Элиминация хромосом как механизм возникновения диплоидных растений в диплоидно-тетраплоидных скрещиваниях у кукурузы (Zea mays L.)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одним из основных компонентов апомиктичного размножения растений является формирование нередуцированных зародышевых мешков (ЗМ). Эффективным инструментом для выявления способности к формированию таких ЗМ могут служить гетероплоидные скрещивания, в которых материнские диплоидные растения опыляют пыльцой тетраплоидов. У кукурузы в скрещиваниях 2n(♀) × × 4n(♂) формируются как правило щуплые зерновки с триплоидным зародышем, у которых развитие эндосперма нарушено ввиду отклонения баланса материнского (м) и отцовского (о) геномов от соотношения 2м : 1о. В наших экспериментах у нескольких диплоидных линий кукурузы при опылении их пыльцой тетраплоидов наблюдалось формирование крупных выполненных зерновок, из которых развивались диплоидные растения матроклинного типа, причем материнский фенотип растений, а также гибридный фенотип эндосперма были подтверждены экспрессией генетических маркеров. Было высказано предположение, что выполненные зерновки в 2n × 4n скрещиваниях возникают на основе нередуцированных ЗМ и псевдогамного апомиксиса, поскольку слияние двух диплоидных полярных ядер с диплоидным спермием обеспечивает соотношение материнского и отцовского геномов в эндосперме 2м : 1о. С целью уточнения генетической природы диплоидных растений, фенотипически сходных с материнскими линиями, которые развивались из выполненных зерновок в скрещиваниях 2n × 4n, нами было проведено их генотипирование по всем десяти хромосомам генома кукурузы с помощью полиморфных кодоминантных SSR- и Indel-маркеров, дифференцирующих отцовскую линию-опылитель от материнских линий. В качестве материнских форм использовали линию ГПЛ АТ, обладающую способностью к гаплоидному партеногенезу, растения из поколения F2 гибрида между линией В47, способной к формированию нередуцированных ЗМ, и линией ГПЛ АТ. Кроме того, в скрещивания была включена линия Коричневый Маркер (КМ), несущая маркерный ген B коричневой окраски стебля, а также линия ЮВ11. В качестве отцовской формы использовали тетраплоидную кукурузу Черная Тетра (ЧТ), несущую маркерный ген A1 черной окраски зерновок. Установлено, что у всех исследованных растений при использовании маркеров пяти хромосом – 1-й (iDp525), 2-й (iDP4004), 3-й (JY_3:457), 4-й (UflDP4_31.55), 9-й (INDEL_139329242) – наблюдалась амплификация только материнских аллелей. Однако у каждого из изученных растений при использовании маркеров других хромосом были отмечены случаи амплификации аллелей, свойственных отцовской линии. Высказывается гипотеза о формировании диплоидных растений в 2n × 4n скрещиваниях у кукурузы на основе оплодотворения нередуцированных ЗМ и последующей элиминации хромосом преимущественно отцовской линии.

Об авторах

Л. А. Эльконин

Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока

Автор, ответственный за переписку.
Email: lelkonin@gmail.com
Россия, 410010, Саратов

