Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы
По результатам молекулярно-генетического анализа каллюсных тканей инбредных линий кукурузы Black Mexican Sweet Corn С456, ВИР-27, ЧК-218, P346, а также сомаклональных линий, созданных на основе линии P346, оценены генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы. Установлено, что уже на...
Saved in:
| Published in: | Физиология и биохимия культурных растений |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30307 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы / И.О. Андреев, Е.В. Спиридонова, Д.Н. Майданюк, В.А. Кунах // Физиология и биохимия культурных растений. — 2009. — Т. 41, № 6. — С. 487-495. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860139759427387392 |
|---|---|
| author | Андреев, И.О. Спиридонова, Е.В. Майданюк, Д.Н. Кунах, В.А. |
| author_facet | Андреев, И.О. Спиридонова, Е.В. Майданюк, Д.Н. Кунах, В.А. |
| citation_txt | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы / И.О. Андреев, Е.В. Спиридонова, Д.Н. Майданюк, В.А. Кунах // Физиология и биохимия культурных растений. — 2009. — Т. 41, № 6. — С. 487-495. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физиология и биохимия культурных растений |
| description | По результатам молекулярно-генетического анализа каллюсных тканей инбредных линий кукурузы Black Mexican Sweet Corn С456, ВИР-27, ЧК-218, P346, а также сомаклональных линий, созданных на основе линии P346, оценены генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы. Установлено, что уже на ранних этапах культивирования происходят перестройки генома, проявляющиеся в полиморфизме продуктов RAPD-ПЦР. При этом часть обнаруженных изменений имела обратимый характер, что позволяет предполагать их взаимосвязь с процессами дедифференцировки клеток при индукции каллюсообразования. Культивирование in vitro может вызывать дестабилизацию генома, отдаленные последствия которой проявляются в повышенной генетической изменчивости потомства растений-регенерантов. В целом исследованные линии кукурузы характеризовались низким уровнем изменчивости в культуре тканей независимо от типа эксплантата.
За результатами молекулярно-генетичного аналізу калюсних тканин інбредних ліній кукурудзи Black Mexіcan Sweet Corn С456, ВIР-27, ЧК-218, P346, а також сомаклональних ліній, створених на основі лінії P346, оцінено генетичні ефекти культивування іn vіtro тканин кукурудзи. Встановлено, що вже на ранніх етапах культивування відбуваються перебудови геному, що виявляється у поліморфізмі продуктів RAPD-ПЛР. При цьому частина виявлених змін мала оборотний характер, що дає підставу припускати їх взаємозв’язок із процесами дедиференціювання клітин при індукції калюсоутворення. Культивування іn vіtro може спричинювати дестабілізацію геному, віддалені наслідки якої виявляються в підвищеній генетичній мінливості потомства рослин-регенерантів. Загалом досліджені лінії кукурудзи характеризувалися низьким рівнем мінливості в культурі тканин незалежно від типу експлантата.
Genetic effects of tissue culture on maize were evaluated based on the results of molecular-genetic analysis of callus tissues of the Zea mays inbred lines Black Mexican Sweet Corn C456, VIR-27, ChK-218 and P346, as well as somaclonal lines developed on the basis of P346. There was found that genome rearrangements occurred as early as after two months in culture in vitro, as is evidenced by appearance of RAPD-spectra polymorphism. At same time, reversibility of some genome rearrangements implies their association with dedifferentiation processes to be occurred in the course of callus induction. Tissue culture may induce genome instability, which long-lasting consequences may result in enhanced genetic variability of plant regenerants progeny. Thus, the lines under study show a low level of variability in tissue culture regardless of explant types.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:48:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 575.22:633.15+581.143.6
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ IN VITRO
ТКАНЕЙ КУКУРУЗЫ
И.О. АНДРЕЕВ1, Е.В. СПИРИДОНОВА1, Д.Н. МАЙДАНЮК1,2, В.А. КУНАХ1
1Институт молекулярной биологии и генетики Национальной академии наук Украины
03680 Киев, ул. Академика Заболотного, 150
e-mail: i.o.andreev@imbg.org.ua
2Луганский национальный аграрный университет
91008 Луганск
По результатам молекулярно-генетического анализа каллюсных тканей инбред-
ных линий кукурузы Black Mexican Sweet Corn С456, ВИР-27, ЧК-218, P346, а
также сомаклональных линий, созданных на основе линии P346, оценены гене-
тические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы. Установлено, что
уже на ранних этапах культивирования происходят перестройки генома, прояв-
ляющиеся в полиморфизме продуктов RAPD-ПЦР. При этом часть обнаруженных
изменений имела обратимый характер, что позволяет предполагать их взаимосвязь
с процессами дедифференцировки клеток при индукции каллюсообразования.
Культивирование in vitro может вызывать дестабилизацию генома, отдаленные
последствия которой проявляются в повышенной генетической изменчивости
потомства растений-регенерантов. В целом исследованные линии кукурузы ха-
рактеризовались низким уровнем изменчивости в культуре тканей независимо от
типа эксплантата.
Ключевые слова: Zea mays L., сомаклональная изменчивость, культура тканей,
растения-регенеранты.
