Удвоенная гаплоидия - Doubled haploidy

А удвоенный гаплоид (DH) - генотип, образованный при гаплоидный клетки подвергаются удвоению хромосом. Искусственное производство удвоенных гаплоидов важно в селекция растений.

Гаплоидные клетки производятся из пыльца или же яйцо ячеек или из других ячеек гаметофит затем путем индуцированного или спонтанного удвоения хромосом образуется удвоенная гаплоидная клетка, из которой можно вырастить удвоенное гаплоидное растение. Если исходное растение было диплоид, гаплоидные клетки моноплоидный, а срок удвоенный моноплоид может использоваться для удвоенных гаплоидов. Гаплоидные организмы, происходящие из тетраплоиды или же гексаплоиды иногда называют дигаплоиды (а удвоенные дигаплоиды являются, соответственно, тетраплоидом или гексаплоидом).

Общепринятый инбридинг процедурам требуется шесть поколений для достижения приблизительно полного гомозиготность, тогда как удвоенная гаплоидия достигает этого за одно поколение.[1] Дигаплоидные растения, полученные из тетраплоидных культурных растений, могут иметь важное значение для программ селекции, в которых участвуют диплоидные дикие родственники сельскохозяйственных культур.

История

Первый отчет о гаплоидном растении опубликовал Блейксли. и другие. (1922) в Дурман обыкновенный. Впоследствии гаплоиды были зарегистрированы у многих других видов. Гуха и Махешвари (1964) разработали пыльник метод культивирования для производства гаплоидов в лаборатории. Гаплоидная продукция путем широкого скрещивания была зарегистрирована в ячмень (Каша и Као, 1970) и табак (Бурк и другие., 1979). Табак, рапс, и ячмень являются наиболее восприимчивыми видами к продукции удвоенных гаплоидов. Методологии двойных гаплоидов в настоящее время применены к более чем 250 видам.[2]

Производство удвоенных гаплоидов

Могут быть произведены удвоенные гаплоиды in vivo или же in vitro. Гаплоидные эмбрионы производятся in vivo к партеногенез, псевдогамия, или элиминация хромосомы после широкого скрещивания. Гаплоидный эмбрион спасают, культивируют, а удвоение хромосом дает удвоенные гаплоиды. В in vitro методы включают гиногенез (яичник и цветочная культура) и андрогенез (культура пыльников и микроспор).[3] Андрогенез - предпочтительный метод. Другой метод получения гаплоидов - широкое скрещивание. У ячменя гаплоиды могут быть получены путем широкого скрещивания с родственными видами. Ордеум луковица; удобрение нарушается, но на ранних стадиях развития семян H. bulbosum хромосомы удаляются, остается гаплоидный эмбрион. В табаке (Nicotiana tabacum ), широкий переход с Никотиана африканская широко используется. Когда N. africana используется для опыления N. tabacum, От 0,25 до 1,42 процента потомство выжить и может быть легко идентифицирован как Гибриды F1 или материнские гаплоиды. Хотя эти проценты кажутся небольшими, огромный урожай крошечных 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 семенного происхождения. N. tabacumв качестве альтернативного или дополнительного метода выращивания пыльников.

Генетика популяции DH

В методе DH только два типа генотипов встречаются для пары аллелей, A и a, с частотой ½ AA и ½ aa, в то время как в диплоидном методе встречаются три генотипа с частотой AA, ½ Aa, 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 количество рассматриваемых генов велико.

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

Применение селекции растений DHs

Отображение локусов количественных признаков

Большинство экономических черт контролируется генами с небольшими, но совокупными эффектами. Хотя потенциал популяций DH в количественной генетике был понят в течение некоторого времени, именно появление карт молекулярных маркеров дало толчок к их использованию в идентификации локусов, контролирующих количественные признаки. Поскольку локусы количественных признаков (QTL) эффекты невелики и сильно зависят от факторов окружающей среды, точные фенотипирование с повторными испытаниями не требуется. Это возможно с организмами с удвоенной гаплоидностью из-за их истинной природы размножения и потому, что их удобно производить в больших количествах. Используя популяцию DH, было нанесено на карту 130 количественных признаков девяти видов сельскохозяйственных культур.[5] Всего для определения QTL использовали 56 популяций DH.[2]