Л. И. Мавлютова

Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока

Email: lelkonin@gmail.com
Россия, 410010, Саратов

А. Ю. Колесова

Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока

Email: lelkonin@gmail.com
Россия, 410010, Саратов

В. М. Панин

Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока

Email: lelkonin@gmail.com
Россия, 410010, Саратов

М. И. Цветова

Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока

Email: lelkonin@gmail.com
Россия, 410010, Саратов

Список литературы

  1. Barcaccia G., Albertini E. Apomixis in plant reproduction: A novel perspective on an old dilemma // Plant Reprod. 2013. V. 26(3). P. 159–179. https://doi.org/10.1007/s00497-013-0222-y
  2. Tavva S.S., Mohan D., Venkateswara R.Y. et al. Apomixis in crop improvement // Plant Biology and Biotechnology. V. I. Plant diversity, organization, function and improvement / Eds Bahadur B., Rajam M.V., Sahijram L., Krishnamurthy K.V. Springer, 2015. P. 656−669. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2286-6
  3. Fiaz S., Wang X., Younas A. et al. Apomixis and strategies to induce apomixis to preserve hybrid vigor for multiple generations // GM Crops Food. 2020. V. 12(1). P. 57–70. https://doi.org/10.1080/21645698.2020.1808423
  4. Hand M.L., Koltunow A.M.G. The genetic control of apomixis: asexual seed formation // Genetics. 2014. V. 197(2). P. 441–450. https://doi.org/10.1534/genetics.114.163105
  5. Брюхин В.Б. Молекулярно-генетическая регуляция апомиксиса // Генетика. 2017. Т. 53. № 9. С. 1001–1024.
  6. Vijverberg K., Ozias-Akins P., Schranz M.E. Identifying and engineering genes for parthenogenesis in plants // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00128
  7. Worthington M., Ebina M., Yamanaka N. et al. Translocation of a parthenogenesis gene candidate to an alternate carrier chromosome in apomictic Brachiaria humidicola // Genomics. 2019. V. 20(1). P. 41–58. https://doi.org/10.1186/s12864-018-5392-4
  8. Xie E., Li Y., Tang D. et al. A strategy for generating rice apomixis by gene editing // J. Integr. Plant Biol. 2019. V. 61(8). P. 911–916. https://doi.org/10.1111/jipb.12785
  9. Xiong J., Hu F., Ren J. Synthetic apomixis: The beginning of a new era // Curr. Opinion in Biotechnol. 2023. V. 79. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2022.102877
  10. Vernet A., Meynard D., Lian Q. et al. High-frequency synthetic apomixis in hybrid rice // Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 7963. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35679-3
  11. Sokolov V.A., Kravtchenko A.Yu., Nakagawa H., Knatypova I.Y. Apomictic maize-Tripsacum hybrids: genetics and breeding perspectives // Grassland Sci. 2002. V. 48. P. 342–343.
  12. Белова И.В., Тараканова Т.К., Абдырахманова Э.А. и др. Хромосомный контроль апомиксиса у гибридов кукурузы с гамаграссом // Генетика. 2010. Т. 46. № 9. С. 1188–1191.
  13. Sarkar K.R., Coe E.H., Jr. Origin of parthenogenetic diploids in maize and its implications for the production of homozygous lines // Crop Sci. 1971. V. 11. P. 543–544.
  14. Petrov D.F., Belousova N.I., Fokina E.S. et al. Transfer of some elements of apomixis from Tripsacum to maize // Apomixis and Its Role in Evolution and Breeding / Ed Petrov D.F. New Delhi: Oxonian Press Ltd., 1984. P. 9–73.
  15. Lamote V., Baert J., Roldán-Ruiz I. et al. Tracing of 2n EGG occurrence in perennial ryegrass (Lolium perenne L.). using interploidy crosses // Euphytica. 2002. V. 123. P. 159–164. https://doi.org/10.1023/A:1014980123519
  16. Garcia-Aguilar M., Michaud C., Leblanc O., Grimanelli D. Inactivation of a DNA methylation pathway in maize reproductive organs results in apomixis-like phenotypes // Plant Cell. 2010. V. 22. P. 3249–3267. https://doi.org/10.1105/tpc.109.072181
  17. Kovalsky I.E., Neffa V.G.S. Evidence of the production of 2n eggs in diploid plants of the autopolyploid complex Turnerasidoides L. (Passifloraceae) // Plant Syste. Evol. 2016. V. 302. P. 357–366. https://doi.org/10.1007/s00606-015-1268-0
  18. Lin B.-Y. Ploidy barrier to endosperm development in maize // Genetics. 1984. V. 107. P. 103–115. https://doi.org/10.1093/genetics/107.1.103
  19. Pennington P.D., Costa L.M., Gutierrez-Marcos J.F. et al. When genomes collide: Aberrant seed development following maize interploidy crosses // Ann. Bot. 2008. V. 101. P. 833–843. https://doi.org/10.1093/aob/mcn017
  20. Birchler J.A. Interploidy hybridization barrier of endosperm as a dosage interaction // Front. Plant Sci. 2014. V. 5. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00281
  21. Хатефов Э.Б., Грушин А.А., Бойко В.Н. Цитогенетические факторы снижения фертильности пыльцы и початка при засорении посевов тетраплоидной кукурузы триплоидными зерновками (Zea mays L.) // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2022. Т. 183. № 1. С. 135–146.
  22. Тырнов B.C., Еналеева Н.Х. Автономное развитие зародыша и эндосперма у кукурузы // Докл. АН СССР. 1983. № 3. С. 722–725.
  23. Tsvetova M.I., Elkonin L.A., Italianskaya Yu.V. Diploid–tetraploid crosses as the instrument for obtaining apomictic maize plants // Russ. Agric. Sci. 2016. V. 2. № 3–4. P. 201–204. https://doi.org/10.3103/S106836741603023X