Кукуруза наряду с рисом и пшеницей является одной из наиболее важ-
ных зерновых культур, используемых как для производства продуктов
питания, так и в качестве источника кормов для животноводства. В ми-
ровом земледелии она занимает первое место по площади посевов и вто-
рое (после пшеницы) — по валовому сбору зерна. Прогнозируется, что
к 2020 г. мировые потребности в кукурузе вырастут на 50 % — до более
800 млн т в год и превысят потребление риса и пшеницы [19].
В Украине кукуруза является ценной продовольственной культурой.
На протяжении многих лет для ее улучшения применяют традиционные
методы селекции. Основными целями селекции в настоящее время яв-
ляются повышение урожайности кукурузы и ее устойчивости к болезням
и вредителям, приспособление растений к специфическим почвенно-
климатическим условиям, разработка более эффективных методов се-
лекции.
Поскольку эффективность селекции в значительной степени опре-
деляется размахом генетического разнообразия исходной выборки сор-
тотипов растений, программы, направленные на получение высокоуро-
жайных сортов с заданными характеристиками, требовали поиска и
внедрения новых подходов, обеспечивающих увеличение генетической
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ КУЛЬТ. РАСТЕНИЙ. 2009. Т. 41. № 6
487
© И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ, 2009
гетерогенности селекционного материала. Одним из таких подходов стало
применение метода культуры клеток, тканей и органов растений, кото-
рый послужил основой для ряда биотехнологических разработок, в част-
ности, генетического улучшения растений путем получения сомакло-
нальных вариантов с новыми ценными качествами, биотрансформации,
получения новых сортов с использованием созданных in vitro гаплоидов,
удвоенных гаплоидов и др. [14, 18].
Культивирование в условиях in vitro представляет собой достаточно
сильное стрессовое воздействие, следствием которого может быть гене-
тическая изменчивость, получившая название сомаклональной [17].
Изучение этого явления, с одной стороны, помимо собственно теорети-
ческого представляет также и практический интерес в связи с возмож-
ностью использования в селекционной практике, с другой — когда ос-
новной целью является микроклональное размножение или получение
генетически трансформированных растений, оно очевидно нежелатель-
но и должно быть сведено к минимуму. В любом случае при использо-
вании культуры тканей важно представлять себе частоту сомаклональной
изменчивости, а также факторы, которые могут на нее влиять.
В данной работе мы обобщили результаты собственных исследова-
ний, проведенных с использованием нескольких инбредных линий ку-
курузы с целью оценки уровня сомаклональной изменчивости в культу-
ре тканей кукурузы, а также возможных долговременных генетических
эффектов культивирования в условиях in vitro.
Сомаклональная изменчивость в культуре тканей. В качестве источни-
ка эксплантатов для получения каллюсных культур, способных к регене-
рации, могут быть использованы различные меристематические ткани
растения, однако считается, что наибольшей регенерационной способ-
ностью обладают каллюсы, происходящие из незрелых зародышей [10].
Нами проведен молекулярно-генетический анализ каллюсных культур
кукурузы линии Black Mexican Sweet Corn С456 (в дальнейшем — С456),
полученных из незрелых зародышей. Введение в культуру, методики вы-
деления ДНК и RAPD-анализа подробно описаны в [1]. Изучением кал-
люсных культур возрастом 2, 3, 9 и 15 мес установлено, что основная
масса изменений наблюдается уже после 2 мес культивирования. Гене-
тические дистанции по Неи между двухмесячным каллюсом и исходным
растением, рассчитанные с использованием программы POPGENE 1.32,
для линии С456 составили 0,0079. При дальнейшем выращивании in vitro
наблюдали постепенное увеличение генетических дистанций культиви-
руемых тканей от растения-донора эксплантатов, которые после 15 мес
составили 0,0118.
Оценка уровня сомаклональной изменчивости каллюсных культур,
полученных из незрелых зародышей, не дает возможности провести ге-
нетический анализ тканей эксплантата и предполагает использование в
качестве контроля растений той же линии. В связи с этим возникает
необходимость дополнительного молекулярно-генетического анализа
внутрилинейной гетерогенности. Мы проанализировали 10 случайно
отобранных растений линии С456. Полиморфизм RAPD-спектров под-
твердил наличие внутрилинейной гетерогенности. Вместе с тем вариа-
бельность по полиморфным в культуре ампликонам не выявлена, во-
прос о реальном уровне изменчивости в культуре тканей кукурузы
линии С456 остался открытым.
488
И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
Чтобы исключить возможный вклад внутрилинейной гетерогеннос-
ти, были исследованы каллюсные ткани, полученные от индивидуаль-
ных растений инбредных линий кукурузы С456, Pioneer 346 (P346),
ВИР-27 и ЧК-218 [3—5]. В качестве эксплантатов для получения таких
культур использовали 1—2-суточные проростки, полученные проращи-
ванием семян in vitro на питательной среде Мурасиге и Скуга с половин-
ным содержанием солей. Оставшуюся часть проростка доращивали в те-
чение 14 сут и выделяли из нее ДНК, которую использовали в качестве
контроля. Это позволило оценить изменения, индуцированные культи-
вированием in vitro, путем непосредственного сравнения ДНК каллюс-
ной культуры и растения-донора ее эксплантата.
