диплоидный набор хромосом в животной клетке

Последние записи КОЛХИЦИН И ЛИЛЕЙНИКИСреда, 08 Декабря 2010, 17:53:23Эта статья, будет началом раздела " Интересные истории из мира Hemerocallis "ВВЕДЕНИЕ Полиплоидия это наследственные изменения, связанные с увеличением числа целых хромосомных наборов . Для индуцирования полиплоидных форм используют различные факторы воздействия: механические, физические, химические и др. Искусственно полученные мутантные формы являются ценным материалом для селекции, поскольку в контролируемых условиях можно получить мутации, отсутствующие в природе или встречающиеся очень редко. Искусственная полиплоидия играет важную роль в улучшении многих видов растений и гибридов. Результат индуцированной полиплоидии Hemerocallis, помимо увеличения генетической изменчивости, проявляется новыми формами и качеством фенотипа тетраплоидного лилейника. Цветок тетраплоид большего размера, тяжелой субстанции, более округлой формы и богатой цветовой гаммы (Stamile 1990, Kehr 1996, Callaway 2000, Sakhonokho 2003). Цветонос имеет прочный, толстый стебель, позволяющий удерживать большие, плотные, массивные цветы. Из-за этих качеств, селекционеры выбрали и использовали полиплоидные формы в своих гибридизационных программах потому, что большинство потребителей цветоводов предпочитают улучшенные цветоводческие признаки тетраплоидных аналогов лилейника. Генетическое разнообразие в пределах современных тетраплоидных лилейников быстро уменьшается, поскольку производители гибридизаторы сфокусировались на ограниченном числе тетраплоидных генотипов, с уникальными цветочными признаками (Tomkins, Wood, Barnes, Westman, Wing 2001). Эта ситуация может иметь серьезные последствия, влекущие негативные изменения окружающей среды. Подтверждением этого, служит появление в 2000 году новой болезни лилейников ржавчины. Назрела необходимость расширения тетраплоидной гермаплазмы лилейников, за счет преобразования более генетически разнообразных диплоидных аналогов, для использования в новых тетраплоидных программах разведения. ПЛОИДНОСТЬ HEMEROCALLIS Попробуем для лучшего понимания процесса полиплоидизации немного разобраться в более упрощенном виде с некоторыми определениями в генетике. Каждый отдельный вид животных или растений имеет характерное, постоянное число хромосом. Плоидность означает , степень кратности , этого основного числа хромосом. Для того, что бы понять определение плоидности Hemerocallis , вспомним, что цветок лилейника имеет мужские (тычинки с пыльниками) и женские (рыльце пестика, трубка пестика ведущая к яичнику) репродуктивные части, которые производят мужские и женские половые клетки - гаметы . Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом (n ) т.е одинарный набор хромосом, присущий половым клеткам и у лилейников гамета содержит 11 хромосом. Гаплоидное число хромосом в клетках организмов одного вида называется основным или базовым, а совокупность генов, заключенных в таком гаплоидном наборе - геномом. При половом созревании в клетках происходит альтернативный процесс клеточного деления, в результате которого, образуются гаметы. Этот процесс называется - мейоз. Он включает два отдельных этапа. Многоступенчатая природа процесса гарантирует, что каждая яйцеклетка или сперматозоид содержит только один полный набор хромосом (гаплоидный ). При оплодотворении, т.е. слиянии мужской (спермии) гаметы и женской (яйцеклетка) гаметы, получается диплоидная зигота, развивающаяся в особь с наследственными признаками обоих родительских организмов. Для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный, двойной набор хромосом, для лилейников (2п = 22). Один набор 11 хромосом, происходит от яйцеклетки (материнского организма), второй комплект из 11 хромосом, от сперматозоида пыльцы (отцовского организма). При слиянии двух гаплоидных гамет в зиготу, происходит восстановление присущего данному виду организмов, диплоидного набора хромосом. Делаем вывод диплоидные лилейники имеют 22 хромосомы . По своему природному происхождению большинство видовых лилейников - диплоидные (Takenaka 1929, Stout 1932, Brannan 1992, Tomkins 2003, 2004). Полиплоидия может возникнуть при нерасхождении хромосом в мейозе. В этом случае половая клетка получает полный (нередуцированный) набор хромосом соматической клетки (2n). При слиянии такой гаметы с нормальной (n), образуется триплоидная зигота (3n), из которой развивается триплоид. Триплоидные лилейники имеют тройной набор хромосом ( 3n=33 ) и получаются при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной. Триплоиды, как правило, бесплодны (стерильны). Природа стерильности у них очевидна. Во время первого этапа мейоза схожие хромосомы (называемые «гомологичными» хромосомами) в клетке, перед делением объединяются в пары. В триплоидной клетке, этот основной этап мейотического