При переходе с диплоидного на гаплоидный уровень растение претерпевает ряд фенотипических изменений, которые носят, прежде всего, количественный характер. Наиболее часто гаплоиды описываются как «уменьшенные копии» родительских организмов, с меньшими размерами вегетативных и генеративных органов, частично или полностью стерильные. Эти особенности гаплоидов связаны, прежде всего, с тем, что генотип гаплоидов представлен одним геномом, однако переход с диплоидного уровня на гаплоидный не сводится к уменьшению размеров растения пропорционально уменьшению числа хромосом. Выявлению механизмов действующих в этих случаях закономерностей, были посвящены работы ряда авторов, часть из которых рассматривается ниже.
S.S.Chase (1964) проводил сравнительное изучение диплоидов и полученных от них гаплоидов кукурузы с целью выявления взаимосвязи между уровнем плоидности и соответствующими морфологическими характеристиками. Автор исходил из того предположения, что при переходе на гаплоидный уровень размеры растений должны уменьшаться вдвое, в тоже время, такие признаки как число узлов, количество рядов в початке и т.п. должны оставаться неизменными. Сопоставление экспериментальных данных и теоретических, расчетных значений, выявило несоответствие расчетных и наблюдаемых величин. Последующая математическая обработка подтвердила значимость различий между экспериментальными и теоретическими значениями морфологических параметров. Тот факт, что гаплоидные растения показали более низкие, по сравнению с ожидаемыми, значения морфологических признаков объясняется, по мнению автора, тем, что, во-первых, действие одного гена у гаплоида является менее эффективным в сравнении с действием одного гена у диплоида. Во-вторых, менее благоприятными оказываются условия развития гаплоидов. Что связано в первую очередь со слабым развитием корневой системы и как следствие – общим снижением жизнеспособности растения. В-третьих, скорость деления гаплоидных клеток превышает скорость деления диплоидных, вследствие сокращения продолжительности митотического цикла у гаплоидов, что не может не отразиться на размерах органов растения. С этими выводами не согласуются те случаи когда, как моно-, так и полигаплоиды не уступали исходным диплоидным формам (Хохлов, Зайцева, 1976), но в некоторых случаях и превосходили их (Хохлов и др., 1970). С.С. Хохлов и М.И. Зайцева (1976) используя данные S.S. Chase (1964) изучали характер изменения листовой пластинки при переходе с диплоидного (полиплоидного) уровня на гаплоидный. Изучались относительные величины изменения длины, ширины, а так же индекса (отношение длины к ширине) листовой пластинки у 6 линий кукурузы и 7 сортов картофеля. Вывод, сделанный на основании анализа данных, согласуется с морфогенетической закономерностью, установленной для полиплоидных рядов: увеличение числа хромосом ведет к сокращению длины и увеличению ширины вегетативных органов, уменьшение числа хромосом – к увеличению их продольных и сокращению поперечных размеров (Хохлов и др., 1976). Общей, для гаплоидов и полигаплоидов является тенденция к уменьшению признака, хотя степень уменьшения зависит от особенностей признака.
В работе V.A.Rotarenko (2000), в качестве исходного материала, была использована гетерогенная популяция SP и гаплоиды, полученные из неё. Изучались следующие пары признаков: высота растения и высота прикрепления початка, длина и ширина листа, длина и диаметр початка. По указанным парам признаков был произведен расчет коэффициентов корреляции. Кроме того, для каждого уровня плоидности были определены интегральные параметры, один из которых характеризовал растение в целом. А другой, отражал признаки початка. Для этих параметров так же были рассчитаны коэффициенты корреляции. Сравнение коэффициентов корреляции для всех пар признаков кроме длины и диаметра початка, выявило отсутствие значимых различий между ними. Связь между длиной и диаметром початка у гаплоидов оказалась менее тесной по сравнению с таковой у диплоидов. Коэффициенты корреляции. Рассчитанные для индексов растения и початка, так же обнаружили значимое различие для диплоидного и гаплоидного уровней.
Таким образом, при переходе с диплоидного уровня на гаплоидный наблюдаются стойкие изменения морфологических характеристик растений, заключающиеся в уменьшении размеров клеток и органов. Наряду с этим наблюдается изменение коррелятивных связей между темпами развития различных органов растения.