Сравнительным изучением двух растений линии C456 и полученных
от них каллюсных тканей возрастом 4, 7, 12 мес методом RAPD-анали-
за с использованием 40 десятинуклеотидных праймеров обнаружено по
2 полиморфных ампликона из 275 учтенных (0,73 %) в каллюсах обоих
растений [4]. Генетические дистанции по Неи между каллюсными куль-
турами и исходными растениями составили 0,0073.
При исследовании 6-месячных каллюсных тканей, полученных от
восьми индивидуальных растений линии ВИР-27 и семи — линии ЧК-218,
с применением 20 RAPD-праймеров из числа использованных для ана-
лиза каллюсных культур линии С456 выявлен один полиморфный фраг-
мент из 164 (0,61 %), который наблюдался в каллюсных тканях трех
растений линии ВИР-27 (генетические дистанции по Неи составили
0,0061). Отличия между растениями и 6-месячными каллюсными куль-
турами для ЧК-218 не обнаружены [5].
RAPD-анализом двух растений линии P346 и полученных от них
каллюсных культур возрастом 2 и 4 мес с применением 10 RAPD-прай-
меров выявлен один полиморфный ампликон из 77 (1,29 %) в каллюс-
ной культуре одного из растений [3]. Генетические дистанции между
каллюсными культурами и исходными растениями составили от 0 до
0,0131.
Долговременные генетические эффекты культивирования in vitro. По-
мимо изучения непосредственного воздействия индукции каллюсообра-
зования и последующего культивирования в условиях in vitro мы прове-
ли исследования, которые позволили оценить долговременные эффекты
культивирования тканей in vitro на геном кукурузы. Материалом для этих
исследований послужила инбредная линия кукурузы P346 и созданные
на ее основе в Институте физиологии растений и генетики НАН Укра-
ины линии УКЧ-5, УКЧ-6, УКЧ-7, УКЧ-8, УКЧ-9, которые по сравне-
нию с исходной P346 являются носителями ценных признаков, облада-
ют повышенным регенерационным потенциалом [8, 9]. Основой для
создания этих линий были сомаклональные варианты, процедура полу-
чения которых включала индукцию каллюсообразования из незрелых за-
родышей с последующим отбором из культивируемых тканей, характе-
ризовавшихся спонтанной изменчивостью, клонов с фенотипическими
признаками «индукция тотипотентного каллюсообразования» и «регене-
рационная способность» [9]. В ходе эксперимента, направленного на
изучение межлинейных отличий и внутрилинейного полиморфизма ку-
курузы линии P346 и ее сомаклонов, было проанализировано 9 растений
линии P346, по 10 растений линий УКЧ-5, УКЧ-6, УКЧ-8 и УКЧ-9, 8
растений — УКЧ-7. RAPD-анализ проводили с применением 10 произ-
вольных праймеров из числа использованных для других линий кукурузы.
489
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
Для всех объектов учтено 89 ампликонов, 68 из которых принадлежали
спектрам продуктов амплификации исходной линии P346, а остальные
21 — обнаруживали только у сомаклональных вариантов. Количество по-
лиморфных ампликонов составило 42 (47,2 % общего числа амплико-
нов). Более подробно данное исследование описано в работе [2].
В ходе анализа спектров продуктов амплификации индивидуальных
растений нами было выделено две группы полиморфных фрагментов. В
первую из них вошли ампликоны (в количестве 20, или 22,5 %), харак-
теризующиеся внутрилинейным полиморфизмом. При этом оказалось,
что исследованные линии отличаются между собой по уровню генетиче-
ской гетерогенности, в частности, по количеству растений с полиморф-
ными спектрами и количеству вариабельных фрагментов. Наибольшая
гетерогенность была обнаружена у растений линий УКЧ-6 и УКЧ-8,
наименьшая — у УКЧ-5. В то же время отличий в спектрах отдельных
растений исходной инбредной линии P346 не наблюдали.
Во вторую группу вошли ампликоны (в количестве 22, или 24,7 %),
которые характеризовались только межлинейным полиморфизмом и ос-
тавались стабильными в пределах выборки растений отдельных линий.
Часть ампликонов из этой группы оказалась специфичной для опреде-
ленных линий, тогда как другие обнаруживались у нескольких из них.
Исследованные линии отличались между собой по количеству фрагмен-
тов этой группы, а значит, и по генетическим дистанциям по Неи от ис-
ходной линии P346. Наибольшее количество полиморфных ампликонов
из этой группы и наибольшие генетические дистанции от P346 были у
линий УКЧ-6 и УКЧ-8 (соответственно 0,1542 и 0,1391), а наименьшие
отличия — у УКЧ-5 (0,0131). Линии УКЧ-7 и УКЧ-9 практически не от-
личались между собой по генетической дистанции от P346 (0,0671 и
0,0811) и занимали промежуточное положение.
