III.2.7. Системы самонесовместимости у растений, методы их изучения и влияние на расщепление по другим генам

Несовместимость у растений проявляется в неспособности пыльцы прорастать на рыльцах растений с определенными генотипами. Она не связана с нарушением процессов опоро- и гаметогенеза и эмбриогенеза.

Рис. III.6. Гаметофитная несовместимость

Реакция несовместимости проявляется в пестике, диплоидная ткань которого контролируется генотипом материнского растения (спорофита). Известно два типа генетических систем самонесовместимости - гаметофитная и спорофитная. Гаметофитнаяопределяется генотипом пыльцевого зерна. У большинства растений она контролируется одним геном S, представленным в популяциях серий множественных аллелей, число которых достигает у ряда видов нескольких сотен (Leguminoseae, Solanaceae, Rosaceae, Liliaceae и др.). Клетки диплоидного пестика всегда имеют два аллеля; в каждом пыльцевом зерне представлен лишь один из этих аллелей. Если в генотипе пестика есть тот же аллель, что и в генотипе пыльцевого зерна, то развитие пыльцевой трубки подавляется (рис. III.6). В популяции встречается полная несовместимость при самоопылении; совместимость половины пыльцевых зерен и полная совместимость, при которой все пыльцевые зерна одного растения способны опылить другое растение (табл. III.6). Очевидно, что все потомки в скрещиваниях оказываются гетерозиготными по генам самонесовместимости.

Таблица III.6. Уровни перекрестной совместимости в популяции при гаметофитной системе самонесовместимости

При спорофитной самонесовместимости реакция пыльцевого зерна, контролируемая, как правило, серией множественных аллелей одного гена, определяется генотипом ткани мужского спорофита, в котором развивается пыльца. Спорофитная несовместимость представлена в природе двумя типами: гетероморфная и гомоморфная.

Гетероморфная самонесовместимость наблюдается у видов, растения которых имеют цветки разного строения (гетеростилия). Например, у гречихи и примулы наблюдается дистилия - два типа цветков, различающихся по длине столбика и тычинок (рис. III.7).

Рис. III.7. Типы цветков при дистилии

Опыление и прорастание пыльцы осуществляется при скрещивании растений с цветками разных типов - легитимное опыление.

Переопыление растений с одинаковым типом цветка - иллегитимное - происходит редко и дает небольшой процент завязываемости семян. При изучении результатов легитимного и иллегитимного опылений было установлено, что гетероморфность цветка контролируется одним геном и короткостолбчатость - доминантный признак.

Гомоморфная спорофитная самонесовместимость широко распространена в природе, она встречается у ряда семейств цветковых растений (Compositae, Sterculiaceae, Crucifera и др.). Этот тип самонесовместимости не связан с различиями в строении цветков. При гомоморфной спорофитной самонесовместимости встречаются различные взаимодействия между аллелями, например доминирование. В отсутствии доминирования пыльца, сформированная на гетерозиготном растении - S¹S², не прорастает ни на рыльце гомозиготных S¹S¹ и S²S² -, ни на рыльце гетерозиготных растений - S¹S². При доминировании пыльца с геторозиготных растений не прорастает на рыльцах растений, содержащих в генотипе доминантный аллель, если доминирование проявляется в пыльце и пестике. Пыльца с гомозиготных рецессивных растений прорастает на рыльцах гомозиготных доминантных и на рыльцах гетерозиготных растений. Например, пыльца с растения с генотипом S¹S¹ прорастает на рыльцах S²S² и S¹S², если S² доминирует над S¹. Очевидно, что при спорофитном контроле и наличии доминирования возможно появление в популяции гомозигот по аллелям самонесовместимости.

Генетические системы самонесовместимости выявляются с помощью специальных методов, представляющих самостоятельный интерес.

Изучение генетического контроля самонесовместимости

Автостерильность (самонесовместимость) в популяциях перекрестноопыляемых растений может быть очень высокой, но не является абсолютной. Некоторый уровень фертильности при самоопылении получил название "псевдосовместимости", частоту которой можно увеличить с помощью искусственного опыления, действием различных средовых факторов - температурой, освещением и пр. Благодаря "псевдосовместимости" появляется возможность выделения гомозиготных генотипов >по аллелям самонесовместимости и изучения ее генетического контроля.

Для этого клонируют отдельные растения, затем проводят самоопыление в клонах и получают семена для анализа каждой семьи первого инбредного поколения (I₁). Тип самонесовместимости определяют по доле фертильных растений, возникающих в потомстве трех типов скрещиваний:

1 - среди растений в потомстве I₁; 2 - в возвратном скрещивании материнских растений из I₁ с исходным отцовским растением (F_в1); 3 - в возвратном скрещивании отцовских растений из I₁ с исходным материнским растением (F_в2).