Уменьшение размеров гаплоидного растения по сравнению с диплоидным связано с уменьшением размеров клеток. Подобные факты отмечены многими авторами. Так, М.А.Иванов (Хохлов и др., 1976) наблюдал у гаплоидов табака уменьшение размеров соматических клеток и их ядер вдвое. Двукратное уменьшение размеров клеток и ядер отмечено у лилии (Хохлов и др., 1976). D.Rothackerс и G.Schafer (Хохлов и др., 1976) сравнивая размеры полигаплоидного (n=24) и тетраплоидного (2n=48) картофеля, как по длине, так и по ширине клеток получили соотношение 1:1,2. Приблизительно тот же результат был получен ими для размеров крахмальных зерен.
М.И.Зайцева (Хохлов и др., 1970) исследовала различия в размерах замыкающих клеток устьиц на листьях разных ярусов диплоидов и гаплоидов кукурузы. Было выявлено влияние сортовых различий на степень уменьшения замыкающих клеток, а так же различий в положении листа. Дальнейшие исследования проводились с учетом различий в генетической структуре растений. Изучались две группы сорта кукурузы Розенбергская – от перекрестноопыляющихся особей и от линии после трех лет самоопыления. Сравнение производили с соответствующими диплоидными формами. Обнаружено, что гаплоиды. Полученные от самоопыленной линии, отличались от соответствующих диплоидных форм по размерам анатомических элементов менее резко в сравнении с гаплоидами, полученными от перекрёстноопыляемых особей.
Таким образом, исследования, направленные на изучение размеров анатомических элементов для различных уровней плоидности позволили установить, что в среднем переход на гаплоидный уровень сопровождается уменьшением длин замыкающих клеток устьиц, длины и ширины ядер клеток эпидермиса, объёма клеток корневой меристемы и клеточных ядер. При этом степень уменьшения зависит от вида, сорта растения, степени его гетерозиготности, а также от положения органа и возраста растения в целом.
С уровнем плоидности тесно связан такой признак как количество устьиц на единицу площади. С.С.Хохлов (1976) указывает на обратную зависимость между числом устьиц и числом хромосом. То есть с уменьшением уровня плоидности растения число устьиц увеличивается. По данным С.С.Хохлова количества устьиц у гаплоидов, полученных от самоопыляемых и перекрестноопыляемых растений, равны. Резкое, двукратное увеличение числа устьиц при переходе на гаплоидный уровень наблюдалось Dultieu у Nicotiana(Хохлов и др., 1970). Однако, данные касающиеся числа устьиц у N.sanderae (n=9) и его 33-х хромосомного гибрида с N.tabacum (n=24) говорят об отсутствии однозначного соответствия между числом хромосом и количеством устьиц на единицу площади. Кроме того, гибрид N.sanderae× N.tabacum по количеству устьиц на единицу площади превосходит обоих родителей. Таким образом, рассмотренный признак зависит как от уровня плоидности, так и от степени гомо- или гетерозиготности организма, а так же и от видовых особенностей растения.
Закономерности перехода на гаплоидный уровень изучались так же посредством сравнения степени развития корневой системы для растений различного уровня плоидности. S.S. Chase (1964) указывает, что у диплоидов корневая система более мощно развита в сравнении с гаплоидами. По некоторым данным при переходе на тетраплоидный уровень мощность корневой системы возрастает в 1,5 – 2 раза (Хохлов и др., 1970).
Различия в развитии корневой системы гаплоидов и диплоидов обнаруживаются на ранних этапах онтогенеза. На ранних стадиях развития главный зародышевый корень гаплоидов в 1,5 – 2 раза короче главного зародышевого корня диплоидов, слабо развиты боковые корни. У взрослых растений масса корневой системы гаплоидов снижена по сравнению с диплоидами, у некоторых растений вообще отсутствуют боковые корни. В среднем корни гаплоидов в два раза тоньше корней диплоидов, а сухая масса корней гаплоидных растений составляет от 10 до 60% сухой массы корневой системы диплоидов (Хохлов и др., 1976).
С.С.Хохлов (1970) указывает на диспропорцию в развитии надземной и подземной частей гаплоидных растений, отмечая более сильную депрессию в развитии корневой системы. А так же обнаружена тенденция к уменьшению отношения массы корней к массе всего растения – у диплоидных растений к моменту вымётывания метелок это соотношение в 1,2 – 2 раза выше, чем у гаплоидов (Хохлов, 1976).Следствием слабого развития корневой системы является общее ухудшение функционального состояния гаплоидных растений.