процесса работает не точно, потому что гомологичные хромосомы не могут объединиться в пары и разделиться поровну. Такой сбой мейотического деления и объясняет стерильность триплоидов. Несколько таксонов видового комплекса Hemerocallis fulva ( H.fulva Europa , H.fulva Kwanso , H. fulva var. paucijiora Hotta & Matsuoka , H. fulva var. Maculate Baroni ) в результате спонтанных мутаций (изменения физиологического состояния клетки), являются по происхождению триплоидами (2n=3x=33) (Stout 1932, Chandler 1940). Эти представители триплоидных не были получены в результате пересечений тетраплоидов с диплоидами. На то время не существовало в природе тетраплоидных представителей Hemerocallis. Так как большинство триплоидных лилейников являются результатом скрещивания между тетраплоидными ( 44 хромосомы ) и диплодными ( 22 хромосомы ) родителями, когда при рекомбинации 2n- и n- гамет образуется триплоидный организм. С наибольшей вероятностью триплоидные лилейники произошли из нередуцированной клетки яйца. В 1970 году д-р Arisumi сообщил о серии экспериментов, которые он провел с 1961 по 1969 год по перекрестному опылению диплоидных и тетраплоидных саженцев лилейников, и оценил частоту нередуцированных яйцеклеток, как 1/15000. При этом, он ни разу не находил нередуцированную клетку зерна пыльцы. В некотором виде триплоиды могут легко создаваться в результате скрещивания диплоидов с тетраплоидами. Тем не менее у лилейников Arisumi (1973) получал только 29 триплоидных саженцев из 1607 пересечений диплоидов с тетраплоидами. Частота успеха удваивалась, когда родитель тетраплоид был женским. Имеется много сообщений от любителей гибридизаторов о получении триплоидных саженцев от дип/тет пересечений, тем не менее, чаще всего эти триплоиды , оказывались диплоидами. Родитель тетраплоид использованный в этих пересечениях, обычно был производным от колхицин-индуцированной тетраплоидной химеры (R.A.Griesbach). Даже если триплоидные лилейники слабо плодородные, они могут использоваться в разведении. Д-р Stout (1926 ) получал 1% жизнеспособных семян, при использовании Hemerocallis fulva Europa , как женский родитель и 15 % жизнеспособных семян, при использовании Europa , как мужской родитель. Триплоидные лилейники, также очень хороший исходный материал для разведения гексаплоидных , методом удвоения хромосом (Morejohn 1987). По словам Levin (1983) и Horn(2002) разработка гексаплоидных лилейников может увеличить размеры цветка, активизировать цветовую гамму, изменять форму цветка и способствовать восстановлению плодородия от триплоидов. Создание гексаплоидной зародышевой плазмы лилейников, значительно бы увеличила возможности гибридизаторов для дальнейшего совершенствования традиционной гермаплазмы. Только диплоидные и триплоидные виды Hemerocallis встречаются в природе. Тетраплоидные лилейники были получены искусственно, путем удвоения числа хромосом, в результате воздействия химического вещества, в частности колхицина. Механизм действия колхицина сводится к нарушению расхождения хромосом в митозе и образованию клеток с кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Тетраплоидные лилейники имеют четыре набора хромосом (4n=44 хромосомы). Знание уровня плоидности полного набора хромосом лилейника, имеет решающее значение для программы гибридизации. Желаемые скрещивания, как правило, трудно получить от родителей различного уровня плоидности. ИСТОРИЯ ПОЛИПЛОИДИЗАЦИИ Полиплоидия - является важным фактором в разработке усовершенствованных коммерческих сортов и гибридов. Одним из перспективных направлений в селекции, является химическая полиплоидизация. В 1937 году, впервые была обнаружена способность колхицина производить полиплоидизацию (Blakeslee and Avery 1937), способность искусственного манипулирования хромосомными числами активно использовалась в течение 1940 года для создания первых тетраплоидов. Мощный алкалоид колхицин , выделенный из луковиц безвременника ( Colchicum Autumnale ) , парализует веретено деления, вследствие чего становится невозможным расхождение дочерних хромосом к полюсам и они остаются в одной клетке. В результате, образуется клетка с удвоенным числом хромосом. История колхицина Первые знания о колхицине настолько стары, что уходят своими корнями в древнюю историю и мифологию Греции, Индии и Египта. Колхицин (Colchicinii) назван в честь земли Колхиды, которая находится в восточной части Черного моря. Где все ее побережье ранней осенью покрывается яркими розовыми и голубыми цветками безвременника или , как его еще называют - крокуса осеннего, безвременника лугового. Куда приходил со своими аргонавтами Ясон за Золотым Руном. Там, в Колхиде он встретил колдунью Медею, верховную жрицу богини Лейкотеи и очень опытного врача, вернувшей «доблестному Ясону силу юности, отогнав старость хитроумным способом с помощью