При гаметофитном контроле самонесовместимости в I₁ семьи, полученной из одного клона с генотипом S¹S², за счет "псевдосовместимости" могут образоваться растения разных генотипов с частотами: ¹/₄ S¹S¹, ¹/² S¹S², ¹/⁴ S²S². При их внутрисемейном скрещивании фертильным окажется ³/₈ или 37,5% потомства:

Примечание: - стерильность.

В потомстве F_в1 пыльца с исходного отцовского растения, имеющего генотип S¹S², не будет прорастать только на рыльцах гетерозиготных растений из Ш₁, составляющих в нем половину потомства. Следовательно, в этом скрещивании 50% растений окажутся фертильными:

В скрещивании ♀Р + ♂I₁ ни одно растение не завяжет семян, так как пыльца любого растения I₁ не прорастет на рыльце исходного гетерозиготного материнского растения:

При спорофитном моногенном контроле самонесовместимости результаты таких скрещиваний зависят от наличия или отсутствия доминирования. В потомстве I₁ при отсутствии доминирования можно ожидать 12,5% фертильных растений:

При доминировании S¹ над S² процент стерильности в этом случае будет равен 37,5%:

В возвратных скрещиваниях ♀P×♀I₁ и ♂I₁×♀P в отсутствии доминирования не будет появляться фертильных растений. При доминировании (например, S¹ над S²) в обоих возвратных скрещиваниях 25% растений окажутся фертильными:

Результаты всех скрещиваний, рассмотренных выше, представлены в табл. III.7.

Таблица III.7. Доли фертильных растений в трех типах скрещиваний при разных системах самонесовместимости, контролируемой серией множественных аллелей одного гена

Если в скрещиваниях наблюдается отклонение от ожидаемого соотношения фертильных и стерильных растений, то это будет свидетельствовать о немоногенном контроле самонесовместимости.

У ржи, овсяницы, ячменя, сахарной свеклы и некоторых других видов обнаружен дигенный гаметофитный контроль самонесовместимости. У ржи гены S и Z наследуются независимо, причем каждый из них представлен в популяции серией множественных аллелей. Наблюдается комплементарное взаимодействие этих генов: пыльцевые зерна, в генотипе которых имеются те же аллели обоих генов, что и в генотипе пестика, не способны прорастать на них. Например, в скрещивании ♀S¹S²Z³Z⁴×♂S¹S³Z³Z⁴ не прорастает пыльца с генотипами S³Z³ и S³Z⁴, остальная пыльца - S³Z³ и S³Z⁴ - функционирует нормально. Очевидно, что в этом случае в потомстве могут появиться растения, гомозиготные по генам самонесовместимости: S¹S³Z³Z³ и S¹S³Z⁴Z⁴ (Смирнов, Соснихина, 1984).

Анализ отклонений в расщеплениях по генам, сцепленным с генами самонесовместимости

Гены самонесовместимости не имеют собственного фенотипического проявления, но они могут влиять на характер расщепления по сцепленным с ними генам, поскольку часть гамет при несовместимости не участвует в оплодотворении. При этом нарушается одно из условий менделевского расщепления: равновероятное участие гамет разного типа в оплодотворении. Отклонения можно наблюдать при самоопылении или близкородственном скрещивании растений. Поэтому при постановке опытов на растениях необходимо знать, есть ли у данного вида система самонесовместимости, какого она типа, а также необходимо знать, в каких скрещиваниях происходит отклонение - в близкородственных (внутри семьи) или при скрещивании растений из популяции. Рассмотрим пример такого анализа на растении с гаметофитным контролем самонесовместимости с участием множества аллелей.

Различия в окраске основания стебля у табака обусловлено действием одного гена (с). Фиолетовая окраска основания стебля доминирует на зеленой (с⁺). Обычно при скрещиваниях неродственных гетерозиготных растений получается расщепление ³/₄ растений с фиолетовым: ¹/₄ с зеленым основанием стебля.

В опыте при внутрисемейном размножении гетерозиготных растений F₁ во втором поколении и в анализирующем скрещивании, в котором в качестве анализатора использовали родительские растения с зеленым основанием стебля, были получены следующие результаты:

Объяснить расщепления, определить генотипы исходных форм.

Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что наблюдаются отклонения в расщеплениях при внутрисемейных скрещиваниях как в F₂, так и в F_a. Среди потомков F₂ уменьшена доля растений с доминантным фенотипом. Можно предположить, что часть пыльцевых зерен с генотипом с⁺ не участвует в оплодотворении, так как ген с⁺ оцеплен с геном, контролирующим самонесовместимость. Это может быть в случае, если исходные растения, гетерозиготные по аллелям самонесовместимости, не различаются по одному из них. Например, по аллелю Поскольку пыльца с аллелем S¹ не будет прорастать на рыльце материнского растения с генотипом S¹S², в первом поколении от этого скрещивания могут возникнуть растения двух генотипов: , при перекрестном опылении которых образуются потомки F₂. При этом пыльца с аллелем S³ не прорастает ни на рыльце с генотипом S¹S³, ни на рыльце с генотипом S²S³. Тогда, при полном сцеплении генов S и с, должно получиться два класса в соотношении -¹/₂ с фиолетовым: ¹/₂ с зеленым основанием стебля^*:

^* (Во всех решетках дано расщепление только по гену с.)

Однако расщепление в опыте не соответствует теоретически ожидаемому расщеплению 1:1 (χ² = 15,67, p<<0,01). Это несоответствие связано, по-видимому, с неравновероятным образованием гамет, несущих аллели с⁺ и с, у отцовских гетерозиготных растений, вследствие кроссинговера между генами S и с (скр. а):

Те же результаты ожидаются в скрещивании б. Доля рецессивных растений в опыте равна 41,7% (245:588×100% = 41,7%). Из решетки видно, что они образуются при слиянии материнских гамет, возникающих с равной частотой (0,5), и отцовских некроссоверных гамет, частоту которых (х) можно определить из уравнения: 0,5x = 0,417; x = 0,834, т. е. 83,4%. Следовательно, процент кроссинговера равен: 100%-83,4% = 16,6% ± 1,5.

В анализирующем скрещивании в отсутствии кроссинговера между данными генами вообще не должны были появиться рецессивные по окраске стебля потомки, так как пыльцевые зерна с генотипами S¹c и S²c не могут прорастать на рыльце с генотипом S¹S²:

Появление рецессивов по гену с возможно лишь в случае кроссинговера между генами S и с у отцовских растений:

В потомстве анализирующего скрещивания рецессивные формы составляют 18,3% (239:1301×100%), все они возникли в результате кроссинговера, следовательно, процент кроссинговера между генами Бис составляет 18,3%±1,1%, что достаточно хорошо согласуется с величиной, полученной по результатам F₂. Различия между ними скорее всего связаны с разными объемами выборок.

Кроме самонесовместимости у растений есть перекрестная несовместимость, контролируемая гаметофитными факторами. Она обеспечивает селективное прорастание некоторых типов пыльцы на рыльцах соответствующего генотипа (избирательность оплодотворения). Наиболее полно изучены гаметофитные факторы у кукурузы, в частности ген Ga, локализованный в IV хромосоме и представленный серией из трех аллелей - Ga, Ga^s и ga. Действие этого гена проявляется в том, что на рыльцах, в генотипе которых есть какой-либо доминантный аллель - Ga или Gas прорастает пыльца такого же генотипа. Пыльца, содержащая в генотипе рецессивный аллель гена ga, в этом случае прорастает медленнее и фактически не принимает участия в оплодотворении, но она нормально прорастает в отсутствии на рыльце пыльцы с доминантным аллелем.

Влияние гаметофитных факторов на расщепление у самофертильных форм показано на кукурузе при изучении наследования гена sugary (su), контролирующего сахаристость зерна и обусловливающего морщинистость эндосперма. Оказалось, что помимо обычного менделевского расщепления по этому гену в F₂(³/₄su⁺: ¹/₄ su) при некоторых внутрисемейных скрещиваниях наблюдается отклонение от этого расщепления и соотношение фенотипов в расщеплении составляет 86% гладких (su⁺) и 14% морщинистых (su) зерен. Это может быть следствием сцепления гена su с локусом Ga и кроссинговера, прошедшего между ними при образовании пыльцы. На рыльце с генотипом Gaga прорастает только пыльца с генотипом Ga:

Поскольку потомки с рецессивным фенотипом выщепляются с частотой 14% (0,14), а соотношение гамет материнского растения 0,5 su+ и 0,5 su, можно определить примерный процент кроссинговера между генами, составив следующую пропорцию: 0,14 = 0,5×х, где x - частота кроссоверных гамет, участвующих в оплодотворении. x = ^0,14/_0,5×100% = 28%. Следовательно, расстояние между генами su и Ga составляет ∼28% кроссинговера.

У кукурузы известны гаметофитные факторы, локализованные и в других хромосомах. Они обнаружены также и у других видов растений.

Таким образом, мейотические мутации, предпочтительное расхождение гомологов, обусловленное особенностями строения хромосом, перестройки хромосом могут приводить к нарушению одного из условий менделевского расщепления - равновероятного образования гамет разного типа. Несовместимость у растений, разная селективная ценность гамет приводят к нарушению случайности оплодотворения (равной вероятности участия гамет всех типов в оплодотворении) - другого условия менделевского расщепления.