Для исследования генетической стабильности сомаклональных ли-
ний проведено изучение каллюсных тканей, полученных в результате их
повторного введения в культуру in vitro [3]. В качестве эксплантатов в
этом эксперименте использовали ткани проростков семян индивидуаль-
ных растений. Всего проанализировано 19 растений и полученных от
них каллюсных культур, в частности два растения линии P346; три —
линии УКЧ-5; четыре — линии УКЧ-6; пять — линии УКЧ-7; три — ли-
нии УКЧ-8 и два — линии УКЧ-9. RAPD-ПЦР проводили с использовани-
ем тех же 10 праймеров, которые применяли для молекулярно-генетиче-
ского анализа сомаклональных линий. Всего учтено 77 фрагментов, 6 из
которых (7,7 % общего числа) были полиморфными.
Установлено, что сомаклональные линии отличались по уровню из-
менчивости в 2-месячной культуре тканей, в частности, по количеству
каллюсов, обладавших генетическими отличиями от исходных растений,
а также обнаруженных у них полиморфных ампликонов. В каллюсных
культурах линий УКЧ-7 и УКЧ-9 полиморфизм не наблюдался вообще.
В культуре тканей одного из двух растений линии P346 обнаружено от-
сутствие одного ампликона. Сходная по уровню изменчивость выявлена
у сомаклональной линии УКЧ-5, в каллюсе одного из растений которой
наблюдали дополнительный фрагмент, отсутствовавший в спектрах рас-
тения-донора эксплантата. В каллюсных культурах двух из трех растений
линии УКЧ-8 обнаружено три полиморфных фрагмента. Наибольшим
уровнем полиморфизма в культуре тканей in vitro характеризовалась ли-
490
И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
ния УКЧ-6, в каллюсных тканях всех растений которой было от одного
до трех вариабельных ампликонов.
При анализе тех же каллюсных культур 4-месячного возраста, на-
правленном на изучение влияния длительности культивирования in vitro
на генетическую изменчивость, не обнаружено большинства отличий (9
из 15 проявлений полиморфизма), наблюдавшихся между растениями-
донорами и 2-месячными каллюсами. Отличия от растений сохранились
только у одной каллюсной культуры линии P346, двух — УКЧ-6 и двух —
УКЧ-8, а общее количество полиморфных ампликонов снизилось до трех
(3,9 % общего числа). Методом блот-гибридизации установлено, что
гомологичные полиморфным ампликонам фрагменты есть и в RAPD-
спектрах тех объектов, где они не выявлялись окраской бромистым эти-
дием. Это позволяет предположить, что наблюдаемый полиморфизм ве-
роятнее всего обусловлен значительными изменениями количества
отдельных ПЦР-продуктов. Причинами таких количественных вариаций
могут быть как нуклеотидные замены в участке гибридизации праймера,
так и изменение количества амплифицируемой последовательности в со-
ставе матричной ДНК.
Обобщение. Первое сообщение об успешной регенерации полно-
ценных растений из культуры тканей кукурузы было сделано в 1975 г.
Грином и Филлипсом [12]. С того времени методики получения культи-
вируемых тканей, способных к регенерации растений, а также питатель-
ные среды существенно усовершенствованы. Однако, несмотря на более
чем 30-летнюю историю исследования культивируемых тканей кукурузы,
количество публикаций, посвященных изучению сомаклональной из-
менчивости этого растения в культуре in vitro, весьма немногочисленно.
В частности установлено, что в каллюсных культурах и растениях-реге-
нерантах кукурузы наблюдаются изменения нуклеотидной последова-
тельности и количества копий некоторых генов [11]. Данные об измене-
нии характера метилирования ДНК под влиянием культивирования in
vitro неоднозначны. Так, уровень метилирования мобильных элементов
Mu оставался неизменным в эмбриогенных каллюсных культурах куку-
рузы линии А188 и полученных из них регенерантах [20]. В то же вре-
мя в растениях, регенерированных из 7-месячных эмбриогенных кал-
люсных культур, полученных из двух незрелых зародышей, обнаружены
значительные вариации уровня метилирования ДНК ряда геномных по-
следовательностей [15]. В работах Осиповой и соавторов, изучавших со-
маклональные варианты кукурузы линии А188, полученные из 2- и 8-ме-
сячных каллюсных культур с использованием RAPD- и ISSR-анализа,
обнаружен высокий уровень генетического полиморфизма [6, 7].
В качестве метода исследования сомаклональной изменчивости на-
ми выбран RAPD-ПЦР. Хотя этот подход предложен еще в 1990 г. [21]
и с того времени появились другие более точные и эффективные мето-
ды молекулярно-генетического анализа, он по-прежнему находит при-
менение для решения широкого круга задач. Основными достоинствами
RAPD-анализа являются его относительная простота, дешевизна и быс-
трота проведения анализа, а также возможность получения большого ко-
личества молекулярных маркеров, случайным образом распределенных в
геноме, с использованием небольшого количества матричной ДНК. Кро-
ме того, этот метод не требует проведения предварительного анализа по-
следовательности ДНК исследуемого генома. Показано, что в случае
близкородственных или размножающихся клональным путем организ-
491
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
мов RAPD-анализ по точности сопоставим с AFLP-ПЦР [16]. К числу
основных его недостатков относится то, что RAPD-маркеры подобно
AFLP- и ISSR-маркерам являются доминантными, т.е. не позволяют от-
личать гомозиготу по доминантному аллелю от гетерозиготы. Среди не-
достатков RAPD-анализа часто упоминается и высокая чувствительность
к условиям реакции ПЦР, однако тщательный их контроль обеспечива-
ет хорошую воспроизводимость результатов.
