Сомаклональная изменчивость как альтернатива мутагенезу

Министерство  сельского хозяйства РФ

Новосибирский Государственный

Аграрный  Университет

Кафедра селекции и генетики  
 

Реферат

 по дисциплине «Биотехнология» 

Сомаклональная изменчивость как альтернатива мутагенезу 
 

Выполнила: студентка 

144 (1402) группы

 агротехнологического 

факультета

Налимова Дарья

Проверила: доцент

Кондратьева И. В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск 2010 г. 

    Содержание  

1. Введение………………………………………………………….3.

 

2. Генетические  основы применения культуры клеток растений в селекционных целях. Сомаклональная изменчивость (вариабельность)…………………………………………………..4.
3. Клеточная селекция……………………………………………….9.
4. Мутагенез и клеточная селекция………………………….…..….10.
5. Заключение…………………………………………………….…15.
6. Список использованной литературы…………………………...16.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение  

    С дальнейшим ростом численности человечества возросла и потребность во многих особенно ценных на данном периоде  развития видов и сортов растений. Природа не успевала восполнять их ресурсы, что побудило человека к необходимости выведения новых более продуктивных сортов, тем самым подняв его на новую ступень развития. Другие растения не так часто требовались человеку или были представлены в природе в изобилии, и поэтому он предпочитал использовать их в естественном дикорастущем виде.

      В настоящее время селекция новых сортов достигла новой ступени развития. Это получение растений-регенерантов из каллусных тканей на питательных средах, генная инженерия, различные методики клеточной селекции. Например, значительный интерес представляет вопрос об использовании сомаклонов.

    Сомаклональные  варианты имеют практическое применение в сельскохозяйственной практике в  силу появления форм, отличающихся от родительских по различным биохимическим, качественным и количественным признакам, а также цитогенетическим характеристикам.

    Например, получены сомаклоны картофеля сорта  Зарево, отличающиеся высокой урожайностью, повышенной устойчивостью к заболеваниям, более высоким содержанием в клубнях белка и крахмала.

    В настоящее время метод культуры тканей начал широко использоваться в селекции  не только кормовых и  технических культур, но и декоративных и лекарственных растений. Примером тому может служить новый сорт пеларгонии Velvet Rose, полученный через каллусную культуру.

    Таким образом, полученные положительные  результаты свидетельствуют о необходимости  более эффективного внедрения различных  приемов получения сомаклональных вариантов в практику селекционной работы, и наиболее реальным является применение сомаклональной изменчивости для улучшения или «доработки» уже существующих сортов или линий по отдельным недостающим признакам.

1. Генетические основы применения культуры клеток растений в селекционных целях

    1.1 Сомаклональная изменчивость (вариабельность)  

    Сомаклональная изменчивость  - размах колебаний в различии признаков у растений, регенерированных из культивируемых  соматических клеток [4].

Рисунок 1. Лаборатория с растениями - регенератами

     С разработкой техники получения  растений-регенерантов из каллусной ткани появилась возможность получать новые формы растений, отличающиеся как по фенотипическим, так и по генетическим признакам от исходных растений. Такое разнообразие среди клеточных линий и растений-регенерантов получило название «сомаклоны», хотя еще в 70—80-е годы нашего столетия было принято называть растения, регенерировавшие из каллусной ткани, «калликлонами», а из протопластов — «протоклонами» [4].

       Клетки в культуре in vitro отличаются по морфологии, по биохимическим свойствам, по физиологическому состоянию и генетически. Разнообразие (вариабельность) среди клеточных линий или растений-регенерантов называют сомаклональной вариабельностью. Генетическая природа и механизм возникновения сомаклональной изменчивости пока мало изучены. Однако четко можно выделить зависимость возникновения сомаклональных вариантов, прежде всего, от генетической гетерогенности соматических клеток исходного экспланта, генетической и эпигенетической изменчивости, индуцируемой условиями культивирования in vitro , а также от генотипа и исходного экспланта [4,5].

    Полиморфизм культивируемых клеток можно объяснить  видовыми и возрастными особенностями, уровнем плоидности, влиянием состава  питательной среды и условий  культивирования, отсутствием коррелятивных  связей. Последний фактор, ведущий к нарушению жесткой регуляции, существовавшей в целом растении, видимо, является основной причиной спонтанной изменчивости клеток in vitro .