трав, кипевших в золотом сосуде». Именно ее волшебные силы связывают с ядовитыми компонентами безвременника. Древние короли Колхиды использовали знания о растительных ядах, для устранения конкурентов и быстрого решения всех дворцовых интриг. В эти места путешествовал древнегреческий врач - натуралист Диоскорид ( Dioscorides ). Он первый дал точное описание, указывающее фазы роста, морфологию и размножение безвременника осеннего и дал ему название Colchicon . Зарисовки Диоскорида, включающие растение безвременника с плодами и семенами, и растение с листьями и цветами, копировались на протяжении пятнадцати столетий. На то время профессии врача и ботаника были тесно связаны и конечно же, Диоскорид имел медицинский интерес к этому ядовитому лекарственному растению . В Египте самым ранним датированным фактом до нашей эры, является упоминание безвременника в Папирусе Ebers старейшем медицинском тексте, в 1550 году до нашей эры. Папирус Ebers суммировал все медицинские знания Египетской цивилизации, которые дошли до современной фармакопеи. На сегодняшний день, фактически только 18 растений из семисот первоначально заявленных в документе, достигли своей исторической славы. Трудно предположить сколько столетий прошло с тех пор, когда древние индусы начали сбор безвременника осеннего и других лекарственных растений, для применения в медицинской практике. Некоторые древние медицинский трактаты Индии до сих пор не расшифрованы. В Ведических текстах 800 г до н. э. упоминается Colchicum luteum, производитель чистого колхицина (0,2 %), собранный в Кашмире (Kashmir), в северо-западных предгорьях Гималаев. Древние арабские врачи заимствовали знания о лечебных свойствах колхицина от своих коллег из Индии и продвигали их дальше, в Европу. На протяжении многих веков колхицин изучался медиками, алхимиками, натуралистами. Такие исторические имена, как Теофраст, Авиценна, Гален внесли свой вклад в изучение и практическое применение колхикума, как медицинского лекарственного растения. Современный период исследования колхицина начинается с 1989 года , когда сицилийский патологоанатом Pernice (1884 1906) впервые описывает влияние колхицина на митоз животной клетки, при введении большой дозы яда. Есть упоминание, что ранние эксперименты с колхицином проводил Чарльз Дарвин в 1875 году, но его работа имела только исторический интерес и никаких документальных подтверждений на данное время не существует. Колхицин в своей настоящей роли, как митотический яд и как средство для биологического исследования было обнаружено в 1931 году в Брюсселе (Бельгия), в лаборатории профессора Дастина (A.R.Dustin), который долгое время исследовал митоз. К 1937 году многие лаборатории всех континентов подключаются к исследованию эффекта колхицина в митозе. Генетики Швеции и Японии. Во Франции Gavaudan вел активное сотрудническтво с бельгийскими генетиками. В России лаборатория Института Генетики АН СССР под руководством академика Н.Вавилова. Д. Костов, И. А. Аксамитная. - Докл. АН СССР, 1935, Исследование полиплоидных растений. В феврале 1937 года, в Cold Spring Harbor в Нью-Йорке, на Атлантическом собрании E.L.Lahr представил работу группы генетиков Allen, Gardner, Smitt, об исследовании колхицина и влиянии его на полиплоидизацию, ученым исследовательской лаборатории Университета Карнеги, Отдел Генетики, возглавляемый доктором A.F. Blakeslee. Эта работа создала широчайший интерес ученых всего мира. В сентябре этого же года Blakeslee объявил об открытии колхицина, как мощного химического реагента, порождающего полиплоидию в растениях. Колхицин заменял практически все известные методы, использованные для увеличения количества хромосом в растении. Процедура была новой и могла легко проводиться на всех представителях растений. В течение короткого времени генетики убедились, что найдено уникальное, полезное средство, поскольку метод колхицинирования , был более эффективным и более пригодным для получения полиплоидов, имеющих дополнительный комплект хромосом, чем любые другие методы, которые использовались прежде. Метод колхицинирования стал потрясением для агрономов. По всему миру ученые и аматоры начали создавать полиплоиды. То, что техника использования колхицина оказалась простой, посодействовало интересу ее быстрого распространения и использования. На протяжении пяти лет, с 1938 по 1942 год , все растения представители сельского хозяйства Швеции, были преобразованы в полиплоиды. Началась новая эра в полиплоидизации. История тетраплоидного лилейника В 1947 году был получен первый цветущий экземпляр тетраплоидного лилейника Brilliant Glow из преобразованного сорта Cressida , автором был студент Университета Minnesota - Robert Schreiner . В 1948 году , Buck Quinn из Университета в Калифорнии , сообщал о цветении тетраплоидов

Лилейник. КОЛХИЦИН И ЛИЛЕЙНИКИ