 2…3 поколений, хотя в некоторых случаях для выбраковки ненаследуемых изменений требуется до 5…7 поколений (такие ненаследственные изменения, сохраняющиеся на протяжении нескольких поколений, называют длительными модификациями).
Полученные мутантные формы или непосредственно дают начало новому сорту (например, карликовые томаты с желтыми или оранжевыми плодами) или используются в дальнейшей селекционной работе.
Однако применение индуцированных мутаций в селекции все же ограничено, поскольку мутации приводят к разрушению исторически сложившихся генетических комплексов. У животных мутации практически всегда приводят к снижению жизнеспособности и/или бесплодию. К немногим исключениям относится тутовый шелкопряд, с которым велась интенсивная селекционная работа с использованием авто- и аллополиплоидов (Б.Л. Астауров, В.А. Струнников).
Соматические мутации. В результате индуцированного мутагенеза часто получают частично мутантные растения (химерные организмы). В этом случае говорят о соматических (почковых) мутациях. Многие сорта плодовых растений, винограда, картофеля являются соматическими мутантами. Эти сорта сохраняют свои свойства, если их воспроизводят вегетативным путем, например, прививая обработанные мутагенами почки (черенки) в крону немутантных растений; таким путем размножают, например, бессемянные апельсины.
Полиплоидия. Как известно, термин «полиплоидия» используется для обозначения самых разнообразных явлений, связанных с изменением числа хромосом в клетках.
Автополиплоидия представляет собой многократное повторение в клетке одного и того хромосомного набора (генома). Автополиплоидия часто сопровождается увеличением размеров клеток, пыльцевых зерен и общих размеров организмов. Например, триплоидная осина достигает гигантских размеров, долговечна, её древесина устойчива к гниению. Среди культурных растений широко распространены как триплоиды (бананы, чай, сахарная свекла), так и тетраплоиды (рожь, клевер, гречиха, кукуруза, виноград, а также земляника, яблоня, арбузы). Некоторые полиплоидные сорта (земляника, яблоня, арбузы) представлены и триплоидами, и тетраплоидами. Автополиплоиды отличаются повышенной сахаристостью, повышенным содержанием витаминов. Положительные эффекты полиплоидии связаны с увеличением числа копий одного и того же гена в клетках, и, соответственно, в увеличении дозы (концентрации) ферментов. Как правило, автополиплоиды менее плодовиты по сравнению с диплоидами, однако снижение плодовитости обычно с лихвой компенсируется увеличением размеров плодов (яблони, груши, винограда) или повышенным содержанием определенных веществ (сахаров, витаминов). В то же время, в ряде случаев полиплоидия приводит к угнетению физиологических процессов, особенно при очень высоких уровнях плоидности. Например, 84-хромосомная пшеница менее продуктивна, чем 42-хромосомная.
Аллополиплоидия – это объединение в клетке разных хромосомных наборов (геномов). Часто аллополиплоиды получают путем отдаленной гибридизации, то есть при скрещивании организмов, принадлежащих к различным видам. Такие гибриды обычно бесплодны (их образно называют «растительными мулами»), однако, удваивая число хромосом в клетках, можно восстановить их фертильность (плодовитость). Таким путем получены гибриды пшеницы и ржи (тритикале), алычи и терна, тутового и мандаринового шелкопряда.
Полиплоидия в селекции используется для достижения следующих целей:
– получение высокопродуктивных форм, которые могут непосредственно внедряться в производство или использоваться как материал для дальнейшей селекции;
– восстановление плодовитости у межвидовых гибридов;
– перевод гаплоидных форм на диплоидный уровень.
В экспериментальных условиях образование полиплоидных клеток можно вызвать воздействием экстремальных температур: низкими (0…+8 °С) или высокими (+38…+45 °С), а также путем обработки организмов или их частей (цветков, семян или проростков растений, яйцеклеток или эмбрионов животных) митозными ядами. К митозным ядам относятся: колхицин (алкалоид безвременника осеннего – известного декоративного растения), хлороформ, хлоралгидрат, винбластин, аценафтен и др.