Бэккросс разведение

В обратное перекрестное преобразование, гены интрогрессированы от донора сорт или родственных видов в элитную линию реципиентов путем повторения обратное скрещивание. Проблема в этой процедуре заключается в том, чтобы идентифицировать линии, несущие интересующий признак в каждом поколении. Проблема особенно остро стоит, если интересующий признак рецессивен, поскольку 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 удвоенной гаплоидией он становится более эффективным. В конверсии обратного скрещивания с помощью маркера родитель-реципиент скрещивается с линией донора, а гибрид (F1) скрещивается с реципиентом. Полученное поколение (BC1) подвергается обратному скрещиванию, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены желаемые генотипы. Комбинация удвоенной гаплоидии и молекулярного маркера обеспечивает короткий путь. В самой генерации обратного скрещивания можно выбрать генотип с интересующим признаком и преобразовать его в гомозиготный генотип с двойным гаплоидом.[6] Чен и другие. (1994) использовали обратное скрещивание с помощью маркера с удвоенной гаплоидностью особей BC1 для выбора полосовых устойчивых к ржавчине линий ячменя.

Объемный сегрегантный анализ (BSA)

В объемный сегрегантный анализ, популяция проверяется на интересующий признак, и генотипы на двух крайних концах образуют две группы. Затем две массы проверяют на наличие или отсутствие молекулярных маркеров. Поскольку предполагается, что массивы контрастируют по аллелям, которые вносят положительный и отрицательный эффекты, любой маркерный полиморфизм между двумя группами указывает на связь между маркером и интересующим признаком. BSA зависит от точного фенотипирования, и популяция DH имеет особое преимущество в том, что они являются настоящими племенными и могут быть протестированы повторно. Популяции DH обычно используются в массовом сегрегантном анализе, который является популярным методом 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, на основе которых модели эволюции и синтенический отношения между видами могут быть выведены. Генетические карты также обеспечивают основу для картирования представляющих интерес генов и оценки величины их эффектов, а также помогают нам понять ассоциации генотип / фенотип. Популяции DH стали стандартными ресурсами в генетическом картировании видов, у которых легко доступны DH. Удвоенные гаплоидные популяции идеально подходят для генетического картирования. Возможно создание генетической карты в течение двух лет после первоначального скрещивания независимо от вида. Построение карты относительно легко, используя популяцию DH, полученную от гибрида двух гомозиготных родителей, поскольку ожидаемый коэффициент сегрегации прост, т.е. 1: 1. Популяции DH теперь используются для создания генетических карт ячменя, рапса, риса, пшеницы и перца. Популяции DH сыграли важную роль в создании карт молекулярных маркеров для восьми видов сельскохозяйственных культур.[2]

Генетические исследования

Генетические соотношения и частота мутаций могут быть прочитаны непосредственно из гаплоидных популяций. Небольшая популяция удвоенных гаплоидов (DH) была использована для демонстрации того, что ген карликовости ячменя расположен на хромосоме 5H.[8] В другом исследовании анализировали сегрегацию ряда маркеров в ячмене.[9]

Геномика

Хотя анализ QTL позволил получить огромное количество информации о расположении генов и величине воздействия на многие признаки, идентификация задействованных генов остается неуловимой. Это связано с плохим разрешением анализа QTL. Решением этой проблемы могло бы стать производство рекомбинантной линии замещения хромосом,[10] или ступенчато выровненные рекомбинантные инбредные линии.[11] Здесь обратное скрещивание осуществляется до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень рекомбинации, и генетические маркеры не будут использоваться для обнаружения желаемых линий рекомбинантных замен хромосом в целевой области, которые могут быть зафиксированы удвоенной гаплоидией.[12] Было обнаружено, что у риса молекулярные маркеры связаны с основными генами и QTL устойчивости к рисовому пестициду, бактериальному ожогу и бактериальный ожог на карте, составленной из населения ЦТ.[13]

Элитный переход

Традиционные методы селекции медленные и требуют 10–15 лет для развития сорта. Еще один недостаток - неэффективность отбора в ранних поколениях из-за гетерозиготность. Эти два недостатка могут быть преодолены с помощью DH, и большее количество элитных кроссов может быть оценено и отобрано за меньшее время.