Исследованием каллюсных культур четырех линий кукурузы уста-
новлено, что выращивание в условиях in vitro приводит к возникнове-
нию перестроек генома, проявляющихся в виде полиморфизма продук-
тов RAPD-ПЦР. Все исследованные линии характеризовались низким
уровнем изменчивости: полиморфизм отсутствовал вообще либо заклю-
чался в вариабельности единичных RAPD-ампликонов. Каллюсные
культуры, полученные из незрелых зародышей или тканей проростков
кукурузы, характеризовались примерно одинаковым уровнем изменчи-
вости. Отличия от исходного растения наблюдали уже в 2-месячных
культивируемых тканях. Дальнейшее выращивание in vitro сопровожда-
лось возрастанием количества таких отличий, однако это происходило
не во всех случаях.
При изучении сомаклональных линий обнаружены их генетические
отличия от исходной инбредной линии P346, что также указывает на су-
ществование изменчивости в культуре тканей in vitro. Кроме того, в ис-
следованных сомаклональных линиях наблюдали внутрилинейную гетеро-
генность. Растения каждой из сомаклональных линий являются прямыми
потомками одного растения-регенеранта, полученными путем самоопы-
ления, поэтому одним из источников такой гетерогенности могло стать
расщепление признаков в потомстве гетерозиготной особи. Однако рас-
тения исходной линии были гомозиготными по изучавшимся локусам,
что подтвердили результаты проведенного нами RAPD-анализа. В таком
случае гетерозиготность растений-регенерантов свидетельствует о том,
что в культуре тканей in vitro произошли мутации, которые привели к
возникновению разных аллельных форм части геномных локусов. Не ис-
ключено также, что под влиянием культивирования in vitro произошла
дестабилизация генома, отдаленные последствия которой проявились у
потомков растения-регенеранта. Однако имеющиеся у нас данные не
позволяют сделать однозначного вывода о реализации какого-либо кон-
кретного механизма. Существование другой группы полиморфных фраг-
ментов, не характеризовавшихся внутрилинейной вариабельностью, но
отличавшей сомаклональные линии от исходного генотипа, свидетельст-
вует о возможности возникновения мутаций в гомозиготной форме или
об их отборе при дальнейшем размножении.
В числе особенностей, обнаруженных в результате анализа линии
P346 и полученных от нее сомаклональных линий, следует отметить вза-
имосвязь между отличиями от исходной линии, уровнем внутрилинейной
гетерогенности и сомаклональной изменчивости. Так, наиболее удален-
ные от P346 сомаклональные линии имеют наивысший уровень внутри-
линейного полиморфизма и изменчивости в культуре in vitro, и наоборот,
линии с наименьшей генетической дистанцией от P346 характеризуются
наименьшей внутрилинейной генетической гетерогенностью и низким
уровнем изменчивости культивируемых тканей. Взаимосвязь между ге-
нетической удаленностью от исходной линии и внутрилинейной гетеро-
генностью можно объяснить тем, что изменения, возникающие в куль-
492
И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
туре in vitro, приводят к переходу генных локусов в гетерозиготное со-
стояние: чем большим изменениям подвергается геном, тем больше ло-
кусов становятся гетерозиготными и тем выше гетерогенность среди се-
менных потомков растения-регенеранта. Вместе с тем культивирование
in vitro может быть причиной дестабилизации генома, отдаленные по-
следствия которой могут проявляться в повышенной изменчивости рас-
тений сомаклональных линий. В пользу такого предположения свиде-
тельствует и повышенная изменчивость растений этих линий в культуре
тканей.
Полученные данные показывают, что величина генетических отли-
чий от исходного растения у сомаклональных линий, полученных из рас-
тений-регенерантов, может существенно отличаться от таковой у куль-
тивируемых тканей. Так, в случае линии P346 генетические дистанции
каллюсных культур от исходного растения варьировали от 0 до 0,0131.
Для сомаклональных линий значение этого показателя составляло от
0,0131 до 0,1542. Данные многочисленных цитологических исследований,
в том числе и кукурузы, свидетельствуют о том, что культивируемые тка-
ни растений представляют собой гетерогенную клеточную популяцию
[13]. RAPD-анализ ДНК культивируемых тканей не дает возможности
охарактеризовать всю эту гетерогенность, а выявляет главным образом
лишь генетические маркеры, присущие клеткам, представляющим зна-
чительную часть популяции. В то же время растения-регенеранты несут
в себе генетическую информацию отдельных клеток, которые дали им на-
чало. Поэтому молекулярно-генетический анализ культивируемых тка-
ней позволяет лишь приблизительно прогнозировать генетические изме-
нения в растениях-регенерантах.