Рисунок 2. Изменение формы листьев у сомаклональных вариантов картофеля сорта Смена

Любой фрагмент растения представляет собой мозаику  различных тканей, и в зависимости  от того, какая ткань  даст начало каллусу, возникшие даже из одинаковых эксплантов каллусы будут гетерогенными и отличающимися друг от друга. Одинаковых, в полном смысле, эксплантов в природе быть не может, следовательно, неоднородность исходного материала (видовая, возрастная, физиологическая) предопределяет разнокачественность клеток в культуре [4,5,7].

    Физиологическая гетерогенность состоит в том, что клетки в популяции находятся в разном физиологическом состоянии, т. е. делятся, растут, стареют, погибают. Такая культура называется асинхронной.

    Заставить популяцию клеток высших растений проходить  фазы клеточного цикла одновременно, т. е. синхронизировать их почти невозможно. Потому что та часть клеток, которая способна в данный момент к делению, составляет 2—4%. Неблагоприятные условия (низкая температура, исключение важных компонентов питания), задерживающие деление, в какой-то степени способствуют накоплению числа клеток, готовых к делению. Более эффективны некоторые химические вещества, блокирующие определенные стадии подготовки к делению. В лучших случаях синхронизация может быть достигнута у 10—30% клеток, но при последующих делениях популяция опять быстро утрачивает синхронность.

Следует подчеркнуть, что физиологическая  вариабельность клеток в суспензионной  культуре меньше по сравнению с культурой  каллусной ткани на агаре, что связано с более однородными условиями питания, аэрации и удаления токсических метаболитов из клеточного окружения в жидкой перемешиваемой среде [4,7].

Рисунок 3. Гаплопаппус.

То, что условия выращивания  играют важную роль в формировании цитогенетической гетерогенности, хорошо видно из опытов с  тканью гаплопаппуса. В лаборатории Р.Г. Бутенко в течение двух лет культивировались меристематические клетки этого растения, пассажи проводились раз в месяц. В итоге исходные диплоидные клетки на 95% приобрели другие уровни плоидности. Шведский исследователь Т. Эриксон, работая с этой же тканью, пересаживал ее на свежую питательную среду через каждые 2 дня. При этом штамм сохранил стабильную диплоидную характеристику. Однако способ выращивания не может полностью гарантировать генетическую стабильность в популяции клеток, так как генетической гетерогенностью может обладать сам исходный материал. У многих растений дифференцированные ткани имеют клетки разной плоидности. Специализированные клетки, например клетки зеленой ассимилирующей паренхимы листа, запасающих тканей мясистых корней, клубней, зачастую являются полиплоидными [4,6].

     Как было отмечено, клетки in vitro становятся разнокачественными также благодаря эпигенетическим изменениям, т е. изменениям в программе считки генов или потенции к их активации. Эти изменения генной активности являются наследуемыми.

     К ненаследуемым изменениям у клеток в культуре относятся модификационные изменения, которые в большинстве носят адаптивный, приспособительный характер. Эти изменения не затрагивают генетических структур клетки, они соответствуют физиологической адаптации, при которой границы изменений не превышают норму реакции, обусловленной генотипом.

     Гетерогенность  клеток in vitro возрастает с увеличением продолжительности их культивирования. Различные типы морфогенеза — соматический эмбриогенез или органогенез - также могут по-разному сказываться на генетических изменениях и, соответственно, на фенотипе растений. Экспериментально установлено, что при соматическом эмбриогенезе время прохождения цикла клетка — растение значительно короче, чем при органогенезе, поэтому степень сходства получаемого материала и исходного родительского генотипа может быть значительно выше.

Наиболее  подробно исследована хромосомная  изменчивость клеток in vitro. Даже клетки одной и той же ткани, выращиваемые в одном сосуде, могут значительно различаться между собой по хромосомным наборам (диплоидные, полиплоидные, анеуплоидные). Причины генетической изменчивости многообразны: 1) нарушение коррелятивных связей при выделении первичного экспланта из растения, т. е. отсутствие организменного контроля; 2) действие компонентов среды; 3) влияние продуктов метаболизма, накапливающихся в среде; 4) гетерогенность исходного материала и селекция клеток определенного типа. 