Развитие сорта

Однородность - это общее требование к культивируемой линии у большинства видов, которое можно легко получить путем производства DH.[14] Существуют различные способы использования DH в производстве сортов. Сами линии DH могут выпускаться в качестве культурных сортов, они могут использоваться в качестве родительских при производстве гибридных сортов или, более косвенно, при создании линий селекционеров и при сохранении зародышевой плазмы. Ячмень насчитывает более 100 сортов прямого DH.[6] Согласно опубликованной информации, в настоящее время во всем мире насчитывается около 300 сортов, полученных из 12 видов DH.

Актуальность DH для селекции растений заметно возросла в последние годы благодаря разработке протоколов для 25 видов.[2] Удвоенная гаплоидия уже играет важную роль в производстве гибридных сортов овощей, и возможности для декоративного производства активно изучаются. DH также разрабатываются в лекарственных травах. Валериана лекарственная выбрать линии с высокой фармакологической активностью. Еще одна интересная разработка заключается в том, что фертильные гомозиготные линии DH могут быть получены у видов, которые имеют системы самонесовместимости.[15]

Преимущества ЦО

Возможность получения гомозиготных линий после однократной рекомбинации экономит много времени селекционерам растений. Исследования показывают, что случайные DH сопоставимы с выбранными линиями при родословном инбридинге.[16] К другим преимуществам относится создание большого количества гомозиготных линий, эффективный генетический анализ и разработка маркеров полезных признаков за гораздо меньшее время. Более конкретные преимущества включают возможность размножения семенами в качестве альтернативы вегетативному размножению в декоративных растениях, а у таких видов, как деревья, у которых длительный жизненный цикл и депрессия инбридинга препятствуют традиционным методам разведения, удвоенная гаплоидия предоставляет новые альтернативы.

Недостатки ЦО

Главный недостаток популяции DH заключается в том, что отбор нельзя навязывать населению. Но при обычном разведении селекцию можно проводить в течение нескольких поколений: таким образом желаемые признаки могут быть улучшены в популяции.

В гаплоидах, полученных из культуры пыльников, некоторые растения являются анеуплоидами, а некоторые - смешанными гаплоидно-диплоидными типами. Другой недостаток, связанный с двойной гаплоидией, - это стоимость, связанная с созданием тканевых культур и средств для выращивания. Чрезмерное использование удвоенной гаплоидии может уменьшить генетическую изменчивость селекционной гермоплазмы. Следовательно, необходимо принять во внимание несколько факторов, прежде чем использовать удвоенную гаплоидию в программах разведения.

Выводы

Технологический прогресс предоставил протоколы DH для большинства родов растений. Число видов, подверженных удвоению гаплоидии, достигло ошеломляющих 250 всего за несколько десятилетий. Эффективность реагирования также улучшилась за счет постепенного удаления видов из категории непокорных. Следовательно, это обеспечит большую эффективность селекции растений.

Учебники

Рекомендации

  1. ^ Джайн, С. Мохан, С. К. Сопори и Р. Э. Вейле. 1996 г. Производство гаплоидов in vitro у высших растений. Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. стр.317.
  2. ^ а б c d Малушинский и другие., 2003.
  3. ^ Б. Варнабас; Б. Оберт; Г. Ковач (1999). «Колхицин, эффективный агент удвоения генома для микроспор кукурузы (Zea mays L.), культивируемой в антеро». Отчеты о растительных клетках. 18 (10): 858–862. Дои:10.1007 / s002990050674.
  4. ^ Winzeler и другие., 1987.
  5. ^ Форстер и Томас, 2003 г.
  6. ^ а б Томас и другие., 2003.
  7. ^ Ардиэль и другие., 2002; Уильям и другие., 2002; Йи и другие., 1998.
  8. ^ Томас и другие., 1984.
  9. ^ Schon и другие., 1990.
  10. ^ RCSLs, Патерсон и другие., 1990.
  11. ^ ЛЕСТНИЦА, Кирси, 2002.
  12. ^ Томас и другие., 2000.
  13. ^ Ван и другие., 2001.
  14. ^ Международный симпозиум по генетическим манипуляциям с культурами. 1988. Генетические манипуляции в сельскохозяйственных культурах, материалы 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", v. 22. (Лондон: Опубликовано для Международного института исследований риса и Academia Sinica Касселом Тайкули), стр. 318.
  15. ^ Иммонен и Анттила, 1996.
  16. ^ Фридт и другие., 1986; Winzeler и другие., 1987.
  • Ардиэль, Г.С., Гревал, Т.С., Дебердт, П., Росснагель, Б.Г., и Скоулз, Г.Дж. 2002. Наследование устойчивости к покрытой головне у ячменя и развитие тесно связанного маркера SCAR. Теоретическая и прикладная генетика 104: 457-464.
  • Блакельзее А.Ф., Беллинг Дж., Фарнам М.Э. и Бергнер 1922 г. Гаплоидный мутант сорняков Джимсон, Datura stramonium. Наука 55: 646-647.
  • Бурк Л.Г., Герстель Д.У., Вернсман Э.А. 1979. Материнские гаплоиды Nicotiana tabacum L. из семян. Наука 206: 585.
  • Чен, F.Q., Д.Прен, П.М. Хейс, Д. Малруни, А. Кори и Х. Вивар. 1994. Картирование генов устойчивости к полосатой ржавчине ячменя (Puccinia striiformis f. Sp. Hordei). Теоретическая и прикладная генетика. 88: 215-219.
  • Фридт В., Бреун Дж., Цухнер С. и Форуги-Вер Б. 1986. Сравнительное значение андрогенетической линии удвоенного гаплоида и линии ярового ячменя, отобранной традиционным способом. Селекция растений 97: 56-63.
  • Гуха С. и Махесвари С. С. 1964. Получение эмбрионов in vitro из пыльников дурмана. Природа 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. Производство высокочастотных гаплоидов в ячмене (Hordeum vulgare L.). Природа 225: 874-876.
  • Кирси, М. Дж. 2002. Анализ QTL: проблемы и (возможные) решения. п. 45-58. В: M.S. Канг (ред.), Количественная генетика, геномика и селекция растений. CABI Publ., CAB International.
  • Малушинский, М., Каша К. Дж., Форстер, Б.П., Зарейко, И. 2003. Удвоение гаплоидов у сельскохозяйственных культур: Руководство. Kluwer Academic Publ., Дордрехт, Бостон, Лондон.
  • Патерсон А.Х., Деверна Дж. У., Ланин Б. и Танксли С. 1990. Точное картирование локусов количественных признаков с использованием выбранных перекрывающихся рекомбинантных хромосом в межвидовом скрещивании томатов. Генетика 124: 735-741.
  • Шон, К., М. Санчес, Т. Блейк и П. Хейс. 1990. Сегрегация менделевских маркеров в удвоенном гаплоиде и потомстве F2 кросса ячменя. Наследие 113: 69-72.
  • Thomas, W. T. B., B. Gertson, B.P. Форстер. 2003. Удвоенные гаплоиды в селекции с. 337-350. в: М. Малушинский, К.Дж. Каша, Б. Форстер и И. Зарейко (ред.). Удвоенная гаплоидная продукция у сельскохозяйственных культур: Руководство. Kluwer Academic Publ., Дордрехт, Бостон, Лондон.
  • Томас, В.Т.Б., Ньютон, А.С., Уилсон, А., Бут, А., Маколей, М., и Кейт, Р. 2000. Разработка рекомбинантных линий замены хромосом: ресурс ячменя. Годовой отчет SCRI 1999/2000, 99-100.
  • Томас В.Т.Б., Пауэлл В. и Вуд В. 1984. Хромосомное расположение гена карликовости, присутствующего в сорте ярового ячменя Golden Promise. Наследственность 53: 177-183.
  • Ван З., Тарамино Г., Ян Д., Лю Дж., С.В. Тинги, Г. Мяо и Г.Л.Ванг. 2001. EST риса с геном устойчивости к болезням или геноподобными последовательностями защитного ответа, картированными в области, содержащие основные гены устойчивости или QTL. Молекулярная генетика и геномика. 265: 303-310.
  • Уильям, К.Дж., Тейлор, С.П., Богацки, П., Паллотта, М., Бариана, Х.С. и Уоллворк, Х. 2002. Картирование гена устойчивости Rlnn 1 у пшеницы нематодой (Pratylenchus neglectus). Теоретическая и прикладная генетика 104: 874-879.
  • Winzeler, H., Schmid, J., and Fried, P.M. 1987. Полевые показатели андрогенетической линии яровой пшеницы с удвоенными гаплоидами в сравнении с линией, отобранной по племенной системе. Селекция растений 99: 41-48.
  • Йи, Х.Ю., Руфти, Р.С., Вернсман, Э.А., и Конклинг, М. 1998. Картирование гена устойчивости к корневым нематодам (Rk) табака с помощью маркеров RAPD. Болезнь растений 82: 1319-1322.