Еще одной особенностью обнаруженных в культивируемых тканях
генетических изменений является то, что значительная часть амплико-
нов характеризуется вариабельностью по количеству. Как уже отмеча-
лось, причинами количественного полиморфизма может служить как из-
менение количества амплифицируемой последовательности в составе
матричной ДНК, которое, в свою очередь, может быть обусловлено ва-
риабельностью ее копийности в геномах культивируемых клеток, так и
колебания соотношения различных типов клеток в составе клеточной
популяции. Для возникновения обнаруженных нами генетических изме-
нений потребовался небольшой интервал времени (1—2 мес), и это поз-
воляет предполагать, что они происходили одновременно в значитель-
ной части популяции культивируемых клеток. Такие упорядоченные
перестройки генетического материала, на наш взгляд, возможны только
в том случае, если они являются запрограммированным ответом клетки
на внешнее воздействие, т.е. ассоциированы с определенными измене-
ниями физиологического состояния клетки. В качестве примера таких
событий можно назвать процессы дедифференцировки клеток при ин-
дукции каллюсоообразования и их последующей дифференцировки при
воздействии определенными фитогормонами. Таким образом, часть об-
наруженных нами в культуре тканей кукурузы изменений может быть
отнесена к эпигенетическим. В пользу этого предположения свидетель-
ствует однотипность изменений в каллюсных культурах, полученных от
растений одной или даже разных линий, а также наблюдаемая в некото-
рых случаях их обратимость.
Подводя итоги, можно сделать следующие заключения. Выращива-
ние тканей кукурузы в условиях in vitro приводит к возникновению пе-
493
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
рестроек генома уже на ранних этапах культивирования, проявляющихся
в виде полиморфизма продуктов RAPD-ПЦР. Каллюсные ткани четырех
исследованных линий кукурузы характеризовались низким уровнем из-
менчивости. Существенных отличий в уровне изменчивости каллюсных
культур, полученных с использованием различных типов эксплантатов,
а именно незрелых зародышей и тканей проростков, не наблюдалось.
Обнаруживаемый в культивируемых in vitro тканях кукурузы генетичес-
кий полиморфизм может быть реализован в виде более широкого диапа-
зона изменчивости в растениях-регенерантах. Культивирование in vitro
способно вызывать дестабилизацию генома, отдаленные последствия ко-
торой проявляются в повышенной генетической изменчивости потомст-
ва растений-регенерантов.
Авторы благодарны за предоставленный семенной материал д-ру
биол. наук Т.М. Чеченевой, д-ру биол. наук Е.А. Ларченко (Институт
физиологии растений и генетики НАН Украины), канд. с-х. наук И.А. Гу-
рьевой (Институт растениеводства им. В.Я.Юрьева УААН), д-ру биол.
наук Н.Е. Кожуховой (Южный биотехнологический центр в растение-
водстве УААН и МОН Украины), д-ру Мартину Саксу (Maize Genetics
Cooperative Stock Center, USA).
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ГНТП
Министерства образования и науки Украины в рамках проекта
№ 03.02.02/0014128.
1. Майданюк Д.Н., Андреев И.О., Спиридонова Е.В. и др. Геномная изменчивость линии ку-
курузы Black Mexican Sweet Corn C456 в культуре in vitro: результаты RAPD-анализа //
Вісн. Укр. тов-ва генетиків і селекціонерів. — 2006. — 4, № 1. — С. 58—67.
2. Майданюк Д.М., Андрєєв I.О., Спірідонова К.В., Кунах В.А. Генетичний поліморфізм со-
маклональних ліній кукурудзи, отриманих від лінії Р346 // Біополімери і клітина. —
2007. — 23, № 4. — С. 324—331.
3. Майданюк Д.М., Андрєєв I.О., Спірідонова К.В., Кунах В.А. Геномна мінливість в куль-
турі in vitro кукурудзи лінії Р346 і отриманих від неї сомаклональних ліній // Там са-
мо. — № 5. – С. 416—424.
4. Майданюк Д.М., Андрєєв I.О., Спірідонова К.В., Кунах В.А. Низька геномна мінливість в
культурі in vitro лінії кукурудзи Black Mexican Sweet Corn C456 // Доп. НАН України. —
2008. — № 1. — С. 161—164.
5. Майданюк Д.Н., Андреев И.О., Спиридонова Е.В., Кунах В.А. RAPD-фрагмент, вариабель-
ный в культуре тканей кукурузы // Фактори експериментальної еволюції організмів: Зб.
наук. праць. — 2009. — 7. — С. 231—236.
6. Осипова Е.С., Ковеза О.В., Троицкий А.В и др. Выявление специфических фрагментов у
сомаклонов кукурузы и создание на их основе SCAR-маркеров // Генетика. — 2003. —
39, № 12. — С. 1664—1672.
7. Осипова Е.С., Кокаева З.Г., Троицкий А.В. и др. RAPD-анализ сомаклонов кукурузы //
Там же. — 2001. — 37, № 1. — С. 91—96.
8. Чеченєва Т.М., Гур’єва I.А. Порівняльне дослідження сомаклональних інбредних ліній
кукурудзи за кількісними ознаками // Генетика в Україні на межі тисячоліть. — К.: Ло-
гос, 2001. — Т. 1. — С. 586—589.