Источник
Селекция и племенное дело в рыбоводстве
Индуцированный мутагенез
Индуцированный мутагенез
Под индуцированным (искусственно вызываемым) мутагенезом
понимают возникновение наследственных изменений в результате воздействия
на организм особыми агентами-мутагенами. В зависимости
от природы мутагена различают радиационный и химический мутагенез.
Как известно, частота естественных мутаций невелика и составляет
примерно 10 «5 (в расчете на 1 ген за одно поколение). Индуцированный
мутагенез позволяет значительно повысить частоту мутаций. Таким образом,
с помощью данного метода удается обеспечить одно из наиболее
важных условий успешной селекции — повышение наследственной изменчивости
селекционируемого материала.
Открытие явления индуцированного мутагенеза в 20-30-х годах
нашего столетия связано с именами крупных советских и зарубежных
ученых: Г. А. Надсона, Г. С. Филиппова, В. В. Сахарова, М. Е. Лобашева,
И. А. Раппопорта (СССР), Г. Меллера, Л. Стадлера (США) и Ш. Ауэрбах
(Англия). Позднее, как в области теоретических достижений, так и практического
применения данного метода на культурных растениях и микроорганизмах,
были достигнуты значительные успехи2.
Основной целью применения индуцированного мутагенеза в селекции
рыб, так же как в селекции растений, является увеличение генетической
изменчивости за счет новых (индуцированных) в том числе и полезных
мутаций. Речь идет в первую очередь о мутациях генов, влияющих на проявление
признаков продуктивности: роста, выживаемости, устойчивости
к заболеваниям и др. При этом не исключается возможность возникновения
каких-то качественных мутаций, что ведет к появлению особей с
новыми, представляющими интерес для селекционера свойствами.
На рыбах уже используется метод химического индуцированного му-
1 Более подробные сведения можно найти в специальной публикации [204).
2 В работах с домашними животными использование этого метода Затруднено
из-за их низкой плодовитости.
88
тагенеза. Разработка этого метода была начата в СССР в середине 60-х
годов по инициативе В. С. Кирпичникова, а в дальнейшем успешно продолжена
Р. М. Цоем [192, 195 и др.].
Основные сведения, касающиеся закономерностей химического мутагенеза
у рыб, получены в работах по селекции казахстанского карпа;
объектами исследований являлись также пелядь, радужная форель, белый
амур, белый толстолобик, буффало [204].
В работах с рыбами в качестве мутагенов были использованы различные
алкилирующие соединения с высокой биологической активностью
(супермутагены): этиленимин (ЭИ), нитрозоэтилмочевина (НЭМ), ди-
метилсульфат (ДМС) и др. Эти соединения, избирательно воздействуя
на ДНК хромосом, повреждают ее, что может привести к возникновению
мутаций.
Для получения индуцированных мутаций обычно обрабатывают поло-\
вые клетки (икру, сперму) или ранние зародыши рыб. Генетический |
эффект тем выше, чем доступнее ядро клетки действию мутагена. С этой’
точки зрения более эффективна обработка мутагеном зрелых спермиев.
При обработке спермиев снижается также вероятность накопления мутагена
в цитоплазме половой клетки и его последующего влияния на разе\
вивающийся зародыш.
Мутагенный эффект алкилирующих соединений доказан на примере
генов чешуйного покрова у карпа [192, 204]. Так, при обработке спермы
карпа НЭМ обнаружены мутации аллеля п ->• N и аллеля $-•.$; при обработке
спермы карпа ДМС эти две мутации обнаружены одновременно.
Средняя частота возникновения доминантной мутации ./V среди потомков,
полученных с использованием НЭМ и ДМС, составила 1,1 х 10
3 (45 му-
тантных особей среди 40 323 шт. сеголетков) и была более чем на два
порядка выше частоты естественного мутирования [192].
Другим подтверждением возможности мутагенного эффекта алкилирующих
соединений является повышение частоты хромосомных перестроек
(разрывов хромосом, слипаний и др.), что легко регистрируется
при анализе эмбриональных митозов (рис. 22).