Таким образом, фенотипические изменения, которые претерпевает растение при переходе на гаплоидный уровень, прежде всего, связаны с генотипическими изменениями. Степень этих различий разнится для отдельных признаков. Все признаки гаплоидных растений изменяются главным образом в сторону уменьшения, но непропорционально уменьшению числа хромосом. Что вызвано многими причинами – генетической структурой исходных диплоидов, качественным составом хромосом, взаимодействием и дозой генов.
Для гаплоидов характерно гаметическое число хромосом и лишь изредка встречаются особи с меньшим или большим их количеством. Гаплоидное состояние клеток, как в культуре, так и в естественном состоянии может сохраняться длительное время (Тырнов, 1976). Таким образом, представление о гаплоидном уровне как о нестабильном вследствие хромосомной несбалансированности не соответствует действительности. Этим, по мнению В.С. Тырнова (1976) объясняются неудачи по получению диплоидных гомозиготных линий.
Известны случаи появления у гаплоидов ахроматиновых участков хромосом, что объясняется низким уровнем процессов, отвечающих за синтез нуклеиновых кислот (Тырнов, 1976).
Переход на гаплоидный уровень практически не влияет на характер течения митоза у растения. В митозе у гаплоидов наблюдаются те же фазы, которые характерны для диплоидных растений: интерфаза, метафаза, анафаза и телофаза (Тырнов, 1976).
В митозе у гаплоидов, могут иметь место те же аномалии, что наблюдаются и у диплоидов: полиплоидизация, двуядерность, слипание хромосом, возникновение хромосомных аберраций.
В ряде случаев. В митозе у гаплоидов отклонения, которые, возможно, специфичны только для гаплоидного уровня. У Niccotiana glutinosa, у гаплоидов иногда наблюдалось наличие ядрышек, а так же из остатков в профазе, метафазе и реже в анафазе. Предполагается, что в некоторых таких ненормальных клетках отсутствует анафазное разделение и происходит, по существу спонтанная диплоидизация (Тырнов, 1976).
В соответствии с данными В.А.Тодуа (1970) у гаплоидов Niccotiana tabacum митоз в целом проходит нормально, однако, в анафазе изредка наблюдалось отставание хромосом и их неправильное расхождение к полюсам клетки.
По данным В.С. Тырнова (1976) переход на гаплоидный уровень не приводит к значительным нарушениям метаболических процессов, связанных с делением клеток. Темп клеточных делений у гаплоидов томата и кукурузы по сравнению с соответствующими диплоидами был довольно близким.
В работе Х. Тицу (цит. по Тырнов, 1976), посвящённой изучению продолжительности митотического цикла у гаплоидных форм томата, показано, что в меристематических клетках корней черенков взрослых растений цикл гаплоидных клеток был приблизительно в полтора раза продолжительнее, чем у диплоидных.
В работе Давояна, В.С. Тырнова, С.С. Хохлова (Хохлов и др., 1970) установлено, что длительность митотического цикла клеток находится в прямой зависимости от их плоидности. Кроме того, имеется положительная корреляционная связь между плоидностью и размерами клеток. При переходе от n к 4n размер клеток постепенно возрастает, из чего можно заключить, что размеры клеток зависят от продолжительности их митотического цикла.
В.С. Тырновым с сотрудниками было проведено изучение уровня хромосомных перестроек в клетках меристем корней кукурузы различных сортов, линий и гибридов (Тырнов и др., 1976). Полученные в работе данные свидетельствуют об отсутствии резких различий межу гаплоидами и диплоидами. В некоторых случаях у гаплоидов количество хромосомных нарушений было даже меньшим, чем у диплоидов, что объясняется, возможно, быстрой элиминацией поврежденных гаплоидных клеток, ввиду отсутствия защитного действия аллеломорфов гомологичных хромосом.
Таким образом, для гаплоидов покрытосеменных, не установлено каких-либо принципиально-новых цитологических особенностей, коренным образом отличающих их от таковых у диплоидов. Гаплоидов могут длительное время сохранять гаплоидное состояние и успешно противостоять вредным воздействиям извне, что объясняется высокой конкурентоспособностью гаплоидных клеток, которая обеспечивается быстрым темпом деления клеток, более коротким митотическим циклом, и быстрой элиминацией повреждённых клеток.
Автор статьи: Струнин Д.Е.