9. Чеченєва Т.М. Спонтанна та індукована мінливість кукурузи in vitro: Автореф. ... д-ра
біол. наук. — К., 2003. – 41 с.
10. Bajaj Y.P.S. Biotechnology in maize improvement // Biotechnology in Agriculture and
Forestry. Maize. — 1994. — 25. — P. 3—23.
11. Brown P.T.H., Göbel E., Lörz H. RFLP analysis of Zea mays callus and their regenerated
plants // Theor. Appl. Genet. — 1991. — 81. — P. 227—232.
12. Green C.E., Phillips R.L. Plant regeneration from tissue cultures of maize // Crop. Sci. —
1975. — 15. — P. 417—420.
13. Gubar E.K., Kunakh V.A. C-banding in Zea mays // Biotechnology in Agriculture and
Forestry. Maize. — 1994. — 25.— P. 366—381.
14. Jones T.J. Maize tissue culture and transformation: the first 20 years // Biotechnology in
Agriculture and Forestry. Improvement Molecular Genetic Approaches to Maize. — 2009. —
36. — P. 7—27.
494
И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
15. Kaeppler S.M., Phillips R.L. Tissue culture-induced DNA methylation variation in maize //
Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1993. — 90. — P. 8773—8776.
16. Kjolner S., Sеstad S. M., Taberlet P., Brochmann C. Amplified fragment length polymorphism
versus random amplified polymorphic DNA markers: clonal diversity in Saxifraga cernua //
Mol. Ecol. — 2004. — 13. — P. 81—86.
17. Larkin P.J., Scowcroft W.R. Somaclonal variation – a novel source of variability from cell cul-
tures for plant improvement // Theor. Appl. Genet. — 1981. — 60. — P. 197—214.
18. Mohan Jain S. Tissue culture-derived variation in crop improvement // Euphytica. — 2001. —
118, N 2. — P. 153—166.
19. Pingali P.L., Pandey S. Meeting world maize needs: Technology opportunities and priorities
for the public sector // World Maize Facts and Trends. Meeting World Maize needs:
Technological Opportunities and Priorities for the Public Sector. – CIMMYT: Mexico City,
2001. — P. 1—3.
20. Planckaert F., Walbot V. Molecular and genetic characterization of Mu transposable elements
in Zea mays. Behavior in callus culture and regenerated plants // Genetics. — 1989. — 123. —
P. 567—578.
21. Williams J.G., Kubelik A.R., Livak K.J. et al. DNA polymorphisms amplified by arbitrary
primers are useful as genetic markers // Nucleic Acids Res. — 1990. — 18, N 22. — P. 6531—
6535.
Получено 28.04.2009
ГЕНЕТИЧНI ЕФЕКТИ КУЛЬТИВУВАННЯ IN VITRO ТКАНИН КУКУРУДЗИ
I.О. Андрєєв1, К.В. Спірідонова1, Д.М. Майданюк1,2, В.А. Кунах1
1Iнститут молекулярної біології та генетики Національної академії наук України, Київ
2Луганський національний аграрний університет
За результатами молекулярно-генетичного аналізу калюсних тканин інбредних ліній куку-
рудзи Black Mexіcan Sweet Corn С456, ВIР-27, ЧК-218, P346, а також сомаклональних
ліній, створених на основі лінії P346, оцінено генетичні ефекти культивування іn vіtro тка-
нин кукурудзи. Встановлено, що вже на ранніх етапах культивування відбуваються перебу-
дови геному, що виявляється у поліморфізмі продуктів RAPD-ПЛР. При цьому частина
виявлених змін мала оборотний характер, що дає підставу припускати їх взаємозв’язок із
процесами дедиференціювання клітин при індукції калюсоутворення. Культивування іn
vіtro може спричинювати дестабілізацію геному, віддалені наслідки якої виявляються в
підвищеній генетичній мінливості потомства рослин-регенерантів. Загалом досліджені лінії
кукурудзи характеризувалися низьким рівнем мінливості в культурі тканин незалежно від
типу експлантата.
GENETIC EFFECTS OF TISSUE CULTURE ON MAIZE
I.O. Andreev1, K.V. Spiridonova1, D.M. Maidanyuk1,2, V.A. Kunakh1
1Institute of Molecular Biology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine
150, Acad. Zabolotnogo St. Kyiv, 03680, Ukraine
2Lugansk National Agrarian University,
Lugansk, 91008, Ukraine
Genetic effects of tissue culture on maize were evaluated based on the results of molecular-gene-
tic analysis of callus tissues of the Zea mays inbred lines Black Mexican Sweet Corn C456, VIR-
27, ChK-218 and P346, as well as somaclonal lines developed on the basis of P346. There was
found that genome rearrangements occurred as early as after two months in culture in vitro, as is
evidenced by appearance of RAPD-spectra polymorphism. At same time, reversibility of some
genome rearrangements implies their association with dedifferentiation processes to be occurred in
the course of callus induction. Tissue culture may induce genome instability, which long-lasting
consequences may result in enhanced genetic variability of plant regenerants progeny. Thus, the
lines under study show a low level of variability in tissue culture regardless of explant types.
