Получение и особенности полиплоидных форм

В природе полиплоиды образуются двумя путями: удвоением числа хромосом в клетках соматических тканей и благодаря формированию и слиянию гамет с нередуцированным набором хромосом.

Развитие полиплоидных соматических клеток и тканей, а из них – и полиплоидных побегов может быть стимулировано различными факторами: резкими перепадами температур, воздействием различных химических соединений, содержащихся в почве, корневых выделений растений, а также механическими повреждениями корней, стеблей, корневищ и клубней, вызывающих развитие каллуса.

Однако наиболее часто полиплоидные растения возникают не путем соматического удвоения (когда деление ядра происходит без последующего деления клетки) числа хромосом, а в результате нарушения правильного течения мейоза у родительских форм. При этом нередуцированные гаметы формируются вследствие незавершенности первого или второго деления мейоза или полного подавления первого деления.

Если нередуцированны гаметы у одного из родителей, то при их слиянии образуются триплоиды. Если в оплодотворении участвуют нередуцированные гаметы со стороны двух родителей, возникают тетраплоиды. Нередуцированные гаметы характерны для видов картофеля, гибридизация диплоидов нередко ведет у них к образованию тетраплоидов.

Известно более 30 семейств, у которых отмечено функционирование нередуцированных гамет. Неблагоприятные условия года, особенно если они приближаются к экстремальным, способствуют возрастанию процента нередуцированных гамет.

К числу константных особенностей полиплоидов, отличающих их от диплоидов, можно отнести увеличение размеров клеток и отдельных органов, утолщение листьев и стеблей, замедленное развитие. В природе аллополиплоиды имеют несомненные преимущества над автополиплоидами, для которых характерны хромосомные аберрации и цитологически несбалансированные гаметы. У амфидиплоидов, происходящих не от слишком далеких видов, мейоз правильный и гаметы сбалансированы. Если гаплоидные геномы амфидиплоида генетически достаточно удалены, его гаметы могут не функционировать.

Первыми методами получения полиплоидных тканей были методы температурного воздействия на делящиеся клетки. Первый полиплоид путем охлаждения был получен в 1889 г. И.И. Герасимовым. Долгое время, до открытия колхицинирования, эти методы были основными. Позже (1928) широкое распространение получил метод Г. Винклера – С. Иоргенсена, состоящий в срезании верхушек молодых растений (метод декапитации). Были предложены и другие методы, но все они оказались малоэффективными.

Новую страницу в цитогенетике культурных растений открыл колхициновый метод полиплоидизации, предложенный в 1937 г. А. Блексли, А. Эйвери и Б. Небелем. Колхицин (С₂₂Н₂₅О₆) – это алкалоид, сильный растительный яд, который содержится в семенах и клубнелуковицах безвременника осеннего (Colchicum automnale), относящегося к семейству лилейные.

В чистом виде колхицин представляет собой желтовато-белый порошок, легко растворимый в воде, спирте, хлороформе и почти не растворимый в эфире. Как химическое соединение колхицин довольно устойчив: он не разлагается при хранении и стерилизации в автоклаве.

Подавляя действие механизма веретена в процессе митоза, колхицин приводит к увеличению числа хромосом. Материалом для обработки колхицином служат семена, проростки, стебли, листья, бутоны, почки, корни и клубни. Оптимальные условия для обработки устанавливают для каждого объекта опытным путем. Наилучшие результаты обеспечивает воздействие алкалоида на делящиеся меристематические ткани в период их интенсивного роста и клеточных делений. При использовании водных растворов колхицина предварительно готовится 1%-ный маточный раствор, из которого в дальнейшем получают растворы нужной концентрации. При обработке семян наиболее часто применяют водные растворы колхицина с концентрацией от 0,01 до 0,5%, а при воздействии на точки роста – от 0,3 до 1%. Экспозиция обработки колеблется от нескольких часов до нескольких суток.

В ряде случаев оказалась успешной полиплоидизация путем обработки колхицином (обычно 0,05%-ным) корней злаков.

Индуцированный колхицином полиплоид является обычно материалом, не пригодным для непосредственного и немедленного использования. Несбалансированность генотипа из-за увеличения набора хромосом, как правило, влечет за собой ряд серьезных дефектов, которые устраняются только в процессе дальнейшего отбора и размножения. Прежде всего они выражаются в снижении фертильности и всхожести семян. Кроме того, может снижаться зимостойкость, засухоустойчивость, устойчивость к болезням. Улучшить качество первичных полиплоидов можно путем отбора генотипов, не ухудшившихся при переводе на новый уровень плоидности.