Установлена определенная специфичность мутагенов по характеру
вызываемых ими мутаций. Так, например, при обработке спермы карпа
НЭМ чаще возникают точковые (генные) мутации, а при обработке спермы
ДМС — хромосомные перестройки.
Косвенным подтверждением мутагенного действия химических соединений
является увеличение фенотипической изменчивости различных
признаков.
У разных видов рыб чувствительность к одному и тому же мутагену
может быть различной. При одинаковых дозах воздействия НЭМ на спермин
(концентрация мутагена 0,0025—0,02 %) выживаемость эмбрионов
в мутагенных потомствах составила (в % от контроля): 36,5—0,0 (белый
толстолобик), 63,8-0,0 (белый амур) и 111,3-26,1 (карп). Эти данные
свидетельствуют о меньшей чувствительности к мутагену у полиплоидных
видов (карп), чем у диплоидных (белый амур и белый толстолобик) [204].
Многие мутагены активны в широком диапазоне концентраций, но
наиболее эффективными являются концентрации мутагена, близкие к
полулетальным. 89
Сравнительная оценка многих алкилирующих соединений с использованием
цитогенетического и других тестов позволила выявить наиболее
эффективные мутагены. Ими оказались НЭМ и ЭИ [195].
Мутагенные’ потомства первого поколения характеризуются пониженной
выживаемостью и повышенным числом уродливых особей, что является
следствием индуцированных вредных, в том числе летальных доминантных
мутаций. Основная гибель особей — носителей таких мутаций —
происходит в эмбриогенезе, начиная с поздней бластулы; значительная
часть потомков погибает в период вылупления. Среди жизнеспособной
части потомства встречаются разнообразные уроды. Например, в мутагенных
потомствах карпа обнаружено 23 типа уродств. Разные мутагены
индуцируют различный спектр аномалий. Наиболее частыми нарушениями
(встречающимися при использовании практически всех мутагенов) оказались
искривление позвоночника, уродства головы и рта. При высоких
дозах мутагенов уроды могут составлять в потомстве 20—30 % [192].
Как показали работы с казахстанским карпом [192, 195, 204 и др.],
в мутагенном потомстве первого поколения наблюдается повышенная
фенотипическая изменчивость пЬ многим количественным признакам,
Мутагенным называют потомство, полученное с использованием мутагенов;
мутантным — потомство, имеющее какой-либо мутантный признак.
90
в том числе и по важнейшему показателю продуктивности — массе тела.
В отдельных потомствах коэффициент вариации массы тела возрастал в
два-три раза по сравнению с контролем, а среди потомков появлялись
особи, превышающие по темпу роста лучших контрольных рыб более
чем в два раза. К сожалению, данных о «вкладе» генетических факторов
в повышение фенотипической изменчивости и появление такого рода рекордистов
пока еще не имеется.
Получение второго и последующих поколений селекции осуществляют
обычно без применения мутагенеза. Важнейшей задачей является элиминация
индуцированных вредных мутаций в селекционируемом материале.
В отношении доминантных мутаций это достигается интенсивным отбором.
Гораздо сложнее обстоит дело с вредными рецессивными мутациями,
которые при обычном разведении остаются в скрытом состоянии в течение
многих поколений. Для ускоренной элиминации рецессивных мутаций
целесообразно применение индуцированного гиногенеза (см. ниже).
У карпа, по имеющимся данным [197], уже во втором гиногенетическом
поколении 80-90 % всех генов переходит в гомозиготное состояние, что
приводит к фенотипическому проявлению многих рецессивных мутаций.
Одновременно таким же путем могут быть выявлены и полезные мутации.
Таким образом, использование индуцированного гиногенеза позволяет
резко ускорить мутагенную селекцию. В этой связи индуцированный онтогенез
был включен в программу селекции казахстанского карпа.
Сравнительно недавно на рыбах были начаты Исследования по радиационному
мутагенезу с использованием в качестве мутагена ультрафиолета
[157,196].
Применение индуцированного мутагенеза особенно целесообразно
при сильном истощении генетической изменчивости в селекционируемом
стаде (что может быть результатом предшествующей интенсивной селекции),
когда обычные методы селекции становятся неэффективными.
Источник