Key words: Zea mays L., somaclonal variability, tissue culture, plant regenerants.
495
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
496
И.О. АНДРЕЕВ, Е.В. СПИРИДОНОВА, Д.Н. МАЙДАНЮК, В.А. КУНАХ
Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 41. № 6
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30307 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0522-9310 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:48:54Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Андреев, И.О. Спиридонова, Е.В. Майданюк, Д.Н. Кунах, В.А. 2012-01-28T20:03:36Z 2012-01-28T20:03:36Z 2009 Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы / И.О. Андреев, Е.В. Спиридонова, Д.Н. Майданюк, В.А. Кунах // Физиология и биохимия культурных растений. — 2009. — Т. 41, № 6. — С. 487-495. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0522-9310 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30307 575.22:633.15+581.143.6 По результатам молекулярно-генетического анализа каллюсных тканей инбредных линий кукурузы Black Mexican Sweet Corn С456, ВИР-27, ЧК-218, P346, а также сомаклональных линий, созданных на основе линии P346, оценены генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы. Установлено, что уже на ранних этапах культивирования происходят перестройки генома, проявляющиеся в полиморфизме продуктов RAPD-ПЦР. При этом часть обнаруженных изменений имела обратимый характер, что позволяет предполагать их взаимосвязь с процессами дедифференцировки клеток при индукции каллюсообразования. Культивирование in vitro может вызывать дестабилизацию генома, отдаленные последствия которой проявляются в повышенной генетической изменчивости потомства растений-регенерантов. В целом исследованные линии кукурузы характеризовались низким уровнем изменчивости в культуре тканей независимо от типа эксплантата. За результатами молекулярно-генетичного аналізу калюсних тканин інбредних ліній кукурудзи Black Mexіcan Sweet Corn С456, ВIР-27, ЧК-218, P346, а також сомаклональних ліній, створених на основі лінії P346, оцінено генетичні ефекти культивування іn vіtro тканин кукурудзи. Встановлено, що вже на ранніх етапах культивування відбуваються перебудови геному, що виявляється у поліморфізмі продуктів RAPD-ПЛР. При цьому частина виявлених змін мала оборотний характер, що дає підставу припускати їх взаємозв’язок із процесами дедиференціювання клітин при індукції калюсоутворення. Культивування іn vіtro може спричинювати дестабілізацію геному, віддалені наслідки якої виявляються в підвищеній генетичній мінливості потомства рослин-регенерантів. Загалом досліджені лінії кукурудзи характеризувалися низьким рівнем мінливості в культурі тканин незалежно від типу експлантата. Genetic effects of tissue culture on maize were evaluated based on the results of molecular-genetic analysis of callus tissues of the Zea mays inbred lines Black Mexican Sweet Corn C456, VIR-27, ChK-218 and P346, as well as somaclonal lines developed on the basis of P346. There was found that genome rearrangements occurred as early as after two months in culture in vitro, as is evidenced by appearance of RAPD-spectra polymorphism. At same time, reversibility of some genome rearrangements implies their association with dedifferentiation processes to be occurred in the course of callus induction. Tissue culture may induce genome instability, which long-lasting consequences may result in enhanced genetic variability of plant regenerants progeny. Thus, the lines under study show a low level of variability in tissue culture regardless of explant types. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ГНТП Министерства образования и науки Украины в рамках проекта № 03.02.02/0014128. ru Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України Физиология и биохимия культурных растений Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы Генетичнi ефекти культивування in vitro тканин кукурудзи Genetic effects of tissue culture on maize Article published earlier |
| spellingShingle | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы Андреев, И.О. Спиридонова, Е.В. Майданюк, Д.Н. Кунах, В.А. |
| title | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| title_alt | Генетичнi ефекти культивування in vitro тканин кукурудзи Genetic effects of tissue culture on maize |
| title_full | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| title_fullStr | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| title_full_unstemmed | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| title_short | Генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| title_sort | генетические эффекты культивирования in vitro тканей кукурузы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30307 |
| work_keys_str_mv | AT andreevio genetičeskieéffektykulʹtivirovaniâinvitrotkaneikukuruzy AT spiridonovaev genetičeskieéffektykulʹtivirovaniâinvitrotkaneikukuruzy AT maidanûkdn genetičeskieéffektykulʹtivirovaniâinvitrotkaneikukuruzy AT kunahva genetičeskieéffektykulʹtivirovaniâinvitrotkaneikukuruzy AT andreevio genetičniefektikulʹtivuvannâinvitrotkaninkukurudzi AT spiridonovaev genetičniefektikulʹtivuvannâinvitrotkaninkukurudzi AT maidanûkdn genetičniefektikulʹtivuvannâinvitrotkaninkukurudzi AT kunahva genetičniefektikulʹtivuvannâinvitrotkaninkukurudzi AT andreevio geneticeffectsoftissuecultureonmaize AT spiridonovaev geneticeffectsoftissuecultureonmaize AT maidanûkdn geneticeffectsoftissuecultureonmaize AT kunahva geneticeffectsoftissuecultureonmaize |