    Хромосомная изменчивость является результатом  нарушений митоза, называемых эндомитозом  и эндоредупликацией [4,5]. При эндомитозе происходит спирализация хромосом и начинается митоз, но нарушается веретено деления, сохраняется оболочка ядра, хромосомы не расходятся и деспирализуются внутри ядерной оболочки. Это приводит к возрастанию числа хромосом, увеличению размеров ядра и клеток. Эндоредупликация не сопровождается образованием хромосом и делением ядра, хотя содержание ДНК в ядре тоже увеличивается. К образованию полиплоидных и анеуплоидных клеток также приводят нарушения в митозе, связанные с неправильным распределением хромосом. 

    Дифференцированные  клетки в нормальном растении могут  иметь разную степень плоидности, но для отдельных видов характерно наличие только диплоидных клеток [4]. Однако в процессе онтогенеза могут возникать клетки с разной плоидностью. Например, экспериментально доказано, что в меристемных тканях, наряду с фактором видового постоянства числа хромосом, почти у 80% покрытосеменных растений в процессе дифференцировки в соматических клетках может происходить эндоредупликация хромосом и формирование тканей различного уровня плоидности. Для вегетативно размножаемых и апомиктичных растений характерно образование с высокой частотой анеуплоидных клеток. Усиление хромосомных перестроек, приводящих к появлению химерности и миксоплоидии у растений, наблюдается при изменении условий произрастания, особенно при их резком ухудшении: засоление почв, повышенные или пониженные температуры, применение гербицидов или пестицидов, минеральных удобрений в повышенных дозах и др. Эти и другие часто встречающиеся в практике факторы могут приводить к физиологическим нарушениям, связанным, в первую очередь, с появлением аномальных митозов и формированием клеток с числом хромосом, отличающимся от такового в материнской ткани.

    Высокая степень разнообразия сомаклонов зависит  от исходного генотипа, природы и  стадии развития экспланта. Например, у различных злаков степень изменчивости среди сомаклонов может значительно различаться: у пшеницы (2n=6х=42) из 192 исследованных растений-регенерантов 29% были анеуплоидами, у гексаплоидного овса (2n=6х=42) выявлены цитогенетические изменения с такой же частотой, а для кукурузы частота возникновения анеуплоидных растений не превышала 2—3%. Образование полиплоидных и анеуплоидных растений может наблюдаться и у других видов, например, на картофеле. Причем частота появления новых вариантов у диких видов значительно ниже, чем у дигаплоидных линий культивируемого картофеля [4].

     Тип исходного экспланта также влияет на появление сомаклональных вариантов, отличающихся количественными и качественными признаками. Для картофеля, например, аномальные растения получены в 12% случаев при использовании в качестве первичного экспланта мезофильных тканей листа, а в случае использования лепестков или оси соцветий частота формирования растений с фенотипическими отклонениями от нормы составила 50%. 

    Клеточная селекция 

    Клетки  различного уровня плоидности различаются  по скорости деления и роста, по устойчивости к неблагоприятным воздействиям, начинают конкурировать, и одни из них  начинают преобладать. Такой процесс  возрастающего доминирования в  популяции клеток определенного  типа называется клеточной селекцией. Доминирование может быть вызвано  преимущественной пролиферацией одних  клеток или успешной элиминацией (удалением) других. Такую селекцию правильнее называть автоселекцией, потому что она протекает спонтанно, без специального воздействия какими-либо стрессовыми факторами. В процессе автоселекции формируется наиболее приспособленный к данным условиям кариотип. Вероятно, клетки приспосабливаются к новым условиям существования путем отбора более жизнеспособных полиплоидных клеток. Интересно, что изменение условий выращивания меняет направление отбора. Показано, например, что высокие концентрации 2,4-Д и кинетина увеличивают возможность полиплоидизации. 

Мутагенез и клеточная селекция 

     Мутации могут быть полезными, вредными и  нейтральными для организма. Большинство  из них — вредные, даже летальные, например многие хлорофильные мутации.

     Мутационная изменчивость — это процесс, закономерно  протекающий в природе. Отдельные  естественные мутации сыграли выдающуюся роль в создании ценных современных  сортов и гибридов растений. Так, возникшие  в результате естественного мутагенеза гены карликовости японского сорта  озимой пшеницы норин-10 переданы сотням короткостебельных сортов интенсивного типа, которые занимают в мире огромные площади [6].