  24. Tsvetova M., Elkonin L., Italianskaya Y. Pseudogamous apomixis in maize and sorghum in diploid–tetraploid crosses // Phyton. 2019. V. 88. № 4. P. 389–401.https://doi.org/10.32604/phyton.2019.07485
  25. Мавлютова Л.И., Эльконин Л.А., Колесова А.Ю. Генотипирование диплоидных растений, полученных в результате диплоидно-тетраплоидных скрещиваний у линий и гибридов кукурузы, с генетически детерминированной способностью к партеногенезу // Вавиловские чтения – 2022. Межд. науч.-практ. конф. Саратов: Амирит, 2022. С. 137–142.
  26. Шилов И.А., Колобова О.С., Анискина Ю.В. и др. Усовершенствование метода идентификации генов устойчивости к пирикуляриозу риса PI-TA, PI-B // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 8. С. 45–48.
  27. Settles A.M., Bagadion A.M., Bai F. et al. Efficient molecular marker design using the maize GDB Mo17 SNPs and indels track // G3 (Bethesda). 2014. V. 4. P. 1143–1145. https://doi.org/10.1534/g3.114.010454
  28. Martin F., Dailey S., Settles A.M. Distributed simple sequence repeat markers for efficient mapping from maize public mutagenesis populations // Theor. Appl. Genet. 2010. V. 121. P. 697–704. https://doi.org/10.1007/s00122-010-1341-6
  29. Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1990. 424 с.
  30. Сахаров В.В. Соматическая редукция как причина своеобразной мозаичности у тетраплоидной гречихи // Докл. АН СССР. 1946. Т. 52. № 4. С. 349–352.
  31. Raman V.S., Krishnaswami N. A chromosomal chimera in S. halepense (Linn.) // Indian J. Agric. Sci. 1955. V. 25. P. 45–50.
  32. Rao P.N., Nirmala A. Chromosome numerical mosaicism in pearl millet (Pennisetum americanum (L.) Leeke) // Genome. 2011. V. 28. № 2. P. 203–206. https://doi.org/10.1139/g86-028
  33. Цветова М.И., Эльконин Л.А. Нестабильность уровня плоидности у аутотетраплоидов линии сорго с вариабельной мужской стерильностью // Генетика. 2002. Т. 38. № 5. С. 641–646.
  34. Kasha K.J., Kao K.N. High frequency haploid production in barley (Hordeum vulgare L.) // Nature. 1970. V. 225. P. 874–876. https://doi.org/10.1038/225874a0
  35. Zhang Z., Qiu F., Liu Y. et al. Chromosome elimination and in vivo haploid production induced by Stock 6-derived inducer line in maize (Zea mays L.) // Plant Cell Rep. 2008. V. 27 (12). P. 1851–1860. https://doi.org/10.1007/s00299-008-0601-2
  36. Li L., Xu X., Jin W., Chen S. Morphological and molecular evidences for DNA introgression in haploid induction via a high oil inducer CAUHOI in maize // Planta. 2009. V. 230. P. 367–376. https://doi.org/10.1007/s00425-009-0943-1
  37. Zhao X., Xu X., Xie H. et al. Fertilization and uniparental chromosome elimination during crosses with maize haploid inducers // Plant Physiol. 2013. V. 163. № 2. P. 721–731. https://doi.org/10.1104/pp.113.223982
  38. Qiu F., Liang Y., Li Y. et al. Morphological, cellular and molecular evidences of chromosome random elimination in vivo upon haploid induction in maize // Curr. Plant Biol. 2014. V. 1. P. 83–90. https://doi.org/10.5061/dryad.bt963
  39. Chenxu L., Xiang L., Dexuan M. et al. A 4-bp insertion at ZmPLA1 encoding a putative phospholipase a generates haploid induction in maize // Mol. Plant. 2017. V. 10. № 3. P. 520–522. https://doi.org/10.1016/j.molp.2017.01.011
  40. Kelliher T., Starr D., Richbourg L. et al. MATRILINEAL, a sperm-specifc phospholipase, triggers maize haploid induction // Nature. 2017. V. 542. P. 105. https://doi.org/10.1038/nature20827
  41. Fu S., Yin L., Xu M. et al. Maternal doubled haploid production in interploidy hybridization between Brassica napus and Brassica allooctaploids // Planta. 2018. V. 247. P. 113–125. https://doi.org/10.1007/s00425-017-2772-y
  42. Laurie D.A., Bennett M.D. The timing of chromosome elimination in hexaploid wheat × maize crosses // Genome. 2011. V. 32(6). P. 953–961. https://doi.org/10.1139/g89-537
  43. Riera-Lizarazu O., Rines H.W., Phillips R.L. Cytological and molecular characterization of oat × maize partial hybrids // Theor. Appl. Genet. 1996. V. 93. P. 123–135. https://doi.org/10.1007/BF00225737
  44. Gernand D., Rutten T., Varshney A. et al. Uniparental chromosome elimination at mitosis and interphase in wheat and pearl millet crosses involves micronucleus formation, progressive heterochromatinization, and DNA fragmentation // Plant Cell. 2005. V. 17. P. 2431–2438. https://doi.org/10.1105/tpc.105.034249
  45. Kelliher T., Starr D., Wang W. et al. Maternal haploids are preferentially induced by CENH3-tailswap transgenic complementation in maize // Front. Plant Sci. 2016. V. 7. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00414
  46. Wang N., Gent J., Dawe R. Haploid induction by a maize cenh3 null mutant // Sci. Adv. 2021. V. 7. № 4. https://doi.org/10.1126/sciadv.abe2299
  47. Meng D., Luo H., Dong Z. et al. Over-expression of modified CENH3 in maize Stock6-Derived inducer lines can effectively improve maternal haploid induction rates // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.892055

Дополнительные файлы


© Л.А. Эльконин, Л.И. Мавлютова, А.Ю. Колесова, В.М. Панин, М.И. Цветова, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах